建筑渣土泥漿制備復合免燒輕質骨料及性能試驗研究

鐘翼進，王毓晉，宋冰泉，蔣正武

（1.同濟大學 先進土木工程材料教育部重點實驗室，材料科學與工程學院，上海 201804；2.寧波交通工程建設集團有限公司，浙江 寧波 315823）

我國建筑渣土和廢棄泥漿產(chǎn)量高，由此導致了大量的建筑渣土泥漿的堆積，嚴重影響城市綠色發(fā)展[1]。目前，關于建筑渣土泥漿的處置方法主要為運輸填埋，受限于建筑渣土泥漿自身不具備水化活性，故將其轉化為建筑材料的資源利用率較低[2-3]。近些年，由于大量的土木工程建設對混凝土材料的需求量巨大[4-5]，而粗骨料在混凝土中占比較多，故充分利用建筑渣土泥漿制備混凝土用骨料可作為固廢資源再生轉化應用的新途徑[6]。將建筑渣土泥漿通過燒結產(chǎn)生強度，可部分替代天然骨料作為混凝土骨料[7-8]，但燒結工藝能耗高且CO2排放量較大一直是該工藝亟待解決的問題[9-10]。此外，通過冷粘結的圓盤造粒[11]、擠壓造粒[12]和拋丸裹殼[13]工藝制備骨料又存在產(chǎn)量小、效率低、無法處理大規(guī)模的渣土泥漿問題。因此，使用新型環(huán)保的免燒工藝制備輕質骨料尤為重要。基于此，本文針對渣土泥漿制備免燒輕質骨料效率低和性能差的問題，提出了預處理、固化改性、多級破碎的輕質骨料制備工藝，研究了不同因素對采用固化破碎工藝制備的建筑渣土免燒輕質骨料性能的影響，及免燒輕質骨料最優(yōu)固化配比，并通過微觀試驗分析了其強度提高機理。

1 試 驗

1.1 原材料

建筑渣土泥漿：來自寧波市海曙區(qū)施工開挖的砂土質渣土，初始質量含水率為25.4%～35.7%，pH 值為8.9，呈弱堿性，初始孔隙比為0.98～1.08，基本物理性能如表1 所示。為使建筑渣土泥漿均質化，以便于后期試驗配比，將其烘干破碎過0.6 mm 網(wǎng)篩得到磨細渣土，其XRD 圖譜如圖1 所示，分析得出，建筑渣土泥漿的主要成分為石英、白云母、綠泥石、高嶺土和蒙脫土。膠凝材料：小野田P·O52.5 水泥、Ⅱ級粉煤灰、S105級礦渣和SF90 級硅灰。原材料的主要化學成分如表2 所示，粒徑分布如圖2 所示。

表1 建筑渣土泥漿的基本物理性能

表2 原材料的主要化學成分 %

1.2 免燒輕質骨料的制備工藝

破碎型免燒輕質骨料的制備工藝如圖3 所示，主要包括原材料預處理、固化成型、破碎切割造粒及養(yǎng)護成品4 部分。

采用NJ-160 水泥膠砂攪拌機攪拌，將固體原材料先干混30 s 后再與水慢速攪拌45 s，停30 s 后快速攪拌90 s。將攪拌好的漿體倒入40 mm×40 mm×160 mm 的三聯(lián)膠砂模具中振搗成型，標準養(yǎng)護1 d 后拆模。通過大型鍘刀剪切對試塊進行整體切割破碎，再采用小型鍘刀剪切破碎，得到免燒輕質骨料。然后將骨料放入90 ℃蒸養(yǎng)箱中養(yǎng)護24 h，養(yǎng)護完的骨料通過篩分得到4.75 mm 以上的粗骨料。

1.3 試驗方法

不同水泥摻量、礦物摻合料種類與摻量對免燒輕質骨料性能影響的試驗配比如表3 所示，其中水泥、粉煤灰、礦渣均為內(nèi)摻，硅灰為外摻（摻量按占渣土、水泥和礦渣總質量計），水固比固定為0.35。

表3 不同膠凝材料體系免燒輕質骨料的配比設計

按照表3 設計的配比稱取原材料，固化成型及破碎造粒，最后進行篩分得到免燒輕質骨料成品。按照GB/T 17431.2—2010《輕集料及其試驗方法 第2 部分：輕集料試驗方法》測試骨料的堆積密度、表觀密度、1 h 吸水率和筒壓強度。

采用德國NETZSCH 產(chǎn)的TA SDT Q600 型同步熱分析儀測試骨料的熱重曲線，溫度范圍設定為30～1000 ℃，加熱速率為10 ℃/s。

2 結果與討論

2.1 水泥摻量對免燒輕質骨料性能的影響（見圖4、圖5）

由圖4 可見，隨水泥摻量從10%增加至30%，免燒輕質骨料的堆積密度和表觀密度逐漸增大。這是因為，水泥摻量逐漸增加，免燒輕質骨料中水化產(chǎn)物增多，結構更致密，導致密度逐漸增大。當水泥摻量為30%時，免燒輕質骨料的堆積密度最高，為855 kg/m3，表觀密度達到1.471 g/cm3，完全符合GB/T 17431.1—2010《輕集料及其試驗方法 第1 部分：輕集料》堆積密度的要求（≤1200 kg/m3）。

由圖5 可見，隨水泥摻量的增加，免燒輕質骨料的筒壓強度逐漸提高，1 h 吸水率逐漸減小。水泥摻量越多，水化產(chǎn)物越多，骨料更加密實，筒壓強度提高，1 h 吸水率減小。當水泥摻量為30%時，免燒輕質骨料的筒壓強度達到4.3 MPa，1 h 吸水率為26.39%。

2.2 不同礦物摻合料對免燒輕質骨料性能的影響

粉煤灰摻量對免燒輕質骨料性能的影響見圖6、圖7，礦渣摻量對免燒輕質骨料性能的影響見圖8、圖9，硅灰摻量對免燒輕質骨料性能的影響見圖10、圖11。

由圖6 可見，隨粉煤灰取代水泥摻量的增大，免燒輕質骨料的堆積密度和表觀密度均減小。當粉煤灰摻量為20%時，免燒輕質骨料的堆積密度減小至799 kg/m3，表觀密度減小至1.431 g/cm3。

由圖7 可見，隨粉煤灰摻量的增加，免燒輕質骨料的1 h吸水率逐漸增大，當粉煤灰摻量為20%時，免燒輕質骨料的1 h 吸水率高達28.7%；隨粉煤灰摻量的增加，免燒輕質骨料的筒壓強度逐漸降低，這是由于粉煤灰的水化活性低，早期水化產(chǎn)物生成少，因而骨料的密實度下降，導致筒壓強度降低，吸水率增大。

由圖8、圖9 可見，隨礦渣摻量的增加，免燒輕質骨料的堆積密度和表觀密度均先減小后增大，1 h 吸水率先增大后減小，筒壓強度先降低后提高。

上述分析表明，水泥-礦渣-渣土泥漿體系的性能最優(yōu)，礦渣摻量為20%、渣土摻量為70%、水泥摻量為10%時，免燒輕質骨料的筒壓強度達到5.5 MPa，1 h 吸水率為25.94%，堆積密度為859 kg/m3。

由圖10、圖11 可見：隨硅灰外摻摻量的增加，免燒輕質骨料的堆積密度和表觀密度均逐漸增大；1 h 吸水率逐漸減小，當硅灰摻量由8%增至10%時，1 h 吸水率降幅最大，當摻量大于10%時，骨料的吸水率隨著硅灰摻量的增加而減小的趨勢趨于平緩；隨硅灰摻量的增加，免燒輕質骨料的筒壓強度逐漸提高，但增幅逐漸減小后趨于平穩(wěn)。表明硅灰外摻摻量為10%時可大幅度改善骨料的密實度，充分發(fā)揮硅灰的填充效應；當其摻量大于10%時，過量的硅灰只能起到降低整體水固比的作用，對密實度的改善效果減弱趨于平緩，因此硅灰的最合適外摻摻量為10%左右。

2.3 熱重分析

為分析礦渣對免燒輕質骨料性能的作用機理，圖12 給出了建筑渣土泥漿原材料WM 組以及PO30 組、SG20 組的DTG曲線。

由圖12 可見，質量損失的3 個明顯的峰分別為100 ℃附近的C-S-H 凝膠、450 ℃附近的氫氧化鈣CH 峰和750 ℃附近的碳酸鈣峰。其中PO30 組擁有3 個峰，表明PO30 組的骨料水化產(chǎn)物主要是C-S-H 凝膠、氫氧化鈣和碳酸鈣，其中由于建筑渣土泥漿原材料中也有碳酸鈣的質量損失峰，故不能完全表明碳酸鈣的峰由水泥水化產(chǎn)物引起的。但是SG20 組在450 ℃附近的氫氧化鈣CH 峰消失了，表明礦渣的摻入能夠有效消耗水泥的水化產(chǎn)物氫氧化鈣，反應生成C-S-H 凝膠，從而進一步增加骨料的密實度。

3 結論

（1）采用固化破碎制備得到的破碎型免燒輕質骨料性能良好，其中以水泥-礦渣-渣土泥漿體系的性能最優(yōu)，礦渣摻量為20%、渣土摻量為70%、水泥摻量為10%時，免燒輕質骨料的筒壓強度達到5.5 MPa，1 h 吸水率為25.94%，堆積密度為859 kg/m3。

（2）外摻硅灰對骨料的性能有大幅度改善作用，隨其摻量的增加，骨料的堆積密度和表觀密度逐漸增大，筒壓強度逐漸提高，1 h 吸水率逐漸減小。其改善效果在硅灰摻量為10%附近達到最佳，筒壓強度增大至7.3 MPa。當摻量大于10%后硅灰摻量的增加對免燒輕質骨料性能的改善效果整體趨于平緩。

（3）礦渣對骨料性能提升的機理在于二次水化反應消耗了孔隙水和氫氧化鈣，生成C-S-H 凝膠填充孔隙，進一步提升骨料的密實度，提高其筒壓強度，減小吸水率。