利用城市废渣砖制备胶凝材料的研究

利用城市废渣砖制备胶凝材料的研究牛福生1王国清2李富平1（1河北理工大学河北唐山0630092中国环境科学学会北京100083）摘要本文介绍了一种利用城市废渣砖制备复合胶凝材料的方法，研究表明，城市废渣砖复合胶凝材料性能优异，各项指标均符合相关标准要求，同时论文还就复合胶凝材料的水硬化机理作了简单的分析。关键词废渣砖胶凝材料水硬化1前言城市建筑废渣砖是城市垃圾的一个重要组成部分，随着城市的不断发展壮大，因建筑物新建和对旧城改造而产生的废渣砖数量在激剧增加，已成为城市环境工程的一大难题，不少城市的市政管理和环保部门为保持城市环境的清洁，都在不同程度上加强了对建筑废渣砖的管理和处置。目前我国相当大数量的建筑垃圾是被直接运往城郊进行填埋或堆放，这种不负责的“污染转移”的处理方式的危害性是极大的，一是在垃圾清运过程中的会发生遗撒和粉尘、灰沙飞扬等问题造成对周围环境的污染；二是会形成城郊垃圾堆放地的土地被大量占用、地下水污染和大气污染。同时，与城市有机垃圾不同的是，建筑垃圾具有资源含量高、易重复利用等特点，而且建筑垃圾的矿物成分多以Al2O3、SiO2和CaO为主，和传统的水泥、粘土等铝硅质矿物原料成分接近。因此，加强建筑垃圾的综合治理，不仅是清洁环境、减少污染的需要，也是资源可持续利用的一个重要方向。本文将利用废渣砖具有的潜在活性，把废渣砖磨成细粉，然后利用硅酸盐水泥熟料作为激发剂，制备一种新型的复合胶凝材料。2试验原料及方法原料中建筑废渣砖是以废砖为主，约80%（质量）左右，在配料前建筑废渣砖应被破碎成0～40mm的颗粒。石膏是指生石膏或半水石膏，采用生石膏时应符合GB5483—85的规定，半水石膏应符合GB9776—88的规定。石膏在配料前应破碎成0～40mm的颗粒。所用水泥熟料3天抗压强度为27.0MPa，28天抗压强度为52.5MPa。试验所用的废渣砖和水泥熟料的主要化学成分见表1和表2。表1粘土砖原料的化学组成(%)CaOSiO2Al2O3Fe2O3MgO0.2577.9615.104.310.24表2水泥熟料的化学组成(%)CaOSiO2Al2O3Fe2O3MgO66.7321.964.112.293.223试验结果与讨论该胶凝材料制作的试模是在标准养护箱（20±1℃，湿度96）中养护7d和28d；抗压强度试验分别采用ISO标准水泥胶砂强度检测方法和30mm×30mm×50mm净浆强度进行检验。3.1配制工艺废渣砖胶凝材料的配制工艺简单、操作方便、工艺参数控制容易。其配制工艺流程图如1所示。图1废渣砖胶凝材料配制工艺流程图3.2废砖粉粒度废旧砖粉的粒度不仅是其潜在活性的强弱的重要因素，不同粒径的着废旧砖粉，其被水泥等激发剂激发程度也有很大的不同，同时废旧砖粉中一些超细粒子的存在也将对复合胶凝材料起着微粒填充作用和表面活性作用。试验选定三种粒径：粗粒（34.590µm）、细粒（10.668µm）和超细粒（4.773µm）。以标准养护7天和28天强度为考核指标，砖粉掺量为50%。由试验结果可知，随着废砖粉粒度越来越细，复合胶凝材料的强度值也越来越高。粒度为34.590µm时，其养护28天的最高强度为38.5MPa，而当粒度降至为4.773µm时，其养护28天的最高强度可以达到70.5MPa，强度增长率为83.2%。从图上还可以看出，养护龄期对粗粒度和超细粒度的复合胶凝材料强度影响较大，而当粒度为中细颗粒时影响程度比较小。3.3废砖粉掺量废旧砖粉掺入量是影响胶凝材料性能的一个重要因素，本研究中选择的废旧砖粉掺入量分别为50%、60%、70%和80%，砖粉粒度为以在标准养护条件下养护7天和28天强度为考核指标，砖粉粒度为细砖粉（10.668µm）。由实验结果可知，随着废旧砖粉掺入量的增加，砖粉—水泥复合胶凝材料整体的强度是下降的，掺量50%时，28天抗压强度54.91MPa，掺量80%时，28天抗压强度下降到29.1MPa，从养护龄期来看，总体强度也随着养护时间的增长而增强，但随着废旧砖粉掺入量增大，其强度增幅逐渐变小，如掺量80%时，养护7天和养护28天的强度从26.3MPa增长到29.1MPa，强度增长率仅为10.6%，而在掺量50%时，护7天和养护28天的强度从46.8MPa增长到54.91MPa，强度增长率为17.3%。从水灰比的结果来看，砖粉—水泥复合胶凝材料的强度是随着水灰比的增长呈先上升到一定程度后再下降的趋势，基本上最佳的水灰比在0.26~0.27之间，其对胶凝材料强度的影响程度也随着砖粉掺入量的增加而增加。4城市砖粉复合胶凝材料形成机理4.1城市砖粉复合胶凝材料的水化红砖是粘土在高温煅烧冷却形成的具有一定强度的固体，在冷却的过程中形成一些具有潜在活性的不定形的二氧化硅、三氧化二铝、三氧化二铁等。红砖粉与水泥以及石膏复合以后，水泥水化后除了形成水化硅酸钙和水化铁酸钙凝胶、氢氧化钙、水化铝酸钙和水化硫铝酸钙晶体以外，水泥水化产物氢氧化钙还将与砖粉中的二氧化硅、三氧化二铝、三氧化铁玻璃态反应，进一步促称量配料混合均匀磨细粒度检测性能检测成品包装废渣砖石膏水泥熟料破碎破碎进水泥颗粒的水化，并且再次形成水化硅酸钙、水化铁酸钙凝胶和水化铝酸钙晶体。二氧化硅与氢氧化钙作用，生成含水硅酸钙：2SiO2+3Ca(OH)2=3CaO•2SiO2•3H2O三氧化二铝与氢氧化钙作用，形成含水铝酸钙：Al2O3+3Ca(OH)2+3H2O=3CaO•Al2O3•6H2O三氧化二铁与氢氧化钙及三氧化二铝作用生成含水铁酸钙：Fe2O3+2Ca(OH)2=CaO•Fe2O3•H2O水泥颗粒周围的溶液很快成为水化产物的饱和溶液。砖粉颗粒中玻璃态二氧化硅、三氧化铝与水泥颗粒水化产物反应，再次形成C-S-H凝胶，随着反应的进行，水泥颗粒周围的Ca(OH)2含量变小，再次激发了水泥颗粒的进一步水化。凝胶体中除了氢氧化钙和含水铝酸钙将逐渐转变为结晶外，还有没有完全反应的水泥颗粒和砖粉颗粒，它们贯穿于凝胶体中，紧密结合起来，形成具有一定强度的水泥石，随着龄期的延续，水泥颗粒和砖粉颗粒内部未水化部分将继续水化，使晶体逐渐增多，凝胶体逐渐密实，水泥石也就具有愈来愈高的胶结力和强度。5城市砖粉胶凝材料主要技术指标及应用5.1主要技术指标按照国家标准GB175-1999对硅酸盐类胶凝材料品质有一定的要求，这里对砖粉胶凝材料按照GB175-1999进行安定性、细度和凝结时间测试。(1)体积安定性用沸煮法检验胶凝材料的安定性。将复合胶凝材料试饼在沸煮箱中沸煮3h后发现，该试饼外形既没有开裂也没有膨胀，体积安定性良好。(2)细度用筛析法测定复合胶凝材料的细度。用0.08mm方孔筛对系列城市砖粉复合胶凝材料进行筛析试验发现，筛余不超过10%。细度完全合格。(3)凝结时间表3复合胶凝材料凝结时间配合比w/%凝结时间砖粉掺量/粒度水泥水灰比初凝时间终凝时间60(细粒)400.261h58min5h11min60（超细粒）400.261h43min4h58min50(细粒)400.271h26min4h31min50（超细粒）400.271h14min4h07min为使混凝土和砂浆有充分的时间进行搅拌、运输、浇捣和砌筑，胶凝材料的初凝时间不能过短，当施工完毕，则要求尽快硬化，具有强度，因此终凝时间不能太长。按照国标规定，胶凝材料的初凝时间不能早于45min，终凝时间不得迟于6.5h。5.2城市砖粉胶凝材料的混凝土应用把FZF-C复合胶凝材料按照下列的比例配制混凝土：胶凝材料：534kg/m3（528.66凝胶、5.34减水剂）用水总量：214kg/m3粗集料：1050kg/m3细集料：690kg/m3按照上述配制混凝土的细度模度为2.8，最后测定的抗压强度和坍落度见表4。由表4结果可以看出，用细度城市废弃砖胶凝材料配制的混凝土养护28天时，其最高强度可以达到C50的标准。6废渣砖胶凝材料前景与展望硅酸盐水泥问世一个半世纪以来，对促进人类社会进步的积极作用是非常明显的、也是不可估量的。但是硅酸盐水泥生产过程中能耗大、污染严重，生产一吨的水泥熟料，将会在大气中排放一吨的CO2气体。加剧了大气的污染，使温室效应更加明显。因此，现代建筑材料的生产制造过程中，人们广泛使用活性混合材料来代替部分水泥熟料，其中矿渣、粉煤灰、沸石和硅灰的应用最广。进入21世纪，旧城改造拆除堆积的废旧粘土砖，由于其特殊的成因条件，使其含有活性的二氧化硅和三氧化二铝的玻璃态物质，这也正是废旧粘土砖粉可以被利用的原因。以建筑废渣砖为主要原材料制备而成的新型高强复合胶凝材料除了能减轻我国旧城改造所形成的主要建筑垃圾对环境的不利影响外，还能节省大量的水泥熟料。制备一吨该胶凝材料可比现有的普通水泥制备技术节省水泥熟料200～300kg，从而少向大气中排放CO2200～300kg，其它大气污染物也会相应较少20.0%～30.0.%。在经济效益方面，除了减少烧制水泥熟料所节约的成本外，废砖的易磨性也是磨细成本下降10%～20%。本胶凝材料涉及的各种指标符和GB12958—1999标准。因此，利用粘土砖粉和硅酸盐水泥熟料复合的FZF-C复合胶凝材料与普通硅酸盐水泥相比，其原料来源比较广泛，成本低廉，具有很好的环境、经济和社会效益。参考文献[1]曹德光、陈益兰等.烧粘土的碱胶凝性研究.中国非金属矿工业导刊，2000（4）.[2]杨南如．充分利用资源开发新型胶凝材料．建筑材料学报，1998（1）:19～25．[3]Eliebig等.用高龄石和蒙脱石作石灰砂浆的火山灰组分.国际水泥-石灰-石膏，1997（2）.[4]潘群雄等.影响碱-粉煤灰-矿渣基胶凝材料性能因素的探讨.水泥工程,1999(2):1～4.[5]王纲,程堰陵,陈吉春.建筑垃圾的资源化处理.环境卫生工程,2003(3):152-155.杨子江.建筑垃圾的再生利用研究.再生资源研究,2003(3):26~28.[6]ZhangYaMei,SunWei,YanHanDong.Hydrationofhigh-volumeflyash/cementsystems[J].CementandConcreteComposites,2000,30(6):445～452.3d28d3d28d0.420.1449.116923.1253.147450%掺量,细粒度坍落度(mm)抗压强度（MPa）w/c50%掺量,中粒度抗压强度（MPa）坍落度(mm)表4混凝土的强度值和坍落度