废弃混凝土中硬化水泥浆体的再生实验研究.pdf

2 0 1 5年 第 1 1 期 1 1月 混 凝 土 与 水 泥 制 品 CHI NA CONCRETE AND CEMENT PRODUCTS 2 01 5 No 1 1 No v e mb e r 废弃混凝土 中硬化水泥浆体 的再生实验研究 张慧勇 ， 张新爱 ( 洛阳理工学院材料科学与工程学院， 4 7 1 0 2 3 ) 摘要 ： 废 弃混凝土 中的硬 化水泥浆体是 资源、 能源消耗最 大、 环境 负荷 最重、 经济成本最 高的部 分 ， 本 文研 究 了硅 酸盐脱水相的制备及 其相 关表 征 ， 研究表 明 ， 硬 化后 的水泥浆体在 经过煅烧 处理后 能得到一种 名为硅 酸盐脱 水相 的物 质 ， 该物质遏 水后 能再 次发 生水化反 应而得到具有强度 的硬 化结构体 ， 其 中以 6 5 0 o C煅烧温度 下得 到的硬 化 水泥浆体脱水相 水化后强度最 大。同时， 还 对硅 酸盐脱水相一 硅微粉 系的性 能进行 了研 究， 为改善脱水相的 强度 ， 加入硅微粉进 行 了改性 发现加入硅微粉后 有强度增加的趋势 。 关 键 词 ： 废 弃 混凝 土 ： 脱 水 相 ： 硅 微 粉 Ab s t r a c t ： Th e h a r d e n e d c e me n t p a s t e i n wa s t e c o n c r e t e i s t h e p a r t o f t h e l a r g e s t e n e r g y a n d r e s o u r c e c o n s u mp t i o n ， t h e w o r s t e n v i r o n me n t a l i mp a c t a n d t h e mo s t e c o n o mi c c o s t s I 1 1 e p r e p a r a t i o n o f s i l i c a t e d e h y d r a t i o n p h a s e a n d c h a r a c t e r i z a t i o n a r e s t u d i e d T h e r e s u l t s s h o w t h a t a ma t e ri a l c a l l e d s i l i c a t e d e h y d r a t i o n p h a s e c a n b e o b t a i n e d f r o m t h e h a r d e n e d c e me n t p a s t e a f t e r c a l c i n a t i o n ， a n d r e h y d r a t i o n h a r d e n i n g s t r u c t u r e i s o b t a i n e d b y a d d i n g s i l i c a t e d e h y d r a t i o n p h a s e s u b s t a n c e a n dwa t e r T h e b i g g e s t r e h y d r a t i o n s t r e n g t h o f h a r d e n e d c e me n t p a s t e d e h y d r a t i o n p h a s e i s d e ri v e d a t 6 5 0 ， I l 1 e r e s e a r c h o n p e r f o r ma n c e o f s i l i c a t e d e h y d r a t i o n p h a s e s i l i c a p o w d e r i s s t u d i e d I n o r d e r t o i mp r o v e t h e s t r e n g t h o f d e h y d r a t i o n p h a s e ，t h e mo d i f i c a t i o n f o r a d d i n g s i l i c a p o wd e r i s c a r r i e d o u t ，t h e s t r e n g t h i s i mp r o v e d a f t e r a d d i n g mi c r o s i l i c a p o wd e r Ke y wo r d s ：Wa s t e c e me n t p a s t e ； De h y d r a t i o n p h a s e ； Mi c r o s i l i c a p o wd e r 中图分类号： T U 5 2 8 文献标识码： A 文章编号 ： 1 0 0 0 4 6 3 7 ( 2 0 1 5 ) 1 1 8 6 0 5 0前言 近年来 ， 随着建筑业 的快速发展 ， 拆除建 筑物 所产生的建筑垃圾数量巨大。建筑垃圾是在建筑物 的建设 、 维修 、 拆除过程 中所产生 的固体废弃物 ， 其 中废弃混凝土块 占建筑垃圾总量的 3 O 左右。在施 工单位堆放 和清运过程 中会产生灰尘飞扬 、遗撒 、 消耗石油和人力资源等 问题 ， 造成了严重 的环境污 染和资源浪费。废弃混凝土 中的硬化水泥浆体约 占 废弃混凝土质量的 3 O 左右 这是水泥混凝土组分 中环境负荷最重 、 能源和资源消耗最大 、 经济成本 最高的部分I l - 2 。对废弃混凝土的研究不仅能够降低 成本 、 节 约资源和能源 ， 还 能减 轻废 弃混凝 土的环 境污染问题并取得一定 的经济效益f3 - 4 。因此 ， 研究 废弃混凝土中硬化水泥浆体的再生机理 ， 为硬化水 泥浆体 的再生利用提供理论依据 ， 为最终实现变废 为宝的 目的具有重要意义 。 鉴于此 ， 本研究采用水化 了的水泥净浆来模拟 旧水泥浆 对 如下几个方面进行 了研究 ： 废弃混凝 土热处理条件 的研究 研究热处理时 间 、 温度对其 基金项 目： 博士启动金( 2 0 1 1 B Z 0 2 ) 。 一 8 6一 再水化程度 的影响 ； 脱水相 的制备研究 ， 将微硅粉 和 C a O在水热条件下合成了水化硅酸钙 ， 然后将其 煅烧制备 出具有胶凝性能的水泥 ： 脱水相再水化强 度的研究 以及脱水相一 硅微粉 中体系抗压强度的测 试 ； 脱水相基本性能 的研究 和样 品的表 征 ： 水化后 微观结构的表征。 1 实验 部分 1 1 实验 材 料及 仪器 水泥 ： P 0 4 2 5级 。 二 氧化 硅 ： 天津 某试 剂 厂分 析醇 。 水 ： 自来 水 。 实验设备有 ： S X 一 1 2 1 0 M箱式 电阻炉 。 升温速 度 8 0 m i n ， 额 定 温 度 为 1 0 0 0 ( 2 ； N J 一 1 6 0 A 水 泥净 浆 搅拌机 ； K B 一 5 0 A振动磨制器 ； A B 2 0 4 一 S电子天平 ； 1 0 1 2型干燥箱 ，最高温度为 3 0 0 C，加热功率 为 3 6 k W； H B Y 一 4 0 B水泥恒温恒湿标准养护箱 ；德 国 D 8 F o c u s 型 x射线衍射仪 ：尺寸为 4 0 m mx 4 O mmx 1 6 0 0 mm 的三联模 具 。 1 2 脱水相的制备 ( 1 ) 用天平称取水泥 5 0 0 g ( 各 四份 ) ， 用量筒量 取 1 4 2 5 mL的 自来水 ( 各四份 ) ， 即水灰 比为 0 2 8 5 ， 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 张慧勇， 张新爱 废弃混凝土 中硬化水泥浆体的再生实验研究 在水泥净浆搅拌机中制备水泥净浆 然后在三联模 具 内成 型 、 2 d之 后脱 模 。 然后 放在 ( 2 0 1 ) o C， 9 0 湿 度 的恒温标准养护箱 中养护 2 8 d 。 ( 2 ) 将硬化 的水泥试块用锤子砸到米粒大小后 备用 。 ( 3 ) 将 上述五份样品置于箱式 电炉 中煅烧 ， 所 设温度分别 4 5 0 、 5 5 0 、 6 5 0 C、 7 5 0 C 和 8 5 0 C 。然 后在 电风扇下快速冷却至室温并密封保存 ， 最终可 得 到热处 理后 的旧水泥浆粉 即不 同温度梯 度 的硅 酸盐脱 水 相 。 1 - 3 水热法合成水化硅酸钙 选取 C S = I ： 1 ( 质量比) ， 即先使用 电子天平称取 相同质量的氧化钙和二氧化硅混合 均匀置于反应 釜中 ； 然后用 量筒量取适量 的 自来水 。 按水 固比为 5 ： 1配 比 ：随后 放在 恒温 干燥 箱 中 ，恒 温温度 为 1 2 0 ( 2 ， 恒 温 时 间为 1 2 h ； 达 到 1 2 h后取 出反 应釜 ， 在 室温下 自然冷却 ： 最后将反应釜 中生成的水化物取 出， 在箱式 电阻炉中煅烧 ， 煅烧温度为 9 0 0 C 。 1 4 硅酸盐脱水相一 硅微粉体系的制备 称取不 同温度梯度 的硅酸盐脱水相与硅微粉 ， 其 比值为 1 ： 1 ， 测量水化 7 d后的强度。 2实验 结 果与讨 论 2 1 硅酸盐脱水相稠度和凝结时间的研究 按照 G B T 1 3 4 6 2 0 0 1 水泥标准稠度用水量 、 凝结时间 、 安定性检验方法 进行实验。 图 1 为不同温度下脱水相 的稠度实验结果 ， 图 2为不同温度下脱水相的初 、 终凝时间。由图 l和图 2可见 ， 不同温度煅烧 出来的脱水相 ， 其稠度和凝结 时间不尽相 同。稠度 随着煅烧温度 的增加而增加 ， 初终凝时间却随煅烧温度的增加而缩短。 4 5 0 C 煅烧 脱水相 的稠度为 0 5 4， 初 、 终凝时间分别为 3 5 mi n 、 7 2 mi n ； 6 5 0 C 煅烧脱水相 的稠度为 0 5 9 ， 初 、 终凝时 间分别为 3 0 mi n 、 6 4 mi n ： 8 5 0 C 煅 烧脱水相 的稠度为 O 6 2 ， 初 、 终凝时间分别为 2 6 m i n 、 5 9 mi n 。 以上实验结果表 明。 热处理煅烧的温度越高稠 度越高 ， 这是 由于硬化水泥浆体随温度 的增加脱去 的水量 ( 包括层 间结构水等 ) 和脱水相含量 不 同所 0 6 4 O 6 2 O 6 0 0 5 8 器0 5 6 0 5 4 0 5 2 O 5 0 4 5 0 C 6 5 0 o C 8 5 0 图 1 不 同温度 下的脱水 相稠度 量 厘 官 蚂 4 5 0 C 6 5 0 8 5 0 C 图 2不 同温度下的脱水相的初 、 终凝时 间 致。而初 、 终凝时间却随煅烧温度 的增加而减少 原 因可能为随着温度的增加 ， 所制得 的脱水相颗粒越 细 ， 其表面积也随之增大 ， 这样可 以增大脱水相 的 反应速度 ： 其次 ， 由于硬化水泥浆体 中还残存有 未 水化 的 C a ( O H) ， 将其在更高的温度下煅烧得到 的 C a O含量增多，与水可以快速反应 不仅消耗 了水 分 ， 而且生成 了 C a ( O H) ， 这些都会加快浆体失去流 动 性 和塑性 ， 因此 ， 初 、 终凝 时 间减少 。 2 2 不 同的煅烧 温度对硅酸盐脱水相抗压强度 的 影 响 用水泥净浆搅拌机制备标准稠度净浆 ， 并用六 联模具成型后进行标准养护 ，达到 7 d养护龄期后 在实验压力机上进行抗压强度测试。 养护 7 d后 ，不同煅烧温度对硅酸盐脱水相再 水化抗压强度影响的实验结果如图 3所示 。 謇 警 墨 8 5 0 o C 图 3脱 水 相 水 化 7 d后 的抗 压 强度 由图 3可 以看 出， 在相 同养护条件下得到 的硬 化水泥试样 ， 经不 同煅烧 温度处 理后 ， 其再水化 的 抗压强度是不一样的。在 6 5 0 C 温度下 ， 热处理得到 的硅酸盐脱水相抗压强度最高 ，为 1 1 8 1 2 5 MP a ， 而 在 4 5 0 C 和 8 5 0 C 热处理温度下 ，抗压强度分别为 5 7 8 7 5 MP a和 1 0 7 7 5 MP a 。 2 3 硅酸盐脱水相的 X R D分析 X射线衍 射 的条件为 ： 铜靶 ， 步长 0 0 2 。 ， 电压 4 0 k V。 电流 3 0 mA。 不 同温 度 下 得 到 的硅 酸 盐脱 水 相 的 X R D 图谱 如图 4 图 8所示 。这五个 X R D图谱分别是初始水 泥浆体经 2 8 d养护后 ，再经粉磨 、过筛处理后 在 一 8 7一 加 印 m 0 4 2 O 8 6 4 2 O 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 5年第 1 1 期 混凝土与水泥制品 总第 2 3 5期 4 5 0 C、 5 5 0 、 6 5 0 C、 7 5 0 C、 8 5 0 下煅烧而得。其 中 每个 明显的峰值都做 了相应的标注 ， 其主要物相有 C a ( O H) 2 、 C 2 S 、 C 3 S 、 C a O、 C a C O 及其有关变体。 l 0 2 O 3 O 4 0 5 0 6 0 7 0 2 0 。 图 4 4 5 0 下煅烧后 的脱水相 X R D图谱 1 0 2 O 3 0 4 0 5 0 6 0 7 O 2 0 。 图 5 5 5 0 下煅烧后 的脱水相 X R D图谱 l U 2 0 3 O 4 U 5 U 6 U 7 0 2 0 。 图 6 6 5 0 下煅烧后 的脱水相 X R D图谱 由图 4和 图 5可以看 出， C a ( O H) ： 的峰值有减 小的趋势 ； 观察图 6可知 ， C a ( O H) 峰值几乎不见 ， 可 见 C a ( 0H) 是 在 4 5 0 5 5 O c I = 之 间发生 部 分分 解 ， 在 6 5 0 下分解得更加完全 ；在 图 7中可见 ， 7 5 O c C 下 有 C a O生成 ， 说 明在该 温 度下 C a ( O H) 已经 完全 分解l 5 l。 一 8 8一 #Ca 0 $C a 3 S i O 5 l 0 2 O 3 U 4 0 5 0( U 7 0 2 0 。 图 7 7 5 0 下煅烧后的脱水相 X R D图谱 $ #Ca O $Ca i O5 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 7 0 2 。 图 8 8 5 0 F煅 烧 后 的 脱 水 相 XRD 图谱 由图 3和图 4可知 ，在 4 5 0 的脱水相具有一 定 的强度 ， 大多来 自于部分分解的 C a ( O H) 和残余 未水化的 C 2 S 。文献 6 表明 ， C a ( O H) 在 4 0 0 C 时就 有少量的分解生成 C a O和水 ， C a O具有一定 的再水 化 的能力 。 并 且 旧水 泥浆 体 中的 C S H凝 胶 含有 以 多种形式存在的水 。 主要有 C S H凝胶 的凝胶层间 水 与钙原子和硅原子相连接 、 以“ O H” 形式存在的 羟基水 和表面吸附水。上述三种不同类型的水被脱 去时的温度不尽相同 ， 这是 由于其各 自结合能力不 同造 成 的 。游 离 水 大 约 在 1 0 0 1 2 0 之 间 失 去 ， 而 S i O H 键 以 及 C a O H 键 的 断 裂 温 度 区 间 分 别 在 3 5 0 4 0 0 和 4 5 0 5 0 0 C 之 间 。 C S H凝胶 中水是 逐 步脱 去 的过 程 。 并 且 随 着温 度 的 升 高脱 水 量 会 越 来 越 大 ， C S H 中 的大 部 分 水 大 约 在 4 0 0 ( 2 左 右 已脱 去 ， 约 占总脱 水量 的 8 9 9 4 ， 同时 ， 在该 温度下 C S H的结构已基本解体。相关文献 也表明， 从废 弃混凝土 中分离得到的水泥石粉 在马弗炉 中分别 加热 到 4 0 0 1 2 、 6 5 0 C和 9 0 0 C 并保 温 一 定 的 时 间 ， 研 究发现试样在 4 0 0 C 煅烧过程 中， 主要是 C S H凝 胶的分解并产生大分子无定型基 团物质 。在 6 5 0 C 煅 烧后 ，生成 了未 完全结 晶的 B C 2 S 。而在 高温 ( 9 0 0 )煅烧后 ，水泥石中的脱水相出现 了明显 的 0 O O O 0 0 O 如 加 0 O O O 0 O 0 O O 加： 2 m O 0 O O O O O O 砌 砌 如 加 O O O O 0 O O 0 0 0 如 加 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 5年第 1 1 期 混凝土与水泥制品 总第 2 3 5期 由图 1 1 可见 ， 硬化水泥浆块 的表面较图 1 2脱 水相 再 水 化 的样 块 表 面平 滑 ， 划 痕 相对 较 少 。这 是 因为 硬 化水 泥 浆体 结 构 比较 致 密 ， 硬 度 也 较 强 。 图 1 2和 图 1 3均 有少 量 的 氧化 铬存 在 ，表 明结 构 中存 在 大小 不 同 的空 洞 ， 以至 于被 粒 度较 细 的氧 化 铬所 填充 图 1 3脱水相一 硅微粉系再水化样块 的表面存 在不同面积和大小的亮斑 是 由于加入粒度很细的 硅 微粉 所 致 ： 而粒 度 大 小 的不 均 一性 可能 是 因为硅 微 粉发 生 团 聚引 起 的 。 因此 ， 未 加 入硅 微 粉 之 前脱 水 相 再 水 化 试 样 块 硬 度 及 强 度 均 低 于 加 硅 微 粉 的脱 水 相 的再 水 化试 样 ， 并 且 前 者存 在 有 凹坑 和较 多 的 孔 隙 ， 而后 者 则 有 很 多 亮 斑 ， 结 构 比较 致 密 光 滑。可见硅微粉 的加入可以起到使脱水相结构变得 密实 的作 。 上 述 实验 结果 表 明 硅 粉 能 够 在很 大 程 度 上 改 善 硬化 水 泥浆 体 和 混凝 土 的性 能 主要 原 因是 微硅 粉具有 较 大 的 比表面积 及 火 山灰活 性 。 首 先 ， 由于 硅 微 粉 粒 径 较 小 在 水 泥 水 化 同 时 加 入 的硅 微粉 可 以作 为 水 泥水 化 所需 要 的 晶核 ， 从 而加 速水 泥水 化 。 同时 由于硅 微粉 颗 粒细 小 ， 可 以 填充在硬化水泥浆体脱水相 中的细小孔 隙 ， 从 而 减小其孔隙率 ， 进而使硅酸盐脱水相再水化浆体和 混凝土更加密实即强度更高。其次 ， 微硅粉具有高 火 山灰 活性 ， 当硅 粉 与 硅 酸盐 脱 水相 同时 加 入 到水 中后 ， 脱 水 相 会 发 生 再 水 化 反 应 这 时 硅 粉 立 即与 脱水相 中再水化产物之一 C a ( O H) ： 发生二次水化反 应 ， 即火 山灰反 应 ， 生成 C S H 凝胶 体 l9 _ 。这 个过 程不 仅 消 耗 了脱水 相 再 水 化 产物 C a ( 0 H) ， 而 且使 得 C S H凝胶体( 火 山灰反应 的生成物)增加 ， 同 时 ， 硅微 粉 还 能进 一 步 与水 化 中另一 脱 水 相 水化 产 物 C S H凝胶体( 又称传统 C S H凝胶体 )发生 反应 ， 生成低钙硅 比的新 C S H凝胶体 。新生成的 C S H 凝 胶 体 不 会 在 酸性 溶 液 中分 解 ， 所 以 ， 使 用 硅微粉 配制的硬化水泥浆体对酸性介质有一定 的 抵抗 能 力 ， 同时对 盐 霜 、 碳 化 、 渗 析 也有 着 较 强 的抵 抗能力 。 3结论 ( 1 ) 硅 酸盐 硬 化水 泥 浆 的 脱 水相 具 有 再 水 化 的 能力 ， 不 同煅烧温度 的脱水相具有不 同的再水化能 力 ， 经 4 5 0 煅烧后 ， 硬化水泥浆体 中的部分水分脱 去 ， 很 多 物 质 并 没 有 发 生 分 解 ， 但 是 由于 其 含 有 残 存 的 C a ( O H) ， 会使脱水相具有再水化的特性 ， 进而 使硅酸盐脱水相具有一定的强 度。在所研究的温度 段范围内， 6 5 0 处理后脱水相水化产物强度可 以达 到 1 2 MP a ， 这可 以做为确定最佳煅烧硬化水泥浆体 一 9 0一 的温度。在 6 5 0 下回收 的水泥浆脱水相再水化强 度高于在 8 5 0 下 的水泥浆脱水相抗压强度。实验 表明 ， 脱水相再水化产物 的强度 与其组成 、 结构及 晶 型有关 ， 特 别是 C ， S和 B C ： S这 两种 物相 有 关 。 ( 2 ) X RD分析表明 ， 硬化水泥浆体在任何脱水 温度下逐渐脱水分解 ， 其脱水相是 由多种脱水产物 组成 的。当它们遇水后会进行再水化 ， 重新生成新 的钙矾石 、 C S H凝胶 、 C a ( O H) 等物质。 ( 3 ) 硅 粉具 有 较小 的粒径 和 较强 的火 山灰 活 性 ， 硅酸盐脱水相 的再水化强度均有所提高 ， 金相分析 也证 明 了这一 点 。 参考文献 ： 1 J G a r t n e r E I n d u s t ri a l l y i n t e r e s t i n g a p p r o a c h e s t o“ l o w C 0 2 ” c e me n t s J C e m e n t a n d C 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s t r u c t i o n a n d B u i l d i n g Ma t e ri a l s ， 2 0 1 4 ， 5 4 ： 4 1 3 4 2 0 【 6 】S h u i Z H，X u a n D X，C h e n W，e t a 1 C e m e n t i t i o u s c h a r a c t e r i s t i c s o f h y d r a t e d C e me n t p a s t e s u b j e c t e d t o v a ri o u s d e h y d r a t i o n t e m p e r a t u r e s l J C o n s t r u c t i o n a n d B u i l d i n g Ma t e r i a l s ， 2 0 0 9 ， 2 3 ( 6 ) ： 5 3 1 - 5 3 7 7 胡 曙光 ， 何永佳 利用废 弃混凝 土制备再生 胶凝材 料 硅 酸盐学报。 2 0 0 7 。 3 5 ( 7 ) ： 5 9 3 5 9 9 8 J 胡 曙光， 何永佳 再 生胶凝材料对 水泥水化 体系 的影响【 J 1 武汉 理工大学学报 2 0 0 6 ， 2 8 ( 1 0 ) ： 4 7 9 L u L ， He Y ， H u S B i n d i n g ma t e ri a l s o f d e h y d r a t e d p h a s e s o f w a s t e h a r d e n e d c e m e n t p a s t e a n d p o z z o l a n i c a d mi x t u r e J 1 J o u r n a l Wu h a n Un i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y ，Ma t e ri a l s S c i e n c e E d i t i o n ， 2 0 0 9 ， 2 4 ( 1 ) ： 1 4 0 -1 4 4 1 0 I Ji X G ，C h e n Q B ，H u a n g K Z ，e t a 1 C e me n t i t i o u s p r o p e r t i e s a n d h y d r a t i o n me c h a n i s m o f c i r c u l a t i n g fl u i d i z e d b e d c o mb u s t i o n ( C F B C )d e s u l f u r i z a t i o n a s h e s【 J J C o n s t ruc t i o n a n d B u i l d i n g Ma t e ri a l s ，2 0 1 2 ， 3 6 ： 1 8 2 1 8 7 收稿 日期 ： 2 0 1 5 0 7 2 1 作者简介 ： 张慧勇( 1 9 7 9 一 ) ， 女 ， 讲 师。 通讯地址 ： 河南省洛阳市王城大道 9 O号 联 系 电话 ： 1 8 7 3 9 0 5 0 0 4 2 E- ma il ： z h a n g h u iy O n g1 8 71 6 3 c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m