利用廢棄混凝土制備鈣硅制品的試驗(yàn)研究
2006-05-07 00:00
摘 要：對(duì)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(yàn)、SEM、XRD 等手段測(cè)試并分析了試樣宏觀性能與原料配比、反應(yīng)過(guò)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(lái)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(wèn)題或其他原因會(huì)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(shí)容易對(duì)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(duì)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(lái)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(duì)廢棄混凝土中的砂漿進(jìn)行回收利用卻鮮有報(bào)道，該試驗(yàn)研究把砂漿從廢棄混凝土中分離出來(lái)，經(jīng)一定的處理過(guò)程之后采用水熱壓蒸的方法制備鈣硅制品。
1 實(shí) 驗(yàn)
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(jí)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(guò)0. 15 mm 孔徑方孔篩制得；拌合水：飲用自來(lái)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(shí)驗(yàn)?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(shí)脫模，L1 、L2 、L3 試樣采取振動(dòng)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(shí)驗(yàn)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(cè)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(cè)試，留取部分試樣用無(wú)水乙醇浸泡3 d ，真空干燥后制樣進(jìn)行微觀測(cè)試。
2 結(jié) 果
1) 壓蒸后試樣外觀 試驗(yàn)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(kāi)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(jiàn)圖3 ，L2 、L3 試樣壓蒸后外觀與此類(lèi)似。而Y1 、Y2 、Y3 試樣外觀保持良好，無(wú)肉眼可見(jiàn)裂紋，其中Y1 試樣壓蒸后外觀見(jiàn)圖4 ， Y2 、Y3 試樣壓蒸后外觀與此類(lèi)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(wú)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X(jué)RD 圖譜見(jiàn)圖6 。
4) SEM 形貌 壓蒸后Y1 、Y2 、Y3 試樣SEM 圖見(jiàn)圖7～圖9 。
3 分析與討論
從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，將廢棄混凝土中的砂漿分離出來(lái)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(lèi)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(guò)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(shí)驗(yàn)。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，水固比對(duì)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(shí)，脫模后壓蒸前抵抗變形的能力較差，同時(shí)在壓蒸升溫過(guò)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(wú)足夠強(qiáng)度的情況下，受到內(nèi)外壓力作用而開(kāi)裂。另一方面，水固比較大時(shí)，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(duì)較遠(yuǎn)，反應(yīng)產(chǎn)物對(duì)它們的聯(lián)結(jié)能力較差，因而反應(yīng)早期無(wú)法形成足夠的強(qiáng)度抵抗較高的壓力。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果同時(shí)表明，Ca(OH)2 用量對(duì)于制品抗壓強(qiáng)度也有明顯影響。實(shí)驗(yàn)系列試樣中，Ca (OH)2 占R0砂漿料的比例為25 %時(shí)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(shí)抗壓強(qiáng)度值最低，50 %比例時(shí)居中。歸根結(jié)底，Ca(OH)2 與R0 砂漿料的比例不同實(shí)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(shí)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X(jué)RD 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(méi)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(jiàn)圖7) 并不能觀察到砂粒的存在，這主要是因?yàn)镃a(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(shí)，生成的水化產(chǎn)物不能完全包裹砂粒(見(jiàn)圖8) ，同時(shí)也會(huì)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(shí)驗(yàn)中Y2 試樣抗壓強(qiáng)度最差的原因。當(dāng)Ca(OH)2 充足時(shí)，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(lái)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(shí)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(duì)試塊力學(xué)性能產(chǎn)生不同影響。這是該實(shí)驗(yàn)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(huì)對(duì)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(duì)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(guò)大時(shí)由于壓蒸時(shí)制品本身無(wú)足夠強(qiáng)度，同時(shí)內(nèi)部水分汽化膨脹而使試塊開(kāi)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(gè)重要因素，在相同的壓蒸制度下，當(dāng)Ca/ Si 比不同時(shí)，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(duì)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(guò)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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