廢棄混凝土粉料在磷酸鎂膠凝材料中的應(yīng)用

曹 洋, 王紅英, 王宏杰, 劉 豫

河南理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)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(qiáng)、快硬等特點(diǎn)使得它在快速修補(bǔ)材料、結(jié)合工業(yè)廢料生產(chǎn)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(yīng)用前景[1]。但是它的原材料相對于應(yīng)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(yīng)用的關(guān)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(chǎn)生的廢棄混凝土就有3 400萬噸，除此之外還有新建房屋產(chǎn)生4 000萬噸的建筑垃圾所產(chǎn)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(diǎn)。過去，大多數(shù)關(guān)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(yīng)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(yàn)用氧化鎂取自河南振德窯業(yè)集團(tuán),由菱鎂礦經(jīng)過工業(yè)窯爐煅燒后，經(jīng)過球磨機(jī)粉磨60 min,然后收取物料，再用 0.9 mm孔徑的標(biāo)準(zhǔn)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(chǎn)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(chǎn)自天津市金達(dá)化工有限公司,純度≥99%，為白色晶體。

4）砂子：高硅質(zhì)砂,細(xì)度模數(shù)屬于中砂,其性能指標(biāo)符合我國《GB/T 14684-2001水泥強(qiáng)度試驗(yàn)用標(biāo)準(zhǔn)砂》規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)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(xué)建筑垃圾），經(jīng)球磨機(jī)磨碎90 min，取出物料，用0.6 mm的標(biāo)準(zhǔn)篩篩選，粉體外觀為灰色。這些細(xì)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(xì)顆粒。

2 試驗(yàn)方法

本試驗(yàn)采用正交試驗(yàn)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(qiáng)度的影響。廢棄混凝土粉在干凝膠材料中的所占的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)分別為30%、40%和50%，磷酸二氫鉀的質(zhì)量分別取氧化鎂質(zhì)量的80%、85%和90%，緩凝劑為氧化鎂含量的4.5%、4.8%和5.1%,細(xì)集料與膠凝材料的質(zhì)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(gòu)成構(gòu)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(xì)集料和水，在砂漿攪拌機(jī)中拌合均勻，然后再澆筑在試模中，放在振動臺上振動密實(shí)，制備成標(biāo)準(zhǔn)的砂漿試塊，然后在干燥狀態(tài)下進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，測量28天的抗壓和抗折強(qiáng)度,并與普通42.5號硅酸鹽水泥制成的砂漿試塊的強(qiáng)度進(jìn)行比較。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 與普通水泥強(qiáng)度值的比較

與普通水泥抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度比較如圖2、圖3所示。

表2 L9（34）正交試驗(yàn)方案及結(jié)果

圖2 磷酸鎂膠凝材料的抗壓強(qiáng)度

圖3 磷酸鎂膠凝材料的抗折強(qiáng)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(qiáng)度還是抗折強(qiáng)度都比普通水泥的強(qiáng)度至少要高，特別是抗折強(qiáng)度，明顯優(yōu)于普通水泥。該試驗(yàn)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(xì)后有助于提高基體試塊的密實(shí)性，所以使得該材料的強(qiáng)度得到了大幅度提高。

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果極差分析表如圖示

表3 28天抗折強(qiáng)度極差分析

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

表4 28天抗壓強(qiáng)度極差分析

影響28天抗壓度因素的主要因素為KH2PO4/MgO的質(zhì)量比，且隨質(zhì)量比的增加而增加，這是因?yàn)镵H2PO4/MgO比值增加使Mg2+和K+增加,形成的水化物MgKPO4·6H2O增加，因而強(qiáng)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(jié)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(qiáng)度下降。廢棄混凝土粉的摻量對抗壓強(qiáng)度的影響和水灰比差不多,而緩凝劑對抗折強(qiáng)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(dá)到50%的情況下，該材料的強(qiáng)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(zhì)量比為90%，水灰比為0.18，廢混凝土粉50%。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)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(qiáng)度,影響磷酸鎂水泥抗壓強(qiáng)度的主要因素是KH2PO4/MgO的質(zhì)量比，強(qiáng)度隨質(zhì)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(qiáng)度的主要因素是KH2PO4/MgO的質(zhì)量比,并且在其他因素不變的情況下隨質(zhì)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(xiàn)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(zhì)量比 90%，Na2B4O7質(zhì)量百分?jǐn)?shù)4.5%廢棄混凝土粉料質(zhì)量百分?jǐn)?shù)50%，水灰比為0.18。

[1]杜磊,嚴(yán)云,胡志華.化學(xué)結(jié)合磷酸鎂膠凝材料的研究及應(yīng)用現(xiàn)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(fā)利用的可行性分析[J].建筑技術(shù),2009 Vol.40 No.0

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