廢棄混凝土粉料在磷酸鎂膠凝材料中的應用

曹 洋, 王紅英, 王宏杰, 劉 豫

河南理工大學材料科學與工程學院（454000）

0 引言

磷酸鎂膠凝材料水泥是由 MgO、磷酸鹽、緩凝劑及礦物摻合料按一定比例配制而成。由于具備速凝、早強、快硬等特點使得它在快速修補材料、結合工業廢料生產建筑材料、固化有害及放射性廢料以及制造人造板材等方面有廣闊的應用前景[1]。但是它的原材料相對于應用來講比較昂貴，所以尋找一種便宜的摻合料成了推廣其應用的關鍵。而我國每年拆除建筑垃圾約為1億噸，其中34%是廢棄混凝土，則由此產生的廢棄混凝土就有3 400萬噸，除此之外還有新建房屋產生4 000萬噸的建筑垃圾所產生的廢棄混凝土[2];所以如何利用廢棄混凝土就成了一個研究熱點。過去，大多數關于廢棄混凝土的研究都集中在利用廢棄混凝土骨料制備再生骨料的研究上,利用廢棄混凝土中的粉料的研究則很少有報道。本文就是以廢棄混凝土粉料作為摻合料在磷酸鎂膠凝材料中應用的研究。

1 原材料

1.1 磷酸鎂水泥膠凝材料制備

1）氧化鎂（MgO）：試驗用氧化鎂取自河南振德窯業集團,由菱鎂礦經過工業窯爐煅燒后，經過球磨機粉磨60 min,然后收取物料，再用 0.9 mm孔徑的標準篩篩選。粉體呈棕黃色，其中氧化鎂含量為93%。其粒徑分布如下圖1：

圖1 鎂砂粒徑分布圖

2）磷酸二氫鉀：產自天津市寧鑫化工有限公司，純度≥99.5%，pH值為 4.2～4.5，為白色晶體。

3）硼砂（Na2B4O7·10H2O）：產自天津市金達化工有限公司,純度≥99%，為白色晶體。

4）砂子：高硅質砂,細度模數屬于中砂,其性能指標符合我國《GB/T 14684-2001水泥強度試驗用標準砂》規定的標準砂，粒徑小于2 mm。

5）水：為普通自來水。

1.2 廢棄混凝土粉料

采用普通建筑用混凝土廢棄物（取自河南理工大學建筑垃圾），經球磨機磨碎90 min，取出物料，用0.6 mm的標準篩篩選，粉體外觀為灰色。這些細粉料的主要成分包括大量的水泥漿粉末、部分水泥石顆粒和少量的石灰石細顆粒。

2 試驗方法

本試驗采用正交試驗的方法，主要研究磷酸二氫鉀與氧化鎂之比，緩凝劑硼砂摻量，廢棄混凝土粉料摻量以及水膠比對砂漿28天強度的影響。廢棄混凝土粉在干凝膠材料中的所占的質量百分數分別為30%、40%和50%，磷酸二氫鉀的質量分別取氧化鎂質量的80%、85%和90%，緩凝劑為氧化鎂含量的4.5%、4.8%和5.1%,細集料與膠凝材料的質量比為1：1，水膠比分別為0.16、0.18和0.20。因素水平表及因素水平選擇如下：

表1 因素水平表

將廢棄混凝土粉料、磷酸鹽、氧化鎂與緩凝劑硼砂四個因素構成構建四因素三水平正交表,如表2所示。將磷酸鹽、氧化鎂、緩凝劑與廢棄混凝土粉按照表2中的比例混合均勻，然后加入細集料和水，在砂漿攪拌機中拌合均勻，然后再澆筑在試模中，放在振動臺上振動密實，制備成標準的砂漿試塊，然后在干燥狀態下進行養護，測量28天的抗壓和抗折強度,并與普通42.5號硅酸鹽水泥制成的砂漿試塊的強度進行比較。

3 實驗結果及分析

3.1 與普通水泥強度值的比較

與普通水泥抗壓強度、抗折強度比較如圖2、圖3所示。

表2 L9（34）正交試驗方案及結果

圖2 磷酸鎂膠凝材料的抗壓強度

圖3 磷酸鎂膠凝材料的抗折強度

從圖中可以看出，在28天時，摻入廢棄混凝土粉料的磷酸鎂膠凝材料水泥不論是抗壓強度還是抗折強度都比普通水泥的強度至少要高，特別是抗折強度，明顯優于普通水泥。該試驗也說明磷酸鎂膠凝材料和廢棄混凝土中的水泥有很好的兼容性。廢棄混凝土被磨細后有助于提高基體試塊的密實性，所以使得該材料的強度得到了大幅度提高。

3.2 實驗結果極差分析表如圖示

表3 28天抗折強度極差分析

由表3的極差分析結果可知,影響28天抗折強度的因素首先是KH2PO4/MgO質量比，并且在其他因素不變的情況下抗折強度隨質量比的增加而減小;其次是廢棄混凝土粉料的摻量百分數，隨摻入量的增加而呈現曲線變化;最后是水灰比，也是呈現曲線變化。但是，從極差值也可以看出，在試驗范圍內,這四種因素的變化所造成的抗折強度的改變的極差變化不大,這說明這四種因素在試驗范圍內對抗折強度的影響都差不多。

表4 28天抗壓強度極差分析

影響28天抗壓度因素的主要因素為KH2PO4/MgO的質量比，且隨質量比的增加而增加，這是因為KH2PO4/MgO比值增加使Mg2+和K+增加,形成的水化物MgKPO4·6H2O增加，因而強度增加；其次是水灰比,并且隨水灰比的增加而減小，這與丁鑄等人研究的結果相同[3]，這主要是由于水含量的增加會造成砂漿孔隙率增加，從而使強度下降。廢棄混凝土粉的摻量對抗壓強度的影響和水灰比差不多,而緩凝劑對抗折強度的影響就比較小了。

3.3 最佳摻量

由表3和表4的正交表中可以找出該材料的最佳配比，由于廢棄混凝土粉摻加量越大越有利于降低成本,從表中可以看到，M6組的廢棄混凝土粉的摻量在達到50%的情況下，該材料的強度值依舊很高。因此，從廢棄物的利用角度考慮來看最佳摻量組合為即KH2PO4/MgO的質量比為90%，水灰比為0.18，廢混凝土粉50%。

4 實驗結論

1）廢棄混凝土粉料的加入可以大大提高磷酸鎂水泥的強度,影響磷酸鎂水泥抗壓強度的主要因素是KH2PO4/MgO的質量比，強度隨質量比增加而增加；次要因素是水灰比，并且隨水灰比的增加而減小。

2）影響磷酸鎂水泥抗折強度的主要因素是KH2PO4/MgO的質量比,并且在其他因素不變的情況下隨質量比的增加而減小；次要因素是廢棄混凝土粉料的摻入量，隨摻入量的增加而呈現曲線變化。

3）從廢棄物的利用角度考慮，磷酸鎂水泥最佳配比為M6組合：KH2PO4/MgO的質量比 90%，Na2B4O7質量百分數4.5%廢棄混凝土粉料質量百分數50%，水灰比為0.18。

[1]杜磊,嚴云,胡志華.化學結合磷酸鎂膠凝材料的研究及應用現狀[J].水泥,2007(5)：23-25

[2]柳春紅,邢世海,張俊杰.廢棄混凝土開發利用的可行性分析[J].建筑技術,2009 Vol.40 No.0

[3]丁鑄,李宗津.早強磷硅酸鹽水泥的制備和性能[J].材料研究學報,2006 Vol.20 No.02