摻加廢棄燒結頁巖磚粉末對水泥力學性能及水化的影響

梁曉前, 王俊云, 陳 玲, 楊雷銘, 林通敏

(1.廣西科技大學，廣西柳州 545006；2.駐馬店碧桂園職業有限公司，河南駐馬店 463000；3.廣西生態工程職業技術學院，廣西柳州 545000)

生態水泥屬于一種生態建材生產，其生產主要是以固體廢棄物做原料，經過科學配料、煅燒并粉磨，最終制作成水泥。冶金廢渣、廢棄混凝土、城市污泥等是目前常見的用來生產生態水泥的固體廢物[1]。生態水泥是新的技術成果，可以降低垃圾造成的影響、控制環境破壞的程度[2]。

水加入水泥中之后，水泥顆粒將會經過分解、擴散、溶解等變化[3]，生成一系列不同性狀的水化產物同時放出熱量，這個過程稱為水泥的水化反應。在反應中，主要參加水化過程的成分有Ca3O5Si、2CaO·SiO2、3CaO·Al2O3、4CaO·Al2O3·Fe2O34種，在其充分水化之后，生成物中水化硅酸鈣的含量占70%，水化硅酸鈣凝膠構成具有很高強度的空間網狀結構，對水泥石的強度和其他主要性質起著決定性作用。

課題組前期研究發現在生料配料過程中加入磚粉對于水泥熟料有一定的積極影響，而加入磚粉對其水泥水化過程的影響有待研究，因此利用廢棄燒結頁巖磚粉末制備生態水泥并研究其對水泥水化及物理性能的影響具有重要意義。

1 試驗原料

(1)石灰石。主要成分為碳酸鈣(CaCO3)，現代工業中，石灰石是水泥生產的主要原料[4]。本試驗選擇的是柳州魚峰水泥廠的工業原料。

(2)黏土質原料。主要成分為SiO2、Al2O3及少量Fe2O3，在黏土質原料中，最廣泛應用的是黃土和黏土。本試驗采用的是柳州市魚峰水泥廠生產用的黏土質原料。

(3)校正原料。為滿足成分要求調節SiO2、Al2O3、Fe2O3含量經常會用到一些輔助用的校正原料。工業冶煉渣便是其中重要的一類，其是指在冶煉過程中產生的工業廢渣。

(4)燒結頁巖磚粉末。主要成分為SiO2、Fe2O3、Al2O3，原料是由廢棄的燒結頁巖磚或磚廠的不合格的磚破碎、研磨而來。

(5)參比水泥。選用廣西柳州魚峰水泥廠的P.0 42.5普通硅酸鹽水泥，符合國家標準規定的GB 175-2007《通用硅酸鹽水泥》的要求。

(6)水。試驗用水為水泥廠用自來水。

2 試驗方法

2.1 試驗方案選擇

目前我國硅酸鹽水泥熟料采用飽和比(KH或LSF)、硅酸率(硅率，SM)、鋁氧率(鋁率，IM)三率值控制熟料質量。生料的率值參考水泥廠實際生產率值,KH=0.91，SM=2.4，IM=1.6，但是由于在實際生產中若KH過高，工藝條件難以滿足需要，f-CaO 會明顯上升，熟料質量反而下降，KH過低，C3S 過少熟料質量也會差，因此，KH值也需通過試驗確定一個最優值。

2.2 試驗儀器

現將本文所用部分儀器列出，如圖1所示。

圖1 所用實驗儀器

2.3 試驗分組

2組試驗采用單一變量法，其他參數不變，分別改變磚粉的摻量和KH，現將試驗分組列表，見表1。

表1 試驗分組

2.4 試件制作

水泥膠砂的制作步驟和試驗方法參考GB/T17671-2020《水泥膠砂強度檢驗方法(ISO)法》。首先取適量試驗水泥和參比水泥制作水泥膠砂。膠砂用行星攪拌機攪拌好后倒入40 mm×40 mm×160 mm三聯模中。試體連模一起在濕氣中養護24 h,然后脫模在水中養護至試驗時取用[5]。

3 不同KH對水泥的物理性能的影響

水泥的物理性能的好壞是最終反映水泥能否適應實際應用要求的硬性標準。水泥的強度也是水泥的重要物理力學性能之一，代表著硬化的水泥承受外力破壞的能力，根據受力形式的不同水泥的強度通常被分為抗壓、抗折2種。

3.1 研究內容

通過對不同KH配比的水泥制作而成的水泥膠砂進行抗壓和抗折試驗，選擇最優的KH值來進行進一步的試驗。

3.2 研究方法

到試驗齡期時將試體從水中取出，用抗折機進行抗折強度試驗，折斷后每截再進行抗壓強度試驗。

3.3 試驗結果

試驗結果見圖2、圖3。

圖2 不同KH下水泥膠砂3d、28d抗壓強度

圖3 不同KH下水泥膠砂3d、28d抗折強度

3.4 試驗結論及分析

由圖2、圖3中可以看出，在不同KH下隨著齡期的增加，水泥膠砂條的抗壓、抗折強度也都明顯提高，說明生態水泥能夠正常的水化生成強度。從圖2可以看出，隨著KH的逐漸增大，3天的抗壓強度是逐漸增大的，分析其原因可能為：鈣硅比的提高使熟料中的C3S與C2S的比值增大，而C3S水化速度更快，飽和比越高越能夠產生更高的早期強度。隨著KH的逐漸增大，28天抗壓強度略有降低，分析其原因可能為：低飽和比熟料中C2S的占比較大，其水化速度較慢，所以對于后期強度的提升有很大作用。綜合來看，各個飽和比下水泥的強度都是合格的。

4 廢棄燒結頁巖磚粉末的摻量對水泥物理性能的影響

4.1 研究內容

通過對不同磚粉摻量的生態水泥制作而成的水泥膠砂進行抗壓和抗折試驗，探討在生態水泥中加入磚粉的可行性。

4.2 研究方法

試驗參考與實驗步驟同3.2節。

4.3 試驗結果

試驗結果見圖4、圖5。

圖4 不同磚粉摻量下水泥膠砂3d、28d抗壓強度

圖5 不同磚粉摻量下水泥膠砂3d、28d抗折強度

4.4 試驗結論及分析

從圖4、圖5可以看出，利用生態水泥制作的水泥膠砂條抗壓強度和抗折強度在3天、28天均滿足P.O 42.5的強度要求，說明生態水泥可以滿足實際應有的強度要求。隨著齡期的增加，水泥膠砂條的強度也明顯增加，說明水泥的水化在正常進行。試驗證明在磚粉摻量為1%時抗壓和抗折強度最高。

5 摻加廢棄燒結頁巖磚粉末對水泥水化的影響

利用掃描電鏡分別對試驗水泥和參比水泥3天、28天水化產物掃描,并進行微觀觀察和分析,分析摻加磚粉對水泥水化的影響(圖6～圖9)。

圖6～圖9為生態水泥膠砂和參比水泥膠砂的3天、28天 SEM圖片，可以看出，28天與3天相比，水泥膠砂的內部不斷水化形成致密的結構，這些凝膠結構的形成為水泥的強度提供了保障，同時可以看出其水化樣與參比水泥膠砂的水化樣差別不大，甚至其結構更緊致、更均勻。這也從微觀上證明摻入一定量磚粉制備生態水泥是可行的,其強度是可以得到保證的。

圖6 生態水泥水泥膠砂3d SEM圖

圖7 參比水泥膠砂3d SEM圖

圖8 生態水泥水泥膠砂28d SEM圖

圖9 參比水泥膠砂28d SEM圖

6 結論與分析

(1)隨著齡期的增加，摻入磚粉的生態水泥的抗壓、抗折強度也都慢慢提高，說明加入少量磚粉的生態水泥能夠正常水化生成強度。

(2)磚粉的加入，不僅可以提高水泥的強度，滿足正常使用的強度要求，同時將廢棄磚進行資源再利用，減少建筑垃圾帶來的污染，有一定的社會效益和經濟效益。