廢棄混凝土再生水泥熟料的配制與性能

摘 要：以完全不用天然石灰石、粘土、頁巖和砂巖，廢棄混凝土在生料中的質量百分含量高達95%~99%和普通煅燒工藝制備出了水泥熟料（以下簡稱再生熟料）。將再生熟料與用天然石灰石和砂巖制備的水泥熟料進行了對比試驗與分析，結果表明：2種熟料具有完全相同的XRD特征峰位，再生熟料的熟料礦物形成正常；2種熟料化學成分相近，再生熟料的率值設計中更傾向于高鈣低硅；再生熟料的f-CaO含量滿足安定性要求；再生熟料制備的水泥的3 d強度達到42.5級硅酸鹽水泥的要求，28 d強度達到52.5級硅酸鹽水泥的要求。

關鍵詞：廢棄物；化學成分；水泥；熟料礦物；抗壓強度

中圖分類號：TQ172.4 文獻標志碼：A 文章編號：1674-4764（2012）02-0143-06

Manufacture and Property of Recycled Cement Clinker by Demolition Concrete

WAN Chao-jun1a， LI Teng1a，1b， CHEN Xu1a， DENG Tian-ming1a， ZHANG Ting-lei1a，2， FAN Jing-jing1a，3

（1a. College of Material Science and Engineering; 1b. Faculty of Construction Management and Real Estate，

Chongqing University， Chongqing 400045， P. R. China;

2. China Railway Eryuan Engineering Group Co. Ltd， Chengdu 610031， P. R. China;

3. Huaxia Campus of Nanan District， Chongqing University of Broadcast and Television， Chongqing 400060， P. R. China）

Abstract:Without natural lime stone， clay， shale and sandstone， with the mass fracrion of demolition concrete in raw meal up to 95%~99%， along with ordinary calcining process， the cement clinkers (hereinafter called recycled clinkers for short) were produced. Experiments and analysis were employed to compare these recycled clinkers with the cement clinker which was manufactured by natural lime stone and sandstone. It is shown that the two types of clinkers have completely the same positions of characteristic peaks of XRD; the clinker minerals of recycled clinkers are formed normally; the two clinkers have similar chemical composition， and the rate value design of recycled clinkers are more likely to higher calcium and lower silicon; the content of f-CaO of recycled clinkers meets the requirements of soundness; the 3d strength of cements produced by recycled clinkers reaches the requirements of 42.5 grade Portland cement， and the 28d strength reaches the requirements of 52.5 grade.

Key words:waste materials; chemical composition; cement; clinker mineral; compressive strength



據測算，2011年中國廢棄混凝土總量超過2.58億t，并以每年超過8%的速度快速增長［1］，廢棄混凝土的回收利用日益迫切。對廢棄混凝土的傳統利用方式為制備再生集料生產再生混凝土［2-4］。已有研究表明，與天然集料相比，廢棄混凝土抗壓強度和彈性模量低，堅固性差［5］，用以生產再生集料表面會嚴重粘結硬化水泥漿［6］，導致吸水率高、吸水快［3-4，6-11］，壓碎指標大［3-4］，所以，制備的再生混凝土施工性能差［12］，強度低［5，8-9，13-21］，彈性模量低［5，8，10，13-15］，收縮、徐變大［8，21-23］，抗滲、抗碳化、抗硫酸鹽腐蝕等耐久性差［8-9，11，13，20，23］，往往只能部分取代天然集料，需要使用新的配合比設計方法［9，24］、加強潮濕養護［19］、添加礦物外加劑進行強化處理［20，25-26］等才能滿足工程需要，生產再生粗集料時產生的大量水泥砂漿尤其難以用作再生細集料使用［6，11-12，21］。因此，尚需開發除再生集料技術外綜合利用廢棄混凝土的新的技術途徑。

胡曙光和何永佳［27］、Shui等［28］、Fridrichova［29］將從廢棄混凝土中分離出的水泥石（約占廢棄混凝土總重量的20%~25%）經煅燒熱處理制備出了再生膠凝材料。萬惠文等［30］利用廢棄混凝土以約60%的比例替代天然石灰石制備出了水泥熟料，廢棄混凝土在生料中的比例達到50%~55%，因未分離出廢棄混凝土中的水泥漿體，生料既難燒又難磨，熟料中f-CaO含量過高。萬朝均等［31-32］利用破碎、分離后的廢棄混凝土粗顆粒作為主要配料煅燒水泥熟料，廢棄混凝土在生料中的比例提高到65%。用廢棄混凝土制備水泥熟料日益成為繼再生集料后又一條綜合利用廢棄混凝土新的技術途徑。而且，隨著廢棄混凝土在生料中比例的提高，一方面提高了廢棄混凝土在水泥工業中的資源化利用率，同時也進一步減少了水泥工業對天然石灰石、粘土、頁巖、砂巖等天然材料的消耗，意義重大。以至于王立久等［33］提出了全新的水泥生料組分混凝土的概念和設計理論，使混凝土的化學成分與水泥生料相同，進而在廢棄后可直接作為水泥生料回收利用。本文以比王立久等更為簡單的方法，完全不用天然石灰石和粘土（或頁巖、砂巖），用廢棄混凝土在生料占95%~99%的比例制備了水泥熟料。

1 試驗原料及方法

1.1 原材料

1.1.1 廢棄混凝土 從不同建筑物拆除現場選取7個典型廢棄混凝土樣品，編號F1-F7。用顎式破碎機破碎至粒徑在20 mm以下，篩分出粒徑為5~20 mm的顆粒，經球磨機粉磨至0.08 mm方孔篩篩余不大于10%后進行化學成分全分析，結果如表1所示。

 由表1可知，不同來源廢棄混凝土的主要成分為CaO且含量相近，并低于天然石灰石中CaO的含量，SiO2含量高于天然石灰石，這是由于廢棄混凝土顆粒表面粘結的少量砂漿引入了河砂，該少量河砂正好提供作為燒制水泥熟料的必需元素硅。

1.1.2 其他原料、參比熟料及參比水泥 其他原料有硫酸渣、鐵粉、天然二水石膏，均由重慶拉法基水泥廠提供，化學成分如表2所示。

參比熟料為重慶拉法基水泥廠用天然石灰石和砂巖制備的用于配制42.5級普通硅酸鹽水泥的熟料，設計率值為：KH=0.91±0.02，IM=1.4±0.1，SM=2.6±0.1，化學成分如表4所示。參比水泥為拉法基42.5級普通硅酸鹽水泥。

1.2.1 生料配制 將廢棄混凝土破碎、篩分后，粉磨至0.08 mm方孔篩篩余不大于10%，按參比熟料率值為目標率值配制水泥生料，編號S1-S6。配料結果見表3。

從表3可以看出，通過多個廢棄混凝土樣品的混合配料，各生料樣品率值均滿足目標率值的設計要求，廢棄混凝土含量達到95%~99%。2010年中國熟料產量11.52億t，假設其中的10%改用表3的配料技術生產，則每年消耗廢棄混凝土1.9億t，并同時減少使用天然石灰石1.45億t、粘土（或頁巖、砂巖）0.236億t。由此可見，表3所示用廢棄混凝土配制水泥生料對提高廢棄混凝土利用率，減少使用天然石灰石、粘土質原料等自然資源具有重要意義。

1.2.2 熟料煅燒 將硅鉬棒高溫電爐升溫到800 ℃左右后，放入裝有成球后水泥生料的剛玉坩堝，繼續升溫并控制升溫速度為4~5 ℃/min。升溫至1 450 ℃后保溫30 min取出，在空氣中快速冷卻。

1.2.3 水泥配制 在煅燒好的水泥熟料中摻入質量分數為3%（內摻）的天然二水石膏，經球磨機粉磨40 min后制得硅酸鹽水泥。

2 試驗結果及分析

2.1 再生熟料的XRD分析

圖1為參比熟料及生料S1-S6煅燒出的再生熟料Z1-Z6的XRD圖譜。

從圖1可以看出：再生熟料的C3S、C2S、C3A、C4AF特征峰清晰，特征峰位置與參比熟料無差異。

2.2 再生熟料化學成分分析及率值檢驗

上述再生熟料Z1-Z6和參比熟料LFJ的化學成分分析結果和由此計算出的實際率值如表4所示。

 由表4可知，再生熟料Z1-Z6的化學成分與參比熟料相近。其中SiO2含量略高，CaO、Al2O3含量略低。

為了進一步分析表4熟料率值與表3生料率值和設計率值之間的差異，分別作出KH、IM、SM率值比較圖，如圖2—圖4所示。

從圖2—圖4可以看出，表3中生料率值均在設計率值允許范圍內，生料率值的平均值與設計率值幾乎重合，說明生料配料滿足設計要求；同時可以看出，表4中Z1—Z6熟料的KH值明顯小于生料設計的KH，二者的平均值相差約0.14，SM值明顯大于生料設計的SM值，二者的平均值相差約0.8，IM值與生料設計的IM基本相符。作者們從現有研究結果中反復分析，暫未找到再生熟料率值與生料化學成分分析結果計算的率值相差甚至相差較大的確切原因，有待在后續研究中尋找答案。在尚未找到確切原因之前，作者們對上述問題提出如下解決方案：即在今后的配料中，將配制生料時的KH設計值從既定的0.91提高到1.05，同時SM設計值從既定的2.6降低至1.8，就可以使制得的再生熟料率值與設計目標率值相符，即與用天然石灰石和砂巖制備的熟料的率值接近。該做法可以簡單地概括為“高鈣低硅法”。從后面的試驗結果可以看出，表4中再生熟料Z1-Z6的KH值盡管較低，但仍是性能正常的水泥熟料。

2.3 熟料f-CaO含量分析

利用GB/T 176—2008規定的乙二醇法對所制備再生熟料的f-CaO含量進行測定，并與參比熟料進行對比分析，結果如圖5所示。

圖5 再生熟料Z1-Z6與參比熟料LFJ f-CaO含量對比

從圖5可知，再生熟料Z1-Z6的f-CaO含量略低于參比熟料，滿足安定性要求。

2.4 水泥力學性能試驗結果及分析

2.4.1 強度對比試驗 將再生熟料Z1-Z6及參比熟料按1.2.3所述方法配制水泥，對應編號為SN1-SN6、LFJ，以拉法基42.5普通硅酸鹽水泥L42.5作為參比水泥。將此8個水泥樣品分別按水灰比0.5攪拌成水泥凈漿，成型為直徑27 mm、高27 mm的圓柱體試件后浸泡在20±1 ℃飽和石灰水中養護，分別測試 3 d和28 d強度，結果如圖6、圖7所示。

圖6 水泥3 d抗壓強度對比

圖7 水泥28 d抗壓強度對比

由圖6可知，除SN4、SN6外，其余各組3 d抗壓強度與拉法基42.5普通硅酸鹽水泥相當，但低于用拉法基熟料配制的水泥LFJ的3 d抗壓強度。由表4可知，Z1-Z6的KH值均低于生料設計值，結合圖1的XRD圖譜，這造成熟料中C3S含量有所減少，從而導致早期強度偏低。同時，SM值高于生料設計值使熟料易磨性變差，水泥顆粒相對較粗，從而也導致早期強度降低。

由圖7可知，SN1-SN6與由拉法基熟料配制的水泥LFJ以及市售拉法基42.5普通硅酸鹽水泥L42.5的28 d抗壓強度相當。這說明用廢棄混凝土制備的水泥，其3 d強度雖然相對偏低，但28 d強度發展良好。

2.4.2 水泥強度等級標定 根據2.4.1中的強度對比測試結果，選取有代表性的SN1樣品按照GB/T 17671—1999標準對其進行膠砂強度測試，并將測試結果與國家標準中P.Ⅰ硅酸鹽水泥的強度標準值進行對比，結果如表5所示。

從表5可以看出，SN1水泥樣品3 d和28 d強度達到了42.5級P.Ⅰ硅酸鹽水泥的強度要求，28 d強度達到了52.5級P.Ⅰ硅酸鹽水泥的強度標準。綜合判定SN1水泥樣品的強度等級為P.Ⅰ42.5級。

3 結 論

通過上述廢棄混凝土再生水泥熟料的配制與性能研究，得到以下結論。

1）利用多個來源的廢棄混凝土混合配料，可以在完全不用天然石灰石、粘土、頁巖和砂巖等天然材料的情況下，配制出滿足水泥熟料率值范圍要求的水泥生料，廢棄混凝土在生料中的重量百分含量高達95%~99%，且無需改變水泥熟料的煅燒工藝。

2）XRD分析結果表明，用占生料重量百分含量達95%~99%的廢棄混凝土煅燒的熟料中，4種熟料礦物的特征峰明顯，與參比熟料的XRD圖譜具有相同的特征峰位，化學成分與參比熟料相似。

3）f-CaO含量測試表明，利用廢棄混凝土制備的水泥熟料能滿足水泥安定性對該項指標的要求。

4）利用廢棄混凝土制備的水泥，3 d強度相對偏低，28 d強度發展良好，強度等級達到42.5級。

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（編輯 胡英奎）