爐渣、建筑垃圾復摻對水泥基材料性能影響的研究

李清海，王菲菲，周勝男，李清原

（中國建筑材料科學研究總院綠色建筑材料國家重點實驗室，北京 100024）

爐渣、建筑垃圾復摻對水泥基材料性能影響的研究

李清海，王菲菲，周勝男，李清原

（中國建筑材料科學研究總院綠色建筑材料國家重點實驗室，北京 100024）

對爐渣及建筑垃圾作為細集料取代天然河砂，通過壓制成型的方法制備水泥基材料進行研究，探索了在建筑垃圾摻量固定的前提下，同時摻加爐渣對水泥基材料強度、吸水率及抗凍融性能的影響規律。研究結果表明：在建筑垃圾取代40%天然河砂的前提下，水泥基材料的強度隨天然河砂被爐渣取代量的逐漸增加先增大后減小，吸水率則呈逐漸增大的變化趨勢；在抗凍融性方面，在一定摻量范圍內，爐渣、建筑垃圾復摻制備的水泥基材料滿足《普通混凝土長期性能和耐久性能實驗方法標準》中D25抗凍等級指標要求。并對其機理進行分析。

爐渣； 建筑垃圾； 水泥基材料； 強度； 吸水率； 抗凍融性

我國經濟建設近年來得到了突飛猛進的發展，但隨之產生的工業副產品也越來越多，如冶金技術因具有良好的經濟效益和良好的發展前景，隨之產生的工業副產物爐渣的排放量也大幅攀升［1］；再如我國建筑施工及建筑拆除過程中會產生大量的建筑垃圾，隨著我國經濟建設步伐的進一步加快，建筑垃圾的總量也在逐漸增多，截止到2010年建筑垃圾的年產生量達8億t［2］，這些工業廢棄物的大量堆放給我國的生態環境帶來巨大的壓力。目前，我國對工業廢棄物的應用主要是低層次、低技術含量的利用，而這些工業廢棄物中的很多資源并沒有得到高附加值的利用［3］，因此如何展開工業廢棄物的綜合利用成為一個急需研究的課題。

將工業廢棄物轉變為可重新利用的資源及將再生資源轉變為產品是環保領域資源循環利用的重要核心［4］。因此，利用爐渣及建筑垃圾代替天然河砂制備水泥基材料是一種有利于節約資源及環境保護的技術，既可以減少天然集料的用量，又能緩解工業廢棄物帶來的環境壓力［5－8］。雖然爐渣、建筑垃圾單獨用于水泥基材料中的研究眾多，但二者雙摻用于制備水泥基材料的研究卻少有涉及。該文針對上述研究現狀，采用爐渣及建筑垃圾取代天然河砂，研究兩種再生料雙摻對壓制成型水泥基材料性能的影響，探索其可行性，為爐渣、建筑垃圾在壓制成型的水泥基材料（如外墻薄壁掛板、屋面瓦等）領域中的應用提供理論依據。

1 實 驗

1.1 原材料

1）水泥：普通硅酸鹽水泥（P.O 42.5R）（Ordinary Portland Cement），河北省冀東水泥集團有限責任公司；

2）普通河砂：中砂，連續級配，細度模數為2.8，含泥量為1.8%，密度2 650kg／m3；

3）建筑垃圾：某建筑工程拆除后混凝土經機械破碎處理而成的建筑垃圾，細度模數為2.96；

4）爐渣：是塊煤或粒煤燃燒后呈疏松狀或塊狀未經水淬的殘渣，其主要成分為晶態SiO2和赤鐵礦。

1.2 方法

依據《水泥膠砂強度檢驗方法（ISO法）》，以水灰比0.26，灰砂比2：3設計基準砂漿，采用建筑垃圾等質量取代40%河砂，在水泥質量、建筑垃圾和水灰比一定的情況下，爐渣取代剩余天然河砂，研究爐渣摻量對水泥基材料性能的影響，其配合比如表1所示。

根據實驗要求，生產的水泥基材料試樣均為壓制成型，使用專用壓制成型模具，試件尺寸為160mm×40mm×15mm六面體。

按實驗配合比例將水泥、砂、建筑垃圾、爐渣、水攪拌至均勻，分次灌入模具，間隔時間為1～2min，盡量將混入的空氣排出；控制加荷速度在1～1.5kN／s，壓力達到相應要求時停止加壓并保持3s；經壓制形成水泥基材料試塊，卸壓取出試塊；脫模后，在不淋水的情況下標準養護；標養48h后，取出試塊浸水養護28d、90d。

表1 配合比

抗凍融性能試驗選用《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》中的慢凍法，養護28d的水泥基材料，在－20℃條件下凍4h，在15～20℃的水中融4h，如此循環25次，循環以后測試水泥基材料的強度損失和質量損失。

2 實驗結果

2.1 摻合料的性能測試結果

與常規的水泥基材料相比，本試驗關鍵變化因素是引入了建筑垃圾及爐渣，為了對試驗結果進行機理分析，首先需對二者的特性進行測試。

1）建筑垃圾及爐渣化學成分分析如表2所示。

表2 爐渣的化學成分分析

2）建筑垃圾X衍射圖譜分析

由圖1建筑垃圾的X衍射圖可以看出，建筑垃圾存在大量的晶型SiO2和CaCO3，這是原混凝土中骨料的主要成份；同時含有一定量的Ca（OH）2，這主要是硅酸鹽水泥的水化產物。

3）爐渣X衍射圖譜分析

由圖2爐渣的X衍射圖可以看出，爐渣的主要成分為晶態SiO2和赤鐵礦。經研究結果表明爐渣的活性指數為63%，但由于玻璃態較少，爐渣活性不高。

2.2 爐渣、建筑垃圾復摻對水泥基材料抗折強度和吸水率的影響結果

在建筑垃圾摻量固定（40%）的前提下，考察爐渣摻量對水泥基材料試樣抗折強度和吸水率的影響結果如圖3所示。

圖3（a）為水泥基材料試樣抗折強度隨爐渣摻量的變化曲線，由圖可以看出28d和90d時水泥基材料試樣的抗折強度均隨著爐渣摻量的增加先增加后降低，當爐渣摻量為20%時，抗折強度達到最大值，后呈降低趨勢，當爐渣摻量超過30%時，水泥基材料試樣的強度都小于爐渣摻量為0的水泥基材料試樣；在摻量范圍內，90d強度顯著高于28d強度。由圖3（b）可以看出，28d和90d的空白水泥基材料試樣（爐渣摻量為0的水泥基材料試樣）的吸水率均最小，隨著爐渣摻量的增加呈逐漸增大的趨勢；在摻量范圍內，90d吸水率低于28d吸水率。

2.3 爐渣、建筑垃圾雙摻對水泥基材料抗凍融性能的影響結果

結合爐渣、建筑垃圾復摻對水泥基材料抗折強度和吸水率的影響結果，選擇建筑垃圾摻量40%時，爐渣摻量為0～30%的水泥基材料試樣進行抗凍性實驗，表3為水泥基材料試樣養護90d經25次凍融循環后抗折強度變化。

表3 抗凍融后試樣抗折強度變化

由表3可以看出，養護90d的水泥基材料試樣經25次凍融循環后，水泥基材料試樣的抗折強度損失較小（強度損失均≤5%），即爐渣的摻入對抗凍融性影響不大，且均滿足《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》中D25等級指標（強度損失率＜25%）的要求。

通過上述對水泥基材料試樣的抗折強度、吸水率、抗凍等性能的研究，可以看出：在建筑垃圾摻量40%、爐渣摻量不高于30%時，復摻建筑垃圾和爐渣的新型水泥基材料力學強度大、吸水率良好，抗凍性滿足《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》中D25等級指標（強度損失率＜25%）的要求。說明摻有建筑垃圾和爐渣的新型水泥基材料（建筑垃圾取代河砂量為40%，爐渣取代河砂0～30%）具有可行性。

3 機理分析

建筑垃圾摻入對水泥基材料的強度有促進作用，一是因為建筑垃圾本身具有一定的活性，建筑垃圾為建筑拆除后的混凝土經機械破碎處理而成，而混凝土的凝結硬化是一個非常緩慢的過程，即建筑垃圾顆粒內部存在未完全水化的活性成分；二是因為建筑垃圾具有顆粒多樣性及很強的親水性，能很快被水濕潤，同時粗糙不平整的表面會吸入新的水泥顆粒，水泥砂漿包裹在建筑垃圾表面，致使建筑垃圾與新的水泥砂漿之間接觸區的水化更加完全，加強了界面結合。

爐渣為鋁硅質材料，含有較高的酸性氧化物（SiO2、Al2O3），其中含可溶性SiO2量在40%以上，它們能與水泥熟料水化時生成的Ca（OH）2發生反應，生成化學性質穩定的含水硅酸鹽和鋁酸鹽，具有一定的強度。

在雙摻建筑垃圾、爐渣取代河砂的情況下，建筑垃圾的引入有利于水泥基材料強度的發展，同時水泥水化產生的Ca（OH）2促進了爐渣中活性SiO2和Al2O3的二次水化反應，利于強度的發展，使得爐渣低摻量時水泥基材料的強度呈增加趨勢，爐渣摻量達到20%時，強度達到最大；爐渣摻量繼續增加，強度降低，主要原因是隨著爐渣摻入量的增加，爐渣的疏松結構對水泥基材料的強度產生的負作用占據了主導因素。隨著水泥基材料的養護齡期由28d延長至90d，水泥熟料進一步水化，同時水化生成的Ca（OH）2又促進建筑垃圾中活性SiO2、爐渣中的活性SiO2和Al2O3的水化反應，生成堿度較低的水化硅酸鈣和水化鋁酸鈣，使水泥基材料的后期強度大幅度提高，試樣的90d抗折強度顯著高于28d抗折強度。

爐渣呈疏松塊狀，空隙率大，水泥基材料中摻入爐渣后，內部空隙增多而導致吸水率增大；隨著養護齡期的延長，水化產物的逐漸增多，水泥基材料內部孔隙被新生成的水化產物部分填充，空隙率降低，吸水率相應降低，使得試樣的90d吸水率低于28d吸水率。

另外，由于爐渣本身結構疏松，摻入爐渣后水泥基材料結構中會形成較多氣孔，爐渣在一定摻量時會使凍融過程中試樣內部的膨脹壓和滲透壓降低，凍融后抗折強度損失較小，使其經D25凍融循環后仍具有較好的質量和強度穩定性，滿足抗凍融性指標的要求。

4 結 論

a.爐渣、建筑垃圾復摻制備水泥基材料，在建筑垃圾摻量固定（40%）的前提下，水泥基材料的力學強度隨爐渣摻量的增加呈先增大后減小的變化趨勢。這是由于建筑垃圾的引入有利于水泥基材料強度的發展，同時水泥水化產生的Ca（OH）2促進了爐渣中活性SiO2和Al2O3的二次水化反應，利于強度的發展；而隨著爐渣摻入量的繼續增加，爐渣的疏松結構對水泥基材料強度產生的負作用占據了主導因素。

b.爐渣、建筑垃圾復摻制備水泥基材料，在建筑垃圾摻量固定（40%）的前提下，水泥基材料的吸水率隨爐渣摻量的增加而逐漸增大。這是由于爐渣呈疏松塊狀，空隙率大，水泥基材料中摻入爐渣后，水泥基材料試塊內部空隙增多而導致吸水率增大。

c.爐渣、建筑垃圾復摻制備水泥基材料90d抗折強度顯著高于28d抗折強度，90d吸水率低于28d吸水率。這是由于隨著養護齡期的增長，水泥熟料進一步水化，生成堿度較低的水化硅酸鈣和水化鋁酸鈣，這些水化產物不僅促進試樣后期強度的提高，同時填充于部分水泥基材料內部空隙中，使試樣內部孔隙率降低，試樣后期吸水率相應降低。

d.適宜的爐渣摻量下，以爐渣、建筑垃圾復摻制備的水泥基材料經25次凍融循環，其抗凍性滿足《普通混凝土長期性能和耐久性能實驗方法標準》要求。

［1］黃亞鶴，劉承軍.電爐渣的綜合利用分析［J］.工業加熱，2008，37（5）：4－7.

［2］許 元.循環經濟下建筑垃圾再生利用技術及適應性研究［J］.上海節能，2012（12）：31－35.

［3］樓紫陽，宋立言，趙由才，等.中國化工廢渣污染現狀及資源化途徑［J］.化工進展，2006，25（9）：988－994.

［4］發改環資［2011］2919號文件，“十二五”資源綜合利用指導意見.

［5］賈淑明，劉 卓，趙海宏，等.以建筑垃圾為骨料的再生混凝土技術［J］.低溫建筑技術，2012（12）：1－3.

［6］王羅春.建筑垃圾處理與資源化［M］.北京：化學工業出版社，2004.

［7］康梅柳，周麗萍.廢棄混凝土的再生利用［J］.建材技術與應用，2011（6）：9－10.

［8］把多華.淺談鐵合金爐渣的綜合利用［J］.鐵合金，2009（2）：38－46.

Investigation on Behavior of Slag and Construction Waste to Cement－based Materials

LI Qing－hai，WANG Fei－fei，ZHOU Sheng－nan，LI Qing－yuan
（State Key Laboratory of Green Building Materials，China Building Materials Academy，Beijing 100024，China）

According to the search of the slag and construction waste as a recycled fine aggregate instead of natural river sand，cement－base material was prepared by using the method of pressure molding.Then under the premise of fixed dosage of construction waste，at the same time adding slag，the strength，water absorption and freeze－thaw cycle resistance of the cement－base material were researched.The results show that the strength of the cement base material，with the increase of the slag dosage first increases then decreases on the premise of construction waste to replace 40%of the natural river sand，and the water absorption shows a trend of increase gradually changes；the freeze－thaw cycle resistance of slag and construction waste cement－based materials meet D25frost resisting class indication in《Standard for test methods of long－term performance and durability of ordinary concrete》.And its mechanism is analyzed.

slag； construction waste； cement－base material； strength； water absorption； freeze－thaw cycle resistance

10.3963／j.issn.1674－6066.2014.02.003

2014－03－04.

國家科技支撐計劃項目（2012BAJ20B04）.

李清海（1967－），博士，教授級高工.E－mail：liqinghai＠cbmamail.com.cn