建筑垃圾固废应用于水泥混合材料的研究
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我国城镇建设不断加速扩展,城镇改造和建筑工业的飞速发展,伴随着大量的建筑拆除垃圾“围困”城镇。据估算,每拆除 1 万平米 的旧建筑, 将产生 0.7~1.3 万 t 的建筑拆除垃圾。大量建筑垃圾未经任何处理,直接运往城镇郊区露天堆放,侵占土地,持续污染土壤、水源、河道和植被等,综合回用建筑垃圾对解决城镇面临的围困问题和环境污染问题具有重要的作用 。当前对建筑拆除的研究主要集中于再生骨料和再生混凝土等方面,未能全组分回收利用建筑垃圾。另外,水泥产品生产消耗大量自然资源和能源,可消纳大量的固体废弃物,节约资源和能源。为了提高建筑拆除垃圾的资源化效率和质量,笔者对建筑拆除垃圾用作水泥混合材进行了试验研究。

水泥混合材依靠其初始组成、颗粒堆积和反应活性等辅助水泥熟料水化胶凝, 在辅助水泥胶凝的同时实现了固体废物资源化。建筑拆除垃圾主要由废弃混凝土和废弃粘土砖等组成, 张长森等研究发现掺入20%建筑垃圾水泥胶砂抗压强度可达54.1MPa,建筑垃圾在体系中起到调整颗粒级配和改善浆体性能等效果, 但建筑垃圾活性不够和物化性质不稳定导致掺量不高。笔者针对赣州地区建筑垃圾特点, 将建筑垃圾分类为废弃混凝土和废弃粘土砖分别单掺和不同配比复合掺作水泥混合材,并作相关的活性激发试验。

1 试验内容及方法

1.1试验原材料

建筑垃圾选取具有代表性的赣州市区 20 世纪90 年代建成的地标性建筑物中国人民银行大楼拆除废弃物,主要由废弃混凝土、废弃粘土砖等组成,其化学组成和矿物组分分别见表 1 和图 1。

图1 建筑拆除垃圾XRD图谱

废弃混凝土主要由废弃混凝土粉磨后 200 目筛下细粉组成,废弃混凝土中含有石英、碳酸钙、长石和水化硅酸钙矿物, 废弃粘土砖中含有石英和钙长石,具有一定的矿物活性,具备作水泥活性混合材的条件。

1.2内容及方法

(1) 将废弃混凝土和废弃粘土砖分别经颚式破碎机和球磨机破碎至 80 μm 方孔筛筛余 1%~3% 。

(2) 将建筑垃圾、水泥熟料、石膏按照设计的配合比混合均匀制成水泥样品,按 GB /T 17671-1999《水泥胶砂强度检验方法( ISO) 法》测定样品水泥的胶砂强度指标。

(3) 按照 GB /T 12957-2005《用于水泥混合材料的工业废渣活性试验方法》对建筑垃圾作水泥混合材活性的评定。

(4) 在样品水泥胶砂搅拌成型时加入相应计量的活性激发剂,进行激发剂对建筑垃圾活性激发作用的试验。

(5) 将废弃混凝土和废弃粘土砖按照相应配比复合掺作水泥混合材,并进行复合混合材的活性评定。

2 结果与讨论

2.1 建筑垃圾不同掺量的强度试验结果与讨论实验固定水灰比为 0.5, 石膏掺量占 5% , 分别以不同配比单掺废弃混凝土和废弃粘土砖作水泥混合材,不同掺量建筑垃圾水泥试样的抗折和抗压强度试验结果见图 2 和图 3。

图2 不同废弃混凝土掺量作水泥混合材的试块抗折、抗压强度

图3 不同废弃混凝土掺量作水泥混合材的试块抗折、抗压强度

从图 2 和图 3 结果可知:

(1) 水泥熟料掺废弃混凝土和废弃粘土砖作混合材,降低了水泥熟料的强度。究其原因,水泥强度主要来源于水泥熟料的水化产物 C-S-H 强度, 因废弃混凝土和废弃粘土砖的水化活性不及水泥熟料,样品水泥总体的水化活性有所降低,降低了水泥强度。

(2) 达到 P·O 42.5R等级强度, 废弃混凝土可掺 30%,废弃粘土砖可掺 10% 左右。同时,掺量在10% 以内废弃粘土砖水泥 28 d 胶砂强度较废弃混凝土水泥 28 d 胶砂强度稍高。废弃粘土砖中酸性氧化物总量( SiO4 + Al2O3 + Fe2O3) 高达 92.61% ,降低了水化碱度,加快了水化反应进程, 文献指出水泥熟料的 C3S 水化释放出的 Ca (OH) 2 与活性SiO2 和 Al2O3 发生二次水化反应, 同时, 活性 SiO2与已水化生成的高 Ca /Si 的 C-S-H 反应生成 Ca /Si 低的 C- S-H。在充分水化的条件下, 掺适量的建筑垃圾( 掺量<10% ) 可稳定有效保持水泥强度水平。掺少量混合材水泥体系中, 混合材的主要作用是发生二次水化反应促进水泥熟料水化速率, 废弃粘土砖水泥的酸性比废弃混凝土水泥的高, 其水泥熟料水化速率较废弃混凝土水泥体系中的要高。

(3) 掺量大于 10% 后,废弃混凝土水泥胶砂强度较废弃粘土砖水泥的高。废弃混凝土中含有部分未水化的水泥颗粒, 具有一定的水化活性。同时废弃混凝土中碳酸钙含量高, 在水化过程可与熟料的C3A 和 C4AF 反应生成水化碳铝酸钙 , 可以与其他水化产物相互搭接,使体系结构更加密实,增强体系的强度。

(4) 废弃混凝土掺量 20% 以内或废弃粘土砖粉掺量 10% 以内可部分有效提高水泥的早期强度, 而高建筑垃圾掺量的样品水泥早期水化强度明显降低。文献指出水泥颗粒水化的同时受结晶成核和晶体生长过程、相边界反应过程、扩散过程 3 个过程控制,但整个水化过程取决于其中最慢的一个反应过程。对于低建筑垃圾掺量的水泥水化速率取决于水化结晶成核和晶体生长过程,补充和增强了低掺量水泥早期强度,原因有三: 一是因建筑垃圾中活性矿物与Ca(OH) 2 反应生成 C-S-H 凝胶; 二是惰性的建筑垃圾以针状、柱状和薄板状的细微晶体与已生成的 C- S - H 交织连锁起来; 三是建筑垃圾中较大表面积的细微晶粒在集料表面有强大的吸附能力,提高水泥与集料的粘合力。而对于高建筑垃圾掺量的水泥水化的初期主要取决于固液反应,因大量细小建筑垃圾颗粒对水泥颗粒起到分散作用,和胶砂拌合初期建筑垃圾颗粒起的“微集料效应”积蓄了大量水分, 降低了水泥颗粒与水分子的碰撞发生速率,早期强度明显降低。

2.2建筑垃圾活性激发试验结果与讨论

采用 28 d 抗压强度比 K 作为衡量混合材掺料活性指标。K=R1 /R2 × 100式中,R1 为掺 30% 建筑垃圾混合材的试验样品 28 d抗压强度,R2 为未掺混合材的对照样品 28 d 抗压强度。试样的设计配合比及强度和活性指标试验结果见表 2。

添加激发剂 NaOH 作为建筑垃圾激发剂, 明显降低了建筑垃圾水泥的强度, 可见碱不适宜作建筑垃圾水泥的激发剂。文献指出碱激发剂本可有效防止混合材与水接触后在颗粒表面形成一层不透水的铝硅酸盐薄膜, 阻止了混合材进一步水化现象的发生,同时,Puertas 等研究表明 NaOH 激发的体系产物钙硅比、有序性和结晶态均较高,且产物表面吸附了更多的 Al(OH)4离子。激发剂 NaOH 在建筑垃圾水泥体系中未能发挥相应的激发作用, 这可能是因为水化产物吸附了较多的 Al( OH)4离子, 减少了高钙硅比的水化产物与活性 SiO2 反应, 建筑垃圾中的大多数活性 SiO2 未能发挥有效的活性反应, 严重降低了建筑垃圾的活性。添加激发剂 CaO 有效地激发建筑垃圾活性, 补充了建筑垃圾混合材中的钙质成分,尤其对废弃粘土砖水泥,提高了废弃粘土砖混合材的活性达 39.58% ,增强废弃混凝土活性至 81% 。CaO 与水反应生成Ca( OH) 2, 同时可有效补充 Ca( OH) 2 与活性 SiO2等水化反应消耗水分, 在生成 C-S-H 凝胶的同时,降低了体系中的水灰比, 减少了体系中的孔隙,明显增强了建筑垃圾水泥的强度, 激发了建筑垃圾的活性。

2.3建筑垃圾复合混合体材的试验结果与讨论

试样的设计配合比及强度试验结果见表 3。

废弃混凝土和废弃粘土砖不同配比复合作水泥混合材,不能够有效起到复合效应,复合混合材活性随废弃混凝土掺量变小呈“U”字形变化趋势。究其原因,在混掺作复合混合材体系中,废弃混凝土和废弃粘土砖水化活性均较低, 二者主要表现为充填作用,相互抑制了彼此的活性。由于废弃粘土砖细微颗粒黏附在废弃混凝土颗粒表面, 降低了废弃混凝土的二次水化活性, 同时也减少了废弃砖粉的活性组分参与二次水化反应, 最终降低了复合体系的强度。

3 结论

通过不同建筑垃圾掺量作水泥混合材等试验得到以下结论。

(1) 废弃混凝土和废弃粘土砖元素组分较水泥相似,XRD 组分分析发现建筑垃圾具有较多活性矿物组分,具备回用作水泥活性混合材的条件。

(2) 建筑垃圾水泥分别单掺废弃混凝土 30% ,粘土砖 10% 可达到 P·O42. 5 等级, 废弃混凝土掺量 20% 以内或废弃粘土砖粉掺量 10% 以内可部分有效提高水泥的早期强度。

(3) CaO 可有效激发建筑垃圾混合材活性, 提高废弃粘土砖混合材活性达 39.58% ; 碱性激发剂对建筑垃圾混合材活性会产生抑制作用。

(4) 废弃混凝土和废弃粘土砖不宜复合作水泥混合材。建筑垃圾可作为活性水泥混合材回用, 有效综合回用的关键是建筑垃圾的分类和活性激发。

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