裝修垃圾除塵粉的特性及其對水泥凈漿力學(xué)性能的影響

韋華棟，袁 靜，洪永鵬，張金星，孟 濤，趙羽習(xí)，沈林昌

(1.浙江大學(xué)建筑工程學(xué)院，杭州 310058；2.浙江省建筑設(shè)計研究院，杭州 310006； 3.桐鄉(xiāng)市同德墻體建材有限公司，桐鄉(xiāng) 314512)

0 引 言

據(jù)估算，我國每年產(chǎn)生的建筑垃圾約為15.5～25.5億噸[1]，這其中只有不到10%的建筑垃圾進行了分揀加工和再利用。常見的廢棄物處置方法是將建筑垃圾經(jīng)破碎后作為骨料用于再生混凝土，這也是目前建筑材料研究領(lǐng)域的一個熱門方向。國內(nèi)外研究表明，再生混凝土經(jīng)合理設(shè)計后，完全可以滿足一般性的工程應(yīng)用[2-4]，甚至在某些方面，性能要優(yōu)于天然骨料混凝土。肖建莊[5]、張波志[6]等發(fā)現(xiàn)，摻入一定量的再生骨料后，再生混凝土的抗壓強度較天然混凝土反而有所增加。韓帥等[7]發(fā)現(xiàn)，再生粗骨料經(jīng)顆粒整形后配制的混凝土，其抗氯離子滲透性要強于普通混凝土。胡瓊[8]、黃瑩[9]、胡天安[10]等的實驗也都表明，一定替代率的再生混凝土，其粘結(jié)強度、抗碳化能力、抗凍性能均優(yōu)于天然混凝土。

目前國內(nèi)外研究多專注于再生粗骨料和再生細(xì)骨料方面，對于建筑廢棄物因破碎而產(chǎn)生的各種細(xì)微粉塵研究甚少。一般認(rèn)為，這些再生微細(xì)粉塵會對水泥基材料的物理力學(xué)性能產(chǎn)生不利影響。劉香等[11]發(fā)現(xiàn)再生微粉孔隙率較高，導(dǎo)致制備的泡沫混凝土吸水率增大。孔哲等[12]經(jīng)過試驗驗證了干混砌筑砂漿拌合物的用水量和分層度隨再生粉體摻量的增加而逐漸增大，抗壓強度會逐漸減小。GB/T 25177—2010《混凝土用再生粗骨料》和GB/T 25176—2010《混凝土和砂漿用再生細(xì)骨料》都對各級再生骨料中的微粉含量做出了具體規(guī)定。從節(jié)約成本角度考慮，再生粉料一般作為礦物摻合料用于水泥基材料中。孫巖等[13]將建筑垃圾破碎產(chǎn)生的微粉用來制備輔助膠凝材料，發(fā)現(xiàn)摻量小于10%時對砂漿的抗壓強度影響不大。潘榮根等[14]發(fā)現(xiàn)將舊水泥路面板破碎后產(chǎn)生的粉料用于水泥穩(wěn)定混合料，能夠滿足公路路面基層使用要求。裝修垃圾除塵粉作為建筑廢棄物破碎工藝中風(fēng)選工序分離出的細(xì)微粉體，也屬于再生粉料的一種，但是相關(guān)研究卻幾乎沒有。若能將這部分除塵粉進行回收利用，不但可以減少對環(huán)境的污染，還可以降低水泥基材料的成本，進一步提升我國對建筑垃圾的利用率。

調(diào)研發(fā)現(xiàn)常見的除塵粉顆粒尺寸為微米級別，基本上與粉煤灰相當(dāng)。基于此，本文從某建筑裝修垃圾破碎工藝產(chǎn)生除塵粉的化學(xué)礦物組分分析出發(fā)，通過研究其性能與替代率對水泥凈漿基本性能的影響，類比粉煤灰的性能，探討其作為礦物摻合料的可能性，并給出合理替代率的建議。

1 實 驗

1.1 原材料

原材料主要來自于桐鄉(xiāng)市某新型墻材廠的建筑裝修垃圾處置工序分離出的除塵粉。該廠裝修垃圾處置工序如圖1所示。

圖1 裝修垃圾處置工序Fig.1 Decoration waste disposal process

1.2 原材料化學(xué)成分及礦物成分測試

通過DHF86硅酸鹽化學(xué)成分分析儀對除塵粉料進行化學(xué)成分檢測，并通過對比拆除垃圾粉料[15]、磚粉[16]、再生混凝土粉料[17]、粉煤灰[18]及水泥[16]的化學(xué)成分，對除塵粉進行分析。

取5 g除塵粉進行XRD檢測，使用荷蘭PAN X射線衍射儀對除塵粉進行X射線衍射，并對其進行礦物成分分析。

取10 g除塵粉加入超純水，經(jīng)振搖靜置后取上清液離心并過濾膜，進行重金屬含量測定，使用PerkinElmer NexION 300X型ICPMS確定除塵粉中各類重金屬元素的含量，并與GB/T 30810—2014《水泥膠砂中可浸出重金屬的測定方法》的限值進行比較。

1.3 原材料基本性能試驗

通過LS-909干濕二合一激光粒度分析儀對除塵粉進行粒度分析測試。

通過DHF86硅酸鹽化學(xué)成分分析儀對除塵粉進行燒失量檢測。

1.4 水泥凈漿基本性能試驗

本試驗將除塵粉料分別按0%、10%、20%、30%、40%、50%的替代率等量置換水泥，并測定不同替代率下水泥凈漿試件的流動度及對應(yīng)齡期(3 d、7 d和28 d)下的抗壓強度。按照規(guī)范GB/T 8077—2012制作六種配比的水泥凈漿，并進行水泥凈漿流動度測試；將制作的凈漿倒入20 mm×20 mm×20 mm的六聯(lián)銅模中，并用振動臺振搗密實。將試樣在20 ℃的恒溫室中保持24 h。脫模后，將樣品保持在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護條件下(溫度(20±2) ℃，相對濕度不低于95%)。在養(yǎng)護3 d、7 d和28 d后，根據(jù)GB/T 50081—2002要求測試試件的抗壓強度。

1.5 水泥凈漿微觀測試

分別取5 g除塵粉替代率為0%、10%、30%的水泥凈漿磨粉后進行XRD檢測，使用Bruker D8 Advance型X射線衍射儀對除塵粉進行X射線衍射，并對其進行礦物成分分析。

使用德國GEMINI 300型掃描電子顯微鏡分別對除塵粉替代率為0%、10%、30%的水泥凈漿樣品進行微觀形貌觀測。

2 結(jié)果與討論

2.1 原材料化學(xué)成分及礦物成分測試結(jié)果

2.1.1 化學(xué)成分

圖2 不同粉料主要化學(xué)成分對比Fig.2 Comparison of main chemical composition of different powders

粉料的活性主要來源于玻璃體SiO2和玻璃體Al2O3在一定堿性條件下的水化作用，同時CaO對膠凝體的形成同樣具有有利作用[19]。本研究對除塵粉進行了化學(xué)成分測試，測試結(jié)果如表1所示，相對含量對比見圖2。

由表1可知，幾種粉料的主要化學(xué)成分均為SiO2、Al2O3和CaO，總質(zhì)量百分比達到了74%以上，其中，除塵粉中含量達到89.5%。磚粉和裝修垃圾除塵粉內(nèi)的SiO2質(zhì)量百分比均超過了50%，再生混凝土粉和粉煤灰的SiO2質(zhì)量百分比也在40%左右。對于Al2O3，除再生混凝土粉和水泥中含量較少外，其它粉料中含量大致相同。對于CaO，水泥和再生混凝土粉中含量較高，然后依次是粉煤灰、拆除垃圾粉料和裝修垃圾除塵粉，而磚粉中CaO的含量最少。可以看出，除塵粉的化學(xué)成分分布更加接近于粉煤灰和拆除垃圾粉料。因此，僅從化學(xué)成分而言，除塵粉具有一定程度上的工程再利用價值。

表1 化學(xué)成分檢測Table 1 Chemical composition test /wt%

續(xù)表1 /wt%

2.1.2 重金屬含量檢測

重金屬含量檢測結(jié)果如表2所示。從表中可以看出，除了Cr元素39.137 μg/L的含量超過限值外，其它類重金屬的含量都符合規(guī)定。這可能與建筑裝修垃圾不同于一般的建筑廢棄物有關(guān)，建筑裝修材料主要是用來裝飾美化建筑，滿足人的美感需要，因而其分類多種多樣，包括石材、玻璃、陶瓷、涂料和金屬等。不同裝修材料元素種類、含量差異顯著，以不銹鋼為例，不銹鋼是以鉻為主添加元素的合金鋼，鉻含量越高，鋼的抗腐蝕性越好。因此，該批次裝修垃圾除塵粉中鉻含量較高，可能原因是其來源中含鉻裝修材料存在較多。考慮到重金屬溶出可能會對環(huán)境造成危害，Panda等[20]在以鉻鐵渣(Cr2O3含量分別為8.32%和10.37%)取代粗骨料制備混凝土后做了標(biāo)準(zhǔn)浸出試驗，結(jié)果表明其不會造成嚴(yán)重的鉻污染問題。因此，從重金屬含量檢測結(jié)果上看裝修垃圾除塵粉可以應(yīng)用于實際工程中。

表2 重金屬含量Table 2 Heavy metal content /(μg/L)

2.1.3 XRD檢測

除塵粉XRD檢測結(jié)果如圖3所示。根據(jù)圖中不同衍射峰的頻譜情況，表明除塵粉的主要礦物成分為SiO2和CaCO3。已有研究指出，當(dāng)火山巖粉體45 μm篩余量低于10%且SiO2含量高于75%時，其28 d火山灰活性指數(shù)可達到70%以上[21]。因此，除塵粉中的微米級SiO2被認(rèn)為具有火山灰活性，有助于水泥的水化反應(yīng)，同時，粉體中的CaCO3可以參與C3A的水化，從而反應(yīng)生成碳鋁酸鹽。因此，從物相分析上表明裝修垃圾除塵粉具有一定的工程應(yīng)用價值。

圖3 除塵粉XRD譜Fig.3 XRD pattern of dusting powder

圖4 除塵粉粒度分布Fig.4 Particle size distribution of dusting powder

2.2 原材料基本性能試驗結(jié)果

2.2.1 粒度分析

除塵粉粒度分析結(jié)果見圖4，其顆粒性質(zhì)見表3。可以發(fā)現(xiàn)，除塵粉的粒度分布呈單峰形式，粒徑范圍集中在5～38 μm之間，粒度分布較集中，與國家標(biāo)準(zhǔn)GB 1596—2017《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》中關(guān)于二級粉煤灰的理化性能要求45 μm方孔篩篩余百分比不大于30%較為符合。而且，細(xì)度的增加有益于提高粉體的活性，促使膠凝材料發(fā)生二次水化反應(yīng)和催化活性效應(yīng)，進而提升膠凝材料的整體性能。

表3 除塵粉顆粒性質(zhì)Table 3 Particle properties of dusting powder

2.2.2 燒失量檢測

試驗樣品燒失量檢測結(jié)果為17.72%，說明除塵粉具有較高的燒失量，這是因為除塵粉料本身在篩分收集工藝上屬于輕物質(zhì)分選，因此常伴有較多摻量的木屑及絮狀物。較高的燒失量會導(dǎo)致制品存在收縮率大、變形性大、缺陷多等缺點，因此在工程上應(yīng)用除塵粉時，不應(yīng)摻入過多。

2.3 水泥凈漿基本性能試驗結(jié)果

2.3.1 摻除塵粉水泥凈漿流動性試驗

不同除塵粉替代率下的流動度曲線及宏觀圖如圖5所示。

圖5 凈漿流動度Fig.5 Fluidity of cement paste

通過凈漿流動度測試可以發(fā)現(xiàn)，除塵粉的吸水性能極高。當(dāng)除塵粉替代率按10%依次遞增時，凈漿流動度依次下降了20.58%、42.96%、12.99%、2.99%及0%。可見，當(dāng)替代率為20%時，流動度急劇下降；當(dāng)替代率達到30%時，幾乎沒有流動性。由前文粒度分析可知，除塵粉的中值粒徑為18.094 μm，45 μm粒徑以下的顆粒占總質(zhì)量的92.01%，而P·O水泥的比表面積在340 m2/kg左右，45 μm以下的顆粒篩余率不大于30%，相比而言，除塵粉中粒徑較小的粉末占比更多，比表面積也更大，從而導(dǎo)致了較高的需水量。同時，燒失量測試表明除塵粉中含有更多易被焚燒分解的輕物質(zhì)，這些輕物質(zhì)通常含有較高的表面空隙，具有極強的蓄水能力，從而嚴(yán)重降低了凈漿的流動性。因此從流動度測試結(jié)果來看，當(dāng)替代率為10%時較優(yōu)，超過30%時已嚴(yán)重阻礙了水泥凈漿的工作性能。

2.3.2 不同替代率下水泥凈漿抗壓強度試驗

根據(jù)前期預(yù)試驗確定水泥凈漿水灰比為0.45，減水劑摻量為水泥混合材用量的0.1%。在水灰比及用水量不變的情況下，按比例用裝修垃圾除塵粉等質(zhì)量替代水泥。表4為具體配合比。

表4 水泥凈漿配合比Table 4 Mix ratio of cement paste

表5為每組試件3 d、7 d及28 d抗壓強度值(每組3個試件)。圖6、圖7分別為不同齡期下水泥凈漿抗壓強度與相對抗壓強度隨除塵粉替代率的變化關(guān)系圖。可以看出，對于含有除塵粉的水泥凈漿，當(dāng)取代率為10%時，抗壓強度在3 d、7 d和28 d分別為19.0 MPa、26.4 MPa和39.8 MPa，這較純凈漿強度分別提高了33.80%、32.66%和20.24%，可認(rèn)為是最佳摻量；當(dāng)除塵粉替代率為20%時，抗壓強度基本與不摻除塵粉凈漿強度持平；當(dāng)除塵粉替代率達到30%時，在水化早期，抗壓強度低于不摻除塵粉凈漿強度，隨著水化齡期的增長，二者間的差距逐漸縮小，到28 d時，二者抗壓強度僅相差1.51%；而當(dāng)除塵粉替代率超過30%后，抗壓強度下降明顯，但是在水化后期，差距逐漸縮小。這表明除塵粉內(nèi)的活性物質(zhì)早期未全部參與反應(yīng)，隨著水化過程的進行，更多的活性氧化物參與，反應(yīng)速度不斷提升，因此在水化后期仍能促進水化產(chǎn)物發(fā)生二次水化反應(yīng)，使得水泥凈漿密實度增加。

表5 不同除塵粉替代率水泥凈漿的抗壓強度Table 5 Compressive strength of cement paste with different dusting powder replacement rate

圖6 不同齡期水泥凈漿抗壓強度Fig.6 Compressive strength of cement paste at different ages

圖7 不同除塵粉替代率下水泥凈漿相對抗壓強度Fig.7 Relative compressive strength of cement paste with different dusting powder replacement rate

圖8 不同除塵粉替代率下水泥凈漿的XRD譜Fig.8 XRD patterns of cement paste with different dusting powder replacement rate

2.4 水泥凈漿微觀測試結(jié)果

2.4.1 水泥凈漿XRD檢測

圖8為不同除塵粉替代率下水泥凈漿的XRD譜。從圖8可以看出，在28 d齡期時純水泥凈漿中Ca(OH)2在2θ=18°的主峰和2θ=34°的次峰明顯高于除塵粉替代率為10%和30%時的峰，說明在摻入除塵粉后Ca(OH)2含量有所下降。這可能是因為在將除塵粉進行等效替代后，水泥含量的下降使得水化生成的Ca(OH)2也隨之減少。同時，純水泥凈漿譜線中CSH凝膠的峰寬較另兩條譜線要窄，說明粉體具有的火山灰活性會進一步消耗Ca(OH)2生成CSH凝膠。此外，在除塵粉替代率為10%和30%的譜線中都檢測到了二水石膏的峰，隨著替代率的增加，峰高也隨之上升，而在純水泥凈漿中沒有檢測到，說明在裝修垃圾除塵粉中含有一定量的石膏。由于石膏粉水化后強度相對較低，所以它的存在會影響強度。結(jié)合圖6和圖7可以看出，除塵粉替代率在10%時，強度有所上升，說明在適量替代率下，除塵粉的火山灰活性可以促進CSH凝膠的生成，從而提升強度；而在粉體摻量過多時，水泥含量的下降以及其中混入的石膏等雜質(zhì)，會對強度產(chǎn)生一定的負(fù)面影響。

2.4.2 水泥凈漿SEM檢測

圖9為不同除塵粉替代率下水泥率漿的SEM照片。從圖9(a)可以看出，在純水泥凈漿中，Ca(OH)2晶體呈六方板狀，邊緣較為完整且數(shù)量較多，錯雜分布在CSH凝膠中；而在圖9(c)中可以發(fā)現(xiàn)，在除塵粉替代率達到30%以后，Ca(OH)2晶體數(shù)量減少，且邊緣逐漸被腐蝕，說明粉體內(nèi)的活性SiO2和Al2O3等物質(zhì)發(fā)揮作用，消耗Ca(OH)2生成CSH凝膠，這與XRD結(jié)果較為一致。從圖9(b)可以看出，當(dāng)除塵粉替代率為10%時，粉體嵌于CSH凝膠內(nèi)，此時除塵粉主要起到填充孔隙的作用，同時由于其粒度較水泥顆粒更細(xì)，因此也可以為水泥的水化提供成核位點。結(jié)合強度試驗的結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，摻入一定量的除塵粉有利于改善水泥凈漿的孔隙結(jié)構(gòu)，達到提升強度值的效果。但是當(dāng)替代率過高時，影響水泥水化的兩個主要因素“稀釋效應(yīng)”和“異相成核效應(yīng)”[22]也就表現(xiàn)得越加明顯，從而導(dǎo)致強度的下降。因此，強度試驗的結(jié)果可表明，除塵粉的摻入對水泥水化強度有一定的幫助，但摻量不宜過高。替代率10%為最佳摻量，考慮到經(jīng)濟效應(yīng)，除塵粉替代率最高可達30%。

圖9 不同除塵粉替代率下水泥凈漿的SEM照片(×3 000)Fig.9 SEM images of cement paste with different dusting powder replacement rate (×3 000)

3 結(jié) 論

(1)除塵粉中SiO2、Al2O3和CaO含量占總量的89.5%，化學(xué)成分分布接近于粉煤灰與拆除垃圾粉料，且重金屬含量在一定限值之內(nèi)，從化學(xué)成分的角度分析，裝修垃圾除塵粉具有一定的工程應(yīng)用價值。

(2)除塵粉的粒度分布呈單峰形式，粒徑范圍集中在5～38 μm之間，粒度分布較集中，易發(fā)生二次水化反應(yīng)和催化活性效應(yīng)，因此其具有很好的膠凝材料特性；同時除塵粉燒失量高達17.72%，較高的燒失量會導(dǎo)致制品存在收縮率大、變形性大、缺陷多等缺點，因此在工程上應(yīng)用除塵粉時，不應(yīng)摻入過多。

(3)隨著除塵粉替代率升高，水泥凈漿的流動度下降，且逐漸趨于平緩，當(dāng)替代率為10%時，流動度較優(yōu)；而水泥凈漿的抗壓強度隨替代率的升高，先增加后減小，當(dāng)替代率達到10%時，抗壓強度達到峰值。考慮到經(jīng)濟效應(yīng)，建議工程應(yīng)用中除塵粉替代率控制在10%～30%。