陳 玲，王 銳，李廣鋒，林通敏，潘麗華

(1.廣西生態(tài)工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西 柳州 545000；2.中鐵建設(shè)集團(tuán)有限公司，北京 100040；3.廣西科技大學(xué)，廣西 柳州 545006)

0 前 言

水泥作為國民經(jīng)濟(jì)中重要的基礎(chǔ)性原材料，在國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展中具有舉足輕重的地位[1]，在一定程度上反映一個國家的經(jīng)濟(jì)水平與實力。由于傳統(tǒng)水泥生產(chǎn)技術(shù)的因素，我國水泥工業(yè)在生產(chǎn)過程中能源消耗較大，二氧化碳排放量較多，資源利用率低，不利于我國水泥工業(yè)的長遠(yuǎn)發(fā)展。

磚體材料是建筑中使用范圍最廣的墻體材料之一，在建筑廢棄物中占有較大比重，燒結(jié)頁巖磚是自國家禁止使用實心黏土磚以來廣西地區(qū)使用最廣泛的墻體材料替代品，擁有較高強(qiáng)度與熱工性能[2]，逐漸成為建筑磚體材料廢棄物的主體，本文針對建筑垃圾中占有較大比重的廢棄磚，結(jié)合地區(qū)實際情況，利用廢棄燒結(jié)頁巖磚制備水泥混合材料。

1 試驗及分析

1.1 頁巖磚粉制備

試驗選用同一建筑工地拆除的廢棄磚制備廢棄燒結(jié)頁巖磚粉末。由于試驗用廢棄燒結(jié)頁巖磚粉末相對較少，磚體粉末的制備流程主要為：拆遷工地人工初選、實驗室人工錘擊與簡單破碎、機(jī)械破碎與粉磨、篩分，最終得到不同粒徑的廢棄燒結(jié)頁巖磚粉末。

1.2 理化分析與X射線衍射分析

由上述方法制備得到的廢棄燒結(jié)頁巖磚粉末主要呈現(xiàn)深紅色(見圖1)，存放時粉末邊緣會有些許灰色粉末，這是由于磚廠燒制磚坯時無法保證每一塊磚的每一部分剛好達(dá)到最佳燒結(jié)溫度，因此，每塊磚或多或少存在部分過燒現(xiàn)象，最終產(chǎn)生灰色過燒成分。

圖1 廢棄燒結(jié)頁巖磚粉末

由于廢棄燒結(jié)頁巖磚是由頁巖經(jīng)煅燒后形成的產(chǎn)物，通過查閱規(guī)范《用于水泥中的火山灰質(zhì)混合材料》(GB/T 2847—2005)，頁巖磚粉符合人工火山灰質(zhì)混合材料分類的要求，具有火山灰性，通過規(guī)范《水泥化學(xué)分析方法》(GB/T 176—2017)中給定的化學(xué)試驗方法測定出廢棄燒結(jié)頁巖磚粉末的主要化學(xué)成分，其化學(xué)成分及各成分含量如表1所示。

表1 廢棄燒結(jié)頁巖磚粉末化學(xué)組分 %

由表1可以看出，廢棄燒結(jié)頁巖磚粉末中的主要成分包括二氧化硅(SiO2)、三氧化二鋁(Al2O3)和三氧化二鐵(Fe2O3)，三者總量接近80%，因此，從成分上看，頁巖磚粉屬于硅鋁鐵質(zhì)材料，此外，磚粉中其他物質(zhì)含量超過15%，說明磚粉中雜質(zhì)相對較多，在磚粉摻量過多時可能對水泥性能產(chǎn)生不利影響。對比規(guī)范中可以作為水泥混合材料使用的要求，頁巖磚粉的燒失量為2.07%，滿足人工火山灰質(zhì)混合材料不大于10.0%的要求；三氧化硫(SO3)含量為0.57%，滿足不大于3.5%的要求；由于試驗所用頁巖磚粉來源于建筑廢棄磚，磚體滿足建筑墻體材料的放射性要求，因此，頁巖磚粉至少可作為非活性水泥混合材料使用。廢棄燒結(jié)頁巖磚粉末的X射線衍射分析(XRD)如圖2所示。

圖2 廢棄燒結(jié)頁巖磚粉末XRD分析圖譜

由圖2可知，頁巖磚粉的X射線衍射分析圖譜中具有3種明顯衍射峰，分別對應(yīng)著SiO2、Al2O3、Fe2O3三者晶體相，說明頁巖磚粉具有一定數(shù)量的玻璃體相，具備一定的化學(xué)反應(yīng)活性。此外圖譜中仍存在著多根較明顯的其他晶體相衍射峰，說明頁巖磚粉中的其他礦物雜質(zhì)較多，可能會對頁巖磚粉摻量、水泥性能等造成不利影響。

1.3 方案設(shè)計

由前期對頁巖磚粉的材料分析可知，頁巖磚粉的活性與粉煤灰較為接近并且遠(yuǎn)小于礦粉活性，因S95級礦粉在水泥取代率為50%時，其抗壓強(qiáng)度比在95%以上，所以本試驗設(shè)定頁巖磚粉的摻量范圍在5%～50%，以5%為磚粉摻量間隔并設(shè)置參照組，保證水灰比不變，各組試件配比如表2所示。

表2 單摻試驗配比表

1.4 試驗結(jié)果與分析

水泥膠砂強(qiáng)度試驗結(jié)果如表3所示，水泥膠砂的抗折、抗壓強(qiáng)度隨廢棄燒結(jié)頁巖磚粉摻量的變化情況如圖3～4所示。

表3 水泥膠砂強(qiáng)度試驗結(jié)果

圖3 水泥抗折強(qiáng)度變化規(guī)律

由圖3和圖4可知，隨著頁巖磚粉摻量的不斷增加，水泥膠砂的3 d、28 d抗壓強(qiáng)度在不斷減小；磚粉摻量在5%時，水泥膠砂3 d的抗壓強(qiáng)度有所提高，說明水泥中少量摻入頁巖磚粉有助于提高早期抗壓強(qiáng)度；在磚粉摻量超過30%時，水泥膠砂的3 d、28 d抗壓強(qiáng)度降低速度明顯加快，并且3 d的抗壓強(qiáng)度值位于規(guī)范要求臨界點、28 d的強(qiáng)度值低于規(guī)范要求，此時的復(fù)合水泥已不能滿足強(qiáng)度要求；水泥膠砂在頁巖磚粉摻量為30%之前時的抗折強(qiáng)度波動明顯，但在數(shù)值上表現(xiàn)不大，磚粉摻量超過30%后，3 d與28 d的抗折強(qiáng)度發(fā)生顯著下降，抗折強(qiáng)度比下降幅度達(dá)到17%，而28 d抗壓強(qiáng)度值降低超過7.5 MPa。因此，綜合考慮磚粉摻量對水泥膠砂3 d、28 d抗折、抗壓強(qiáng)度的影響、規(guī)范對復(fù)合水泥強(qiáng)度值的要求以及極大利用廢棄燒結(jié)頁巖磚粉的目標(biāo)，試驗選定頁巖磚粉單摻時的最大摻量為30%(即135 g)。

圖4 水泥抗壓強(qiáng)度變化規(guī)律

1.5 理化性能

雖然廢棄燒結(jié)巖磚粉的最大摻量可以達(dá)到30%甚至更高，但這僅是在滿足規(guī)范強(qiáng)度要求的情況下分析得到的，要想在日常生產(chǎn)中廣泛使用，還應(yīng)對規(guī)范要求的其他指標(biāo)進(jìn)行驗證。

通用硅酸鹽水泥的化學(xué)指標(biāo)因水泥種類的不同而有不同的要求，在頁巖磚粉單獨(dú)摻入P·I型水泥時，若摻量>5%且≤20%，則形成的水泥種類為普通硅酸鹽水泥；若摻量大于20%且小于等于40%，則形成火山灰質(zhì)硅酸鹽水泥。

由表4可知，30%磚粉摻量水泥初凝時間和終凝時間均符合規(guī)范要求，并且安定性也合格。這說明雖然廢棄燒結(jié)頁巖磚粉末中雜質(zhì)較多，但基本不參與水泥水化，從頁巖磚粉的化學(xué)成分上看，磚粉中包含的CaO、SO3占比較少，僅占磚粉質(zhì)量的2.76%，而造成水泥體積安定性不良的游離氧化鈣(-CaO)、游離氧化鎂(-MgO)更是少之又少，因此，雖然磚粉摻量較多，但安定性合格，滿足規(guī)范要求。

表4 水泥物理性能測試結(jié)果

2 微觀分析

由于硅酸鹽水泥中的強(qiáng)度主要取決于水化硅酸鈣(C-S-H)的生成情況，并且在常溫下，硅酸鹽水泥水化形成的C-S-H主要以膠凝狀態(tài)存在于凈漿和膠砂中，在利用掃描電鏡觀察時，其呈現(xiàn)的形貌主要有纖維狀(柱狀)、網(wǎng)絡(luò)狀、層狀或片狀，因此，可用來評定水泥水化過程中C-S-H膠凝形成情況。

為了研究廢氣燒結(jié)頁巖磚粉末的摻入對磚粉水泥水化反應(yīng)的影響，通過對不同摻量下磚粉水泥凈漿試件進(jìn)行SEM試驗，得到各摻量下養(yǎng)護(hù)齡期為7 d的SEM圖如圖5所示(由于水泥水化反應(yīng)在前期較為劇烈，且水泥強(qiáng)度主要是在前期形成，因此，本SEM試驗選取的磚粉水泥齡期為7 d)。

(a)摻量0

由圖5可知，隨著頁巖磚粉末摻量的不斷增加，水泥凈漿中形成的層狀、片狀C-S-H膠凝粒子逐漸減少，網(wǎng)絡(luò)狀膠凝粒子增多，并且在頁巖磚粉摻量為30%時，水泥水化產(chǎn)物部分區(qū)域形成網(wǎng)絡(luò)狀膠凝結(jié)構(gòu)。

借助C-S-H膠凝模型中的Powers-Brunauer模型[3]進(jìn)行解釋分析，該模型認(rèn)為C-S-H是由粒徑大約為14 nm的剛性顆粒形成層狀的托貝莫來石膠凝，相比網(wǎng)絡(luò)狀膠凝粒子具有更高的致密性，能夠為水泥提供更高的強(qiáng)度，即由于頁巖磚粉摻量較少的水泥中生成了較多的層狀C-S-H膠凝，其強(qiáng)度要高于因頁巖磚粉摻量較多而產(chǎn)生較多網(wǎng)絡(luò)狀膠凝粒子的復(fù)合水泥。因此，頁巖磚粉的摻入會改變磚粉水泥水化產(chǎn)物中生成的C-S-H膠凝形態(tài)，使其更易向強(qiáng)度較低的網(wǎng)絡(luò)狀膠凝粒子方向生成，最終導(dǎo)致水泥強(qiáng)度的降低。

3 結(jié) 論

1)廢棄燒結(jié)頁巖磚粉末具有一定的活性，至少可作為非活性水泥混合材料使用。

2)膠砂的抗壓強(qiáng)度隨著頁巖磚粉摻量的增加而不斷減小，磚粉摻量超過30%時，膠砂的抗壓強(qiáng)度下降超過7.5 MPa，且此時水泥的強(qiáng)度值已不能滿足強(qiáng)度要求。

3)頁巖磚粉的摻入會改變磚粉水泥水化產(chǎn)物中生成的C-S-H膠凝形態(tài)，使其更易向強(qiáng)度較低的網(wǎng)絡(luò)狀膠凝粒子方向生成，對磚粉水泥強(qiáng)度造成不利影響。

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