1、搅拌站废渣在混凝土和水泥制品中应用的探索性研究 曾维 冷政 杨成 刘凯 中建西部建设湖南有限公司 摘 要： 利用 XRD、SEM、激光粒度分析和胶砂强度等测试手段分析了搅拌站废渣的物理化学性能指标, 采用机械磨细、高温煅烧手段对废渣活性进行评价, 并研究分析了普通等级混凝土、建筑砂浆及免烧砖掺废渣的可行性。结果表明, 废渣因粒型不规则、组成成分复杂等因素影响, 流动度比和活性较低;机械磨细和高温煅烧均可以提高废渣的活性, 但提升幅度有限;用 8%的废渣替代粉煤灰生产普通等级混凝土、12% 14%的废渣替代水泥和粉煤灰生产建筑砂浆、37.5%的废渣替代粉煤灰生产免烧砖在技术上是可行的, 且具有良
2、好的经济效益。关键词： 搅拌站废渣; 活性; 混凝土; 水泥制品; 作者简介：曾维 (1990-) , 男, 工程师。联系电话:18773187326E-mail:收稿日期：2017-07-19基金：长沙市科技计划项目 (kh1701107) Exploratory Study on Preparation of Concrete and Cement Products with Mixing Station Waste ResidueZENG Wei LENG Zheng YANG Cheng LIU Kai Abstract： The physical and chemical perfo
3、rmance indexes of mixing station waste residue were analyzed by using different test methods such as XRD, SEM, laser granularity analyzer and mortar strength. The activity of waste residue was evaluated by mechanical grinding and high temperature calcination, the feasibility of adding waste residue
4、on common grade concrete, building mortar and baking-free brick was also studied and analyzed. The results show that the fluidity and activity of waste residue are lower by the irregular particle size and complex composition. Mechanical grinding and high temperature calcination can increase the acti
5、vity of waste residue, but the range of lifting is limited.Production of common grade concrete with 8% waste residue instead of fly ash, building mortar with 12%-14% waste residue instead of cement and fly ash, baking-free brick with 37.5% waste residue instead of fly ash is feasible technically, wh
6、ich obtains a good economic benefit.Keyword： Mixing station waste residue; Activity; Concrete; Cement products; Received： 2017-07-190 前言商品混凝土是一种消耗量极大的建筑材料, 而每生产 1m 混凝土平均将要产生搅拌站废渣 (以下称废渣) 0.02t, 以年产 16 亿 m 混凝土计算, 每年至少产生废渣 3200 万 t。巨大的废渣量外运作为建筑垃圾填埋不仅浪费资源, 同时也给城市固体废弃物处置增加了压力, 若将废渣生态化利用, 会产生显著的环境和经济效益。搅
7、拌站冲洗场地、搅拌主机等产生的废弃泥浆经由砂石分离机处理后, 成为强碱澄清液和沉积废渣。按废渣来源分析, 其主要组成为水泥水化产物、未水化水泥颗粒以及各种掺合料等, 化学成分主要有 Si O2、Al 2O3、Ca O、Mg O 等以及少量的 K、Na、S 等元素。其中, Si O 2、Al 2O3的相对含量大于水泥, 而 Ca O 的相对含量小于水泥, 由于废渣长时间的在碱性水中浸泡, 水化反应几乎终止, 同时, 还可能破坏水泥中的调凝成分, 大大限制了其在混凝土和水泥制品中的综合利用。针对废渣的水化活性低、化学成分复杂, 含有不定量的 Ca (OH) 2等特点, 有研究者将不同量的废渣同废水
8、结合, 组成不同浓度的废浆应用于混凝土中, 发挥其类似于粉煤灰的颗粒特性, 在混凝土中产生微集料效应、形态效应和二次水化效应。陈军亮、张哲明1等人研究不同浓度的废浆对混凝土工作性及力学性能的影响规律, 提出了最佳浓度范围, 废浆浓度最高不能超过 5%;杨根宏2等人研究废浆密度和含固量之间的联系, 对不同密度废浆掺量的混凝土坍落度进行了测试, 并提出了实际应用的方法。从上述将废渣和废水结合的研究成果来看, 一方面避免了废渣烘干和制备所产生的能耗;另一方面也带动了废水的利用, 达到废渣废水零排放的效果。但从利用效果来看, 由于不同搅拌站、不同时段产生的废渣差异, 废浆的密度 (含固量) 以及废水的
9、化学性质均会对混凝土的性能产生影响, 从而影响使用效果, 同时, 用于混凝土也缩小了废渣的利用范围。为了进一步提高废渣的利用率、扩大其在建筑材料中的消纳路向, 本文通过煅烧、粉磨等手段尝试提高其活性, 研究了废渣用于配制预拌混凝土、建筑砂浆、免烧砖的可行性。在此基础上, 针对本地原材料价格, 对比研究了掺废渣的经济效益, 为废渣的工程应用提供技术和经济支撑。1 试验1.1 原材料水泥:PO 42.5 级普通硅酸盐水泥, 其基本物理力学性能见表 1。粉煤灰:级粉煤灰。矿渣:S95 级磨细矿渣粉。细骨料:湘江河砂, 其细度模数为 2.8。粗骨料:湘江卵石, 531.5mm 连续级配。减水剂:聚羧酸
10、减水剂。化学激发剂:由硅酸钠、氢氧化钠、脱硫石膏和硫酸铝配制而成。水:普通自来水。取长沙某搅拌站废渣, 经烘干、打散后进行 XRD 分析、激光粒度分析以及扫描电镜分析, 其矿物组成如图 1 所示, 粒度分布如图 2 所示, 微观形貌如图 3 所示。从图 1 中可以看出, 废渣矿物组成主要为水化硅酸钙、水化硫铝酸钙以及Ca (OH) 2等;从图 2 中可以看出, 废渣的中位粒径为 22.67m, D10=7.233m, D90=52.054m, 按其颗粒分布, 废渣粒径大于普通硅酸盐水泥的颗粒粒径, 同 200 目的石英粉颗粒 (中位粒径为 24.93m) 粒径相差不大;从图 3 可以看出, 废
11、渣结构较为疏松, 颗粒较小且不规则, 形态效应较弱。表 1 水泥基本物理力学性能 下载原表 图 1 废渣 XRD 图谱 下载原图图 2 废渣粒度分布图 下载原图图 3 废渣 SEM 图像 下载原图表 2 为各主要原料的基本性能。由表 2 可知, 当废渣掺量较低时, 其 28d 强度甚至略高于纯水泥胶砂强度;当掺量逐渐增加时, 其活性指数成指数下降, 当掺量为 25%时, 已经低于掺 30%粉煤灰的活性指数。表 2 原材料的基本性能 下载原表 1.2 试验方法按照现行国家标准 GB/T 267512011用于水泥和混凝土中的粒化电炉磷渣粉附录 A 规定的方法进行, 测定不同掺量废渣的流动度比与活
12、性指数, 试验时将磷渣粉替代为废渣, 水胶比为 0.5, 胶砂比为 1:3。流动度比为废渣与水泥按不同质量比混合的水泥胶砂流动度与纯水泥胶砂流动度的比值, 活性指数为废渣与水泥按不同质量比混合的水泥胶砂的抗压强度与纯水泥胶砂相对应龄期抗压强度的比值。依据 GB/T 500802016普通混凝土拌合物性能试验方法标准中的规定, 测定所拌混凝土的工作性能。依据 GB/T 500812002普通混凝土力学性能试验方法标准测定所配混凝土的 7d、28d 抗压强度。抗压强度试件尺寸为150mm150mm150mm, 除有特殊说明外, 混凝土性能试验龄期为 28d。依据JGJ/T 702009建筑砂浆基本
13、性能试验方法标准测定所制砂浆的基本工作性能, 依据 GB/T25422012砌墙砖试验方法测定所制免烧砖的工作性能。2 试验结果与分析2.1 提高废渣性能参数的可行性研究2.1.1 粉磨时间对废渣性能的影响固体物料在受到冲击力和摩擦力等机械力的作用时, 所施加机械能的一部分必然以各种形式的能量贮存在固体物料之中, 并引起固体结晶学性质、物理性质和化学性质的变化, 这种变化称为机械力化学效应。采用实验室 5kg 标准球磨机 (型号为 SM 覫 500500, 磨球为磨机出厂原配钢磨球, 采用标准级配和装球量) , 将原始粒度的废渣进行粉磨, 制备出不同细度的废渣粉。将废渣粉以25%的掺量取代水泥
14、制备胶砂, 进行流动度比及活性指数的试验, 粉磨过程以及试验结果如表 3 所示。表 3 不同粉磨时间废渣性能参数 下载原表 由表 3 可知:掺加 25%废渣粉, 随着粉磨时间的延长, 所制胶砂的比表面积前期增长较为迅速, 但是从 80min 以后增长的幅度变小, 说明细度逐渐变小之后, 颗粒团聚现象开始发生, 此后随有效粉磨时间的增加并不能快速地增加粉体的比表面积, 因而若想进一步增加粉体细度, 则粉磨能耗会急剧增大;流动度比呈现先增长后降低的趋势;胶砂强度略有增长, 但是整体增长较为缓慢, 粉磨超过80min 后, 强度增长停滞, 说明废渣颗粒变细后出现团聚现象, 在浆体内部得不到有效分散,
15、 不利于填充作用的发挥。总体来说, 粉磨时间从 080min, 活性指数增长幅度仅为 8%, 且 28d 活性指数仅为 70.3%, 在相应的高能耗下, 单纯采用粉磨工艺来提升废渣性能是理想的。2.1.2 煅烧温度对废渣性能的影响废渣成分复杂, 各成分热稳定性不相同, 采用控制煅烧温度, 可以使某些化合物发生晶型转变, 微晶适当烧结, 可以提高机械强度。在较高温度下, 氧化物还可能发生固相反应, 形成有活性的化合状态。采用试验室箱式电阻炉 (型号为 SX2-4-10) , 将原始粒度的废渣进行煅烧 2h, 制备出不同的废渣粉样品。将废渣粉以 25%的掺量取代水泥制备胶砂, 进行流动度比及活性指
16、数的试验, 煅烧过程以及实验结果如表 4 所示。表 4 不同煅烧时间废渣性能参数 下载原表 由表 4 可以看出: (1) 随着煅烧温度增加, 胶砂流动度逐渐减小。当煅烧温度为 800时, 流动度比仅为 88%, 数值为 195mm, 表明废渣在煅烧过程中, 初始体系自由水逐渐失去, 流动度下降较快。后期失去结合水, 且随着晶型转变, 流动度比逐渐平稳。 (2) 随着煅烧温度增加, 胶砂强度逐渐增加。当煅烧温度为 400时, 废渣活性已经达到 72.4%, 已经和级粉煤灰活性相差不大。后期继续增高煅烧温度, 强度增长幅度逐渐减小, 表明经过高温煅烧, 废渣活性能得到适当提升, 因此, 通过工业化
17、技术手段, 对废渣进行二次加工后作为新型矿物掺合料使用是可以实现的。但针对现有的技术条件, 在窑炉设备、能耗以及废渣活性之间的选择还有待研究。2.2 废渣用于不同强度等级混凝土的配制本次试验对搅拌站产量最大的三个强度等级混凝土进行试配工作, 分别为C25、C30 和 C35。利用废渣直接等量取代水泥, 相同强度等级混凝土保持水胶比、砂率、外加剂掺量和胶材总量不变, 观察混凝土出机状态、经时损失情况及其力学性能, 其配合比和力学性能见表 5。表 5 废渣替代水泥应用于不同强度等级混凝土配合比及力学性能 下载原表 由表 5 可知: (1) 随着废渣掺量增加, 相同强度等级混凝土的 28d 抗压强度
18、逐渐变小; (2) 相同废渣掺量, C35 混凝土的 28d 抗压强度要高于 C25 混凝土和C30 混凝土, 但后两者相差不大, 在废渣掺量为 8%以上时, 只有 C35 混凝土的强度能满足抗压强度比为 100%以上要求; (3) 废渣掺量从 4%到 8%变化时, 混凝土强度下降幅度不大。根据强度数据, 利用废渣替代水泥, 会对混凝土强度造成较大影响, 不适合在承重结构中使用, 其应用范围较小。试验进一步以 C35 混凝土为基准, 以废渣等量取代粉煤灰, 通过调整外加剂用量来解决因掺入废渣导致的流动度偏小问题, 保持水胶比、砂率和胶材总量不变, 使其坍落度不小于 180mm, 扩展度不小于
19、450mm, 且无泌水现象。表 6 和表7 分别为废渣替代粉煤灰 C35 混凝土的配合比及其工作性能和力学性能。表 6 废渣替代粉煤灰应用于 C35 混凝土配合比 下载原表 表 7 废渣替代粉煤灰应用于 C35 混凝土工作性能和力学性能 下载原表 由表 6 可知, 废渣替代粉煤灰掺量越高, 所需外加剂掺量越高, 间接表明废渣颗粒形态效应没有粉煤灰的好, 需更多的水来润滑粉料-骨料接触层, 来达到相同的流动性能。由表 7 可知, 当废渣掺量为 8%时, 混凝土工作状态最好, 混凝土强度仅仅下降 1.2MPa, 下降幅度为 3%, 同时, 39.7MPa 能满足正常的施工标准要求。结果表明, 以
20、4%8%的废渣取代粉煤灰生产低等级混凝土, 既能满足强度要求, 也能实现工作性要求。以 8%的废渣掺量为例, 粉煤灰用量减少 21kg/m, 节省3.15 元/m;外加剂掺量增加 1.4kg/m, 支出 1.82 元/m。同时, 利用废渣 21kg/m, 节省处理成本 0.52 元/m, 共节省 1.85 元/m。2.3 废渣用于建筑砂浆目前, 配制建筑砂浆的主要材料是水泥、砂及部分掺合料。建筑砂浆的强度等级为 M2.5M20, 用量最大的是 M5、M7.5、M10、M15 等砂浆, 由于大部分建筑砂浆的强度等级较低, 没有供配制砂浆的低强度等级通用水泥, 在实际工程中往往用 42.5 等级的
21、水泥来配制低强度等级砂浆, 不仅造成水泥浪费, 而且保水性差, 施工和易性不良。本试验初步研究了以少量水泥、粉煤灰和废渣为主要原料制成的生态型水泥代替通用水泥配制建筑砂浆的可行性。2.3.1 废渣用于抹灰砂浆JGJ/T 2202010抹灰砂浆技术规程规定, M5M15 抹灰砂浆胶材总量分别为 250290kg/m、320350kg/m、350400kg/m, 粉煤灰等量取代水泥量不宜高于 30%, 其主要是为了确保砂浆的强度和黏结性能。近年来, 随着砂浆外加剂技术的不断改善, 在低胶凝材料下亦可配制出综合性能优良的抹灰砂浆。综合考虑各方面因素, 配制 M5M15 强度等级的湿拌砂浆胶材总量宜分
22、别为280kg/m、300kg/m、320kg/m, 表观密度控制在 18501900kg/m 之间。具体配合比和基本性能见表 8。表 8 废渣用于抹灰砂浆配合比及基本性能 下载原表 由表 8 可知, 掺入废渣后的抹灰砂浆, 其基本性能能够满足工程要求。经济方面, 以 M10 为例, 废渣共取代水泥以及粉煤灰的 13.3%;水泥用量减少 10kg/m, 节省 3.0 元/m;粉煤灰用量减少 30kg/m, 节省 4.5 元/m;外加剂掺量增加1.5kg/m, 支出 2.1 元/m;同时, 利用废渣 40kg/m, 节省处理成本 1.03 元/m, 共节省 6.43 元/m。2.3.2 废渣用于
23、湿拌砂浆与抹灰砂浆不同, 砌筑砂浆除满足 GB/T25182010预拌砂浆规定的性能要求外, 为便于砌筑施工, 一般会提高砂浆黏度, 略微降低砂浆的表观密度。此外, 砌筑砂浆施工性要求要低于抹灰砂浆, 砂浆用砂的细度模数可适当提高。因此, 在抹灰砂浆配合比的基础上, 通过调整水泥、粉煤灰和废渣的用量、胶砂比, 并经试验确定了砌筑砂浆的配合比, 具体配合比和基本性能如表 9 所示。表 9 废渣用于湿拌砂浆配合比及基本性能 下载原表 由表 9 可知, 用废渣取代一定量的水泥和粉煤灰制备的湿拌砂浆, 其基本性能能够满足工程要求。在经济方面, 以制备 M10 为例, 废渣共取代水泥以及粉煤灰的 13.
24、3%;水泥用量减少 20kg/m, 节省 6.00 元/m;粉煤灰用量减少 20kg/m, 节省 3.00 元/m;外加剂掺量增加 1.5kg/m, 支出 2.1 元/m;同时, 利用废渣40kg/m, 节省处理成本 1.03 元/m, 共节省 7.93 元/m。2.4 废渣制备免烧砖的试验研究免烧砖是一种新型的墙体材料, 由水泥、粉煤灰、煤渣、煤矸石、天然砂等作为主要原料, 不经高温煅烧而成。免烧砖符合“节约资源、就地取材”的发展建材总方针, 属于全免增值税的建材制品。由前面章节研究可知, 废渣替代水泥会大大降低混凝土的强度, 而替代粉煤灰在一定程度上可行, 因此, 本试验以废渣替代部分煤灰
25、或全部煤灰用于生产免烧砖, 不仅可以节约粉煤灰用量, 降低生产成本, 而且可以变废为宝, 起到降低环境污染的作用, 对可持续发展具有重要意义。表 10 为免烧砖的实验室用配合比设计, 按照表内的的质量比例称取原材料, 加入搅拌水, 通过机械搅拌, 充分混合至均匀状态, 放入模具中, 施加 1MPa 的压力振动成型, 静置 1d 后脱模, 再养护 7d, 其性能如表 11 所示。表 1 0 免烧砖配合比设计 下载原表 由表 11 可知, 配合比 A、B、C 的性能测试结果均能满足普通砌砖的要求, 表明利用废渣全部替代粉煤灰制备免烧砖在技术上是可行的。以配合比 C 为例, 废渣共取代胶凝材料的 3
26、7.5%, 1m 混合料的主材成本为 170 元, 可制备免烧砖684 块 (规格为 240mm115mm53mm) , 单块砖的主材成本为 0.25 元, 低于市面上免烧砖 0.50.6 元的价格。3 结论(1) 掺 25%废渣的胶砂流动度比为 92%, 活性指数仅为 65%;同掺量下, 将原始废渣粉磨 80min 后活性指数可达 70.3%, 将原始废渣经 800煅烧 2h 后活性指数可达 77.9%, 活性提升不明显。(2) 用废渣取代水泥制备生态建筑材料时对强度影响较大, 可实施性不强;当取代粉煤灰或同时取代少量水泥及部分粉煤灰时, 对强度影响较小, 能够满足基本性能要求, 可实施性较
27、强。(3) 用 8%的废渣替代粉煤灰生产普通等级混凝土、12%14%的废渣替代水泥和粉煤灰生产建筑砂浆、37.5%的废渣替代粉煤灰生产免烧砖在技术上是可行的, 均具有良好的经济效益。参考文献1杨根宏, 杨松林, 曹达纯, 等.混凝土搅拌站废浆回收利用的研究与应用J.广东建材, 2013 (9) :34-67. 2秦景燕, 王传辉.超细粉碎中的机械力化学效应J.矿山机械, 2005 (10) :6-8. 3Ryou J.Improvement on reactivity of cemntitious waste materials by mechano-chemical activationJ.Materials Letters.2003 (58) :56-62. 4宫晨琛, 宋旭艳, 李东旭, 等.煅烧活化煤矸石的机理探讨J.材料科学与工程学报, 2005, 23 (1) :88-91.
