基于水熱合成技術的建筑廢料再利用研究

申 琳，李曉剛

(1楊凌職業技術學院,陜西 楊凌 712100；2晶科電力科技股份有限公司，上海 201106)

建筑廢料的回收再利用是提高砂石、水泥資源利用效率的一項重要手段，現階段我國的建筑廢料主要包括廢棄混凝土和廢磚兩種，這兩種廢棄材料主要由未水化水泥顆粒、硬化水泥石和粗細骨料組成，含有豐富的CaCO3，經過簡單的煅燒處理可以分解為CaO，結合其他添加料并經過水熱合成處理可以生產可供再利用的硅酸鹽材料，深入分析水熱合成技術在建筑廢料再利用中的應用策略，對于降低建筑成本、改善居民生活環境具有十分重要的意義[1-4]。

1 廢棄混凝土-廢磚混合料的煅燒

1.1 廢料來源

選擇某項拆遷項目所產生的廢棄混凝土和廢磚，其中廢棄混凝土材料為C40混凝土，廢磚材料為粘土磚。

1.2 煅燒處理

廢棄混凝土于標準條件下(濕度95%以上、20±2 ℃)養護28d，通過液壓式萬能試驗機實施碾壓處理，再于105℃環境下干燥24h，得到干燥混凝土碎料后通過重型球磨機實施6h粉碎處理，最后通過行星球磨機實施研磨處理，直到75μm篩的篩余量不大于5%。廢磚同樣實施壓碎處理，經過105℃、24h干燥處理后，通過重型球磨機對所得到的干燥碎磚實施4h的粉碎處理，最后通過行星球磨機實施研磨處理，直到75μm篩的篩余量不大于5%。將經過預處理的混凝土粉料和磚粉料均勻混合，再將混合物放入煅燒爐中并在830℃環境下加熱30min，最終得到廢棄混凝土-廢磚煅燒產物[5-8]。

2 再生硅酸鹽材料的制備

在獲取廢棄混凝土-廢磚煅燒產物的基礎上，結合其他添加料并對其實施水熱合成處理。稱取一定量的燃燒產物，將所需要的外加劑飽和溶液、蒸餾水以及廢棄混凝土-廢磚煅燒產物置于水泥膠砂攪拌機中攪拌成漿體。于20mm×20mm×20mm的模具中放置20g漿體，于10MPa條件下壓制10s，將所得到的塊狀產物置于蒸壓釜中實施蒸壓處理，再對經過蒸壓處理的塊狀產物實施24h、50℃的干燥處理，最終獲取再生硅酸鹽材料。在此過程中，通過力學性能測試來探究硅酸鹽材料的具體制備工藝[9-11]。

3 再生硅酸鹽材料的制備工藝分析

3.1 水固比對再生硅酸鹽材料抗壓強度的影響

通過水熱合成法制備硅酸鹽材料，主要原料為廢棄混凝土-廢磚煅燒產物，補充鈣質原料為分析純Ca(OH)2，選擇四個水固比（0.10、0.15、0.20、0.25）、三個硅鈣比（0.7、0.9、1.1）進行配料，利用蒸壓釜對混合配料實施蒸壓處理，蒸壓時間為4h，蒸壓溫度為203℃，環境壓強為1.5MPa。抗壓強度測試結果與配料方案分別見表1、表2、表3。

表1 抗壓強度和原料配比（硅鈣比=0.7）Table 1 Compressive strength and raw material ratio (Si Ca ratio = 0.7)

表2 抗壓強度和原料配比（硅鈣比=0.9）Table 2 Compressive strength and raw material ratio (Si Ca ratio = 0.9)

表3 抗壓強度和原料配比（硅鈣比=1.1）Table 3 Compressive strength and raw material ratio (Si Ca ratio = 1.1)

經實驗研究發現，在水固比持續增加的過程中，再生硅酸鹽材料的抗壓強度先增后減。較高的水固比有助于原料充分混合，但多余的水分會使硅酸鹽材料在蒸壓過程中形成過多孔徑，影響抗壓強度；較低的水固比有助于減少硅酸鹽材料孔徑，但易引起混合不均現象，造成表面開裂[12-13]。各組分材料在水固比為0.20的情況下達到最高抗壓強度水平。

在硅鈣比=0.9的情況下，對水固比為0.1和0.2的兩組再生硅酸鹽材料實施XRD分析，測試結果如圖1所示。經實驗研究發現，水固比為0.2的再生硅酸鹽材料在蒸壓過程中會生成更多的托貝莫來石、CSH(B)等水化產物，使其達到更高的抗壓強度水平。

圖1 蒸壓試件的XRD圖譜（硅鈣比=0.9）Fig.1 XRD pattern of autoclaved specimen (Si Ca ratio = 0.9)

3.2 蒸壓壓力與蒸壓時間對再生硅酸鹽材料抗壓強度的影響

當水固比為0.2時，不同硅鈣比及蒸壓制度下各組再生硅酸鹽材料的抗壓強度檢測結果見表4。

表4 再生硅酸鹽材料的抗壓強度（MPa）Table 4 Compressive strength of recycled silicate materials (MPA)

經實驗研究發現，在不同硅鈣比及蒸壓制度下各組再生硅酸鹽材料的抗壓強度最高可達到42.86MPa（硅鈣比=0.9、蒸壓強度1.5MPa、蒸壓時間6h），最低只有31.36MPa（硅鈣比=1.1、蒸壓強度1.0MPa、蒸壓時間4h），這兩組再生硅酸鹽材料在抗壓測試后的外觀狀況如圖2所示。

圖2 高、低兩種強度再生硅酸鹽材料在抗壓測試后的外觀Fig.2 Appearance of high and low strength recycled silicate materials after compression test

4 結論

根據實驗分析結果，廢棄混凝土（C40混凝土）和廢磚（粘土磚）在經過精磨、煅燒和水熱合成處理可以生產出再生硅酸鹽建筑材料。進入水熱處理階段后，在硅鈣比=0.9的情況下，最佳水固比為0.2，最佳蒸汽強度為1.5MPa，最佳蒸壓時間為6h，所生成的硅酸鹽材料（20mm×20mm×20mm）抗壓強度可達42.86MPa，可滿足一般建筑材料的強度要求。