廢混與礦渣雙摻粉體活性及混磨性能實驗研究

劉大偉，田明陽，馬剛平，劉慧慧，孫麗蕊，孟立濱

（1.首鋼環境產業有限公司設計技術中心，北京100041；2.首鋼資源綜合利用科技開發公司，北京100072）

廢混與礦渣雙摻粉體活性及混磨性能實驗研究

劉大偉1，田明陽1，馬剛平1，劉慧慧1，孫麗蕊1，孟立濱2

（1.首鋼環境產業有限公司設計技術中心，北京100041；2.首鋼資源綜合利用科技開發公司，北京100072）

用建筑垃圾廢棄混凝土再生粉體按一定比例部分替代高爐礦渣粉，設定不同替代比例進行膠砂實驗，通過測試7 d和28 d抗壓強度，對比不同替代比例對高爐礦渣粉活性的影響，實驗表明廢棄混凝土粉體部分替代高爐礦渣粉對早期強度影響很小，但對其后期強度有一定影響，通過控制適當比例，可有效保證產品質量，且不會對產品的吸水率造成明顯影響。同時，選定廢棄混凝土細集料摻混比例為10%進行兩種物料的混磨性能試驗。粉磨時間分別設定20 min，35 min，50 min，65 min和80 min。通過對比各時間段物料的比表面積來分析其易磨性，實驗表明廢棄混凝土細集料比高爐礦渣的易磨性好，但單磨時會出現團聚現象；通過混摻共磨可以提高高爐礦渣粉磨效率、降低粉磨時間、節約粉磨能耗，具有一定的助磨作用。

建筑垃圾；廢棄混凝土；再生粉體；高爐礦渣粉；混磨

隨著我國城鎮化建設日益加快，建筑業蓬勃發展，在拆遷和新建過程中產生了大量的建筑垃圾，且主要采用填埋的處理方式，占用大量土地資源，污染土壤和地下水資源，運輸過程中產生的粉塵，隨意堆砌導致結構不穩，對人民生活和環境造成越來越嚴重的危害[1-3]。據專家估計，目前我國年產20億t建筑垃圾，已占到城市垃圾總量的80%～90%，建筑垃圾具有資源化屬性，95%以上可成為工程建設的原材料，發達國家建筑垃圾資源化率均在70%以上，不少國家已達90%以上，而我國建筑垃圾資源化率目前不足5%[4-7]。廢棄混凝土和廢磚是建筑垃圾的主要組成部分[8]，建筑垃圾用來生產加工再生骨料是一種很有效的建筑垃圾資源化途徑[9]，但是建筑垃圾作為骨料應用是一種用量大而附加值較低的再利用方式。建筑垃圾再生粉料是建筑垃圾資源化的基本形式之一，且相較于骨料是附加值較高的利用方式。從理論上來看，建筑垃圾再生粉的粒徑較小，通過化學分析和XRD分析，其中仍然存在C2S，C3S及SiO2等，具有活性物質，將其作為摻合料加入到混凝土及砂漿中，具有一定的填充效應和活性效應[10-12]，但是，不經過處理的粉料化學活性很低，激發粉體活性的方法主要有化學激發和物理激發[13-15]。本研究采用物理方法，將建筑垃圾粉磨到建材常用粉體的比表面積，進而替代成本較高的高爐礦渣粉，從而探究其可行性。

1 實驗原料及方法

1.1 實驗原料

1.1.1 水泥

符合標準GSB14-1510《強度檢驗用水泥標準樣品》規定的水泥標準樣，生產商為中國建筑材料科學研究院。

1.1.2 砂

符合標準GB/T17671-1999《水泥膠砂強度檢驗方法》規定的標準砂，生產商為廈門艾思歐標準砂有限公司。

1.1.3 高爐礦渣和高爐礦渣粉

生產企業所使用的高爐礦渣原料，符合標準GB/ T18046-2008《用于水泥和混凝土中的粒化高爐礦渣粉》規定的S95級礦粉，生產商為三河首嘉建材有限公司。

1.1.4 廢棄混凝土細集料和再生粉體

隨著首鋼搬遷調整，幾年內將產生大量建筑垃圾，由于是大型工業建筑，拆除的建筑垃圾幾乎為100%混凝土結構，成分穩定，幾乎不含砂漿及磚瓦類成分。本次試驗用料即為首鋼廢棄廠房拆遷收集的混凝土塊經過破碎、篩分制成的粒徑0～5 mm細集料；細集料進一步粉磨制成的比表面積400 m2/kg以上的再生粉體。

1.1.5 水

生活用自來水。

1.2 方法

1.2.1 化學成分檢測

對首鋼拆遷產生廢棄混凝土再生粉體及三河首嘉礦粉進行了主要化學成分檢測，結果如表1所示。從主要化學組分上看，兩者極為相似，都是以硅鈣體系為主，含有一定的Al，Fe組分，具備一定的水化活性條件。

表1 廢棄混凝土粉體和高爐礦渣粉化學成分

1.2.2 礦物組成檢測

對首鋼拆遷產生廢棄混凝土再生粉體及三河首嘉礦粉進行了XRD檢測，結果如圖1和圖2所示。從兩者對比可以看出，礦粉幾乎全為非定型態，經檢測玻璃體含量99%，為高活性礦物摻合料；而從廢棄混凝土的礦物組成中可以看出，存在部分石英、白云母、白云石、方解石、鈣長石等礦相，這都屬于砂石料的組成礦物，而像方解石之類的礦物成分在加熱至950℃以下時已經分解，所以會導致建筑垃圾粉體的燒失量比較高，在廢棄混凝土磨粉過程中，有部分石粉進入了再生粉體，但經過檢測玻璃體含量仍有58.1%，表明再生粉體仍具有一定的水化活性。

圖1 首鋼廢棄混凝土XRD圖

圖2 三河首嘉礦粉XRD圖

1.2.3 實驗方法

在標準GB/T18046-2008《用于水泥和混凝土中的粒化高爐礦渣粉》中高爐礦渣粉活性檢測方法的基礎上，用廢棄混凝土再生粉體按一定質量比例部分替代高爐礦渣粉，設定不同替代比例進行膠砂實驗，在相同的齡期測試抗壓強度，對比不同替代比例對高爐礦渣粉活性的影響，分析影響趨勢。

根據標準GB/T18046-2008《用于水泥和混凝土中的粒化高爐礦渣粉》對于S95級高爐礦渣粉的技術指標要求，以及廢棄混凝土粉體和高爐礦渣粉樣品的檢測結果來確定廢棄混凝土粉體替代量的最大值。廢棄混凝土粉體和高爐礦渣粉樣品的檢測結果及標準規定的相關指標值如表1所示。為保證廢棄混凝土粉體的摻加不會導致高爐礦渣粉各指標不合格，由表2經計算可得廢棄混凝土粉體的最大等質量替代量不能超過17%，因此設定等質量替代比例分別為5%，8%，10%，15%。

表2 廢棄混凝土粉體和高爐礦渣粉樣品的檢測結果及標準GB/T18046-2008規定的相關指標值

對于0～5 mm的廢棄混凝土細集料進行易磨性實驗，并選定一組摻混比例進行廢棄混凝土和高爐礦渣兩種物料的混磨性能試驗。粉磨時間分別設定20 min，35 min，50 min，65 min和80 min。通過對比各時間段的物料比表面積來分析其易磨性。

1.2.4 活性評定方法

對混摻粉體的活性評定采用強度比的方式進行，即通過活性指數來判斷混摻粉料的活性。

式中：A——礦物外加劑的活性指數；

Rt——受檢膠砂相應齡期的強度，MPa；

Ro——基準膠砂相應齡期的強度，MPa。

2 實驗結果與分析

根據標準GB/T18046-2008《用于水泥和混凝土中的粒化高爐礦渣粉》制備水泥基準組和高爐礦渣粉對照組膠砂試塊，其余實驗組按廢棄混凝土粉體代替高爐礦渣粉比例5%，8%，10%和15%制備實驗組膠砂試塊。將試塊成型后放入標準養護箱養護規定齡期后測試7 d和28 d抗壓強度，計算相應活性指標值。測試數據如表3所示。

表3 實驗結果數據表

由表3可以看出：加入廢棄混凝土再生粉體后，在0～15%摻量范圍內，膠砂流動度并未出現明顯變化，說明在兩者比表面積基本相當的情況下，摻入一定量的廢棄混凝土粉體，并不會對產品的吸水性能造成明顯影響。高爐礦渣粉的7 d活性指數為76%，28 d活性指數為107%，達到標準GB/T18046-2008所規定的S95級礦粉的活性指標要求。部分廢棄混凝土粉體替代高爐礦渣粉實驗組的7 d活性指標均不低于75%，28 d活性指數均不低于95%，同樣達到標準GB/ T18046-2008所規定的活性指標要求。其中15%廢棄混凝土粉體替代組的活性指數最低，7 d和28 d活性分別比高爐礦渣粉對照組降低了1.3%和11.2%，而5%組的整體變化最小，7 d活性相當，28 d活性對比降低3.7%。從各實驗組實驗數據的變化趨勢可知：隨著廢棄混凝土粉體替代量的增加，實驗組7 d活性指標值波動較小，甚至略有增長，而28 d活性指標值則逐步降低，可知部分廢棄混凝土粉體替代高爐礦渣粉對其早期強度影響很小，對其后期強度影響稍大。這主要是由于兩者都屬于礦物摻合料，但廢棄混凝土自身水化活性比高爐渣低，導致28 d活性的下降，同時由于廢棄混凝土水泥石中可能含有未水化熟料成分，粉磨后活化點釋放，造成水化速度較快，因此在適當摻量情況下，廢棄混凝土摻入后非但不會降低早期強度，還略有改善作用。

由于高爐礦渣粉本身的活性對混合粉體的活性會有一定影響，所以本實驗不能確定廢棄混凝土粉體替代高爐礦渣粉的最大比例，但在一定比例范圍內，可知廢棄混凝土粉體替代高爐礦渣粉在技術上是可行的。

除了技術指標，在實際應用過程中，兩者的粉磨特性也對生產成本與企業目標具有重要影響。因此有必要探究廢棄混凝土細集料與高爐礦渣的易磨性。試驗過程中，選用粒徑0～5 mm的廢棄混凝土和高爐礦渣粉廠生產用高爐礦渣原渣（粒徑0～3 mm）進行實驗。實驗設備選用實驗用球磨機，分別進行廢棄混凝土細集料、高爐礦渣，以及廢棄混凝土細集料和高爐礦渣混摻易磨性實驗，應用勃式比表面積儀分別測試不同粉磨時間的粉體比表面積。混摻組中廢棄混凝土細集料摻加比例為10%。

實驗結果如圖3所示，3種物料的比表面積隨粉磨時間的增加逐漸增大，但增大的趨勢逐漸變緩，當比表面積達到一定數值后將趨于穩定，不再隨粉磨時間的延長而變化。粉磨20 min時，廢棄混凝土粉體的比表面積比高爐礦渣粉大69%，粉磨65 min時，廢棄混凝土粉體的比表面積比高爐礦渣粉大16.3%，說明廢棄混凝土細集料比高爐礦渣的易磨性好，但隨著粉磨時間的增加，廢棄混凝土粉體出現團聚現象，粉磨效率下降，與高爐礦渣粉比表面積的差異逐漸縮小。廢棄混凝土以10%的比例和高爐礦渣混磨時，比表面積的整體變化趨勢與高爐礦渣粉相似，但摻入部分廢棄混凝土后，短時間粉磨時混合粉體的比表面積相對高爐礦渣粉略低；但隨著粉磨時間增加，混摻粉體的比表面積快速增加，在65 min混合粉體比表面積比高爐礦渣粉高7.8%，達到了400 m2/kg，而高爐礦渣則在粉磨80 min比表面積超過了400 m2/kg。以目前建材行業常用S95礦粉出廠指標比表面積不低于400 m2/kg計算，僅按照球磨機的粉磨數據，雙摻后促進了粉磨效率，時間降低約15 min，節能約18%，廢棄混凝土對礦渣有一定的助磨作用。

圖3 3種物料比表面積隨粉磨時間變化情況

3 結論

（1）由于標準GB/T18046-2008《用于水泥和混凝土中的粒化高爐礦渣粉》對于S95級高爐礦渣粉的技術指標要求，以及廢棄混凝土粉體自身的理化特性，所以從原料自身特性角度來說，用廢棄混凝土粉體替代高爐礦渣粉時，需控制適宜的替代比例。

（2）隨著廢棄混凝土粉體替代高爐礦渣粉量的增加，各替代組7 d活性指標值變化不大，甚至出現小幅增長，而28 d活性指標值則逐漸降低趨勢，可知部分廢棄混凝土粉體替代高爐礦渣粉對其早期強度影響很小，但對其后期強度有一定影響，控制適當比例時可有效保證產品質量，且不會對產品的吸水率造成明顯影響。

（3）廢棄混凝土細集料比高爐礦渣的易磨性好，但單磨時會出現團聚現象。通過混摻共磨可以提高高爐礦渣粉磨效率、降低粉磨時間、節約粉磨能耗，有一定的助磨作用。

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Experimental study on the activity of waste concrete and blastfurnace slag mixed powder and the performance of mixed grinding

LIU Dawei1，TIAN Mingyang1,MA Gangping1,LIU Huihui1,SUN Lirui1,MENG Libin2
（1.Design and R&D center,Shougang Environmental Industry Co Ltd,Beijing 100041,China；2.Shougang Science and Technology Development Co.,LTD of Resource Comprehensive Utilization,Beijing 100072,China）

Waste concrete is used to replace blast-furnace slag powder(BFSP)to replace mortar experiments in different ratio.Through the 7 days and 28 days of unconfined compressive strength test，the effects of different replace ratios on BFSP activity were compared.Experiments showed that the effect on the early strength of BFSP is small，but there is some adverse effect on the later strength of BFSP.By controlling appropriate ratio of waste concrete recycled powder,the quality of BFSP can be guaranteed effectively，and its impact on the water absorption of BFSP is not obvious.Then mixed grinding performance test was made when waste concrete fine aggregate mixed ratio was 10%. The grinding time was 20 min，35 min，50 min，65 min and 80 min respectively.Through compared the specific surface area of each time segment material,its grind-ability was found out.Experiments showed that the waste concrete fine aggregate is more easily to grind,but there is agglomeration phenomenon when grind waste concrete fine aggregate only.However，mixedgrindingcanimprovegrindingefficiency，reducegrindingtime，andsavegrindingenergy consumption.There is certainly helpful effect on grinding the blast furnace slag.

construction waste;waste concrete;recycled powder;blast-furnace slag powder;mixed grinding

X799.1

A

1674-0912（2015）08-0034-04

2015－07－14）

劉大偉（1984-），男，滿族，吉林省四平人，碩士，工程師，主要從事城市垃圾及固體廢棄物資源綜合利用技術的研究。