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我国城镇建设不断加速扩展,城镇改造和建筑工业的飞速发展,伴随着大量的建筑拆除垃圾“围困”城镇。据估算,每拆除 1 万平米 的旧建筑, 将产生 0.7~1.3 万 t 的建筑拆除垃圾。大量建筑垃圾未经任何处理,直接运往城镇郊区露天堆放,侵占土地,持续污染土壤、水源、河道和植被等,综合回用建筑垃圾对解决城镇面临的围困问题和环境污染问题具有重要的作用 。当前对建筑拆除的研究主要集中于再生骨料和再生混凝土等方面,未能全组分回收利用建筑垃圾。另外,水泥产物生产消耗大量自然资源和能源,可消纳大量的固体废弃物,节约资源和能源。为了提高建筑拆除垃圾的资源化效率和质量,笔者对建筑拆除垃圾用作水泥混合材进行了试验研究。
水泥混合材依靠其初始组成、颗粒堆积和反应活性等辅助水泥熟料水化胶凝, 在辅助水泥胶凝的同时实现了固体废物资源化。建筑拆除垃圾主要由废弃混凝土和废弃粘土砖等组成, 张长森等研究发现掺入20%建筑垃圾水泥胶砂抗压强度可达54.1MPa,建筑垃圾在体系中起到调整颗粒级配和改善浆体性能等效果, 但建筑垃圾活性不够和物化性质不稳定导致掺量不高。笔者针对赣州地区建筑垃圾特点, 将建筑垃圾分类为废弃混凝土和废弃粘土砖分别单掺和不同配比复合掺作水泥混合材,并作相关的活性激发试验。
废弃混凝土主要由废弃混凝土粉磨后 200 目筛下细粉组成,废弃混凝土中含有石英、碳酸钙、长石和水化硅酸钙矿物, 废弃粘土砖中含有石英和钙长石,具有一定的矿物活性,具备作水泥活性混合材的条件。
从图 2 和图 3 结果可知:
(1) 水泥熟料掺废弃混凝土和废弃粘土砖作混合材,降低了水泥熟料的强度。究其原因,水泥强度主要来源于水泥熟料的水化产物 C-S-H 强度, 因废弃混凝土和废弃粘土砖的水化活性不及水泥熟料,样品水泥总体的水化活性有所降低,降低了水泥强度。
(2) 达到 P·O 42.5R等级强度, 废弃混凝土可掺 30%,废弃粘土砖可掺 10% 左右。同时,掺量在10% 以内废弃粘土砖水泥 28 d 胶砂强度较废弃混凝土水泥 28 d 胶砂强度稍高。废弃粘土砖中酸性氧化物总量( SiO4 + Al2O3 + Fe2O3) 高达 92.61% ,降低了水化碱度,加快了水化反应进程, 文献指出水泥熟料的 C3S 水化释放出的 Ca (OH) 2 与活性厂颈翱2 和 Al2O3 发生二次水化反应, 同时, 活性 SiO2与已水化生成的高 Ca /Si 的 C-S-H 反应生成 Ca /Si 低的 C- S-H。在充分水化的条件下, 掺适量的建筑垃圾( 掺量<10% ) 可稳定有效保持水泥强度水平。掺少量混合材水泥体系中, 混合材的主要作用是发生二次水化反应促进水泥熟料水化速率, 废弃粘土砖水泥的酸性比废弃混凝土水泥的高, 其水泥熟料水化速率较废弃混凝土水泥体系中的要高。
(3) 掺量大于 10% 后,废弃混凝土水泥胶砂强度较废弃粘土砖水泥的高。废弃混凝土中含有部分未水化的水泥颗粒, 具有一定的水化活性。同时废弃混凝土中碳酸钙含量高, 在水化过程可与熟料的C3A 和 C4AF 反应生成水化碳铝酸钙 , 可以与其他水化产物相互搭接,使体系结构更加密实,增强体系的强度。
(4) 废弃混凝土掺量 20% 以内或废弃粘土砖粉掺量 10% 以内可部分有效提高水泥的早期强度, 而高建筑垃圾掺量的样品水泥早期水化强度明显降低。文献指出水泥颗粒水化的同时受结晶成核和晶体生长过程、相边界反应过程、扩散过程 3 个过程控制,但整个水化过程取决于其中最慢的一个反应过程。对于低建筑垃圾掺量的水泥水化速率取决于水化结晶成核和晶体生长过程,补充和增强了低掺量水泥早期强度,原因有三: 一是因建筑垃圾中活性矿物与Ca(OH) 2 反应生成 C-S-H 凝胶; 二是惰性的建筑垃圾以针状、柱状和薄板状的细微晶体与已生成的 C- S - H 交织连锁起来; 三是建筑垃圾中较大表面积的细微晶粒在集料表面有强大的吸附能力,提高水泥与集料的粘合力。而对于高建筑垃圾掺量的水泥水化的初期主要取决于固液反应,因大量细小建筑垃圾颗粒对水泥颗粒起到分散作用,和胶砂拌合初期建筑垃圾颗粒起的“微集料效应”积蓄了大量水分, 降低了水泥颗粒与水分子的碰撞发生速率,早期强度明显降低。
2.2建筑垃圾活性激发试验结果与讨论
采用 28 d 抗压强度比 K 作为衡量混合材掺料活性指标。K=R1 /R2 × 100式中,R1 为掺 30% 建筑垃圾混合材的试验样品 28 d抗压强度,R2 为未掺混合材的对照样品 28 d 抗压强度。试样的设计配合比及强度和活性指标试验结果见表 2。