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利用废弃混凝土制备钙硅制品的试验研究

水泥 2006-05-07

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摘　要：对废弃混凝土破碎后分离出砂浆，经粉磨处理，再配以一定量的熟石灰和水制成试块，在合适压蒸制度下利用水热反应制备钙硅制品。用抗压强度试验、SEM、XRD 等手段测试并分析了试样宏观性能与原料配比、反应过程、产物形貌、数量、性质等之间的关系。结果表明利用废弃混凝土分离出来的砂浆可以制得具有良好力学性能的钙硅制品，反应产物主要有α-C2SH 和半结晶的C-S-H(B) 等物相，而水固比、Ca/ Si 比是影响制品宏观性能的重要因素。

关键词：废弃混凝土；　压蒸处理；　钙硅制品
 
    水泥混凝土是当今使用最广泛、用量最大的结构工程材料之一。然而，世界范围内每年由于质量问题或其他原因会产生大量的废弃混凝土。废弃混凝土的弃置不仅占用大量宝贵的土地资源，同时容易对环境造成二次污染[1～4 ] 。废弃混凝土的组成中除粗骨料、细骨料外，主要还包括水泥和其他辅助胶凝材料的水化产物，未水化的水泥和辅助胶凝材料。在适合用于制备混凝土的砂、石资源日益枯竭的今天，对废弃混凝土中的可利用成分进行再生资源化具有重要的意义。将废弃混凝土中的粗骨料分离出来用于制备再生骨料混凝土已有大量的研究，并取得了较多的成果;而对废弃混凝土中的砂浆进行回收利用却鲜有报道，该试验研究把砂浆从废弃混凝土中分离出来，经一定的处理过程之后采用水热压蒸的方法制备钙硅制品。
 
1 　实　验
1. 1 　原材料
 
    废弃混凝土：市政工程中拆除的梁柱混凝土，原有强度等级C50 ，2 年龄期；Ca (OH)2 ：市售建筑生石灰经消化、烘干、研磨并过0. 15 mm 孔径方孔筛制得；拌合水：饮用自来水。
 
1. 2 　方法
 
    1) 砂浆料的制备　将废弃混凝土破碎并将粗骨料与砂浆分离，将砂浆置于5 kg 实验磨机中粉磨30 min ，得砂浆料R0 。R0 的XRD 图谱如图1 所示，其化学成分如表1 所示。
 
   
 
   
 
    2) 试样成型　将物料按表2 所示配方拌合均匀后置于4 cm×4cm×4 cm 钢模中， Y1 、Y2 、Y3 试样在20 MPa 压力下压制成型，及时脱模，L1 、L2 、L3 试样采取振动成型，标准条件下养护1 d 后脱模。
    3) 蒸压养护　将脱模后的试样置于YZF2A 小型实验高压釜中进行蒸压养护，蒸压制度如图2 所示。
 
   
 
   
 
    4) 抗压强度及微观测试　将蒸压养护后的试块再置于标准条件下养护1 d ，进行抗压强度测试，留取部分试样用无水乙醇浸泡3 d ，真空干燥后制样进行微观测试。
 
2 　结　果
 
    1) 压蒸后试样外观　试验中发现， L1 、L2 、L3 试样在压蒸后均出现了侧面竖向开裂的现象，且上表面有水蒸气溶蚀的痕迹， 其中L1 试样压蒸后外观见图3 ，L2 、L3 试样压蒸后外观与此类似。而Y1 、Y2 、Y3 试样外观保持良好，无肉眼可见裂纹，其中Y1 试样压蒸后外观见图4 ， Y2 、Y3 试样压蒸后外观与此类似。
    2) 抗压强度　L1 、L2 、L3 试样压蒸后由于已经出现明显裂缝，已经遭到破坏，基本无强度。而Y1 、Y2 、Y3 试样压蒸后强度如图5 所示。
    3) XRD 图谱　压蒸后Y1 试样XRD 图谱见图6 。
    4) SEM 形貌　压蒸后Y1 、Y2 、Y3 试样SEM 图见图7～图9 。
 
   
 
   
 
   
 
   
 
   
 
 
3 　分析与讨论
 
    从实验结果可以看出，将废弃混凝土中的砂浆分离出来后经粉磨至一定细度，与一定比例的石灰和水相配合，在合适的压蒸制度下可以得到高强度钙硅制品。其原理是在100 ℃以上的水热介质中，石灰中的Ca (OH)2和砂中的SiO2 发生急剧的化学反应，生成各种类型的水化硅酸钙[5 ，6 ] ，将未反应的颗粒包裹交联形成空间网络结构，从而使硬化体具有良好的物理力学性能。在常温下Ca (OH)2 和结晶态SiO2 间的化学反应过程非常缓慢，砂中结晶态的SiO2 只有在高温水中才能较快地溶解，因此必须采用压蒸的手段促使其发生反应，该研究参照制品工厂常用的蒸压制度进行实验。
 
    实验结果表明，水固比对制品的抗压强度有较大的影响，采用0. 3 水固比的3 组试样经压蒸后外观整齐，强度较高;而采用0. 4 水固比的试样压蒸处理后外观破坏，基本上失去了抗压能力。分析原因认为:一方面试块中水含量较高时，脱模后压蒸前抵抗变形的能力较差，同时在压蒸升温过程中，试块中较多水分汽化，体积急剧膨胀产生分布不均的巨大内压力，在试块本身无足够强度的情况下，受到内外压力作用而开裂。另一方面，水固比较大时，尽管有利于水热反应的进行，但生成的产物本身孔隙较多，未反应的颗粒之间距离相对较远，反应产物对它们的联结能力较差，因而反应早期无法形成足够的强度抵抗较高的压力。
 
    实验结果同时表明，Ca(OH)2 用量对于制品抗压强度也有明显影响。实验系列试样中，Ca (OH)2 占R0砂浆料的比例为25 %时可以获得最高的抗压强度值，而Ca(OH)2 占R0 砂浆料的比例为15 %时抗压强度值最低，50 %比例时居中。归根结底，Ca(OH)2 与R0 砂浆料的比例不同实质上造成了各组试样中Ca/ Si 摩尔比值的差别，而Ca/ Si 比不同，则形成的产物数量、形貌和性质有较大差别，同时压蒸后试样的内部孔结构、各组分比例也不相同，造成宏观性能比如抗压强度的差异。图6 中压蒸后Y1 试样XRD 图谱表明，生成的产物主要有α-C2SH 和半结晶的C-S-H(B) ，SiO2 特征峰仍然明显存在，而没有石灰的特征峰，表明砂并未完全反应掉，但从压蒸后Y1 试样的SEM 图像(见图7) 并不能观察到砂粒的存在，这主要是因为Ca(OH)2与SiO2 的溶解速率和浓度差的原因，它们之间的水热反应首先在砂粒表面进行，当反应进行到一定程度之后，产物将砂粒包裹，因而难以观察到砂粒。但当Ca/ Si 比较低，Ca(OH)2 量不足时，生成的水化产物不能完全包裹砂粒(见图8) ，同时也会影响到它们之间的相互交联，进而影响宏观力学性能，这也是本实验中Y2 试样抗压强度最差的原因。当Ca(OH)2 充足时，反应也不一定能完全进行，一方面随反应的进行，砂粒表面受到越来越多水化产物的包裹，Si 的溶出和扩散受到影响;另一方面反应的完全进行也需要足够的时间。所以尽管原料Ca/ Si 比仍在各产物Ca/ Si 比范围内，Ca (OH)2 量也有可能因反应不完全而残存在试样当中，影响试块的力学性能;当然，Ca/ Si 比不同的产物本身也对试块力学性能产生不同影响。这是该实验中Y3 试样力学性能不及Y1 的原因。
 
    另外，砂的细度、压蒸制度等因素也会对产物特性以及制品宏观性能产生影响，需要进行进一步的研究。
 
4 　结　论
 
    a. 废弃混凝土中的砂浆经分离、粉磨处理后，与石灰和水配比，经压蒸处理后可以获得高强度的钙硅制品，可以成为废弃混凝土再生资源化的有效途径。
 
    b. 水固比对废弃混凝土砂浆钙硅制品的外观及物理力学性能有显著影响，水固比过大时由于压蒸时制品本身无足够强度，同时内部水分汽化膨胀而使试块开裂破坏。
 
    c. Ca/ Si 比是影响废弃混凝土砂浆钙硅制品物理力学性能的另一个重要因素，在相同的压蒸制度下，当Ca/ Si 比不同时，反应进行程度不一样，产物的形貌、数量、性质存在较大差别，导致试样内部亚微观结构不同，进而对宏观性能产生影响。
 
    d. 废弃混凝土砂浆钙硅制品水热反应过程中生成的物质主要有α-C2SH 和半结晶的C-S-H(B) 等物相。
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