利用廢棄混凝土生產綠色水泥的研究

摘　要：廢棄混凝土中含有的部分石灰石和硅質原料， 硬化的水泥漿體在高溫下脫水形成氧化鈣、氧化硅和氧化鐵等氧化物， 都是制造水泥所必須的氧化物。實驗室分別利用40%、60% 和80% 的廢棄混凝土代替石灰石制造水泥，XRD 分析結果顯示， 利用60% 的廢棄混凝土代替石灰石可生正常的水泥熟料， 熟料中4個礦物的衍射峰清楚， C₃S和C₂S特征峰尖銳；巖相分析表明熟料的A 礦和B 礦發(fā)育較好， 晶體尺寸小， 輪廓清晰， 且熟料的強度可達到47.4M Pa。

關鍵詞：廢棄混凝土；　綠色水泥；　XRD 分析

    混凝土是當今世界上用量最大的人造建筑材料。在我國， 每年澆注混凝土約15～ 20億m³， 而混凝土中砂石骨料又占總重量的70% 以上， 用量十分巨大。長期以來， 由于砂石材料來源廣泛， 價格又低廉， 被認為是取之不盡的原材料， 從而導致到處開山劈嶺， 濫采濫伐， 嚴重浪費了大量的自然資源。與此同時， 我國解放初期澆注的許多混凝土與鋼筋混凝土建筑， 部分已進入老化毀壞階段， 城市改造建設也會拆除部分老化的建筑與結構， 導致混凝土解體量越來越多， 我國每年解體混凝土量約800萬m³， 而這些廢棄的混凝土往往被填埋在垃圾場和地勢低洼的地方， 很少被利用。大量的研究表明， 廢棄混凝土可用作再生混凝土的骨料， 也可取代部分優(yōu)質石灰石生產水泥。在實驗室利用部分廢棄混凝土作鈣質原料， 并在高溫爐中煅燒成熟料， 對其熟料性質和磨制成水泥的性能進行了研究。

1　原材料及實驗方法

1. 1　原材料

    廢棄混凝土、石灰石、粘土和鐵粉的化學成分見表1。

1. 2　實驗方法

    將廢棄混凝土、石灰石、粘土和鐵粉分別烘干、破碎并粉磨成細粉(0. 08 mm 方孔篩篩余3% 左右)。按40%、60% 和80% 的廢棄混凝土分別取代部分石灰石， 與粘土、鐵粉配制3 個水泥生料試樣， 且熟料的三率值控制為：KH = 0. 90、SM = 2. 6、IM =1. 3；將生料粉壓制成直徑50mm、高5mm 的薄餅，放入硅鉬棒的高溫爐中煅燒；高溫爐升溫速率為200℃/h ， 并在1 450 ℃下保溫45min， 熟料出爐后用電風扇冷卻。

    將熟料分別進行XRD 和巖相分析， 并加入3% 石膏制成水泥后， 按GB/T 134622001 進行強度試驗。

2　實驗結果與分析

利用40%、60% 和80% 的廢棄混凝土取代石灰石的配料組成分別見表2、表3 和表4。

    從表2～ 表4 可以看出， 隨著廢棄混凝土取代石灰石的量不斷增加， 石灰石料耗從0.765 下降到0. 262， 而廢棄混凝土的用量從0. 510上升到1.049；雖然理論上所配制的熟料成分非常接近， 但在相同煅燒制度條件下， 熟料的質量有較大的差異， 這一點可從后面的巖相分析和強度數據得到證實。

    試樣B的熟料XRD 分析如圖1。從圖1 中可以看出， 熟料的4 個礦物都有自已的特征峰， 硅酸鹽礦物C₃S、C₂S 的特征峰明顯， CPS 值相對量也較大，說明熟料中以硅酸鹽礦物占優(yōu)；熔劑化礦物C₃A、C₄AF的特征峰不十分明顯， CPS 值相對量也較小，說明在熟料中的含量相對較少。

    3 個試樣的熟料巖相分析分別如圖2、圖3 和圖4所示。從這些巖相分析來看， 試樣A 中的A 礦和B 礦發(fā)育較好， 輪廓清晰， 少有熔蝕現象；試樣B 中的A礦、B 礦發(fā)育也較好， 晶體尺寸小， 輪廓也清晰， 但表面熔蝕較嚴重。試樣C 中含圓形、雙晶紋的B 礦較多， 邊緣較模糊， 表面熔蝕也較重， 熟料的質量明顯比前2 個試樣差， 這與表5 的力學強度性能相一致。

    上述3 個試樣的熟料分別加入3% 的石膏后，磨細至4 900 孔篩篩余為2% ， 進行水泥強度實驗( 凈漿，W/C = 0.32， 試體為20 mm ×20 mm ×20mm ) ， 其結果見表5。

表5　利用部分廢棄混凝土生產的水泥物性指標

從表5 可知， 隨著利用廢棄混凝土的比例越來越高， 水泥的強度有較大幅度的降低。盡管表2～ 表4 顯示的熟料的硅酸鹽礦物(C3S+ C2S) 含量變化不大(采用Bogue 公式計算) ， 但實際上， 硅酸鹽礦物的含量在減少， 質量也越來越差， 這主要與廢棄混凝土中含砂量有關。因為混凝土中的河砂含有的SiO 2 活性特別差，大多是結晶的SiO₂， 既難磨， 又難燒， 因此， 會導致f₂CaO 含量增加， 熟料質量下降。

　　3　結　論

    利用廢棄混凝土可作生產水泥的原料， 隨著廢棄混凝土利用率越高， 生產水泥熟料的質量越差。適宜的廢棄混凝土取代石灰石的比例為60% ， 可煅燒出正常的水泥熟料， 熟料中4 個礦物的衍射峰清楚，C₃S 和C₂S特征峰尖銳， 且熟料的強度可達到47.4MPa。