廢棄混凝土砂漿組分接觸硬化性能研究

摘 要：為考察廢棄混凝土砂漿組分的接觸硬化性能，將與粗集料分離后的砂漿組分磨細，一組磨細粉體直接壓制成型，另一組粉體通過加入磨細生石灰和石英砂調整Ca/Si摩爾比為1，在120 ℃，水固比為5∶1的條件下進行動態水熱處理后壓制成型.測定成型試塊的表觀密度、抗壓強度、抗折強度、軟化系數，以表征粉體的接觸硬化性能.結果表明:磨細砂漿組分具有接觸硬化性能，一定條件的水熱反應可優化這種性能.XRD分析顯示，水熱反應產物主要為結晶不良的水化硅酸鈣；成型試塊的抗折強度、抗壓強度最高分別為5.7 MPa和16.8 MPa，并具有一定的耐水性，軟化系數達到0.7.粗集料種類及水熱反應恒溫時間對其接觸硬化性能有一定影響.

關鍵詞：廢棄混凝土；砂漿組分；接觸硬化；水熱反應；水化硅酸鈣

中圖分類號：TU502 文獻標識碼：A

Research on the Contact-hardening Property of Mortar

Component of Demolished Concrete 

PENG Xiao-qin1， WANG Shu-ping1， HUANG Tao1，2，HU Can1



(1. College of Material Science and Engineering， Chongqing Univ， Chongqing 400045， China; 

2. Sichuan Institute of Building Material Industry， Chengdu， Sichuan 610081， China)

Abstract: In order to investigate the contact-hardening mechanism of the mortar component of demolished concrete， the mortars were separated and ground. One group of the power was directly molded at a certain compression， and the other group was molded after hydro-thermal synthesis at the temperature of 120 ℃ with a water solid ration of 5 by adding ground lime and quartz sand to adjust Ca/Si morel ratio. The apparent density， compressive strength， flexural strength and softening coefficient of the molded specimens were measured immediately. The results have shown that the ground mortar has a contact-hardening property to some extent and after hydro-thermal reaction， this property is obviously improved. The reacting production is amorphous silicate calcium hydration by XRD analysis. The maximum flexible strength and compressive strength are up to 5.7 MPa and 16.8 MPa respectively， and the specimen has a certain water resistance property， of which the softening coefficient can be 0.7. The property of contact-hardening is affected by the styles of the coarse aggregates of the demolished concretes and the constant time of temperature.

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Key words:demolished concrete; mortar component; contact-hardening; hydro-thermal reaction; calcium silicate hydrate



20世紀70年代，前蘇聯基輔國立建筑技術大學Глуиовскй等［1］提出了非穩定結構礦物質的接觸硬化概念：由于非晶態或亞穩態宏觀分散粉末的自由能較高，在壓制過程中可使粒子接觸縮聚并形成具有一定強度及耐水性的人造石材，而結晶良好的物質則不具備這種性能.蒲心誠等［2］以石英砂、硅藻土、粉煤灰等為硅質原料，石灰為鈣質原料，利用動態水熱合成方法制備出無定形態水化硅酸鈣粉體，在一定的壓力下壓制成型，獲得了具有較高強度的接觸硬化石材.

我國每年會產生數億噸的建筑垃圾，其中混凝土大約占 41%，采用回填的傳統處理不僅占用大量耕地資源還造成環境污染，因此對廢棄混凝土進行再利用迫在眉睫.目前廢棄混凝土再利用主要是用再生粗集料制備再生混凝土及道路的穩定碎石基層［3-6］，而對粒徑5 mm以下的細集料即砂漿組分的利用較少［4］.目前國內外對砂漿組分的再利用研究主要有以下幾方面［7-9］：將砂漿組分磨細作為混凝土外摻料；進行高溫煅燒制備再生膠凝材料以促進水泥水化；燒制再生磚等.

文章研究了磨細廢棄混凝土砂漿組分的接觸硬化性能，并通過摻入石灰及石英砂調整Ca/Si摩爾比，利用動態水熱合成方法對其接觸硬化性能進行優化，制備出具有一定強度和耐水性的輕質人造石材.這有助于擴大廢棄混凝土砂漿組分的利用范圍，提高其利用效率.

1 原材料及實驗方法

1.1 原材料

廢棄混凝土：①鈣質集料混凝土：一拆遷樓房，石灰石集料，齡期為20年左右，鉆芯強度為37.8 MPa，其砂漿組分記為A.②硅質集料混凝土：一拆遷廠房，卵石集料，齡期為40年左右，鉆芯強度38.5 MPa，其砂漿組分記為B.

其他原材料：①鈣質原料：生石灰，重慶山洞鎮產，CaO質量分數為89.30%.②硅質原料：石英砂，重慶云陽產，SiO2質量分數為99.09%.

將廢棄混凝土進行二次破碎，取2.36 mm以下［4］的篩下料(含部分破碎后粗骨料)作為砂漿組分，對其進行烘干粉磨，粉磨1 h后取0.3 mm以下的粉體作為原料用于壓制成型及水熱合成，其化學組成見表1.

1.2 實驗方法

1.2.1 接觸硬化性能測定

將一定量的粉體裝入模具中，在80 MPa恒定壓力下將粉體直接壓制3 min，每組成型3個試件，獲得尺寸為40 mm×40 mm×160 mm的成型試塊，測定成型試塊的表觀密度、軟化系數、抗壓強度及抗折強度.

試塊的抗壓強度及抗折強度根據JGJ70-90測定，表觀密度根據GB/T 2542-2003測定，軟化系數為沸煮8 h試塊抗壓強度與原抗壓強度比值［7］.

1.2.2 砂漿組分接觸硬化性能優化

通過加入生石灰和石英砂將Ca/Si摩爾比調整為1∶1，在水固比為5∶1［10］，恒溫120 ℃條件下以動態水熱合成法制備結晶不良的水化硅酸鈣，對砂漿組分的接觸硬化性能進行優化，實驗流程如圖1所示.實驗中對A粉采用的調整方法為75%的A與25%的石灰及石英砂混合； B粉中只摻加石灰將鈣硅摩爾比調整為1.對各混合料進行不同制度的水熱處理，其反應制度見表2.

1.3 實驗儀器

動態水熱合成反應釜：GS-2型反應釜，山東威海化工機械有限公司生產，容積為2 L，轉速400 r/min，設計壓力為13 MPa.

粉體物相測定：日本理學公司生產的X射線衍射儀（XRD，RigakuD/max-3C X射線衍射儀），XRD工作參數為：Co靶，工作功率3 kW，步長0.02°，掃描速度2°/min，掃描范圍5°~70°.

2 實驗結果分析

2.1 XRD分析

圖2和圖3分別為粉體A， A1， A2及B， B2， B3的XRD圖.由圖中可以看出，A粉中主要物相為C—S—H凝膠（d值為0.301 nm）、CaCO3（來自于鈣質粗集料）及SiO2（來自于砂），而B粉中除含C—S—H凝膠、較多的SiO2(來自于砂和硅質粗集料，其衍射強度明顯高于A粉)，還在d值為0.317 nm處觀察到索倫石(suolunite，Ca2Si2O5(OH)2#8226;H2O)前驅體［10］.

水熱反應5 h和7 h時主要產物為0.304 nm附近結晶不良的水化硅酸鈣Ca5(SiO4)2(OH)2(d值為0.304 0，0.292 0，0.334 6，0.291 4，0.191 3，0.256 2 nm)［11-14］.A1，A2，B2，B3 4條譜線都有明顯的SiO2衍射峰，表明在恒溫5 h和7 h時SiO2均未完全反應.B2和B3含有Ca(OH)2（未反應完）和CaCO3（由碳化產生）.由B2 (恒溫5 h)譜線可以看出，由于存在未反應的Ca(OH)2，液相中Ca(OH)2濃度較高，在0.324 nm處出現了以(122)晶面生長的α-C2SH前驅體衍射峰［11］，隨著恒溫時間的延長，水熱合成反應繼續進行，液相中Ca(OH)2濃度逐漸降低，B3 (恒溫7 h)中α-C2SH前驅體衍射峰消失，并出現了索倫石的衍射峰（d值為0.317 5，0.285 0，0.222 4，0.168 6 nm）.

2θ/（°）

圖3 粉體B，B2，B3 XRD圖

（B2，B3分別為含B混合料分別在

恒溫5 h和7 h水熱反應產物）

2.2 接觸硬化性能分析

2.2.1 粗集料種類對接觸硬化性能的影響

將兩種不同粗集料廢棄混凝土砂漿組分磨細粉體及水熱反應后的粉體壓制成型，立即測定成型試塊的強度，結果見圖4.由圖中可以看出， A粉成型試塊抗

壓強度及抗折強度（分別為9.6 MPa和1.6 MPa）明顯高于B粉成型試塊的強度（分別為1.7 MPa和0.4 MPa）.通過水熱反應處理后，試塊的強度明顯提高，比較A2及B3，可以看出在相同

水熱反應制度下，A2所對應成型試塊強度高于B3，表明在本實驗中，與硅質集料廢棄混凝土砂漿組分相比，鈣質集料廢棄混凝土砂漿組分更易于進行水熱處理制備接觸硬化膠凝材料，試塊抗壓強度和抗折強度分別可達16.8 MPa和5.7 MPa.

2.2.2 恒溫時間對粉體接觸硬化性能的影響

由圖4對B1，B2，B3試塊的強度分析可知，水熱合成恒溫時間影響粉體的接觸硬化性能.在一定水熱處理時間范圍內，隨著恒溫時間延長，SiO2逐漸消耗，水化產物數量增多，試塊的強度明顯提高，并在5 h時(B2粉體)抗壓強度達到最大，為12.5 MPa，而抗折強度與恒溫4 h(B1粉體)相比有所下降，為2.4 MPa，這可能與α-C2SH前驅體的生成有關［15］.當時間延長至7 h，試塊抗壓強度有所下降，結合XRD分析，在恒溫7 h時出現結晶較好的索倫石，導致接觸硬化性能降低，成型試塊抗壓強度下降到11.6 MPa.

2.2.3 試塊的表觀密度及軟化系數

試塊的表觀密度與反應產物、成型壓力大小及壓制時間有關，而軟化系數是反映人造石材耐水性的一個重要指標，與接觸硬化性能有密切關系.成型試塊的表觀密度及軟化系數見圖5.由圖5可以看出，A粉和B粉所對應試塊的表觀密度分別為1.86 g/cm3和1.78 g/cm3，軟化系數為0.52及1.46，這可能是由于B粉中含有未水化完全的水泥顆粒，在沸煮過程中繼續水化，水化產物對試塊強度有貢獻，使其軟化系數大于1.水熱處理后，由于產物主要為結晶較差的水化硅酸鈣，使試塊的表觀密度下降到1.60 g/cm3以下，軟化系數達到0.7.水熱合成使其接觸硬化性能得到了優化.

3 結 論

1）廢棄混凝土砂漿組分具有一定的接觸硬化性能，在80 MPa成型壓力下，鈣質集料和硅質集料廢棄混凝土砂漿組分所對應成型試塊表觀密度約為1.80 g/cm3，軟化系數分別為0.52和1.46，抗壓強度分別為9.6 MPa和1.7 MPa，抗折強度分別為1.6 MPa和0.4 MPa.

2）在Ca/Si摩爾比為1，水固比為5∶1， 120 ℃下恒溫一定時間的水熱處理優化了廢棄混凝土砂漿組分的接觸硬化性能，其主要反應產物為結晶不良的水化硅酸鈣.水熱處理后成型試塊表觀密度下降到1.60 g/cm3以下，軟化系數達到0.7，抗壓強度和抗折強度最高分別為16.8 MPa和5.7 MPa.

3）集料種類對接觸硬化性能有較大影響，在本實驗條件下，無論水熱反應與否，鈣質集料廢棄混凝土砂漿組分的接觸硬化性能均優于硅質集料.

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