陳 玲，王 銳，李廣鋒，林通敏，潘麗華

(1.廣西生態(tài)工程職業(yè)技術學院，廣西 柳州 545000；2.中鐵建設集團有限公司，北京 100040；3.廣西科技大學，廣西 柳州 545006)

0 前 言

水泥作為國民經濟中重要的基礎性原材料，在國民經濟的發(fā)展中具有舉足輕重的地位[1]，在一定程度上反映一個國家的經濟水平與實力。由于傳統(tǒng)水泥生產技術的因素，我國水泥工業(yè)在生產過程中能源消耗較大，二氧化碳排放量較多，資源利用率低，不利于我國水泥工業(yè)的長遠發(fā)展。

磚體材料是建筑中使用范圍最廣的墻體材料之一，在建筑廢棄物中占有較大比重，燒結頁巖磚是自國家禁止使用實心黏土磚以來廣西地區(qū)使用最廣泛的墻體材料替代品，擁有較高強度與熱工性能[2]，逐漸成為建筑磚體材料廢棄物的主體，本文針對建筑垃圾中占有較大比重的廢棄磚，結合地區(qū)實際情況，利用廢棄燒結頁巖磚制備水泥混合材料。

1 試驗及分析

1.1 頁巖磚粉制備

試驗選用同一建筑工地拆除的廢棄磚制備廢棄燒結頁巖磚粉末。由于試驗用廢棄燒結頁巖磚粉末相對較少，磚體粉末的制備流程主要為：拆遷工地人工初選、實驗室人工錘擊與簡單破碎、機械破碎與粉磨、篩分，最終得到不同粒徑的廢棄燒結頁巖磚粉末。

1.2 理化分析與X射線衍射分析

由上述方法制備得到的廢棄燒結頁巖磚粉末主要呈現(xiàn)深紅色(見圖1)，存放時粉末邊緣會有些許灰色粉末，這是由于磚廠燒制磚坯時無法保證每一塊磚的每一部分剛好達到最佳燒結溫度，因此，每塊磚或多或少存在部分過燒現(xiàn)象，最終產生灰色過燒成分。

圖1 廢棄燒結頁巖磚粉末

由于廢棄燒結頁巖磚是由頁巖經煅燒后形成的產物，通過查閱規(guī)范《用于水泥中的火山灰質混合材料》(GB/T 2847—2005)，頁巖磚粉符合人工火山灰質混合材料分類的要求，具有火山灰性，通過規(guī)范《水泥化學分析方法》(GB/T 176—2017)中給定的化學試驗方法測定出廢棄燒結頁巖磚粉末的主要化學成分，其化學成分及各成分含量如表1所示。

表1 廢棄燒結頁巖磚粉末化學組分 %

由表1可以看出，廢棄燒結頁巖磚粉末中的主要成分包括二氧化硅(SiO2)、三氧化二鋁(Al2O3)和三氧化二鐵(Fe2O3)，三者總量接近80%，因此，從成分上看，頁巖磚粉屬于硅鋁鐵質材料，此外，磚粉中其他物質含量超過15%，說明磚粉中雜質相對較多，在磚粉摻量過多時可能對水泥性能產生不利影響。對比規(guī)范中可以作為水泥混合材料使用的要求，頁巖磚粉的燒失量為2.07%，滿足人工火山灰質混合材料不大于10.0%的要求；三氧化硫(SO3)含量為0.57%，滿足不大于3.5%的要求；由于試驗所用頁巖磚粉來源于建筑廢棄磚，磚體滿足建筑墻體材料的放射性要求，因此，頁巖磚粉至少可作為非活性水泥混合材料使用。廢棄燒結頁巖磚粉末的X射線衍射分析(XRD)如圖2所示。

圖2 廢棄燒結頁巖磚粉末XRD分析圖譜

由圖2可知，頁巖磚粉的X射線衍射分析圖譜中具有3種明顯衍射峰，分別對應著SiO2、Al2O3、Fe2O3三者晶體相，說明頁巖磚粉具有一定數(shù)量的玻璃體相，具備一定的化學反應活性。此外圖譜中仍存在著多根較明顯的其他晶體相衍射峰，說明頁巖磚粉中的其他礦物雜質較多，可能會對頁巖磚粉摻量、水泥性能等造成不利影響。

1.3 方案設計

由前期對頁巖磚粉的材料分析可知，頁巖磚粉的活性與粉煤灰較為接近并且遠小于礦粉活性，因S95級礦粉在水泥取代率為50%時，其抗壓強度比在95%以上，所以本試驗設定頁巖磚粉的摻量范圍在5%～50%，以5%為磚粉摻量間隔并設置參照組，保證水灰比不變，各組試件配比如表2所示。

表2 單摻試驗配比表

1.4 試驗結果與分析

水泥膠砂強度試驗結果如表3所示，水泥膠砂的抗折、抗壓強度隨廢棄燒結頁巖磚粉摻量的變化情況如圖3～4所示。

表3 水泥膠砂強度試驗結果

圖3 水泥抗折強度變化規(guī)律

由圖3和圖4可知，隨著頁巖磚粉摻量的不斷增加，水泥膠砂的3 d、28 d抗壓強度在不斷減?。淮u粉摻量在5%時，水泥膠砂3 d的抗壓強度有所提高，說明水泥中少量摻入頁巖磚粉有助于提高早期抗壓強度；在磚粉摻量超過30%時，水泥膠砂的3 d、28 d抗壓強度降低速度明顯加快，并且3 d的抗壓強度值位于規(guī)范要求臨界點、28 d的強度值低于規(guī)范要求，此時的復合水泥已不能滿足強度要求；水泥膠砂在頁巖磚粉摻量為30%之前時的抗折強度波動明顯，但在數(shù)值上表現(xiàn)不大，磚粉摻量超過30%后，3 d與28 d的抗折強度發(fā)生顯著下降，抗折強度比下降幅度達到17%，而28 d抗壓強度值降低超過7.5 MPa。因此，綜合考慮磚粉摻量對水泥膠砂3 d、28 d抗折、抗壓強度的影響、規(guī)范對復合水泥強度值的要求以及極大利用廢棄燒結頁巖磚粉的目標，試驗選定頁巖磚粉單摻時的最大摻量為30%(即135 g)。

圖4 水泥抗壓強度變化規(guī)律

1.5 理化性能

雖然廢棄燒結巖磚粉的最大摻量可以達到30%甚至更高，但這僅是在滿足規(guī)范強度要求的情況下分析得到的，要想在日常生產中廣泛使用，還應對規(guī)范要求的其他指標進行驗證。

通用硅酸鹽水泥的化學指標因水泥種類的不同而有不同的要求，在頁巖磚粉單獨摻入P·I型水泥時，若摻量>5%且≤20%，則形成的水泥種類為普通硅酸鹽水泥；若摻量大于20%且小于等于40%，則形成火山灰質硅酸鹽水泥。

由表4可知，30%磚粉摻量水泥初凝時間和終凝時間均符合規(guī)范要求，并且安定性也合格。這說明雖然廢棄燒結頁巖磚粉末中雜質較多，但基本不參與水泥水化，從頁巖磚粉的化學成分上看，磚粉中包含的CaO、SO3占比較少，僅占磚粉質量的2.76%，而造成水泥體積安定性不良的游離氧化鈣(-CaO)、游離氧化鎂(-MgO)更是少之又少，因此，雖然磚粉摻量較多，但安定性合格，滿足規(guī)范要求。

表4 水泥物理性能測試結果

2 微觀分析

由于硅酸鹽水泥中的強度主要取決于水化硅酸鈣(C-S-H)的生成情況，并且在常溫下，硅酸鹽水泥水化形成的C-S-H主要以膠凝狀態(tài)存在于凈漿和膠砂中，在利用掃描電鏡觀察時，其呈現(xiàn)的形貌主要有纖維狀(柱狀)、網絡狀、層狀或片狀，因此，可用來評定水泥水化過程中C-S-H膠凝形成情況。

為了研究廢氣燒結頁巖磚粉末的摻入對磚粉水泥水化反應的影響，通過對不同摻量下磚粉水泥凈漿試件進行SEM試驗，得到各摻量下養(yǎng)護齡期為7 d的SEM圖如圖5所示(由于水泥水化反應在前期較為劇烈，且水泥強度主要是在前期形成，因此，本SEM試驗選取的磚粉水泥齡期為7 d)。

(a)摻量0

由圖5可知，隨著頁巖磚粉末摻量的不斷增加，水泥凈漿中形成的層狀、片狀C-S-H膠凝粒子逐漸減少，網絡狀膠凝粒子增多，并且在頁巖磚粉摻量為30%時，水泥水化產物部分區(qū)域形成網絡狀膠凝結構。

借助C-S-H膠凝模型中的Powers-Brunauer模型[3]進行解釋分析，該模型認為C-S-H是由粒徑大約為14 nm的剛性顆粒形成層狀的托貝莫來石膠凝，相比網絡狀膠凝粒子具有更高的致密性，能夠為水泥提供更高的強度，即由于頁巖磚粉摻量較少的水泥中生成了較多的層狀C-S-H膠凝，其強度要高于因頁巖磚粉摻量較多而產生較多網絡狀膠凝粒子的復合水泥。因此，頁巖磚粉的摻入會改變磚粉水泥水化產物中生成的C-S-H膠凝形態(tài)，使其更易向強度較低的網絡狀膠凝粒子方向生成，最終導致水泥強度的降低。

3 結 論

1)廢棄燒結頁巖磚粉末具有一定的活性，至少可作為非活性水泥混合材料使用。

2)膠砂的抗壓強度隨著頁巖磚粉摻量的增加而不斷減小，磚粉摻量超過30%時，膠砂的抗壓強度下降超過7.5 MPa，且此時水泥的強度值已不能滿足強度要求。

3)頁巖磚粉的摻入會改變磚粉水泥水化產物中生成的C-S-H膠凝形態(tài)，使其更易向強度較低的網絡狀膠凝粒子方向生成，對磚粉水泥強度造成不利影響。

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