粉塵類固廢制備EPS輕質混凝土及其物性特征

吳 鑫，羅玉財，陳靜波，伊力亞孜，安世康，馬星星

（1.北方民族大學 化學與化學工程學院，寧夏 銀川 750021；2.寧夏旭日眾粒環保科技有限公司，寧夏 銀川 750200）

1 引言

工業固廢是工業生產過程中產生的各種廢棄物。近些年隨著工業的快速發展固廢的產量也在逐年攀升，造成了嚴重的環境污染問題。隨著國家對環境問題的逐漸重視，對企業提出要節能減排，做環境友好型企業。為了實現國家提出的號召，首先就要對堆積如山的固廢尋找可利用的途徑和有效的處理方法。所以對于固廢的及時有效的處理方法的研究也逐漸的開始增多［1-9］，二次利用的方式逐漸的開始多元化，但是總體的利用率依然很低，主要原因是固廢中的有用組分含量很低。其次是會受到處理技術以及處理設備的制約［10］。本論文以固廢的資源化利用為背景選擇粉塵類固廢為基礎材料通過和水泥、聚苯顆粒等攪拌混合制備出固廢類輕質混凝土，研究了該方法對于粉塵類固廢的資源化利用的可行性。

2 實驗材料及試塊的制備

2.1 實驗材料

（1）水泥：普通硅酸鹽325水泥。

（2）粉塵類固廢：固廢一是水煤漿氣化產生的細渣，含水量1.65kg，干質量0.97kg，干自然堆積密度400kg/m3，外觀呈現黑色。固廢二是流化床鍋爐產生的爐灰，外觀呈現潛棕色。兩種固廢如圖1所示。

（3）EPS顆粒：采用原生顆粒，粒徑范圍3mm，自然堆積密度約為8～10kg/m3。

（4）水：普通自來水。

材料配比見表1。

2.2 試塊的制備

試塊的制備工藝是先將水泥與固廢混合后加入水，利用螺旋式攪拌機充分攪拌混合后加入EPS顆粒再進行充分的攪拌，直到EPS顆粒在拌合物中均勻分布停止攪拌,將混合均勻的拌合物倒入模具（100mm×100mm×100mm）中成型，24h后脫模進行編號然后放入標準養護箱（溫度20℃，濕度95%）進行養護，養護時間為28d。制備工藝過程如圖2所示。

圖2 制備工藝過程

3 單軸抗壓強度試驗

3.1 試驗過程

本試驗采用煙臺力爾多功能實驗機如圖3所示，最大壓力150kN，精度1%。對準備好的試塊進行單周抗壓強度測試。為了消除離散性在兩種密度等級中各挑選出4個干密度接近的試塊進行強度試驗，將4個試塊的平均值作為最終的試驗結果。試驗加載速度采用位移控制法即2mm/min，試驗數據由電腦自動采集。

圖3 單軸抗壓強度試驗

3.2 試驗結果

試驗后破壞的試塊如圖4所示，抗壓強度試驗結果如表2所示。

圖4 試驗后破壞的試塊

由于選用的兩種固廢本身具有吸水性尤其是固廢一自身的吸水能力很強，烘干后失去了大量的水分，實際干密度均小于設計密度。從表2可以看出設計密度為500kg/m3的兩種試塊強度等級大致在0.9～1.2MPa之間，并且在受壓的過程中表現出了良好的整體性，在10%的應變內沒有出現破碎和潰爛的現象。設計密度等級為300kg/m3的試塊的抗壓強度都較低且在受壓的過程中整體性差，一方面原因是設計密度為300kg/m3的試塊其固廢和水泥用量幾乎為設計密度為500kg/m3試塊中固廢和水泥用量的一半，而兩種設計密度中的EPS顆粒的用量一樣，相比之下設計密度為300kg/m3固廢輕質混凝土中EPS顆粒的含量增大了使得固廢輕質混凝土的強度降低。為了對比強度問題，這里摘錄了泡沫混凝土標準［11］（JG/T 2+66-2011）中部分干密度等級與強度的關系，如表3所示。從表3的對比可以看出本文中制備的兩種固廢輕質混凝土在與泡沫混凝土等密度情況下強度大小也在泡沫混凝土干密度對應的強度等級范圍內。說明本文制備的與泡沫混凝土等容重的固廢類輕質混凝土可以應用于以強度為背景的泡沫混凝土類似的工程應用領域。

表2 固廢輕質混凝土單軸抗壓強度

表3 固廢輕質混凝強度與泡沫混凝土的強度對比

4 耐水性試驗

4.1 試驗過程

在同一批同一密度等級試塊中各挑出密度接近的三個試塊全部放入水中（常溫）完全淹沒，浸泡48h后取出擦干表面水分，測得每一個試塊飽水密度和抗壓強度。

4.2 試驗結果

浸泡48h后兩種固廢輕質混凝土試塊的飽水密度、抗壓強度以及體積吸水率如表4所示。

通過將兩次試驗結果進行對比得出兩種固廢輕質混凝土的平均軟化系數大致為0.6，可以看出水對該固廢輕質混凝土的強度有較大的影響，其中主要的原因是本實驗中選用的兩種固廢本身具有吸水性，而且本實驗中固廢的用量也較大導致吸水率增大。從而也可以看出固廢的自身較強的吸水性也是制約其被二次利用的一大因素。

表4 試塊的飽水密度和飽水抗壓強度

5 應力應變曲線

試驗后試塊的應力應變曲線如圖5，圖6所示。從應力應變曲線的對比可以明顯看出，飽水后的試塊相對于干試塊而言有了明顯的強度損失，但是干濕兩種試塊的全過程應力應變曲線形態很相近，峰值出現的應變位置也大致相同，說明飽水后的固廢輕質混凝土會出現強度損失但是其變形特征幾乎沒有改變。

圖5 固廢一輕質混凝土試塊應力應變曲線對比

圖6 固廢二輕質混凝土試塊應力應變曲線對比

6 結束語

（1）設計密度為500kg/m3的兩種固廢輕質混凝土的單軸抗壓強度大致在0.9～1.0MPa之間，并且在受壓的過程中表現出來良好的整體性，且在10%的應變范圍內沒有出現表面上的脫落和潰爛的現象，設計密度為300kg/m3的試塊總體抗壓強度較低，且整體性差；

（2）設計密度為300kg/m3的試塊與設計密度為500kg/m3的試塊相比其固廢和水泥用量接近減半但EPS顆粒用量一樣，相比之下可以看出EPS顆粒含量越大會使得固廢輕質混凝土的強度降低；

（3）本文制備的固廢類輕質混凝土在于泡沫混凝土等容重的情況下其抗壓強度不低于泡沫混凝土，說明本文制備的與泡沫混凝土等容重的固廢類輕質混凝土可以應用于以強度為背景的泡沫混凝土類似的工程應用領域。

（4）本試驗初衷是兼顧固廢的資源化利用和被利用的成本問題，所以本實驗中制備的固廢輕質混凝土具有固廢用量大且制備成本低廉的特點。