深圳地区风化花岗岩渣土在建筑材料中的应用实验研究

李华军 曾利群 鄢雨南 陈信峰

(1 湖南工学院；2 深圳市百源泰实业有限公司；3 深圳市万城混凝土有限公司龙华分公司)

0 前言

深圳地区在各种开发城市建设和开发过程中会产生工程渣土，而渣土处置方式以堆填为主，每年数亿吨的渣土被运往渣土场进行堆填，占用了大量土地；同时，许多渣土场未经专业设计且运营过程不规范，导致渣土边坡存在失稳风险，易引发安全事故(如2015 年12 月20 日深圳光明新区红坳渣土场发生滑坡事故[1])。然而，深圳地区是一个建筑材料比较缺乏地区，每年城市建设所需近亿吨水泥、粗细集料要从100km 外的地区运入，从而产生大量运输成本，进而提高了建筑成本。

深圳地区的表层土是一种风化程度较高的风化花岗岩土，除了粗细不均游离石英颗粒外，还含有高岭土、钾长石和云母以及少量的铁锰等矿物[2]。如果将深圳地区工程渣土进行加工处理，使之成为诸如机制砂和混凝土增强剂(或称为水泥增强剂)等建筑材料，变废为宝。这样，不仅可以解决部分工程渣土的处置问题，而且可为深圳地区提供部分建筑工程用砂和混凝土矿物掺合料，在经济上做到一举两得；而且能减少因工程渣土运输产生扬尘等环境问题。对深圳地区经济、社会发展以及环境保护具有积极意义。因此，本文选择深圳地区含中砂的工程渣土进行机制砂和洗砂泥煅烧处理，使之变为建筑材料的可行性进行实验研究，即对含中砂的工程渣土先进行水化整形制砂工艺可行性进行实验探讨，然后对水化泥干燥和煅烧处理，并通过水泥胶砂强度实验检测其火山灰活性。探究其能否作为水泥基材料的矿物掺合料。

1 原材料和实验方法

1.1 原材料

⑴工程渣土：深圳地区风化花岗岩工程渣土因所处地区和风化程度不同，分为含细颗粒石英砂(或无石英砂)土、含中等颗粒石英砂土和含粗颗粒石英砂土三种，详见图1。本研究选择含中等粒度的石英砂渣土进行初步实验研究。

图1 深圳风化花岗岩土原矿图

⑵水泥：采用广东英德海螺水泥有限责任公司的P.O42.5R 散装水泥。生产厂家提供的水泥的基本性能如表1 所示。

表1 广东英德海螺水泥的基本性能

⑶标准砂：使用厦门艾斯欧标准砂有限公司产品。

1.2 实验工艺流程

深圳地区风化花岗岩渣土作为建筑材料的实验包括机制砂和洗砂泥煅烧处理两个阶段，其实验工艺流程如图2 和图3。

图2 渣土制备机制砂实验工艺流程

图3 煅烧洗砂泥的火山灰活性检测工艺流程

1.3 实验方法

⑴机制砂细度模数检测：按照《建设用砂》(GBT14684－2011)的相关规定进行。

⑵洗砂泥煅烧前后成分分析：洗砂泥粉和600℃煅烧的洗砂泥的化学成分采用日本津岛公司生产的XRF-1800 波长色散X 射线荧光光谱仪进行测试，短窗Rh 靶X 射线管，SC/FPC 检测器，30mm 光阑，扫描范围为Na～U；而其矿物成分采用日本RIGAKU 公司生产的D/NIX-BIA 型X 射线衍射仪进行测试，仪器采用铜靶，石墨单色器，管压30mA，其扫描角度(2θ)在5～80°，扫描速度10°/min，步长0.02°，稳定度优于1wt%。

⑶洗砂泥干燥粉和煅烧粉的无定型物含量检测：准确称取0.1g(称准至0.0001g)岩样，置于50ml 聚四氟乙烯瓶中，加入20ml 1.5mol/L 的氢氧化钠溶液，加盖密封，于沸水浴中加热1h～1.5h，冷却后转移至100ml玻璃离心试管中进行离心分离，倒出溶液，再加20～30ml 蒸馏水玻璃离心管中，充分混合均匀后再进行离心分离，倒出溶液，重复进行3～4 次，最后将带渣玻璃离心管置于干燥箱中在105℃下干燥至恒重，分别称量干燥恒重空玻璃离心管(W1)和干燥恒重带渣玻璃离心管的质量(W2)。根据下式可粗略计算出洗砂泥中无定型物相对含量(P%)。

⑷煅烧泥粉的水泥胶砂强度实验：分别用600℃、650℃煅烧的洗砂泥以5%、10%、15%和20%替换水泥，按照《水泥胶砂强度检验方法(ISO 法)》(GB/T17671－1999)的规定进行水泥胶砂试块制作；采用《水泥胶砂流动度测定方法》CGB/T2419－2005)的规定进行水泥胶砂流动度测定，抗折、抗压强度检测；试块编号为ZH20-11～14 和ZH20-21～24。

2 实验结果与讨论

2.1 整形工艺对机制砂的影响

风化高岭土型渣土通过0.075mm 筛水洗可得到约为41.5%烘干砂，其中粒径大于4.75mm 约占17.33wt%，且含有少量土状颗粒。因此，水洗得到的原砂必须进行整形，使砂的颗粒级配和细度模数等指标达到国家标准要求，故分别选择颚式破碎机整形工艺和盘磨整形工艺进行原砂整形试验(间隙为5.0mm)。原砂和不同整形工艺得到的整形砂的技术指标检测结果如表2。

由表2 可知，水洗砂的压碎值虽然基本符合《建设用砂》[3]国家标准要求，但其颗粒级配与国家标准要求有着天壤之别，因此，为了满足建材生产要求，必须进行整形处理。从采用颚式破碎整形工艺和盘磨整形工艺(大规模生产采用辊压整形) 得到的机制砂性能检测结果(如表2)得知，虽然两种整形工艺得到的机制砂的颗粒级配基本符合机制砂国标Ⅱ区要求，细度模数也在中砂范围内，但是，颚式破碎工艺整形砂的压碎值比盘磨工艺整形砂的大16.7%，表明颚式破碎工艺整形砂机械强度比盘磨工艺整形砂的机械强度差很多。这是因为颚式破碎工艺基于机械力冲击和挤压而使大颗粒物料碎裂，而盘磨工艺主要依靠机械力的挤压和摩擦而使大颗粒物料碎裂；显然机械冲击使物料颗粒产生的微裂纹比其他破碎方式要多，而且裂纹深度要深。从而使颗粒机械强度大幅度降低。

表2 原砂和不同整形工艺得到的整形砂的技术指标检测结果

2.2 煅烧温度对洗砂泥的组成的影响

偏高岭土(MK)是以高岭土(分子式为Al2O3·2SiO2·2H2O，简写为AS2H2)为原料，在适当温度下(700～800℃)经脱水形成的无水硅酸铝(Al2O3·2SiO2，AS2)。高岭土的结构特点：层与层之间是由范德华键结合在一起的层状硅酸盐，在高温加热时，其结构会发生很多次的调整，当温度达到约550℃时，高岭土的层状结构开始被破坏，发生脱水，从而产生了过渡相结晶程度非常差的偏高岭土[4]；达到700℃时，高岭土脱水过程基本结束。

深圳风化花岗岩渣土经过机械制砂后，还剩下干基重量约为60%洗砂泥。其主要矿物由高岭土、长石、云母以及少量细小石英颗粒与有机物组成。MK 作为一种增强水泥基材料的力学性能和耐久性能高火山灰活性掺合料已在建材和建筑行业得到了初步应用。将洗砂泥中高岭土通过热处理，使之成为增强水泥基材料的力学性能和耐久性的矿物掺合料，不失为使洗砂泥变废为宝的很好的途径。

于是，将洗砂泥干燥制粉后，分别在600℃、650℃温度下煅烧2.5h，然后快速冷却，并进行成分分析，采用水泥胶砂强度实验初步探讨了煅烧洗砂泥的火山灰活性。105℃烘干洗砂泥粉和600℃煅烧洗砂泥粉半定量化学成分分析检测结果(即XRF)分别如表3 和表4；其矿物成分定量分析检测结果(即XRD 图谱)分别如图4 和图5；105℃烘干洗砂泥粉和600℃、650℃煅烧洗砂泥粉无定型物质含量分析结果如表5。

表5 不同状态下洗砂泥粉无定型物质分析结果 (单位：wt%)

由表3、表4 可知，105℃烘干洗砂泥粉在650℃温度下煅烧后，诸如SiO2、Al2O3、K2O 等氧化物含量有所增加，而烧失量降低了4 个百分点，这说明洗砂泥中有机物发生了挥发，及其部分矿物的结晶水的脱除，即洗砂泥中高岭土发生了脱水转变成为偏高岭土。由图4、图5得知，在650℃温度下煅烧高岭土矿物相对含量为24.54%的洗砂泥，急冷后的煅烧粉体中高岭土矿物相对含量仅为1.67%，由此也证实了洗砂泥中大部分高岭土发生了脱水转变成为偏高岭土。在105℃烘干洗砂泥粉和600℃、650℃煅烧洗砂泥粉无定型物质含量分析结果显示，虽然烘干洗砂泥中可溶性SiO2、Al2O3及其他无定型物质的相对含量只有4.56%，然而，经600℃、650℃煅烧洗砂泥粉无定型物质的相对含量增加了4 倍，然而，和洗砂泥中高岭土矿物相对含量的变化不相对应。李阳[4]研究发现，高岭石当加热到550℃左右开始发生脱羟反应，其结构内的羟基开始以水的形式溢出，同时吸收大量的热量，到700℃时，高岭石结构内的羟基大部分逸出转变为非晶态的偏高岭石；到970℃时，偏高岭石进一步相变开始形成硅铝尖晶石。因此，洗砂泥中大部分高岭土虽然在650℃煅烧时发生了脱水，但是，由于环境能量不足以使其结构链断裂，使之全部转变为自由基SiO2和Al2O3，所以，洗砂泥中高岭土在650℃时只有部分转变为可溶性SiO2、Al2O3。

表3 干燥洗砂泥的化学成分(105℃烘干粉) (单位：wt%)

表4 煅烧洗砂泥的化学成分(650℃煅烧粉)(单位：wt%)

图4 105℃干燥深圳风化花岗岩洗砂泥XRD 图谱

图5 650℃煅烧深圳风化花岗岩洗砂泥XRD 图谱

另外，由图4、图5 可以看出，云母矿物由烘干洗砂泥中的33.88%相对含量降低至600℃煅烧粉体中的30.88%相对含量，说明洗砂泥中部分云母矿物经650℃煅烧后，也发生了脱水转变为无定型物质。根据相关资料[5]得知，黑云母化学式约为K(Mg，Fe)3AlSi3O10(F，OH)2，加热至900℃时脱水。1100℃时分解为磁铁矿或镁铁矿与石榴石；而白云母的化学成分为KAl2(AlSi3O10)(OH)2。350～450℃开始发生脱水，在700℃左右脱水完毕。由表3、表4 得知，洗砂泥中MgO 含量仅为0.30wt%，故洗砂泥中的云母主要为白云母，故由部分白云母已经发生脱水分解无定型物质。因此，洗砂泥经煅烧后产生的无定型物质是高岭土和云母在高温下发生脱水分解的结果。

2.3 煅烧制度对热处理洗砂泥的火山灰活性的影响

分别600℃、650℃煅烧的洗砂泥以5%、10%、15%和20%替换水泥，按照《水泥胶砂强度检验方法(ISO 法)》(GB/T17671－1999)的规定进行洗砂泥的火山灰活性试验。其水泥胶砂流动度，3d、7d 和28d 的抗折、抗压强度试验结果与纯水泥胶砂相应性质试验结果的比值如表6 所示。

由表6 可知，随着煅烧洗砂泥粉的替换量的增加，水泥胶砂流动度随之降低，并且煅烧温度提高，水泥胶砂流动度降低更多，说明要达到纯水泥胶砂相同的流动度，需要在标准用水量225g 基础上添加一定量的水。由于洗砂泥中高岭土经煅烧后脱羟转变为具有多孔结构的偏高岭土，其活性比较高，对水分子具有较强的吸附作用，从而参与形成水泥胶砂浆体的水减少而使其流动度降低[6-7]。

另外，由表6 可知，采用煅烧洗砂泥替换部分水泥后，3d 和7d 的抗压强度都低于纯水泥胶砂试块的强度，而且随着煅烧洗砂泥粉的替换量的增加，3d 和7d的抗压强度也随之降低；而其抗折强度降低幅度明显比抗压强度的小。但是，28d 的抗折、抗压强度都比纯水泥胶砂试块的高，而且在10wt%与20wt%存在一个最佳替换量，使其胶砂试块的抗折、抗压强度达到最大值；3d到7d 和7d 到28d 抗压强度增长幅度都明显高于纯水泥胶砂的抗压强度增长幅度。这说明煅烧洗砂泥因其中高岭土转变为偏高岭土而具有较好的火山灰活性。TIRONI,A 等[8]研究表明偏高岭土(MK)在水泥水化前期主要稀释了水化体系中活性水泥组分含量，妨碍了水泥前期水化，其MK 替换量越大对前期水化影响越明显；而水化中后期，MK 能与水泥水化产物氢氧化钙(CH)发生火山灰反应，生成更多的C-S-H 凝胶和水化铝硅酸盐C-S-Al-H 相。同时，MK 还可以作为氢氧化钙的成核中心而加速水泥的水化进程。以上两种效应综合作用使其水化中后期弥补了前期因稀释作用而带来的负面影响，从而强化水泥中后期水化而使之后期水化产物的力学性能显著增强。曹永丹等[9]采用X 射线衍射、热重和扫描电镜等研究方法研究锻烧煤研石掺量对水泥胶砂力学性能和水化产物微观结构的影响时也持有以上相同观点。

表6 深圳风化高岭土洗砂泥热处理干粉水泥胶砂强度试验结果

但是，笔者认为在用水量不变情况下，掺有偏高岭土水泥胶砂试块早期强度较低原因是双稀释效应造成的。一是偏高岭土替换使水泥浆体参加水化反应活性水泥组分的减少，二是由于具有多孔结构的高活性偏高岭土在早期吸附大量水分子，使之参与水泥浆体水化反应的水相应急剧减少。CYR,M 等[10]研究表明，在相同流动度下，掺有偏高岭土的水泥胶砂的3d 和7d 的抗折、抗压强度均高于纯水泥胶砂的强度，其机理是粒度较细偏高岭土可在养护早期为水泥熟料提供水化的活性位点，加速水泥的早期水化进程(称之为物理效应)。许溥超[4]在偏高岭土对水泥水化过程影响的机理研究时也出现同样的现象。

3 结论

通过对深圳风化花岗岩渣土进行机制砂制备和其煅烧洗砂泥火山灰活性的实验探讨，初步得出如下结论：

⑴含中颗粒砂的工程渣土经水洗、机械整形等工序可获得约40%，颗粒级配和细度符合《建设用砂》国家标准要求的中级机制砂，盘磨加工的比颚式破碎加工的质量好；

⑵洗砂泥经过600℃高温煅烧后，其中大部分高岭土和少量的云母发生脱水转变为偏高岭土和无定型的SiO2和Al2O3等；

⑶600℃和650℃高温煅烧深圳工程渣土洗砂泥都具有较好的火山灰活性，且其火山灰活性随着煅烧温度提高而增大，最佳替换量在10wt%与20wt%之间；在固定水灰比条件下，水泥胶砂试块的早期强度较低，而中后期的强度发展较快，28d 的抗压强度一般高于纯水泥胶砂试块的8%以上。

⑷深圳风化花岗岩渣土经过加工处理，基本上可全部用于建筑材料的生产，不产生“三废”。不仅可解决深圳工程渣土的处置问题，而且可产生非常可观经济效益，对环境保护具有积极意义。

本实验研究初步探讨了深圳风化花岗岩工程渣土用于建筑材料生产的可行性，但由于工程渣土洗砂泥由石英、钾长石、高岭土、云母组成，虽然钾长石的分解温度在1100℃以上，但云母在700℃完全脱水转变为无定型物质。虽然600℃、650℃煅烧的洗砂泥的火山灰活性较好，但其中高岭土没有发生完全脱水转变为偏高岭土，云母只有少量发生脱水转变为无定型物质。因此，还需对650～800℃温度下煅烧洗砂泥的火山灰活性效应进行研究，探究其最佳煅烧温度。另外，洗砂泥中含有约6.5%的K2O+Na2O，存在于洗砂泥的钾长石和白云母晶体中，如果在700～800℃温度下煅烧，白云母完全发生脱水转变为可溶性K2O(含量约为3wt%)，按照国家标准，碱含量按Na2O+0.658K2O 计算，那么，煅烧洗砂泥中碱含量约为4.5wt%，可溶性碱含量约为2.5wt%。如果煅烧洗砂泥替换量为15wt%，可为水泥混凝土增添约为0.4wt%可溶性碱含量，虽然与水泥混凝土碱含量国家标准要求低一段距离(国标要求≤1wt%)，但对水泥混凝土的强度和耐久性影响程度不得而知，需要进一步进行试验探究。