余泥渣土活化改性技术研究

李绍彬 郭书辉 辛晓婷 陈陪都

（深圳航天科技创新研究院）

1 引言

余泥渣土，在建筑工程建设过程中产生的多余的泥土，主要是因为开发地下空间，建设地下停车场、地下商场、地铁工程等[1]。近年来随着我国城市建设的飞速发展和城市居民住宅面积的提高，我国建筑渣土的产生量也随之大幅度增加，大量的余泥渣土会给环境带来诸多危害，包括：城市路面污染、大气污染、水体污染、侵占大量土地、影响城市规划等，因此，由于余泥渣土存量大、无有效的处置办法，导致这一城市建筑的“副产品”已经严重制约着城市的进一步发展。

为了保护环境并满足市场需求，我单位近年对深圳市及周边地区各种余泥渣土进行了全面分析。结果表明深圳的余泥渣土除杂质成分外，以石英砂和高岭土为主要组成。石英砂可以用作混凝土骨料等建筑材料，资源化利用难度较小，但含有较多杂质的高岭土组分因为比表面积大、含水量高、具有化学惰性等性质，导致其资源化利用难度大。本试验采用化学和物理相结合的方法对余泥渣土进行处理，改变其表面性质。

2 试验部分

2.1 试验原材料

⑴余泥渣土：取自深圳龙岗渣土堆积处理场。

⑵石灰石粉。

⑶水泥：华润52.5 硅酸盐水泥。

2.2 改性方法

余泥渣土中含量最多的为沙石，可经过筛分后直接利用，剩余的粘土中含有高岭石，改性后可在水泥混凝土中作矿物掺合料使用。高岭石主要成分为氧化硅和氧化铝，经过煅烧后转变为亚稳状态，能与氢氧化钙反应生成硅酸钙凝胶。石灰石粉，98%为碳酸钙，易于粉磨可作为余泥渣土粉磨过程的助磨剂，另一方面具有一定的反应活性、良好的工作性可作为余泥渣土改性剂。本试验采用在750℃下煅烧粉磨后的石粉改性剂与余泥渣土混合物后加入硅烷偶联剂的方式进行改性。

2.3 测试方法

2.3.1 活性指数检测

参照GB/T 2847-2005《用于水泥中的火山灰质混合材料》规定的水泥胶砂28d 抗压强度比，强度检验用对比水泥使用的强度等级为52.5 的硅酸盐水泥。

参照GB/T17671-1999《水泥胶砂强度检验方法(ISO 法)》，对改性余泥渣土-水泥胶砂强度进行测定。

2.3.2 XRD 物相分析

用无水乙醇浸泡试样，终止水化，干燥后研磨过80μm 方孔筛。得到测试数据后，根据图谱上的d 值和对应的相对强度，根据Hanawalt 索引卡片检索物相，并参照《无机非金属材料图谱手册》，得到X 射线定性分析的结果。

3 结果与讨论

3.1 化学成分分析

对不同激发方法的余泥渣土进行X 荧光光谱分析，其中1-渣土原料、2-煅烧渣土（未除砂）、3-煅烧渣土（除砂）、4-改性渣土（除砂），结果如表1 所示。

表1 不同激发方法的余泥渣土化学组分(单位：%)

从表1 中可知，煅烧后余泥渣土烧失量由7.1%下降到0.62%，原料烧失量表征原料加热分解的气态产物（如结晶水，碳酸盐，硫酸盐等）和有机质含量的多少，决定原料性能稳定性。煅烧后的渣土烧失量降低，说明经过煅烧将渣土内的结晶水挥发，有机物灼烧、铝硅酸盐和碳酸盐分解，渣土内部稳定性有很大程度的提高。

3 号渣土为过筛水洗除砂后煅烧的渣土，从3 号渣土成分分析中可以看到，煅烧后水洗渣土的氧化硅氧化铝总量仍然达到92.62%，而烧失量只有0.46%，与2 号煅烧渣土相比，硅、铝总量增加，烧失量降低。水洗除砂后煅烧渣土中氧化硅的含量仍然很高的原因可能是渣土中含有很多细度很大粒径很小的绵砂，能过过水洗筛。4 号改性渣土的烧失量。

根据GB/T2847-2005《用于水泥中的火山灰质混合材料》用于水泥中的混合材烧失量应≤10%，从表中可知改性后渣土的烧失量不超过3%，完全符合国标的规定；国标中规定三氧化硫含量≤3.5%，渣土煅烧前后或改性前后SO3的含量最高只有0.125%，三氧化硫的含量均远远达到国标要求，说明改性余泥渣土作为矿物掺和料不会对水泥体系安定性产生影响。

3.2 胶砂活性

参照标准GB/T 18736《高强高性能矿物外加剂》成型胶砂试块，改性渣土的掺量为30%，添加减水剂调教胶砂流动度达到与基准水泥相同。其配合比如表2 所示。

表2 不同激发渣土胶砂配合比

从配合比中可以看到，煅烧余泥渣土和改性余泥渣土减水剂的用量达到1‰，较原生渣土高很多，说明渣土除砂后的粘土比表面积很大，故减水剂用量增加。

从表3 中可以看到，掺加2-煅烧渣土（未除砂）的胶砂试块7d 强度只有27.6MPa，活性指数只有69%，而养护至28d 后的强度为40.1MPa，活性指数只有63.5%，相比7d 强度虽然增加但活性指数降低，原因是7d 至28d 期间内2 号渣土水泥胶砂试块强度增长速率比空白水泥强度增长速率低，故活性指数降低。3-水洗煅烧渣土的7d 强度31.6MPa，活性指数达到79%，28d 强度为41.6MPa，活性指数为80%，相比2 号煅烧渣土强度和活性有很大的提高，说明渣土中砂含量影响渣土的活性；比较7d 和28d 活性指数基本相同，说明3-煅烧渣土强度增长速率与空白样水泥强度增长速率相同。4 号渣土为3 号水洗渣土改性后的渣土，7d 胶砂强度为36.1MPa，活性指数达到90.2%，28d 抗压强度为46.7MPa，活性指数为90%。比较3、4 号煅烧渣土胶砂强度和活性指数，改性后渣土强度和活性指数明显增加，说明改性可以提高余泥渣土活性。

表3 改性渣土的力学性能及其活性指数

3.3 不同改性剂用量的改性渣土力学性能

表4 为不同掺量石粉改性的煅烧渣土以30%掺量成型的胶砂试块7d 强度，其中A-石粉掺量为10%，B-石粉掺量5%。C-在A 的基础上掺加0.1%木质素磺酸钠改善其粘度。

表4 不同改性渣土7d 强度(单位：MPa)

从表4 中可以看到，添加不同掺量的石粉改性效果不同，煅烧温度相同，用5%石粉改性煅烧渣土后，其7d强度达到34.7MPa，活性指数为89%；以10%石粉改性后的渣土7d 强度达到37.7MPa，活性指数达到97%，说明掺加石粉能有效提高渣土活性，掺量为10%时的改善效果最好。因为改性余泥渣土的主要物质为粘土，粘土的细度大、表面积大导致成型的胶砂、混凝土试块粘度很大，在改性渣土A 的基础上掺加0.1%的木质素磺酸钠改善其粘度，结果显示，加入木质素后的强度降低，只有30MPa，活性指数只有77%，因为木质素磺酸钠中含有引气剂成分，虽然可以改善胶砂粘度，但是引气剂掺入导致孔隙率增加强度降低。

3.4 微观结构

从改性余泥渣土净浆XRD 图谱（图1）中可以看到，改性渣土净浆最高峰和次高峰为SiO2，去掉石英峰后，改性渣土水泥水化产物中有钙钒石、氢氧化钙生成。随着养护龄期的增加，氢氧化钙的含量增加，钙钒石的含量增加。图2 为水泥净浆、改性余泥渣土水泥净浆28d水泥产物比较。从图中可以看到水泥净浆XRD 图谱中主要的是Ca(OH)2，而渣土水泥净浆中有Ca(OH)2、钙钒石。比较氢氧化钙的峰看到掺加渣土后其氢氧化钙的峰强降低，说明相比水泥，掺加渣土后水化产物中的氢氧化钙降低，原因一是改性渣土中活性氧化硅和氧化铝，与水泥水化产物氢氧化钙反应，二是水泥的量减少，因此水化产物生成量减少。相比水泥水化产物，改性渣土水泥水化产物中增加了钙钒石的量，这是因为渣土中含有无定形的氧化铝，无定形氧化铝与氢氧化钙反应生成水化铝酸钙，水化铝酸钙与硫酸根离子反应生成钙钒石。

图1 不同龄期渣土净浆XRD 分析

图2 水泥净浆与渣土净浆XRD 比较

4 结语

⑴余泥渣土与石粉改性剂在750℃下煅烧后再经硅烷偶联剂改性，主要成分氧化硅和氧化铝转变为亚稳状态，具备火山灰活性，且其烧失量、放射性等均达到国标要求，特别是强度指数在28d 时已达到90%，后期与基准水泥持平甚至更高。

⑵余泥渣土改性试验研究改性剂用量为10%时，7d活性指数已达97%，故此时改性效果最佳，改性后的余泥渣土可用作矿物掺合料，后续研究中发现其完全满足水泥混凝土耐久性要求。

⑶通过XRD 分析发现硅酸盐水泥中加入改性渣土后水化产物中有钙矾石生成，钙矾石的存在可以增加结构的致密性。●