利用廢棄混凝土制備鈣硅制品的試驗研究
2006-05-07 00:00
摘 要：對廢棄混凝土破碎后分離出砂漿，經(jīng)粉磨處理，再配以一定量的熟石灰和水制成試塊，在合適壓蒸制度下利用水熱反應(yīng)制備鈣硅制品。用抗壓強(qiáng)度試驗、SEM、XRD 等手段測試并分析了試樣宏觀性能與原料配比、反應(yīng)過程、產(chǎn)物形貌、數(shù)量、性質(zhì)等之間的關(guān)系。結(jié)果表明利用廢棄混凝土分離出來的砂漿可以制得具有良好力學(xué)性能的鈣硅制品，反應(yīng)產(chǎn)物主要有α-C2SH 和半結(jié)晶的C-S-H(B) 等物相，而水固比、Ca/ Si 比是影響制品宏觀性能的重要因素。
關(guān)鍵詞：廢棄混凝土； 壓蒸處理； 鈣硅制品
水泥混凝土是當(dāng)今使用最廣泛、用量最大的結(jié)構(gòu)工程材料之一。然而，世界范圍內(nèi)每年由于質(zhì)量問題或其他原因會產(chǎn)生大量的廢棄混凝土。廢棄混凝土的棄置不僅占用大量寶貴的土地資源，同時容易對環(huán)境造成二次污染[1～4 ] 。廢棄混凝土的組成中除粗骨料、細(xì)骨料外，主要還包括水泥和其他輔助膠凝材料的水化產(chǎn)物，未水化的水泥和輔助膠凝材料。在適合用于制備混凝土的砂、石資源日益枯竭的今天，對廢棄混凝土中的可利用成分進(jìn)行再生資源化具有重要的意義。將廢棄混凝土中的粗骨料分離出來用于制備再生骨料混凝土已有大量的研究，并取得了較多的成果;而對廢棄混凝土中的砂漿進(jìn)行回收利用卻鮮有報道，該試驗研究把砂漿從廢棄混凝土中分離出來，經(jīng)一定的處理過程之后采用水熱壓蒸的方法制備鈣硅制品。
1 實 驗
1. 1 原材料
廢棄混凝土：市政工程中拆除的梁柱混凝土，原有強(qiáng)度等級C50 ，2 年齡期；Ca (OH)2 ：市售建筑生石灰經(jīng)消化、烘干、研磨并過0. 15 mm 孔徑方孔篩制得；拌合水：飲用自來水。
1. 2 方法
1) 砂漿料的制備 將廢棄混凝土破碎并將粗骨料與砂漿分離，將砂漿置于5 kg 實驗?zāi)C(jī)中粉磨30 min ，得砂漿料R0 。R0 的XRD 圖譜如圖1 所示，其化學(xué)成分如表1 所示。
2) 試樣成型 將物料按表2 所示配方拌合均勻后置于4 cm×4cm×4 cm 鋼模中， Y1 、Y2 、Y3 試樣在20 MPa 壓力下壓制成型，及時脫模，L1 、L2 、L3 試樣采取振動成型，標(biāo)準(zhǔn)條件下養(yǎng)護(hù)1 d 后脫模。
3) 蒸壓養(yǎng)護(hù) 將脫模后的試樣置于YZF2A 小型實驗高壓釜中進(jìn)行蒸壓養(yǎng)護(hù)，蒸壓制度如圖2 所示。
4) 抗壓強(qiáng)度及微觀測試 將蒸壓養(yǎng)護(hù)后的試塊再置于標(biāo)準(zhǔn)條件下養(yǎng)護(hù)1 d ，進(jìn)行抗壓強(qiáng)度測試，留取部分試樣用無水乙醇浸泡3 d ，真空干燥后制樣進(jìn)行微觀測試。
2 結(jié) 果
1) 壓蒸后試樣外觀 試驗中發(fā)現(xiàn)， L1 、L2 、L3 試樣在壓蒸后均出現(xiàn)了側(cè)面豎向開裂的現(xiàn)象，且上表面有水蒸氣溶蝕的痕跡， 其中L1 試樣壓蒸后外觀見圖3 ，L2 、L3 試樣壓蒸后外觀與此類似。而Y1 、Y2 、Y3 試樣外觀保持良好，無肉眼可見裂紋，其中Y1 試樣壓蒸后外觀見圖4 ， Y2 、Y3 試樣壓蒸后外觀與此類似。
2) 抗壓強(qiáng)度 L1 、L2 、L3 試樣壓蒸后由于已經(jīng)出現(xiàn)明顯裂縫，已經(jīng)遭到破壞，基本無強(qiáng)度。而Y1 、Y2 、Y3 試樣壓蒸后強(qiáng)度如圖5 所示。
3) XRD 圖譜 壓蒸后Y1 試樣XRD 圖譜見圖6 。
4) SEM 形貌 壓蒸后Y1 、Y2 、Y3 試樣SEM 圖見圖7～圖9 。
3 分析與討論
從實驗結(jié)果可以看出，將廢棄混凝土中的砂漿分離出來后經(jīng)粉磨至一定細(xì)度，與一定比例的石灰和水相配合，在合適的壓蒸制度下可以得到高強(qiáng)度鈣硅制品。其原理是在100 ℃以上的水熱介質(zhì)中，石灰中的Ca (OH)2和砂中的SiO2 發(fā)生急劇的化學(xué)反應(yīng)，生成各種類型的水化硅酸鈣[5 ，6 ] ，將未反應(yīng)的顆粒包裹交聯(lián)形成空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，從而使硬化體具有良好的物理力學(xué)性能。在常溫下Ca (OH)2 和結(jié)晶態(tài)SiO2 間的化學(xué)反應(yīng)過程非常緩慢，砂中結(jié)晶態(tài)的SiO2 只有在高溫水中才能較快地溶解，因此必須采用壓蒸的手段促使其發(fā)生反應(yīng)，該研究參照制品工廠常用的蒸壓制度進(jìn)行實驗。
實驗結(jié)果表明，水固比對制品的抗壓強(qiáng)度有較大的影響，采用0. 3 水固比的3 組試樣經(jīng)壓蒸后外觀整齊，強(qiáng)度較高;而采用0. 4 水固比的試樣壓蒸處理后外觀破壞，基本上失去了抗壓能力。分析原因認(rèn)為:一方面試塊中水含量較高時，脫模后壓蒸前抵抗變形的能力較差，同時在壓蒸升溫過程中，試塊中較多水分汽化，體積急劇膨脹產(chǎn)生分布不均的巨大內(nèi)壓力，在試塊本身無足夠強(qiáng)度的情況下，受到內(nèi)外壓力作用而開裂。另一方面，水固比較大時，盡管有利于水熱反應(yīng)的進(jìn)行，但生成的產(chǎn)物本身孔隙較多，未反應(yīng)的顆粒之間距離相對較遠(yuǎn)，反應(yīng)產(chǎn)物對它們的聯(lián)結(jié)能力較差，因而反應(yīng)早期無法形成足夠的強(qiáng)度抵抗較高的壓力。
實驗結(jié)果同時表明，Ca(OH)2 用量對于制品抗壓強(qiáng)度也有明顯影響。實驗系列試樣中，Ca (OH)2 占R0砂漿料的比例為25 %時可以獲得最高的抗壓強(qiáng)度值，而Ca(OH)2 占R0 砂漿料的比例為15 %時抗壓強(qiáng)度值最低，50 %比例時居中。歸根結(jié)底，Ca(OH)2 與R0 砂漿料的比例不同實質(zhì)上造成了各組試樣中Ca/ Si 摩爾比值的差別，而Ca/ Si 比不同，則形成的產(chǎn)物數(shù)量、形貌和性質(zhì)有較大差別，同時壓蒸后試樣的內(nèi)部孔結(jié)構(gòu)、各組分比例也不相同，造成宏觀性能比如抗壓強(qiáng)度的差異。圖6 中壓蒸后Y1 試樣XRD 圖譜表明，生成的產(chǎn)物主要有α-C2SH 和半結(jié)晶的C-S-H(B) ，SiO2 特征峰仍然明顯存在，而沒有石灰的特征峰，表明砂并未完全反應(yīng)掉，但從壓蒸后Y1 試樣的SEM 圖像(見圖7) 并不能觀察到砂粒的存在，這主要是因為Ca(OH)2與SiO2 的溶解速率和濃度差的原因，它們之間的水熱反應(yīng)首先在砂粒表面進(jìn)行，當(dāng)反應(yīng)進(jìn)行到一定程度之后，產(chǎn)物將砂粒包裹，因而難以觀察到砂粒。但當(dāng)Ca/ Si 比較低，Ca(OH)2 量不足時，生成的水化產(chǎn)物不能完全包裹砂粒(見圖8) ，同時也會影響到它們之間的相互交聯(lián)，進(jìn)而影響宏觀力學(xué)性能，這也是本實驗中Y2 試樣抗壓強(qiáng)度最差的原因。當(dāng)Ca(OH)2 充足時，反應(yīng)也不一定能完全進(jìn)行，一方面隨反應(yīng)的進(jìn)行，砂粒表面受到越來越多水化產(chǎn)物的包裹，Si 的溶出和擴(kuò)散受到影響;另一方面反應(yīng)的完全進(jìn)行也需要足夠的時間。所以盡管原料Ca/ Si 比仍在各產(chǎn)物Ca/ Si 比范圍內(nèi)，Ca (OH)2 量也有可能因反應(yīng)不完全而殘存在試樣當(dāng)中，影響試塊的力學(xué)性能;當(dāng)然，Ca/ Si 比不同的產(chǎn)物本身也對試塊力學(xué)性能產(chǎn)生不同影響。這是該實驗中Y3 試樣力學(xué)性能不及Y1 的原因。
另外，砂的細(xì)度、壓蒸制度等因素也會對產(chǎn)物特性以及制品宏觀性能產(chǎn)生影響，需要進(jìn)行進(jìn)一步的研究。
4 結(jié) 論
a. 廢棄混凝土中的砂漿經(jīng)分離、粉磨處理后，與石灰和水配比，經(jīng)壓蒸處理后可以獲得高強(qiáng)度的鈣硅制品，可以成為廢棄混凝土再生資源化的有效途徑。
b. 水固比對廢棄混凝土砂漿鈣硅制品的外觀及物理力學(xué)性能有顯著影響，水固比過大時由于壓蒸時制品本身無足夠強(qiáng)度，同時內(nèi)部水分汽化膨脹而使試塊開裂破壞。
c. Ca/ Si 比是影響廢棄混凝土砂漿鈣硅制品物理力學(xué)性能的另一個重要因素，在相同的壓蒸制度下，當(dāng)Ca/ Si 比不同時，反應(yīng)進(jìn)行程度不一樣，產(chǎn)物的形貌、數(shù)量、性質(zhì)存在較大差別，導(dǎo)致試樣內(nèi)部亞微觀結(jié)構(gòu)不同，進(jìn)而對宏觀性能產(chǎn)生影響。
d. 廢棄混凝土砂漿鈣硅制品水熱反應(yīng)過程中生成的物質(zhì)主要有α-C2SH 和半結(jié)晶的C-S-H(B) 等物相。
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