利用城市廢渣磚制備膠凝材料的研究

1、利用城市廢渣磚制備膠凝材料的研究牛福生1 王國清2 李富平1（1 河北理工大學(xué) 河北唐山 063009 2 中國環(huán)境科學(xué)學(xué)會 北京 100083）摘 要 本文介紹了一種利用城市廢渣磚制備復(fù)合膠凝材料的方法，研究表明，城市廢渣磚復(fù)合膠凝材料性能優(yōu)異，各項指標均符合相關(guān)標準要求，同時論文還就復(fù)合膠凝材料的水硬化機理作了簡單的分析。關(guān)鍵詞 廢渣磚 膠凝材料 水硬化1 前言城市建筑廢渣磚是城市垃圾的一個重要組成部分，隨著城市的不斷發(fā)展壯大，因建筑物新建和對舊城改造而產(chǎn)生的廢渣磚數(shù)量在激劇增加，已成為城市環(huán)境工程的一大難題，不少城市的市政管理和環(huán)保部門為保持城市環(huán)境的清潔，都在不同程度上加強了對建筑廢渣

2、磚的管理和處置。目前我國相當大數(shù)量的建筑垃圾是被直接運往城郊進行填埋或堆放，這種不負責(zé)的“污染轉(zhuǎn)移”的處理方式的危害性是極大的，一是在垃圾清運過程中的會發(fā)生遺撒和粉塵、灰沙飛揚等問題造成對周圍環(huán)境的污染；二是會形成城郊垃圾堆放地的土地被大量占用、地下水污染和大氣污染。同時，與城市有機垃圾不同的是，建筑垃圾具有資源含量高、易重復(fù)利用等特點，而且建筑垃圾的礦物成分多以Al2O3、SiO2和CaO為主，和傳統(tǒng)的水泥、粘土等鋁硅質(zhì)礦物原料成分接近。因此，加強建筑垃圾的綜合治理，不僅是清潔環(huán)境、減少污染的需要，也是資源可持續(xù)利用的一個重要方向。本文將利用廢渣磚具有的潛在活性，把廢渣磚磨成細粉，然后利用硅

3、酸鹽水泥熟料作為激發(fā)劑，制備一種新型的復(fù)合膠凝材料。2 試驗原料及方法原料中建筑廢渣磚是以廢磚為主，約80%（質(zhì)量）左右，在配料前建筑廢渣磚應(yīng)被破碎成040mm的顆粒。石膏是指生石膏或半水石膏，采用生石膏時應(yīng)符合GB548385的規(guī)定，半水石膏應(yīng)符合GB977688的規(guī)定。石膏在配料前應(yīng)破碎成040mm的顆粒。所用水泥熟料3天抗壓強度為27.0MPa，28天抗壓強度為52.5MPa。試驗所用的廢渣磚和水泥熟料的主要化學(xué)成分見表1和表2。表1 粘土磚原料的化學(xué)組成(%) CaO SiO2 Al2O3 Fe2O3 MgO 0.25 77.96 15.10 4.31 0.24表2 水泥熟料的化學(xué)組成

4、(%) CaO SiO2 Al2O3 Fe2O3 MgO 66.73 21.96 4.11 2.29 3.223試驗結(jié)果與討論該膠凝材料制作的試模是在標準養(yǎng)護箱（20±1，濕度96）中養(yǎng)護7d和28d；抗壓強度試驗分別采用ISO標準水泥膠砂強度檢測方法和30mm×30mm×50mm凈漿強度進行檢驗。3.1配制工藝廢渣磚膠凝材料的配制工藝簡單、操作方便、工藝參數(shù)控制容易。其配制工藝流程圖如1所示。稱量配料混合均勻磨細粒度檢測性能檢測成品包裝廢渣磚石 膏水泥熟料破碎破碎圖1 廢渣磚膠凝材料配制工藝流程圖3.2廢磚粉粒度廢舊磚粉的粒度不僅是其潛在活性的強弱的重要因素，不

5、同粒徑的著廢舊磚粉，其被水泥等激發(fā)劑激發(fā)程度也有很大的不同，同時廢舊磚粉中一些超細粒子的存在也將對復(fù)合膠凝材料起著微粒填充作用和表面活性作用。試驗選定三種粒徑：粗粒（34.590µm）、細粒（10.668µm）和超細粒（4.773µm）。以標準養(yǎng)護7天和28天強度為考核指標，磚粉摻量為50%。由試驗結(jié)果可知，隨著廢磚粉粒度越來越細，復(fù)合膠凝材料的強度值也越來越高。粒度為34.590µm時，其養(yǎng)護28天的最高強度為38.5MPa，而當粒度降至為4.773µm時，其養(yǎng)護28天的最高強度可以達到70.5MPa，強度增長率為83.2%。從圖上還可以看出

6、，養(yǎng)護齡期對粗粒度和超細粒度的復(fù)合膠凝材料強度影響較大，而當粒度為中細顆粒時影響程度比較小。3.3廢磚粉摻量廢舊磚粉摻入量是影響膠凝材料性能的一個重要因素，本研究中選擇的廢舊磚粉摻入量分別為50%、60%、70%和80%，磚粉粒度為以在標準養(yǎng)護條件下養(yǎng)護7天和28天強度為考核指標，磚粉粒度為細磚粉（10.668µm）。由實驗結(jié)果可知，隨著廢舊磚粉摻入量的增加，磚粉水泥復(fù)合膠凝材料整體的強度是下降的，摻量50%時，28天抗壓強度54.91MPa，摻量80%時，28天抗壓強度下降到29.1 MPa，從養(yǎng)護齡期來看，總體強度也隨著養(yǎng)護時間的增長而增強，但隨著廢舊磚粉摻入量增大，其強度增幅逐

7、漸變小，如摻量80%時，養(yǎng)護7天和養(yǎng)護28天的強度從26.3 MPa增長到29.1 MPa，強度增長率僅為10.6%，而在摻量50%時，護7天和養(yǎng)護28天的強度從46.8 MPa增長到54.91 MPa，強度增長率為17.3%。從水灰比的結(jié)果來看，磚粉水泥復(fù)合膠凝材料的強度是隨著水灰比的增長呈先上升到一定程度后再下降的趨勢，基本上最佳的水灰比在0.260.27之間，其對膠凝材料強度的影響程度也隨著磚粉摻入量的增加而增加。4 城市磚粉復(fù)合膠凝材料形成機理4.1 城市磚粉復(fù)合膠凝材料的水化紅磚是粘土在高溫煅燒冷卻形成的具有一定強度的固體，在冷卻的過程中形成一些具有潛在活性的不定形的二氧化硅、三氧化

8、二鋁、三氧化二鐵等。紅磚粉與水泥以及石膏復(fù)合以后，水泥水化后除了形成水化硅酸鈣和水化鐵酸鈣凝膠、氫氧化鈣、水化鋁酸鈣和水化硫鋁酸鈣晶體以外，水泥水化產(chǎn)物氫氧化鈣還將與磚粉中的二氧化硅、三氧化二鋁、三氧化鐵玻璃態(tài)反應(yīng)，進一步促進水泥顆粒的水化，并且再次形成水化硅酸鈣、水化鐵酸鈣凝膠和水化鋁酸鈣晶體。二氧化硅與氫氧化鈣作用，生成含水硅酸鈣：2SiO2+3Ca(OH)2=3CaO2SiO23H2O三氧化二鋁與氫氧化鈣作用，形成含水鋁酸鈣：Al2O3+3Ca(OH)2+3H2O=3CaOAl2O36H2O三氧化二鐵與氫氧化鈣及三氧化二鋁作用生成含水鐵酸鈣：Fe2O3+2Ca(OH)2=CaOFe2O3

9、H2O水泥顆粒周圍的溶液很快成為水化產(chǎn)物的飽和溶液。磚粉顆粒中玻璃態(tài)二氧化硅、三氧化鋁與水泥顆粒水化產(chǎn)物反應(yīng)，再次形成C-S-H凝膠，隨著反應(yīng)的進行，水泥顆粒周圍的Ca(OH)2含量變小，再次激發(fā)了水泥顆粒的進一步水化。凝膠體中除了氫氧化鈣和含水鋁酸鈣將逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榻Y(jié)晶外，還有沒有完全反應(yīng)的水泥顆粒和磚粉顆粒，它們貫穿于凝膠體中，緊密結(jié)合起來，形成具有一定強度的水泥石，隨著齡期的延續(xù)，水泥顆粒和磚粉顆粒內(nèi)部未水化部分將繼續(xù)水化，使晶體逐漸增多，凝膠體逐漸密實，水泥石也就具有愈來愈高的膠結(jié)力和強度。5 城市磚粉膠凝材料主要技術(shù)指標及應(yīng)用5.1 主要技術(shù)指標按照國家標準GB175-1999對硅酸鹽類

10、膠凝材料品質(zhì)有一定的要求，這里對磚粉膠凝材料按照GB175-1999進行安定性、細度和凝結(jié)時間測試。(1) 體積安定性用沸煮法檢驗?zāi)z凝材料的安定性。將復(fù)合膠凝材料試餅在沸煮箱中沸煮3h后發(fā)現(xiàn)，該試餅外形既沒有開裂也沒有膨脹，體積安定性良好。(2) 細度用篩析法測定復(fù)合膠凝材料的細度。用0.08mm方孔篩對系列城市磚粉復(fù)合膠凝材料進行篩析試驗發(fā)現(xiàn)，篩余不超過10%。細度完全合格。(3) 凝結(jié)時間 表3 復(fù)合膠凝材料凝結(jié)時間配合比w/%凝結(jié)時間磚粉摻量/粒度水泥水灰比初凝時間終凝時間60(細粒)400.261h58min5h11min60（超細粒）400.261h43min4h58min50(細粒

11、)400.271h26min4h31min50（超細粒）400.271h14min4h07min為使混凝土和砂漿有充分的時間進行攪拌、運輸、澆搗和砌筑，膠凝材料的初凝時間不能過短，當施工完畢，則要求盡快硬化，具有強度，因此終凝時間不能太長。按照國標規(guī)定，膠凝材料的初凝時間不能早于45min，終凝時間不得遲于6.5h。5.2 城市磚粉膠凝材料的混凝土應(yīng)用把FZF-C復(fù)合膠凝材料按照下列的比例配制混凝土：膠凝材料：534kg/m3（528.66凝膠、5.34減水劑）用水總量：214kg/m3粗集料：1050kg/m3細集料：690kg/m3按照上述配制混凝土的細度模度為2.8，最后測定的抗壓強度和

12、坍落度見表4。 由表4結(jié)果可以看出，用細度城市廢棄磚 膠凝材料配制的混凝土養(yǎng)護28天時，其最高強度可以達到C50的標準。表4 混凝土的強度值和坍落度 6 廢渣磚膠凝材料前景與展望硅酸鹽水泥問世一個半世紀以來，對促進人類社會進步的積極作用是非常明顯的、也是不可估量的。但是硅酸鹽水泥生產(chǎn)過程中能耗大、污染嚴重，生產(chǎn)一噸的水泥熟料，將會在大氣中排放一噸的CO2氣體。加劇了大氣的污染，使溫室效應(yīng)更加明顯。因此，現(xiàn)代建筑材料的生產(chǎn)制造過程中，人們廣泛使用活性混合材料來代替部分水泥熟料，其中礦渣、粉煤灰、沸石和硅灰的應(yīng)用最廣。進入21世紀，舊城改造拆除堆積的廢舊粘土磚，由于其特殊的成因條件，使其含有活性的

13、二氧化硅和三氧化二鋁的玻璃態(tài)物質(zhì)，這也正是廢舊粘土磚粉可以被利用的原因。以建筑廢渣磚為主要原材料制備而成的新型高強復(fù)合膠凝材料除了能減輕我國舊城改造所形成的主要建筑垃圾對環(huán)境的不利影響外，還能節(jié)省大量的水泥熟料。制備一噸該膠凝材料可比現(xiàn)有的普通水泥制備技術(shù)節(jié)省水泥熟料200300kg，從而少向大氣中排放CO2200300kg，其它大氣污染物也會相應(yīng)較少20.0%30.0.%。在經(jīng)濟效益方面，除了減少燒制水泥熟料所節(jié)約的成本外，廢磚的易磨性也是磨細成本下降10%20%。本膠凝材料涉及的各種指標符和GB129581999標準。因此，利用粘土磚粉和硅酸鹽水泥熟料復(fù)合的FZF-C復(fù)合膠凝材料與普通硅酸鹽水泥相比，其原料來源比較廣泛，成本低廉，具有很好的環(huán)境、經(jīng)濟和社會效益。參考文獻2 楊南如充分利用資源開發(fā)新型膠凝材料建筑材料學(xué)報，1998（1）:19253 Eliebig4 潘群雄等