粒径对建筑垃圾基浆体膨胀充填材料强度的影响

仇文超，王发刚,刘树江，王　劼

(1.山东理工大学 材料科学与工程学院， 山东 淄博 255049； 2.淄博市王庄煤矿， 山东 淄博 255400)



粒径对建筑垃圾基浆体膨胀充填材料强度的影响

仇文超1，王发刚1,刘树江2，王劼1

(1.山东理工大学 材料科学与工程学院， 山东 淄博 255049； 2.淄博市王庄煤矿， 山东 淄博 255400)

采用改变建筑垃圾的粉磨时间，来获得不同粒径的建筑垃圾基浆体膨胀充填材料；并通过测定充填体的强度和微观结构变化，来分析不同基料粒径对材料强度的影响过程.研究结果表明：建筑垃圾充填材料28d强度随着粒径的减小呈现先增大后平缓的趋势；SEM扫描电镜观察可知：随着粒径的不断变小，充填体内部结构中还有的钙矾石、硅铝凝胶物质在不断增多.

建筑垃圾；粒径；强度；浆体膨胀充填材料

淄博市王庄煤矿投资1 000万元建设了“建筑垃圾基浆体膨胀材料充填站”，将淄博市的建筑垃圾和煤矿的煤矸石经筛选、破碎成8目以下粒级的浆体膨胀材料制备的基料，通过自助一体化制浆装置按照一定比例混合搅拌制成“建筑垃圾基浆体膨胀充填材料”，生产成本达130元/t左右，再通过无缝钢管自流输送至采煤工作面采空区，接顶和填充效果非常好.

建筑垃圾基浆体膨胀充填材料[1-2]，是以研磨后的建筑垃圾为基料，水泥、石膏、石灰等普通建筑用材为辅料的一种新型充填材料.研究的创新之处是将建筑垃圾的处理问题和充填采矿结合在一起，两者相互利用相互补充，既解决了日益严重的建筑垃圾问题，又能充填采空区，保证矿山开采安全，避免破坏生态环境[3-5].

磨细为建筑垃圾基浆体膨胀充填材料的特点，利用建筑垃圾粉料的潜在活性，来降低材料中水泥的用量.建筑垃圾几乎已无任何胶凝活性成分，制备浆体膨胀充填材料时，经过破碎、研磨成后，粉料中含有较高含量的SiO2、Al2O3[6]，采用特殊激发剂，使其再生为具有一定活性的物质.但是建筑垃圾的研磨程度不同，得到的建筑垃圾粉末的粒径也会不同，具有的活性物质更是有差异.本文通过改变建筑垃圾的粉磨时间，而得到不同粒径的建筑垃圾基浆体膨胀充填材料，对比不同龄期的充填体强度及微观结构变化，考虑经济成本、管道输送等因素[7]，寻找适合实际生产的粒径范围.

1　原材料物化性能及实验方法

1.1原材料物化性能

(1)本次试验的建筑垃圾来自淄博市张店区使用期约30年的拆迁废弃物，其主要成分是废弃混凝土、废弃烧结砖、外墙砂浆等等建材，以及少量的塑料、木材、钢筋等建材.实验准备阶段，对建筑垃圾进行筛分与粉磨，以备作为实验原材料使用.425水泥、石灰等辅料来自于淄博市王庄煤矿,水泥、石灰以及特殊添加剂质量分数(占基料质量)分别为20%、5%、12%.原材料的物理性质测试按照土工试验规程SL237-1999进行，结果见表1.

(2)原材料的化学分析见表2，其中垃圾粉料中各氧化物的含量代表粉磨不同时间原料的平均值.

1.2实验方法

(1)采用SNΦ500×500水泥统一试验磨对建筑垃圾进行粉磨，粉磨时间分别为：5min, 10min, 15min, 20min, 25min, 30min.通过物料筛分实验，绘出不同粉磨时间的建筑垃圾颗粒级配曲线，并计算出平均粒径大小.

(2)试验样品按建筑垃圾粉料质量分数55%配制浆体，脱模后并进行袋式密闭标准养护.

(3)在不同的龄期测量充填体的抗压强度.

(4)用SEM进行检测，观察充填体的内部微观结构.

2　粒径对建筑垃圾充填材料性能的影响

2.1筛分分级结果分析

(1)对建筑垃圾粉料进行了粒径分析，详见表3.

表1原材料物理性能测试结果

原材料固体密度/(g·cm-3)容重/(kg·L-1)孔隙率/%含水率/%细度/%建筑垃圾粉料2.671.2852.060.65变量水泥3.141.0167.830.526.4石灰3.220.6380.430.607.6石膏2.30.9757.832.5217.2

表2　建筑垃圾粉料化学成分分析表(质量分数)　%

表3建筑垃圾粉料的粒级组成

时间/min分计/%≤0.048mm≤0.058mm≤0.074mm≤0.088mm≤0.105mm≤0.154mm≤0.180mm≤0.250mm≤0.830mm≤1.000mm51322.454.27.850.88.911.52.37.521.51016.637.82.659.255.87512.16.7511.16.8751518.8545.34.215.64.355.052.01.00.553.102016.3549.25.912.254.457.11.251.00.651.85251651.158.314.53.253.551.1510.60.53015.652.56.359.04.72.753.52.91.80.9

(2)计算不同粉磨时间得到的垃圾粉料的平均粒径和均匀性系数，详见表4.我们可以看出：随着粉磨时间的不断增长，建筑垃圾粉料的粒径在逐渐变小，减小幅度也在趋于平缓，而不均匀性系数有差别，但变化并不明显.

表4建筑垃圾粉料的颗粒特性参数

时间/min粉料特性参数平均粒径/mm均匀性系数50.2981.3125100.1391.2823150.0961.3822200.0851.2771250.0711.2068300.0651.3995

2.2粒径对建筑垃圾充填材料强度的影响

不同粒径大小的建筑垃圾粉料制备成充填材料的抗压强度数据见表5，由此绘制而成的抗压强度曲线，如图1、图2所示.从如图1可以看出，对于建筑垃圾不同平均粒径的充填体试件，随着龄期的不断增长，试件抗压强度在不断地增大.在水化反应前期(养护3d左右)，随着平均粒径的减小，试件强度会出现减小的现象，但数据相差不大.水化初期，各物料之间的反应还不够完全，即使建筑垃圾粒径大小有差异，各试件的水化反应程度相差不大；而此时建筑垃圾的不均匀系数又会有略微差别，从宏观层面以及物理学堆积的角度，对强度会产生一定的影响.

表5不同粒径的建筑垃圾基浆体膨胀复合材料充填体试件强度表

平均粒径/mm12h强度/MPa1d强度/MPa3d强度/MPa0.2980.510.680.970.1390.380.671.230.0960.520.721.360.0850.580.821.570.0710.60.851.630.0650.691.031.69平均粒径/mm7d强度/MPa14d强度/MPa28d强度/MPa0.2981.62.142.750.1391.822.53.050.0962.162.683.630.0852.272.884.050.0712.423.274.210.0652.463.624.31

图1　充填体试样28d龄期的SEM分析结果(5000倍)

图2　试样28d强度随粒径变化曲线

在图2中，可以看出在28d龄期时，随着建筑垃圾平均粒径的不断减小，充填体试件的强度不断增大，并且在粒径达到0.1mm左右时，增长幅度开始趋于平缓.我们也可认为：建筑垃圾平均粒径大小是建筑垃圾基膨胀复合材料充填体试件28d强度的决定因素之一，即建筑垃圾粉料粒径越小，破碎后建筑垃圾的微粉活性越高，同时可能导致短期吸水显著，水胶比及流动性产生变化，使得28d强度增大.

不同粒径的浆体相对黏度见表6，可以看出随着粒径的增加，浆体黏度不断变大，当粒径在0.1mm左右时，浆体黏度与花生油接近，而在粒径到达0.065mm时，浆体黏度超过花生油黏度的2倍,无法进行管道运输.在实际生产中，充填体28d龄期，抗压强度达到3MPa，即可满足现场需求.过细粉料的充填材料强度大，但成本也高，且浆体流动性过差，造成管道运输困难.因此，我们可以大胆推测，本课题制备的建筑垃圾浆体膨胀充填材料最佳粒径在0.1mm左右.

表6不同粒径的浆体相对黏度数据表

平均粒径/mm浆体黏度/自来水黏度浆体黏度/花生油黏度0.02983.5440.7560.01395.6601.2980.0966.6321.5080.0857.9851.7250.0719.0121.8340.0656.9222.225

2.3粒径对充填体微观结构的影响

图3为不同粒径建筑垃圾浆体膨胀充填材料的SEM分析图.从图中可以看出：在28d龄期时，粒径为0.298mm和0.139mm的充填体内部大部分主要是固体颗粒和空洞，表明水化反应还不够充分；当粒径达到0.096mm和0.085mm时，充填体内部明显看到钙矾石和胶凝物质的出现，不过含量较少；粒径达到0.071mm和0.065mm时，钙矾石含量增加，并且被胶凝类物质包裹，形成一定的网状结构.

建筑垃圾基浆体膨胀充填材料的强度主要来源于钙矾石和硅铝凝胶的含量，充填材料的微观分析结果和宏观强度测试形成了对应关系，进一步说明：随着粉料粒径的减小，建筑垃圾的活性越高，水化反应越充分，抗压强度也在升高.

图3　充填体试样28d龄期的SEM分析结果(5000倍)

3　建筑垃圾充填材料的强度机理

由于粉磨时间的改变，建筑垃圾粉料不仅仅是得到了大小不同的颗粒，还伴随着物料晶体结构及表面物理化学性质的变化.水化反应初级阶段，水泥、石灰等辅料发生水化反应[8]，产生大量的碱性离子，如Ca(OH)2、NaOH等[9]，逐渐侵蚀建筑垃圾颗粒表面.物料的水化反应过程中，会放出水化热，形成长针状、柱状钙矾石结晶结构[10-11]，交错在一起形成稳定的网状骨架，为建筑垃圾充填材料提供了早期强度.而随着建筑垃圾粉料粒径的减小，颗粒的比表面积不断增大，其内能和比表能显著上升；晶格尺寸减少，保证了物料与水接触面积的变大，两者都使得颗粒表面的侵蚀速率加快，并加大了水化反应的深化程度.

未经处理的建筑垃圾颗粒其内部玻璃体中可溶的SiO2、Al2O3含量非常少，自身玻璃体解聚能力也较弱.而经过粉磨处理后，随着建筑垃圾粉料粒径的减小，玻璃体表面的Si-O键和Al-O键破坏程度越高[12]，使[SiO4]，[AlO4]四面体形成的三维连续的高聚合度网络解聚成四面体短链,进一步解聚成[SiO4]，[AlO4]等单体，建筑垃圾颗粒表面产生大量的可溶性SiO2、Al2O3，水化反应生成大量的水化铝酸钙、水化硅酸钙.这些凝胶类物质不断增加并且交织成网状结构，致使结构致密，强度再次增加.最后，随着时间的增加，在致密的网状结构的表面会形成水化产物的包裹层，将网状结构和三种形态的水(吸附水、结晶水、化合水)包裹在里面，从而使强度达到最大值.

浆体膨胀充填材料硬化体是由一个固-液-气三相构成的多相多空体系.硬化体按水化程度分类：一部分是水化物相，它是水化反应后生成的新相；一部分是残留物相，它是物料中未参与水化反应的原物相；还有一部分是由空气和水组成的孔隙网.

4　结束语

(1)从原材料的物化性质分析可以看出：垃圾粉料中含有较多的SiO2、Al2O3，具有潜在活性，且不含有害元素；物理性能也符合浆体膨

胀充填材料的制备要求.

(2)在28d龄期时，建筑垃圾充填材料的强度随着粒径的减小呈现先增大后平缓的趋势，最佳粒径范围在0.1mm左右.

(3)SEM扫描电镜观察显示：随着粒径的不断变小，充填体内部结构中钙矾石、硅铝凝胶物质的含量在不断增多.

(4)建筑垃圾浆体膨胀充填材料的强度机理：原材料中各组分发生水化反应，使得浆体溶液的碱性值升高，颗粒中Si-O、Al-O键发生断裂，建筑垃圾颗粒表面受到侵蚀作用发生溶解，而粒径的减小有助于水化反应的加快和加深，促进胶凝物质的生成，提高充填体的整体强度.

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(编辑：姚佳良)

Effect of particle size on the strength of construction waste slurry backfill material

QIU Wen-chao1, WANG Fa-gang1, LIU Shu-jiang2, WANG Jie1

(1.School of Materials Science and Engineering, Shandong University of Technology, Zibo 255049, China;2.Zibo Wangzhuang Mine, Zibo 255400, China)

By changing the grinding time of construction waste, we obtained different particle size of construction waste slurry backfill material, and through the determination of filling body strength and microstructural changes, we analyzed the different base material the influence process of particle size on the strength of the material. The results showed that the construction waste backfill material strength of 28d showed a trend of first increase and then gradual with decreasing particle size. Via scanning electron microscopy (SEM) observation we found that with the decreasing of the particle size, internal structure of the filling body and the ettringite, silica alumina gel material are on the rise.

construction waste；particle size； strength；slurry backfill material

2015-11-11

山东省自主创新成果转化重大专项(2012ZHZX1A0903)

仇文超，男,853824702@qq.com; 通信作者：王发刚，男,wangfagang@sohu.com.

1672-6197(2016)06-0040-04

TD823

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