利用不同顆粒級配的建筑渣土制備硅晶石及其性能研究

譚 俊,田 密,謝貴全,馬明龍

(筑邦綠建科技(重慶)有限公司,榮昌 402460)

隨著我國建筑行業迅速發展,從2006-2022年,我國的建筑行業房屋施工總面積迅速增長的同時,建筑垃圾的生產總量也在不斷增長。建筑垃圾主要包括建筑渣土、廢舊磚石等,據相關數據統計,我國建筑垃圾年產出量高達20億噸[1]。但目前我國針對建筑行業產生的建筑垃圾的處理方式仍不成熟,其中少數用于生產透水磚等低端建材產品,而絕大部分建筑垃圾未經任何處理,直接在郊外露天堆放或填埋,不僅處理費用高,而且在清運和堆放過程中產生的粉塵污染等問題又造成了嚴重的環境污染[2-4]。另外,建筑垃圾用作路基填充材料的工藝技術也不夠成熟,利用率不高[5-7]。因此,將建筑垃圾高效回收利用到建材產品里面才能有效解決廢料對城市環境的損害。

目前,利用建筑廢料制備建材的研究并不少見,陳建強等[8]以建筑渣土為原料制備出的燒結普通磚抗壓強度滿足MU10強度要求,各項性能也均合格。王建義等[9]利用建筑渣土和淤泥生產出各項性能優異的高檔燒結磚。劉樂等[10]充分利用建筑渣土制備出新型輕質墻體材料,結果表明:建筑渣土輕質墻材用于隔墻用保溫條板時各項性能指標滿足GB/T23450—2009《建筑隔墻用保溫條板》的標準要求。馬夢云[11]用添加城市污泥和建筑渣土的煤矸石燒結保溫磚。張婧鵬[12]利用建筑廢料并添加適量的玄武巖纖維制備出性能優異的玄武巖纖維改性建筑廢料再生混凝土。雖然建筑廢料在陶瓷建材行業和混凝土建材行業都有所研究,但研究制備出的產品利用率與實用性較高的仍是陶瓷類的燒結建材。

為了最大程度對建筑廢料進行回收利用,以不同顆粒級配的建筑渣土為主要原料,引入適量的粘土、長石、青石等無機原料,采用真空擠出成型、高溫燒結工藝制備出一種中空輕質材料硅晶石。采取嚴格控制建筑渣土顆粒級配的方法,通過比較硅晶石表觀爆裂情況、體積密度、吸水率以及抗壓強度的變化,分析建筑渣土顆粒級配的變化對硅晶石性能的影響,并確定最佳的建筑渣土顆粒級配。

1 試 驗

1.1 原材料

1)建筑渣土:試驗所用建筑渣土為取自榮昌當地某公司廠房建設過程中產生的廢棄渣土。采用美國賽默飛世爾科技公司生產的ARLPERFORMX型X熒光光譜分析儀對樣品化學成分進行分析,由此得到建筑渣土樣品的主要化學成分見表1;采用日本島津公司生產的X 射線衍射儀(型號:XRD-7000)測定樣品的晶體結構,X射線衍射測試的條件為:Cu靶Kα線,速度8°/min,衍射范圍10°～80°,由此得到建筑渣土樣品的主要礦物成分見圖1。

表1 礦物原料主要化學成分 w/%

從表1可以看出,建筑渣土的SiO2和Al2O3的成分含量超過70%,是制備燒結陶瓷建材的好原料。從圖1可以看出,建筑渣土的主要物相為石英(SiO2)和鉀霞石(KAlSiO4),這與黏土系列的礦物成分類似。因此,該建筑渣土完全可以用作制備硅晶石的原材料。

2)粘土:塑性原料,灰白色粉末,原料粒度<100目,其化學組成見表1。

3)長石:熔劑型原料,淡黃色粉末,原料粒度<100目,其化學組成見表1。

4)青石:瘠性骨料,原料粒度<8目,其化學組成見表1。

1.2 配合比

不同編號的試驗原料與配比都相同,如表2所示。調整配方中不同顆粒尺寸的建筑渣土的摻量,選用8～20目、20～40目、40～100目和<100目4種顆粒級配的建筑渣土,建筑渣土總摻量固定為70%,配方中建筑渣土具體的顆粒級配如表3所示。

表2 試驗配合比

表3 建筑渣土顆粒級配

1.3 方法

1)產品制備:將所有原材料按照表2和表3中的配比進行稱量,然后依次加入到攪拌機中,攪拌機轉速為100 r/min,攪拌時間為5 min;干粉料攪拌均勻后加水進行攪拌,攪拌機轉速調整到250 r/min,混料時間為15 min?；旌暇鶆虻哪嗔虾试?3%～18%,陳腐1～3 d提高泥料的均勻性和塑性,然后傳送到真空練泥擠出機中進行練泥擠出,擠出時保證擠出機絕對真空度控制在0.09 MPa以上。擠出后的坯體為中空結構,截面尺寸寬×厚為50 mm×30 mm,將擠出的坯體切割成長度為120 mm的樣品。擠出的樣品在室溫條件下干燥1～3 d,樣件含水率≤13%后放入70 ℃的低溫干燥箱干燥20～28 h,樣品含水率≤7%后放入120 ℃的中溫干燥箱5～8 h,當樣品含水率≤1%時放入燒結電爐進行高溫燒結,燒結溫度為1 020 ℃,燒結時間為30 min,自然冷卻到室溫后取出樣品。

2)表觀爆裂情況:在進行試驗前將其他已經存在的外觀缺陷作好標記以免影響試驗結果,然后將樣件完全浸入常溫水中72 h后取出,檢查每塊樣件上因石灰爆裂而造成的外觀缺陷,記錄其尺寸和數量。

3)體積密度:樣件的體積密度按式(1)計算,結果精確至0.01%。

(1)

式中,ρ、M、a、b、c分別為樣件體積密度(kg/m3)、樣件質量(kg)、樣件長度(m)、樣件寬度(m)、樣件厚度(m)。

4)吸水率:將樣件表面清理干凈,除去粉塵后稱其干質量,將干燥試樣浸入水溫10～30 ℃的水中24 h后取出試樣,用毛巾拭去表面水分后立即稱量。樣件的吸水率按式(2)計算,結果精確至0.01%。

(2)

式中,W、M1、M2分別為樣件吸水率(%)、樣件浸泡水之前的質量(g)、樣件浸泡24 h并拭去表面水分后的質量(g)。

5)抗壓強度:將燒制出的樣件利用全自動抗折抗壓試驗機進行抗壓強度的測試。具體測試過程如下:將樣件放置于壓力機壓板中心后啟動壓力機,需保證試驗機上壓板與樣件上表面均勻接觸,持續加壓直至樣件破壞后記錄當時破壞載荷,抗壓強度數據保留至0.01 MPa。

2 結果與討論

1)不同顆粒級配建筑渣土對硅晶石表觀爆裂的影響

樣件表觀石灰爆裂的情況如表4所示。從表4中可以看出,樣件表觀爆點數量隨著配方中建筑渣土粗顆粒摻量的降低而減少,當建筑渣土整體粒徑小于40目,且小于100目的顆粒占比40%以上時,樣件表觀幾乎不發生石灰爆裂現象。這主要是因為建筑渣土顆粒越細,攪拌后原料中的石灰石細顆粒越分散,避免了燒結成品內部生石灰顆粒的聚集,防止了水化所產生的集中應力,因此產生爆裂的數量減少。

表4 樣件表觀石灰爆裂情況

2)不同顆粒級配建筑渣土對硅晶石體積密度的影響

樣件體積密度測試結果如圖2所示。從圖2中可以看出,隨著建筑渣土細顆粒的增加,樣件的體積密度逐漸增大,由于細顆粒建筑渣土在燒結時充分熔融,產生較多液相,樣件致密性增加,氣孔率降低,因此樣件的體積密度增大。

3)不同顆粒級配建筑渣土對硅晶石吸水率的影響

各樣件吸水率測試結果如圖3所示。從圖3中可以看出,隨著建筑渣土細顆粒的增加樣件的吸水率逐漸降低,在J6處吸水率基本保持不變。這是因為細顆粒建筑渣土比表面積大、燒結活性大,燒結時充分熔融軟化,細顆粒越多產生的液相越多,坯體變得越密實,使得氣孔率降低,水分子不易進入坯體內部;產生的液相達到飽和時,吸水率不再降低。因此吸水率降低到一定值后不再變化。

4)不同顆粒級配建筑渣土對硅晶石抗壓強度的影響

樣件抗壓強度如圖4所示,隨著建筑渣土細顆粒摻量逐漸增加,樣件的抗壓強度也逐漸增大,在J6處達到最大為9.38 MPa,此后隨著建筑渣土細顆粒摻量逐漸增加抗壓強度降低。這是因為細顆粒原料越多越促進燒結液相的生成,但液相過多時就會導致配方中的骨料失去作用,從而抗壓強度降低。

3 結 論

a.建筑渣土主要物相為石英(SiO2)和鉀霞石(KAlSiO4),采用建筑渣土為主要原料制備中空結構的輕質材料硅晶石,總摻量可以高達70%,實現了對建筑廢料的高效回收利用。

b.提高配方中建筑渣土細顆粒的摻量,可以降低硅晶石燒結后產生爆裂的風險。當建筑渣土整體粒徑小于40目,且小于100目的顆粒占比40%以上時,樣件表觀幾乎不發生石灰爆裂現象,綜合性能即抗壓強度、吸水率也最佳,體積密度小于850 kg/m3。