李華軍 曾利群 鄢雨南 陳信峰

(1 湖南工學(xué)院；2 深圳市百源泰實(shí)業(yè)有限公司；3 深圳市萬城混凝土有限公司龍華分公司)

0 前言

深圳地區(qū)在各種開發(fā)城市建設(shè)和開發(fā)過程中會(huì)產(chǎn)生工程渣土，而渣土處置方式以堆填為主，每年數(shù)億噸的渣土被運(yùn)往渣土場進(jìn)行堆填，占用了大量土地；同時(shí)，許多渣土場未經(jīng)專業(yè)設(shè)計(jì)且運(yùn)營過程不規(guī)范，導(dǎo)致渣土邊坡存在失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)，易引發(fā)安全事故(如2015 年12 月20 日深圳光明新區(qū)紅坳渣土場發(fā)生滑坡事故[1])。然而，深圳地區(qū)是一個(gè)建筑材料比較缺乏地區(qū)，每年城市建設(shè)所需近億噸水泥、粗細(xì)集料要從100km 外的地區(qū)運(yùn)入，從而產(chǎn)生大量運(yùn)輸成本，進(jìn)而提高了建筑成本。

深圳地區(qū)的表層土是一種風(fēng)化程度較高的風(fēng)化花崗巖土，除了粗細(xì)不均游離石英顆粒外，還含有高嶺土、鉀長石和云母以及少量的鐵錳等礦物[2]。如果將深圳地區(qū)工程渣土進(jìn)行加工處理，使之成為諸如機(jī)制砂和混凝土增強(qiáng)劑(或稱為水泥增強(qiáng)劑)等建筑材料，變廢為寶。這樣，不僅可以解決部分工程渣土的處置問題，而且可為深圳地區(qū)提供部分建筑工程用砂和混凝土礦物摻合料，在經(jīng)濟(jì)上做到一舉兩得；而且能減少因工程渣土運(yùn)輸產(chǎn)生揚(yáng)塵等環(huán)境問題。對深圳地區(qū)經(jīng)濟(jì)、社會(huì)發(fā)展以及環(huán)境保護(hù)具有積極意義。因此，本文選擇深圳地區(qū)含中砂的工程渣土進(jìn)行機(jī)制砂和洗砂泥煅燒處理，使之變?yōu)榻ㄖ牧系目尚行赃M(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，即對含中砂的工程渣土先進(jìn)行水化整形制砂工藝可行性進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探討，然后對水化泥干燥和煅燒處理，并通過水泥膠砂強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)檢測其火山灰活性。探究其能否作為水泥基材料的礦物摻合料。

1 原材料和實(shí)驗(yàn)方法

1.1 原材料

⑴工程渣土：深圳地區(qū)風(fēng)化花崗巖工程渣土因所處地區(qū)和風(fēng)化程度不同，分為含細(xì)顆粒石英砂(或無石英砂)土、含中等顆粒石英砂土和含粗顆粒石英砂土三種，詳見圖1。本研究選擇含中等粒度的石英砂渣土進(jìn)行初步實(shí)驗(yàn)研究。

圖1 深圳風(fēng)化花崗巖土原礦圖

⑵水泥：采用廣東英德海螺水泥有限責(zé)任公司的P.O42.5R 散裝水泥。生產(chǎn)廠家提供的水泥的基本性能如表1 所示。

表1 廣東英德海螺水泥的基本性能

⑶標(biāo)準(zhǔn)砂：使用廈門艾斯歐標(biāo)準(zhǔn)砂有限公司產(chǎn)品。

1.2 實(shí)驗(yàn)工藝流程

深圳地區(qū)風(fēng)化花崗巖渣土作為建筑材料的實(shí)驗(yàn)包括機(jī)制砂和洗砂泥煅燒處理兩個(gè)階段，其實(shí)驗(yàn)工藝流程如圖2 和圖3。

圖2 渣土制備機(jī)制砂實(shí)驗(yàn)工藝流程

圖3 煅燒洗砂泥的火山灰活性檢測工藝流程

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

⑴機(jī)制砂細(xì)度模數(shù)檢測：按照《建設(shè)用砂》(GBT14684－2011)的相關(guān)規(guī)定進(jìn)行。

⑵洗砂泥煅燒前后成分分析：洗砂泥粉和600℃煅燒的洗砂泥的化學(xué)成分采用日本津島公司生產(chǎn)的XRF-1800 波長色散X 射線熒光光譜儀進(jìn)行測試，短窗Rh 靶X 射線管，SC/FPC 檢測器，30mm 光闌，掃描范圍為Na～U；而其礦物成分采用日本RIGAKU 公司生產(chǎn)的D/NIX-BIA 型X 射線衍射儀進(jìn)行測試，儀器采用銅靶，石墨單色器，管壓30mA，其掃描角度(2θ)在5～80°，掃描速度10°/min，步長0.02°，穩(wěn)定度優(yōu)于1wt%。

⑶洗砂泥干燥粉和煅燒粉的無定型物含量檢測：準(zhǔn)確稱取0.1g(稱準(zhǔn)至0.0001g)巖樣，置于50ml 聚四氟乙烯瓶中，加入20ml 1.5mol/L 的氫氧化鈉溶液，加蓋密封，于沸水浴中加熱1h～1.5h，冷卻后轉(zhuǎn)移至100ml玻璃離心試管中進(jìn)行離心分離，倒出溶液，再加20～30ml 蒸餾水玻璃離心管中，充分混合均勻后再進(jìn)行離心分離，倒出溶液，重復(fù)進(jìn)行3～4 次，最后將帶渣玻璃離心管置于干燥箱中在105℃下干燥至恒重，分別稱量干燥恒重空玻璃離心管(W1)和干燥恒重帶渣玻璃離心管的質(zhì)量(W2)。根據(jù)下式可粗略計(jì)算出洗砂泥中無定型物相對含量(P%)。

⑷煅燒泥粉的水泥膠砂強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)：分別用600℃、650℃煅燒的洗砂泥以5%、10%、15%和20%替換水泥，按照《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法(ISO 法)》(GB/T17671－1999)的規(guī)定進(jìn)行水泥膠砂試塊制作；采用《水泥膠砂流動(dòng)度測定方法》CGB/T2419－2005)的規(guī)定進(jìn)行水泥膠砂流動(dòng)度測定，抗折、抗壓強(qiáng)度檢測；試塊編號為ZH20-11～14 和ZH20-21～24。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 整形工藝對機(jī)制砂的影響

風(fēng)化高嶺土型渣土通過0.075mm 篩水洗可得到約為41.5%烘干砂，其中粒徑大于4.75mm 約占17.33wt%，且含有少量土狀顆粒。因此，水洗得到的原砂必須進(jìn)行整形，使砂的顆粒級配和細(xì)度模數(shù)等指標(biāo)達(dá)到國家標(biāo)準(zhǔn)要求，故分別選擇顎式破碎機(jī)整形工藝和盤磨整形工藝進(jìn)行原砂整形試驗(yàn)(間隙為5.0mm)。原砂和不同整形工藝得到的整形砂的技術(shù)指標(biāo)檢測結(jié)果如表2。

由表2 可知，水洗砂的壓碎值雖然基本符合《建設(shè)用砂》[3]國家標(biāo)準(zhǔn)要求，但其顆粒級配與國家標(biāo)準(zhǔn)要求有著天壤之別，因此，為了滿足建材生產(chǎn)要求，必須進(jìn)行整形處理。從采用顎式破碎整形工藝和盤磨整形工藝(大規(guī)模生產(chǎn)采用輥壓整形) 得到的機(jī)制砂性能檢測結(jié)果(如表2)得知，雖然兩種整形工藝得到的機(jī)制砂的顆粒級配基本符合機(jī)制砂國標(biāo)Ⅱ區(qū)要求，細(xì)度模數(shù)也在中砂范圍內(nèi)，但是，顎式破碎工藝整形砂的壓碎值比盤磨工藝整形砂的大16.7%，表明顎式破碎工藝整形砂機(jī)械強(qiáng)度比盤磨工藝整形砂的機(jī)械強(qiáng)度差很多。這是因?yàn)轭€式破碎工藝基于機(jī)械力沖擊和擠壓而使大顆粒物料碎裂，而盤磨工藝主要依靠機(jī)械力的擠壓和摩擦而使大顆粒物料碎裂；顯然機(jī)械沖擊使物料顆粒產(chǎn)生的微裂紋比其他破碎方式要多，而且裂紋深度要深。從而使顆粒機(jī)械強(qiáng)度大幅度降低。

表2 原砂和不同整形工藝得到的整形砂的技術(shù)指標(biāo)檢測結(jié)果

2.2 煅燒溫度對洗砂泥的組成的影響

偏高嶺土(MK)是以高嶺土(分子式為Al2O3·2SiO2·2H2O，簡寫為AS2H2)為原料，在適當(dāng)溫度下(700～800℃)經(jīng)脫水形成的無水硅酸鋁(Al2O3·2SiO2，AS2)。高嶺土的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：層與層之間是由范德華鍵結(jié)合在一起的層狀硅酸鹽，在高溫加熱時(shí)，其結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生很多次的調(diào)整，當(dāng)溫度達(dá)到約550℃時(shí)，高嶺土的層狀結(jié)構(gòu)開始被破壞，發(fā)生脫水，從而產(chǎn)生了過渡相結(jié)晶程度非常差的偏高嶺土[4]；達(dá)到700℃時(shí)，高嶺土脫水過程基本結(jié)束。

深圳風(fēng)化花崗巖渣土經(jīng)過機(jī)械制砂后，還剩下干基重量約為60%洗砂泥。其主要礦物由高嶺土、長石、云母以及少量細(xì)小石英顆粒與有機(jī)物組成。MK 作為一種增強(qiáng)水泥基材料的力學(xué)性能和耐久性能高火山灰活性摻合料已在建材和建筑行業(yè)得到了初步應(yīng)用。將洗砂泥中高嶺土通過熱處理，使之成為增強(qiáng)水泥基材料的力學(xué)性能和耐久性的礦物摻合料，不失為使洗砂泥變廢為寶的很好的途徑。

于是，將洗砂泥干燥制粉后，分別在600℃、650℃溫度下煅燒2.5h，然后快速冷卻，并進(jìn)行成分分析，采用水泥膠砂強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)初步探討了煅燒洗砂泥的火山灰活性。105℃烘干洗砂泥粉和600℃煅燒洗砂泥粉半定量化學(xué)成分分析檢測結(jié)果(即XRF)分別如表3 和表4；其礦物成分定量分析檢測結(jié)果(即XRD 圖譜)分別如圖4 和圖5；105℃烘干洗砂泥粉和600℃、650℃煅燒洗砂泥粉無定型物質(zhì)含量分析結(jié)果如表5。

表5 不同狀態(tài)下洗砂泥粉無定型物質(zhì)分析結(jié)果 (單位：wt%)

由表3、表4 可知，105℃烘干洗砂泥粉在650℃溫度下煅燒后，諸如SiO2、Al2O3、K2O 等氧化物含量有所增加，而燒失量降低了4 個(gè)百分點(diǎn)，這說明洗砂泥中有機(jī)物發(fā)生了揮發(fā)，及其部分礦物的結(jié)晶水的脫除，即洗砂泥中高嶺土發(fā)生了脫水轉(zhuǎn)變成為偏高嶺土。由圖4、圖5得知，在650℃溫度下煅燒高嶺土礦物相對含量為24.54%的洗砂泥，急冷后的煅燒粉體中高嶺土礦物相對含量僅為1.67%，由此也證實(shí)了洗砂泥中大部分高嶺土發(fā)生了脫水轉(zhuǎn)變成為偏高嶺土。在105℃烘干洗砂泥粉和600℃、650℃煅燒洗砂泥粉無定型物質(zhì)含量分析結(jié)果顯示，雖然烘干洗砂泥中可溶性SiO2、Al2O3及其他無定型物質(zhì)的相對含量只有4.56%，然而，經(jīng)600℃、650℃煅燒洗砂泥粉無定型物質(zhì)的相對含量增加了4 倍，然而，和洗砂泥中高嶺土礦物相對含量的變化不相對應(yīng)。李陽[4]研究發(fā)現(xiàn)，高嶺石當(dāng)加熱到550℃左右開始發(fā)生脫羥反應(yīng)，其結(jié)構(gòu)內(nèi)的羥基開始以水的形式溢出，同時(shí)吸收大量的熱量，到700℃時(shí)，高嶺石結(jié)構(gòu)內(nèi)的羥基大部分逸出轉(zhuǎn)變?yōu)榉蔷B(tài)的偏高嶺石；到970℃時(shí)，偏高嶺石進(jìn)一步相變開始形成硅鋁尖晶石。因此，洗砂泥中大部分高嶺土雖然在650℃煅燒時(shí)發(fā)生了脫水，但是，由于環(huán)境能量不足以使其結(jié)構(gòu)鏈斷裂，使之全部轉(zhuǎn)變?yōu)樽杂苫鵖iO2和Al2O3，所以，洗砂泥中高嶺土在650℃時(shí)只有部分轉(zhuǎn)變?yōu)榭扇苄許iO2、Al2O3。

表3 干燥洗砂泥的化學(xué)成分(105℃烘干粉) (單位：wt%)

表4 煅燒洗砂泥的化學(xué)成分(650℃煅燒粉)(單位：wt%)

圖4 105℃干燥深圳風(fēng)化花崗巖洗砂泥XRD 圖譜

圖5 650℃煅燒深圳風(fēng)化花崗巖洗砂泥XRD 圖譜

另外，由圖4、圖5 可以看出，云母礦物由烘干洗砂泥中的33.88%相對含量降低至600℃煅燒粉體中的30.88%相對含量，說明洗砂泥中部分云母礦物經(jīng)650℃煅燒后，也發(fā)生了脫水轉(zhuǎn)變?yōu)闊o定型物質(zhì)。根據(jù)相關(guān)資料[5]得知，黑云母化學(xué)式約為K(Mg，F(xiàn)e)3AlSi3O10(F，OH)2，加熱至900℃時(shí)脫水。1100℃時(shí)分解為磁鐵礦或鎂鐵礦與石榴石；而白云母的化學(xué)成分為KAl2(AlSi3O10)(OH)2。350～450℃開始發(fā)生脫水，在700℃左右脫水完畢。由表3、表4 得知，洗砂泥中MgO 含量僅為0.30wt%，故洗砂泥中的云母主要為白云母，故由部分白云母已經(jīng)發(fā)生脫水分解無定型物質(zhì)。因此，洗砂泥經(jīng)煅燒后產(chǎn)生的無定型物質(zhì)是高嶺土和云母在高溫下發(fā)生脫水分解的結(jié)果。

2.3 煅燒制度對熱處理洗砂泥的火山灰活性的影響

分別600℃、650℃煅燒的洗砂泥以5%、10%、15%和20%替換水泥，按照《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法(ISO 法)》(GB/T17671－1999)的規(guī)定進(jìn)行洗砂泥的火山灰活性試驗(yàn)。其水泥膠砂流動(dòng)度，3d、7d 和28d 的抗折、抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果與純水泥膠砂相應(yīng)性質(zhì)試驗(yàn)結(jié)果的比值如表6 所示。

由表6 可知，隨著煅燒洗砂泥粉的替換量的增加，水泥膠砂流動(dòng)度隨之降低，并且煅燒溫度提高，水泥膠砂流動(dòng)度降低更多，說明要達(dá)到純水泥膠砂相同的流動(dòng)度，需要在標(biāo)準(zhǔn)用水量225g 基礎(chǔ)上添加一定量的水。由于洗砂泥中高嶺土經(jīng)煅燒后脫羥轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂卸嗫捉Y(jié)構(gòu)的偏高嶺土，其活性比較高，對水分子具有較強(qiáng)的吸附作用，從而參與形成水泥膠砂漿體的水減少而使其流動(dòng)度降低[6-7]。

另外，由表6 可知，采用煅燒洗砂泥替換部分水泥后，3d 和7d 的抗壓強(qiáng)度都低于純水泥膠砂試塊的強(qiáng)度，而且隨著煅燒洗砂泥粉的替換量的增加，3d 和7d的抗壓強(qiáng)度也隨之降低；而其抗折強(qiáng)度降低幅度明顯比抗壓強(qiáng)度的小。但是，28d 的抗折、抗壓強(qiáng)度都比純水泥膠砂試塊的高，而且在10wt%與20wt%存在一個(gè)最佳替換量，使其膠砂試塊的抗折、抗壓強(qiáng)度達(dá)到最大值；3d到7d 和7d 到28d 抗壓強(qiáng)度增長幅度都明顯高于純水泥膠砂的抗壓強(qiáng)度增長幅度。這說明煅燒洗砂泥因其中高嶺土轉(zhuǎn)變?yōu)槠邘X土而具有較好的火山灰活性。TIRONI,A 等[8]研究表明偏高嶺土(MK)在水泥水化前期主要稀釋了水化體系中活性水泥組分含量，妨礙了水泥前期水化，其MK 替換量越大對前期水化影響越明顯；而水化中后期，MK 能與水泥水化產(chǎn)物氫氧化鈣(CH)發(fā)生火山灰反應(yīng)，生成更多的C-S-H 凝膠和水化鋁硅酸鹽C-S-Al-H 相。同時(shí)，MK 還可以作為氫氧化鈣的成核中心而加速水泥的水化進(jìn)程。以上兩種效應(yīng)綜合作用使其水化中后期彌補(bǔ)了前期因稀釋作用而帶來的負(fù)面影響，從而強(qiáng)化水泥中后期水化而使之后期水化產(chǎn)物的力學(xué)性能顯著增強(qiáng)。曹永丹等[9]采用X 射線衍射、熱重和掃描電鏡等研究方法研究鍛燒煤研石摻量對水泥膠砂力學(xué)性能和水化產(chǎn)物微觀結(jié)構(gòu)的影響時(shí)也持有以上相同觀點(diǎn)。

表6 深圳風(fēng)化高嶺土洗砂泥熱處理干粉水泥膠砂強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

但是，筆者認(rèn)為在用水量不變情況下，摻有偏高嶺土水泥膠砂試塊早期強(qiáng)度較低原因是雙稀釋效應(yīng)造成的。一是偏高嶺土替換使水泥漿體參加水化反應(yīng)活性水泥組分的減少，二是由于具有多孔結(jié)構(gòu)的高活性偏高嶺土在早期吸附大量水分子，使之參與水泥漿體水化反應(yīng)的水相應(yīng)急劇減少。CYR,M 等[10]研究表明，在相同流動(dòng)度下，摻有偏高嶺土的水泥膠砂的3d 和7d 的抗折、抗壓強(qiáng)度均高于純水泥膠砂的強(qiáng)度，其機(jī)理是粒度較細(xì)偏高嶺土可在養(yǎng)護(hù)早期為水泥熟料提供水化的活性位點(diǎn)，加速水泥的早期水化進(jìn)程(稱之為物理效應(yīng))。許溥超[4]在偏高嶺土對水泥水化過程影響的機(jī)理研究時(shí)也出現(xiàn)同樣的現(xiàn)象。

3 結(jié)論

通過對深圳風(fēng)化花崗巖渣土進(jìn)行機(jī)制砂制備和其煅燒洗砂泥火山灰活性的實(shí)驗(yàn)探討，初步得出如下結(jié)論：

⑴含中顆粒砂的工程渣土經(jīng)水洗、機(jī)械整形等工序可獲得約40%，顆粒級配和細(xì)度符合《建設(shè)用砂》國家標(biāo)準(zhǔn)要求的中級機(jī)制砂，盤磨加工的比顎式破碎加工的質(zhì)量好；

⑵洗砂泥經(jīng)過600℃高溫煅燒后，其中大部分高嶺土和少量的云母發(fā)生脫水轉(zhuǎn)變?yōu)槠邘X土和無定型的SiO2和Al2O3等；

⑶600℃和650℃高溫煅燒深圳工程渣土洗砂泥都具有較好的火山灰活性，且其火山灰活性隨著煅燒溫度提高而增大，最佳替換量在10wt%與20wt%之間；在固定水灰比條件下，水泥膠砂試塊的早期強(qiáng)度較低，而中后期的強(qiáng)度發(fā)展較快，28d 的抗壓強(qiáng)度一般高于純水泥膠砂試塊的8%以上。

⑷深圳風(fēng)化花崗巖渣土經(jīng)過加工處理，基本上可全部用于建筑材料的生產(chǎn)，不產(chǎn)生“三廢”。不僅可解決深圳工程渣土的處置問題，而且可產(chǎn)生非?？捎^經(jīng)濟(jì)效益，對環(huán)境保護(hù)具有積極意義。

本實(shí)驗(yàn)研究初步探討了深圳風(fēng)化花崗巖工程渣土用于建筑材料生產(chǎn)的可行性，但由于工程渣土洗砂泥由石英、鉀長石、高嶺土、云母組成，雖然鉀長石的分解溫度在1100℃以上，但云母在700℃完全脫水轉(zhuǎn)變?yōu)闊o定型物質(zhì)。雖然600℃、650℃煅燒的洗砂泥的火山灰活性較好，但其中高嶺土沒有發(fā)生完全脫水轉(zhuǎn)變?yōu)槠邘X土，云母只有少量發(fā)生脫水轉(zhuǎn)變?yōu)闊o定型物質(zhì)。因此，還需對650～800℃溫度下煅燒洗砂泥的火山灰活性效應(yīng)進(jìn)行研究，探究其最佳煅燒溫度。另外，洗砂泥中含有約6.5%的K2O+Na2O，存在于洗砂泥的鉀長石和白云母晶體中，如果在700～800℃溫度下煅燒，白云母完全發(fā)生脫水轉(zhuǎn)變?yōu)榭扇苄訩2O(含量約為3wt%)，按照國家標(biāo)準(zhǔn)，堿含量按Na2O+0.658K2O 計(jì)算，那么，煅燒洗砂泥中堿含量約為4.5wt%，可溶性堿含量約為2.5wt%。如果煅燒洗砂泥替換量為15wt%，可為水泥混凝土增添約為0.4wt%可溶性堿含量，雖然與水泥混凝土堿含量國家標(biāo)準(zhǔn)要求低一段距離(國標(biāo)要求≤1wt%)，但對水泥混凝土的強(qiáng)度和耐久性影響程度不得而知，需要進(jìn)一步進(jìn)行試驗(yàn)探究。