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      建筑垃圾制備膠凝材料研究

      2012-11-10 06:11:42朱麗蘋(píng)陸占清王少龍
      水泥技術(shù) 2012年3期
      關(guān)鍵詞:膠凝礦渣水化

      朱麗蘋(píng),陸占清,王少龍

      建筑垃圾制備膠凝材料研究

      朱麗蘋(píng),陸占清,王少龍

      本文討論了建筑垃圾的利用現(xiàn)狀。研究得出:以建筑垃圾為主要原料,同時(shí)復(fù)配FMH、SN、KZF,制備出了可以替代22.5號(hào)砌筑水泥的膠凝材料,為實(shí)現(xiàn)建筑垃圾大規(guī)模綜合利用提供了技術(shù)基礎(chǔ)。關(guān)鍵詞:建筑垃圾;膠凝材料

      1 引言

      建筑垃圾主要來(lái)源于舊建筑物拆遷和建筑工地垃圾,并且隨著城市化進(jìn)程的加快,其數(shù)量與日俱增,其中舊建筑物拆遷分為磚和石頭、混凝土、木材、塑料、石膏和灰漿、鋼鐵和非鐵金屬等幾類[1];其次建筑工地垃圾分為剩余混凝土(工程中沒(méi)有使用掉的混凝土)、建筑碎料(鑿除、抹灰等產(chǎn)生的舊混凝土、砂漿等礦物材料)以及木材、紙、金屬和其他廢料等類型[1~2],其主要組成為廢磚和廢混凝土。建筑垃圾的危害主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:

      (1)占用大量土地資源,在露天堆放的過(guò)程中,經(jīng)長(zhǎng)期日曬雨淋后,建筑垃圾中酸、堿等有害物質(zhì)滲入土壤中[3],從而發(fā)生一系列物理、化學(xué)、生物反應(yīng),或?yàn)橹参锔滴栈虮晃⑸锖铣晌?,造成土壤污染[5]。

      (2)污染空氣,造成空氣質(zhì)量下降。首先建筑垃圾在堆放過(guò)程發(fā)生粉化,細(xì)小顆粒會(huì)懸浮在空氣中;其次,建筑垃圾中的有機(jī)物在一定溫度、水分條件下,部分有機(jī)物質(zhì)發(fā)生分解,從而產(chǎn)生有害氣體[4]。

      表1 礦渣粉、煤粉灰的化學(xué)組成,%

      (3)造成水體污染。建筑垃圾在堆放和填埋過(guò)程中,因發(fā)酵和雨水的沖淋以及在地表水和地下水的浸泡中[6],將產(chǎn)生大量的滲濾液或淋濾液,從而造成周圍地表水和地下水的嚴(yán)重污染。

      目前建筑垃圾利用存在的缺點(diǎn)是:

      (1)建筑垃圾摻量較低,最高摻量只有20%,達(dá)不到建筑垃圾大規(guī)模綜合利用的要求;

      (2)沒(méi)有根據(jù)廢磚或廢混凝土成分的差異性,把它們有機(jī)結(jié)合起來(lái),從而使其利用量達(dá)到最大化。在硅酸鹽水泥中有效成分為CaO·SiO2,而廢磚的主要成分為SiO2和Al2O3,只含有少量的CaO,其CaO的不足同時(shí)可以由廢混凝土來(lái)彌補(bǔ),從而達(dá)到大規(guī)模綜合利用的目的。

      2 實(shí)驗(yàn)部分

      2.1 建筑垃圾的主要成分

      建筑垃圾中廢磚的主要成分為SiO2和Al2O3[3~5],并含有少量的Fe2O3、CaO和MgO等。而其中的廢混凝土主要成分為SiO2、CaO和Al2O3,并含有少量Fe2O3和MgO[3~5]。

      2.2 試驗(yàn)原料

      實(shí)驗(yàn)研究中以建筑垃圾為主要原料,其他輔助材料為:

      (1)礦渣粉:昆鋼礦渣并球磨1h,含水率為0.4%。

      (2)粉煤灰:含水率為12%。

      礦渣粉、粉煤灰的化學(xué)組成見(jiàn)表1。

      (3)水泥:由云南昆鋼嘉華水泥廠提供,28d齡期標(biāo)準(zhǔn)膠砂抗壓強(qiáng)度為63.2MPa,其礦物組成為C3S、C4AF、C2S、C3A。

      2.3 試驗(yàn)設(shè)備

      JPT-5天平,量筒,燒杯,刮平尺,ISO行星式膠砂攪拌機(jī)與膠砂試體成型振實(shí)臺(tái),三聯(lián)試模40mm×40mm×160mm,TYA-100C型電液式抗折抗壓實(shí)驗(yàn)機(jī),TYA-300C型電液式抗折抗壓實(shí)驗(yàn)機(jī)。

      2.4 試驗(yàn)方法

      以活化處理之后的建筑垃圾為基體,加入不同工業(yè)廢渣作為改性組分,然后加入水用ISO行星式膠砂攪拌機(jī)快速攪拌3min,而后在三聯(lián)試模中進(jìn)行澆注成型。靜停24h后脫模,再經(jīng)24h常壓蒸汽養(yǎng)護(hù),最后進(jìn)行抗折、抗壓強(qiáng)度測(cè)試分析。

      2.5 試驗(yàn)技術(shù)路線(圖1)。

      3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

      3.1 正交試驗(yàn)研究復(fù)合膠凝材料組成

      復(fù)合膠凝材料由JZLJ(建筑垃圾)、KZF(礦渣粉)、FMH(粉煤灰)、SN(水泥)組成。選用正交實(shí)驗(yàn)表L9(34)進(jìn)行正交實(shí)驗(yàn)。因素水平如表2,正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖2、3。

      表2 因素水平表*

      廢磚、廢混凝土FMH、KZ、SN粉磨摻入建筑垃圾中攪拌澆注成型養(yǎng)護(hù)測(cè)試圖1建筑垃圾制備膠凝材料試驗(yàn)工藝流程

      從抗壓級(jí)差分析圖可以得出:影響因素的主次順序?yàn)椋篊>A>B,即FMH對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果影響最大,KZF的影響次之,SN對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響最小。同時(shí)可以得出最優(yōu)試驗(yàn)水平是:A1B1C2。即復(fù)合膠凝材料中KZF:DSZ:FMH=25%:20%:15%。

      從抗折級(jí)差分析圖可以看出,主次因素為:C>A>B,即FMH對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果影響最大,KZF的影響次之,SN對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響最小。同時(shí)可以得出最優(yōu)試驗(yàn)水平是:A1B1C2。即復(fù)合膠凝材料中KZF:SN:FMH=25%:20%:15%。

      不難看出,從抗壓、抗折強(qiáng)度上所得到的最優(yōu)水平相同:KZF:SN:FMH=25%:20%:15%,而且該組方案在實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)了。

      3.2 建筑垃圾在膠凝材料中的最佳摻量研究

      通過(guò)2.1的正交實(shí)驗(yàn)可以得出膠凝材料中KZF:SN:FMH=25%:20%:15%。在膠凝材料中保證KZF:SN:FMH=25%:20%:15%不變的前提下,調(diào)整建筑垃圾的摻量,由單因素試驗(yàn)得到結(jié)果,分析見(jiàn)圖4。

      圖4 建筑垃圾摻量對(duì)膠凝材料性能的影響

      從圖4可以看出,當(dāng)建筑垃圾摻量在60%時(shí),所得到的試樣抗壓和抗折強(qiáng)度均為最大,其抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度值均達(dá)到22.5號(hào)砌筑水泥要求,故可以作為建筑砌筑水泥使用。原理是:建筑垃圾的主要成分為SiO2和Al2O3,能同F(xiàn)MH、SN、KZF一起產(chǎn)生協(xié)同作用來(lái)實(shí)現(xiàn)水化反應(yīng)。產(chǎn)生的C-S-H膠凝可用通式Ca4Si2O7(OH)·H2O表示,它是組群狀硅酸鹽結(jié)構(gòu)。-Al-O-Al-,-Si-O-Si-,-Al-OSi-的化學(xué)長(zhǎng)鏈也能同時(shí)形成,該類化學(xué)結(jié)構(gòu)屬于類陶瓷結(jié)構(gòu),具有化學(xué)穩(wěn)定、高強(qiáng)的特性。

      FMH機(jī)理是:FMH是一種具有潛在活性的玻璃體廢渣,適當(dāng)提高FMH用量,可以補(bǔ)充體系中的活性硅鋁。一方面能提高C-S-H膠凝礦物的比例,另一方面也有利于化學(xué)長(zhǎng)鏈-Al-O-Al-、-Si-O-Si-、-Al-O-Si-的形成。但FMH的活性必須在堿性環(huán)境中才可以充分激發(fā)出來(lái),所以FMH的摻量受SN摻量的限制。FMH摻量增加的同時(shí),實(shí)際上就是KZ摻量遞減的過(guò)程,這樣就直接導(dǎo)致最終C-S-H膠凝礦物減少。利用FMH的關(guān)鍵是如何合理調(diào)整體系中的Ca/Si比,從而有利于形成較多的水硬性物質(zhì),使膠凝材料表現(xiàn)出較高的物理力學(xué)性能。

      KZ的作用機(jī)理是:KZ是具有高度活性的玻璃體礦物,在該體系中,能夠被SN水化反應(yīng)所生成的石灰激發(fā),其玻璃體結(jié)果迅速被破壞,經(jīng)過(guò)水化反應(yīng)生成大量的CSH、CAH和鈣礬石,同時(shí)也形成部分-Al-O-Al-、-Si-O-Si-、-Al-O-Si-化學(xué)長(zhǎng)鏈。這些物質(zhì)的結(jié)構(gòu)對(duì)試樣強(qiáng)度的建立起到了決定性作用。

      SN水化產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)決定了其性能。硅酸鹽水泥的主要水化產(chǎn)物是水化硅酸鈣C-S-H,它是CaO-SiO2-H2O系統(tǒng)中存在三元化合物的統(tǒng)稱,是水泥混凝土、無(wú)機(jī)膠凝材料強(qiáng)度的來(lái)源。C-S-H凝膠的結(jié)構(gòu)是高度變形的類托貝莫來(lái)石和類羥基硅鈣石結(jié)構(gòu),故在膠凝材料體系中會(huì)表現(xiàn)出較高的物理力學(xué)性能。

      4 結(jié)論

      本文主要研究了以建筑垃圾為主要原料,并從建筑垃圾的化學(xué)特性出發(fā),配以礦渣粉、粉煤灰、水泥,然后調(diào)整其比例,使它們有機(jī)結(jié)合起來(lái),最終制備出替代22.5號(hào)建筑砌筑水泥的膠凝材料。在該膠凝材料中,建筑垃圾的摻量達(dá)到了60%,為實(shí)現(xiàn)建筑垃圾的大規(guī)模綜合利用提供了技術(shù)基礎(chǔ)。

      [1] 陸凱安.我國(guó)建筑垃圾的現(xiàn)狀與綜合利用[J],施工技術(shù),1999.5.

      [2] 陶珍東.廢棄混凝土再利用的研究進(jìn)展[J],科技進(jìn)展,2005.1.

      [3] 劉數(shù)華,冷發(fā)光.再生混凝土技術(shù)[H],北京建材工業(yè)出版社,2007.

      [4] 張?bào)戕?陳堯成,武忠仁.高摻量廢渣承重墻體材料研究[J].新型墻體材料與施工,2000(1):38-39.

      [5] 李乃珍,王寶全,張立新,宋景.建筑垃圾再生的技術(shù)途徑[J].環(huán)境保護(hù),1999(10):43-44.

      [6] 毋雪梅,楊久俊,黃明.建筑垃圾磨細(xì)粉作礦物摻合料對(duì)水泥物理力學(xué)性能的影響[J].新型建筑材料,2004(4):16-l8.

      [7] 常儇宇,潘鋼華,張金山,雎晨光.高鈣灰在商品砂漿中的應(yīng)用研究[J].混凝土與水泥制品,2007(4):55-56.

      [8] 楊久俊,張茂亮,張磊,田冬梅.非蒸養(yǎng)建筑垃圾磚的制備研究[J].混凝土與水泥制品,2007(2):54-57.

      [9] 夏慧慧,王堅(jiān),李巍.建筑垃圾在路基處理中的應(yīng)用[J].道路交通,2007(7),51-52.

      [10] 毋雪梅,楊久俊,黃明.建筑垃圾磨細(xì)粉作礦物摻合料對(duì)水泥物理力學(xué)性能的影[J].建筑石膏與膠凝材料,2004.(4):16-18.

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