基于水熱合成技術(shù)的建筑廢料再利用研究

申 琳，李曉剛

(1楊凌職業(yè)技術(shù)學(xué)院,陜西 楊凌 712100；2晶科電力科技股份有限公司，上海 201106)

建筑廢料的回收再利用是提高砂石、水泥資源利用效率的一項(xiàng)重要手段，現(xiàn)階段我國的建筑廢料主要包括廢棄混凝土和廢磚兩種，這兩種廢棄材料主要由未水化水泥顆粒、硬化水泥石和粗細(xì)骨料組成，含有豐富的CaCO3，經(jīng)過簡單的煅燒處理可以分解為CaO，結(jié)合其他添加料并經(jīng)過水熱合成處理可以生產(chǎn)可供再利用的硅酸鹽材料，深入分析水熱合成技術(shù)在建筑廢料再利用中的應(yīng)用策略，對(duì)于降低建筑成本、改善居民生活環(huán)境具有十分重要的意義[1-4]。

1 廢棄混凝土-廢磚混合料的煅燒

1.1 廢料來源

選擇某項(xiàng)拆遷項(xiàng)目所產(chǎn)生的廢棄混凝土和廢磚，其中廢棄混凝土材料為C40混凝土，廢磚材料為粘土磚。

1.2 煅燒處理

廢棄混凝土于標(biāo)準(zhǔn)條件下(濕度95%以上、20±2 ℃)養(yǎng)護(hù)28d，通過液壓式萬能試驗(yàn)機(jī)實(shí)施碾壓處理，再于105℃環(huán)境下干燥24h，得到干燥混凝土碎料后通過重型球磨機(jī)實(shí)施6h粉碎處理，最后通過行星球磨機(jī)實(shí)施研磨處理，直到75μm篩的篩余量不大于5%。廢磚同樣實(shí)施壓碎處理，經(jīng)過105℃、24h干燥處理后，通過重型球磨機(jī)對(duì)所得到的干燥碎磚實(shí)施4h的粉碎處理，最后通過行星球磨機(jī)實(shí)施研磨處理，直到75μm篩的篩余量不大于5%。將經(jīng)過預(yù)處理的混凝土粉料和磚粉料均勻混合，再將混合物放入煅燒爐中并在830℃環(huán)境下加熱30min，最終得到廢棄混凝土-廢磚煅燒產(chǎn)物[5-8]。

2 再生硅酸鹽材料的制備

在獲取廢棄混凝土-廢磚煅燒產(chǎn)物的基礎(chǔ)上，結(jié)合其他添加料并對(duì)其實(shí)施水熱合成處理。稱取一定量的燃燒產(chǎn)物，將所需要的外加劑飽和溶液、蒸餾水以及廢棄混凝土-廢磚煅燒產(chǎn)物置于水泥膠砂攪拌機(jī)中攪拌成漿體。于20mm×20mm×20mm的模具中放置20g漿體，于10MPa條件下壓制10s，將所得到的塊狀產(chǎn)物置于蒸壓釜中實(shí)施蒸壓處理，再對(duì)經(jīng)過蒸壓處理的塊狀產(chǎn)物實(shí)施24h、50℃的干燥處理，最終獲取再生硅酸鹽材料。在此過程中，通過力學(xué)性能測(cè)試來探究硅酸鹽材料的具體制備工藝[9-11]。

3 再生硅酸鹽材料的制備工藝分析

3.1 水固比對(duì)再生硅酸鹽材料抗壓強(qiáng)度的影響

通過水熱合成法制備硅酸鹽材料，主要原料為廢棄混凝土-廢磚煅燒產(chǎn)物，補(bǔ)充鈣質(zhì)原料為分析純Ca(OH)2，選擇四個(gè)水固比（0.10、0.15、0.20、0.25）、三個(gè)硅鈣比（0.7、0.9、1.1）進(jìn)行配料，利用蒸壓釜對(duì)混合配料實(shí)施蒸壓處理，蒸壓時(shí)間為4h，蒸壓溫度為203℃，環(huán)境壓強(qiáng)為1.5MPa。抗壓強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果與配料方案分別見表1、表2、表3。

表1 抗壓強(qiáng)度和原料配比（硅鈣比=0.7）Table 1 Compressive strength and raw material ratio (Si Ca ratio = 0.7)

表2 抗壓強(qiáng)度和原料配比（硅鈣比=0.9）Table 2 Compressive strength and raw material ratio (Si Ca ratio = 0.9)

表3 抗壓強(qiáng)度和原料配比（硅鈣比=1.1）Table 3 Compressive strength and raw material ratio (Si Ca ratio = 1.1)

經(jīng)實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，在水固比持續(xù)增加的過程中，再生硅酸鹽材料的抗壓強(qiáng)度先增后減。較高的水固比有助于原料充分混合，但多余的水分會(huì)使硅酸鹽材料在蒸壓過程中形成過多孔徑，影響抗壓強(qiáng)度；較低的水固比有助于減少硅酸鹽材料孔徑，但易引起混合不均現(xiàn)象，造成表面開裂[12-13]。各組分材料在水固比為0.20的情況下達(dá)到最高抗壓強(qiáng)度水平。

在硅鈣比=0.9的情況下，對(duì)水固比為0.1和0.2的兩組再生硅酸鹽材料實(shí)施XRD分析，測(cè)試結(jié)果如圖1所示。經(jīng)實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，水固比為0.2的再生硅酸鹽材料在蒸壓過程中會(huì)生成更多的托貝莫來石、CSH(B)等水化產(chǎn)物，使其達(dá)到更高的抗壓強(qiáng)度水平。

圖1 蒸壓試件的XRD圖譜（硅鈣比=0.9）Fig.1 XRD pattern of autoclaved specimen (Si Ca ratio = 0.9)

3.2 蒸壓壓力與蒸壓時(shí)間對(duì)再生硅酸鹽材料抗壓強(qiáng)度的影響

當(dāng)水固比為0.2時(shí)，不同硅鈣比及蒸壓制度下各組再生硅酸鹽材料的抗壓強(qiáng)度檢測(cè)結(jié)果見表4。

表4 再生硅酸鹽材料的抗壓強(qiáng)度（MPa）Table 4 Compressive strength of recycled silicate materials (MPA)

經(jīng)實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，在不同硅鈣比及蒸壓制度下各組再生硅酸鹽材料的抗壓強(qiáng)度最高可達(dá)到42.86MPa（硅鈣比=0.9、蒸壓強(qiáng)度1.5MPa、蒸壓時(shí)間6h），最低只有31.36MPa（硅鈣比=1.1、蒸壓強(qiáng)度1.0MPa、蒸壓時(shí)間4h），這兩組再生硅酸鹽材料在抗壓測(cè)試后的外觀狀況如圖2所示。

圖2 高、低兩種強(qiáng)度再生硅酸鹽材料在抗壓測(cè)試后的外觀Fig.2 Appearance of high and low strength recycled silicate materials after compression test

4 結(jié)論

根據(jù)實(shí)驗(yàn)分析結(jié)果，廢棄混凝土（C40混凝土）和廢磚（粘土磚）在經(jīng)過精磨、煅燒和水熱合成處理可以生產(chǎn)出再生硅酸鹽建筑材料。進(jìn)入水熱處理階段后，在硅鈣比=0.9的情況下，最佳水固比為0.2，最佳蒸汽強(qiáng)度為1.5MPa，最佳蒸壓時(shí)間為6h，所生成的硅酸鹽材料（20mm×20mm×20mm）抗壓強(qiáng)度可達(dá)42.86MPa，可滿足一般建筑材料的強(qiáng)度要求。