摘要:建筑垃圾排放量巨大,既污染环境,又浪费资源,其综合利用已得到重视。本文着重讨论了建筑垃圾作替代原料生产水泥的物理力学性能研究。研究结果表明:当建筑垃圾取代20%的石灰石时,水泥28天胶砂抗折强度为6.8MPa,28天胶砂抗压强度为42.8Mpa;熟料岩相结构良好,f-CaO的含量很少,且凝结时间、安定性等指标均达到国家标准。
关键词:建筑垃圾 取代率 岩相结构 胶砂强度
1、引言
建筑业作为国民经济的支柱产业之一,虽然得到了突飞猛进的发展,但相应的在建筑物的建设、维修、拆除过程中产生的建筑垃圾也空前增加,据不完全统计[1],其数量已占到城市垃圾总量的30%~40%,在每万平方米建筑的施工过程中,就会产生500~600t的建筑垃圾。若按此测算,我国每年仅施工建设所产生的建筑垃圾就超过1亿吨,而且还在以每年8%的速度增长。大量的建筑垃圾占用大量空地存放,污染环境,浪费耕地,成为城市一大公害。但同时建筑垃圾具有资源含量高、易重复利用等特点,建筑垃圾的矿物成分多以Al2O3、SiO2和CaO为主,和传统的水泥、粘土等铝硅质矿物原料成分接近。水泥行业是能源和资源的消耗大户,需要大量开采粘土、石灰石等原料,不但消耗能源,而且极大地破坏了绿色植被,引起水土流失,造成矿物资源日益减少,严重地破坏了生态环境。如果把建筑垃圾用在水泥行业上,不仅减少了建筑垃圾对环境的污染,同时也减少了水泥生产的能源消耗。
本文主要是对建筑垃圾作水泥替代原料的物理力学性能进行研究,以得到最佳的建筑垃圾取代率。
2、试验
2.1 原料化学分析
(1)建筑垃圾:废混凝土和废红砖。建筑垃圾经过处理把里面的钢筋等物取出,首先在鄂式破碎机上进行破碎,然后用球磨机进行粉磨,保证80μm筛筛余小于15%。
(2)BM水泥厂原料:石灰石、低硅砂岩、高硅砂岩、铁矿粉、煤粉。
根据国标GB176-87《水泥化学分析方法》;GB3286-88《石灰石、白云石化学分析方法》;GB6730-86《铁矿石化学分析方法》;GB6900-86《粘土分析方法》等分别对BM水泥厂的各种原料进行化学全分析,结果见表1,表2。
2.2 生料配比
保持三率值基本不变,根据建筑垃圾替代石灰石的量不同分为四个试样:0%,10%、20%、30%。四种试样的生料分别粉磨,细度控制在80μm筛余≤10%,200μm筛余≤2%,实验控制三率值KH=089±0.01,SM=2.5±0.1,IM=1.6±0.1来进行配料。在熟料煅烧实验中可以不考虑率值的影响,生料配合比结果见表3,计算出熟料矿物组成见表4。
3、结果与讨论
3.1 试验结果
水泥的基本物理性能根据国标GBT1346《水泥标准稠度用水量、凝结时间、安定性检验方法》进行检验,强度根据胶砂强度GBT17671的标准试验方法。水泥的物理力学性能测试结果结果见表5,表6。
3.2 试验现象分析
(1)由表5看出,建筑垃圾的多少对水泥的凝结时间、安定性、标准稠度需水量等无不利影响。
(2)由表6的试验数据可知,随着建筑垃圾取代率的增加,水泥的胶砂强度呈逐渐减小的趋势,而且降低幅度越来越大。当建筑垃圾取代率20%时,28天抗折强度降低了6.8%,抗压强度降低了4.4%;当建筑垃圾取代率为30%时,28天抗折强度降低了16.4%,抗压强度降低了16.3%,降低趋势比较明显,严重影响了水泥的强度。
(3)由熟料的化学成分计算结果发现,随着建筑垃圾取代率的增加,熟料的硅酸盐矿物(C3S+C2S)含量逐渐减小,这可能是水泥强度降低的原因。当建筑垃圾取代率为20%时,水泥的28天抗折强度为6.8MPa,28天抗压强度为42.8MPa,满足国家标准GB175-2007的硅酸盐水泥42.5标号的强度等级。
3.3 熟料的岩相和SEM显微结构分析
在反光显微镜下对0%~30%建筑垃圾的取代率的生料试样1450℃下的煅烧熟料进行了岩相分析,浸蚀剂:1%NH4Cl,反光200X,分析结果如下:
3.3.1 0%建筑垃圾取代率的图片分析
(1)A矿:煅烧温度1400℃时,以半自形、它形晶为主,偶见少量柱状自形晶。晶粒大小参差,大晶粒60~110μm,小晶粒6~9μm,一般晶粒30~50μm,大晶粒占A矿的1/3,小晶粒约占A矿的2/3,大晶粒中含二次B矿包裹物,形成砂眼状结构,A矿成无序状相对集中分布。(参见图5-1)
煅烧温度1450℃时,半自形、它形晶及少量柱状六角形自形晶组成。晶粒大小参差,半自形晶约占A矿的2/3,大晶粒约89~165μm,一般晶粒60~85μm,小晶粒15~50μm,A矿中含二次B矿包裹物,形成砂眼状结构,大晶粒边缘多被融蚀,A矿分布无序,大小晶粒混杂。(参见图5-3)
(2)B矿:煅烧温度1400℃时,圆形、椭圆形、多边形晶粒,大小参差,成矿巢状分布,粒径15~35μm,平均粒径25μm。(参见图5-2 )
煅烧温度1450℃时,圆形、多边形晶粒成矿巢状分布,晶粒大小参差,在7~35μm,多数晶粒为20~25μm,晶粒表面交叉双晶纹明显。(参见图5-4)
(3)中间相:煅烧温度1400℃时,黑色中间相呈叶片状分布于白色中间相中,白色中间相形状不规则,分布于A、B矿周围。
煅烧温度1450℃时,黑色中间相呈点滴状、叶片状分布,与白色中间相共生,白色中间相分布于A、B矿周围,形状不规则。
(4)f-CaO:煅烧温度1400℃,圆形晶粒,粒径5~10μm,零散分布。煅烧温度1450℃,圆形晶粒,粒径10μm,零散分布。
3.3.2 20%建筑垃圾取代率的图片分析
(1)A矿:煅烧温度1400℃时,以半自形晶、它形晶为主,晶体发育不良,晶粒大小参差,他形晶约占2/3,分布无序相对集中,大晶粒40~65μm,小晶粒7~15μm,一般晶粒25~40μm,A矿中含二次B矿包裹物,成砂眼状结构,晶粒边缘可见蚀边结构。(参见图5-5)
煅烧温度1450℃时,以半自形晶、它形晶为主,晶体发育不良,晶粒大小参差,大晶粒70~95μm,一般晶粒25~60μm,小晶粒6~25μm,大晶粒约占A矿的1/3,A矿分布无序,相对集中,A矿中含二次B矿包裹物,成砂眼状结构。(参见图5-7)
(2)B矿:煅烧温度1400℃时,圆形、椭圆形、多边形晶粒成矿巢状分布,晶粒大小参差,在7~35μm,平均粒径2μm。(参见图5-6)
煅烧温度1450℃时,圆形、椭圆形、多边形晶粒成矿巢状分布,晶粒6~35μm,平均粒径25μm。(参见图5-8)
(3)中间相:煅烧温度1400℃时,黑色中间相成叶片状与白色中间相共生,白色中间相分布于A、B矿周围,形状不规则。
煅烧温度1450℃时,黑色中间相成叶片状、点滴状分布,与白色中间相共生,白色中间相分布于A、B矿周围,形状不规则。
(4)f-CaO:煅烧温度1400℃,圆滴状零散分布,粒径7~10μm。
煅烧温度1450℃,圆形晶粒,零散分布,粒径6~10μm。
4、结语
(1)随着建筑垃圾取代率的增加,水泥的28天抗压强度逐渐减小,并且降幅有增加的趋势。
(2)建筑垃圾20%取代率煅烧出的水泥熟料,硅酸盐含量比较高,达到75%以上。经过胶砂强度试验,其28天的抗压强度达到了42.8MPa,符合硅酸盐水泥强度等级42.5的标准,且凝结时间、安定性等指标均符合国家标准,因此本试验中建筑垃圾取代石灰石的最佳取代率为20%。
(3)熟料岩相分析表明,经1400℃、1450℃煅烧30min后,0%建筑垃圾取代率的生料和20%建筑垃圾取代率的生料试样,熟料岩相结构良好,熟料中f-CaO的含量很少,对提高水泥强度与水泥的安定性均有利。
参考文献
[1]王罗春,赵由才.建筑垃圾处理与资源化[M].化学工业出版社,2004,(9):15-16.
[2]沈威,黄文熙,闵盘荣.水泥工艺学[M].武汉工业大学出版社,2003,(1):29-32.
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