煅烧渣土-白云石对水泥砂浆强度和膨胀性能的影响

陈 登，宋旭艳，何智海

（1.苏州科技大学 土木工程学院，江苏 苏州 215011；2.长江科学院 水利部水工程安全与病害防治工程技术研究中心，武汉 430010；3.绍兴文理学院 土木工程学院，浙江 绍兴 312000）

1 研究背景

白云石作为石灰石的一种伴生矿物，化学式主要为CaMg（CO3）2，其在自然界中广泛存在，可直接作为骨料或辅助性胶凝材料应用在水泥混凝土中［1-3］。但白云石在水泥混凝土的碱性环境中容易发生去白云化反应，生成CaCO3和Mg（OH）2，从而会产生较大的膨胀应力，进而导致水泥混凝土结构的开裂［4-5］，因此，白云石在水泥混凝土中的利用率较低。而白云石在高温煅烧下可以生成MgO和CaO［6］，其中MgO具有水化需水量少、水化产物稳定、膨胀过程可调控的优势，可作为膨胀剂掺入水泥混凝土起到补偿收缩的作用［7-8］。但CaO的水化速度比MgO的要快，需水量大，且膨胀难以控制，特别是很难补偿混凝土的后期收缩，进而限制了煅烧白云石在水泥混凝土中的应用。

随着我国城镇化建设的加快，每年产生的大量建筑垃圾已对环境造成了非常严重的影响，急需对其进行回收处理。在所有的建筑垃圾中，混凝土、砖块和渣土占据了很大的比例［9-12］，其化学成分主要为SiO2和Al2O3，而将建筑垃圾回收再应用到水泥混凝土中，具有明显的环境和经济效益。

本文通过将白云石和建筑垃圾中的渣土一起混合煅烧，将白云石分解产生的CaO与渣土中的SiO2反应形成水硬性矿物β-C2S，得到以MgO和β-C2S为主要矿物的辅助性胶凝材料，研究其对水泥砂浆强度和膨胀的影响，以期提高白云石在水泥混凝土中的应用，同时减轻建筑垃圾对环境的污染。

2 原材料与试验方法

2.1 原材料

水泥为江南小野田水泥厂生产的P·II52.5硅酸盐水泥，密度为3.13 g/cm3，勃氏比表面积为352 m2/kg。白云石粉来自于河北昱远矿业有限公司，密度为2.84 g/cm3，比表面积为310 m2/kg。渣土来自于苏州市高新区某渣土填埋厂，并经过烘干和粉磨等处理制成渣土粉，其比表面积为335 m2/kg。表1为水泥、白云石和渣土的化学组成，渣土中的化学成分主要为SiO2和Al2O3，质量百分比分别为62.43%和13.56%，其他组分含量较低。采用Smart Lab-3kw型X射线衍射仪对白云石和渣土的矿物成分进行分析，其XRD（X射线衍射，X-Ray Diffraction）图谱如图1所示。由图1可见，白云石粉的矿物成分主要为白云石和方解石，渣土的矿物成分主要为石英、钠长石和云母。

图1 白云石粉和渣土粉的XRD图谱Fig.1 XRD patterns of dolomite powder and muck powder

2.2 试验方法

2.2.1 煅烧渣土-白云石的制备

为了尽可能多生成β-C2S，按生料中Ca/Si＝2∶1计算渣土粉和白云石粉的配比比例，计算得到渣土粉和白云石粉的比例为1∶4.26。将渣土粉和白云石粉按计算所得的比例进行混合，同时外掺1%CaF2，在混料机上充分混合均匀后，加入适量的水，倒入净浆搅拌机中快速搅拌均匀，105℃烘干样品，将烘干后的样品分别置于950、1 000、1 050℃的高温炉中煅烧2 h，鼓风急冷，待冷却后进行粉磨，粉体用孔径0.08 mm方孔筛筛分，控制筛余量＜10%。

采用XRD对煅烧渣土-白云石的样品进行矿物成分分析。参照《水泥化学分析方法》（GB/T 176—2017）中“甘油乙醇法”测定样品中的f-CaO含量。采用X射线内标法定量分析样品中MgO含量，内标物为10%ZnO，衍射角为35°～45°，扫描速度为1°/min。

2.2.2 砂浆强度与膨胀的测定

表1 原材料的化学组成Table 1 Chemical compositions of raw materials

将煅烧渣土-白云石以0%～30%的质量百分比取代水泥，按照标准GB/T 17671—1999方法成型水泥砂浆，标准养护 1d后脱模，然后置于 20℃水中养护，测试砂浆强度。砂浆膨胀测试采用装有钉头的25mm×25mm×280mm（长×宽×高）的试件模具，标准养护 1d后拆模，测试其初始长度，然后继续浸泡在水中养护，测试其在水中养护不同龄期的膨胀率。

2.2.3 水化产物分析

将煅烧渣土-白云石样品以 30%的质量百分比取代水泥，以 0.3的水灰比成型，置于 20℃的水中进行养护，养护到规定龄期，破碎取内部核心部位，采用 60℃真空干燥 24h后，研磨成粉，采用 XRD定性分析其水化产物组成。采用 JSM-5900型扫描电子显 微 镜 （ScanningElectronMicroscope，SEM）对样品的微观结构进行观察。

3 结果与讨论

3.1 煅烧渣土-白云石的矿物组成

图2为不同煅烧温度下渣土-白云石的 XRD图谱。由图2可见，煅烧渣土 -白云石的矿物组成主要为石英、方镁石、f-CaO、β-C2S和七铝酸十二钙（C12A7）。这主要是白云石粉在高温下的最终产物主要为方镁石和f-CaO，而f-CaO会与渣土中的SiO2和 Al2O3在高温下发生固相反应生成一定量的β-C2S和 C12A7。同时，随着温度的提高，可以明显看到石英和f-CaO的衍射峰减弱，而β-C2S和C12A7的衍射峰明显增强。

图2 不同煅烧温度下制备的煅烧渣土-白云石的 XRD图谱Fig. 2 XRD patterns of mixtures of muck anddolomite calcined at different temperatures

表2为不同煅烧温度下制备的煅烧渣土-白云石中的 f-CaO和 MgO质量百分比，在 950、1000、1050℃煅烧温度下的白云石与渣土的混合料中MgO 的质量百分比分别为 25.22%、26.45%、27.71%，f-CaO 的质量百分比分别为14.52%、9.78%、5.46%。由此可见，煅烧温度对混合料中的MgO含量影响较小，对其增加幅度有限，而升高煅烧温度能够明显降低 f-CaO的含量，这主要是提高煅烧温度促进了 f-CaO与渣土中的 SiO2和 Al2O3的反应，从而显著减少了 f-CaO含量。考虑到煅烧渣土-白云石应尽可能多生成水硬性矿物 β-C2S，故选取 1050℃煅烧的白云石与渣土混合料作为研究对象，对掺该混合料的砂浆强度和膨胀进行研究。

表2 不同煅烧温度下渣土-白云石的 f-CaO和MgO质量百分比Table 2 Content of f-CaO and MgO in mixtures of muckand dolomite calcined at different temperatures

3.2 煅烧渣土-白云石对砂浆强度和膨胀的影响

图3 为掺 0～30%的 1050℃煅烧的渣土和白云石混合料的水泥砂浆抗折和抗压强度。由图 3可见，3，7，28d水泥砂浆的抗折和抗压强度均随着煅烧渣土-白云石含量的增加而呈现下降趋势，其中掺 5%，10%，20%，30%的煅烧渣土 -白云石的水泥砂浆 28d抗压强度比纯水泥砂浆分别降低了3.85%，5.32%，13.39%，20.92%。养护到 90d时，掺 5%，20%，30%的煅烧渣土-白云石的水泥砂浆抗压强度比纯水泥砂浆分别降低了 2.75%，8.59%，13.92%，而掺 10%煅烧渣土-白云石水泥砂浆的抗折和抗压强度则比纯水泥砂浆的要高，其 90d抗压强度比纯水泥砂浆还要高 3.61%。由此可见，随着养护龄期的增加，煅烧渣土 -白云石水泥砂浆的强度降幅在减小，煅烧渣土 -白云石能够有效地促进复合水泥砂浆后期的抗折和抗压强度发展。

图3 煅烧渣土-白云石对水泥砂浆强度的影响Fig. 3 Effects of calcined mixtures of muck anddolomite on the strengths of cement mortars

图4为掺 0～30%的 1050℃煅烧渣土-白云石的水泥砂浆试件水中养护 180d的膨胀变形曲线。由图 4可见，纯水泥砂浆试件在水中有轻微的膨胀，其最终膨胀率为 0.0038%。而掺煅烧渣土-白云石的水泥砂浆试件在 180d养护周期内均具有明显的膨胀，特别是在养护后期，其膨胀率增加更快。同时，水泥砂浆试件的膨胀率随着煅烧渣土-白云石掺量的增加而增加，掺 10%、20%、30%煅烧渣土-白云石的水泥砂浆试件 180d膨胀率值分别为 0.045%、0.050%、0.065%。由此可见，煅烧渣土-白云石能够明显地提高水泥砂浆试件的膨胀率。

图4 煅烧渣土-白云石对水泥砂浆试件膨胀的影响Fig. 4 Effects of calcined mixtures of muck anddolomite on the expansion of cement mortars

3.3 水化产物分析

图5为掺 30%的 1050℃煅烧渣土-白云石的水泥浆体的 XRD图谱。由图 5可见，3、28、90d的水泥浆体 XRD图谱中均有明显的 MgO和 Mg（OH）2的衍射峰，且随着龄期的延长，MgO逐渐水化生成Mg（OH）2，MgO的衍射峰减弱，Mg（OH）2的衍射峰增强。图 6为掺煅烧渣土-白云石的水泥浆体养护180d的微观结构。从图 6中可以看出，MgO的水化产物Mg（OH）2是致密的层状结构，Mg（OH）2晶粒为细小薄片状，而 MgO水化生成 Mg（OH）2会导致固相体积增加，大量的 Mg（OH）2生成有效促进了水泥砂浆的膨胀。

图5 不同龄期的掺煅烧渣土-白云石水泥浆体的XRD图谱Fig. 5 XRD patterns of cement pastes with calcinedmixtures of muck and dolomite at different ages

图6 掺煅烧渣土-白云石水泥浆体的微观结构和 EDS能谱Fig. 6 Microstructure and EDS spectrum of cementpastes with calcined mixtures of muck and dolomite

3.4 讨 论

煅烧渣土-白云石混合物中的白云石首先在高温下分解产生 MgO和 f-CaO，然后 f-CaO和渣土中的 SiO2和 Al2O3发生固相反应生成β-C2S和C12A7，其反应原理如下：

随着煅烧温度的提高，f-CaO和 SiO2的含量降低，而 β-C2S和 C12A7的含量明显增加。β-C2S具有较好的后期水化活性［13］，而且 C12A7能够显著地促进β-C2S的后期水化［14］，β-C2S水化可生成 C-S-H凝胶，从而降低水泥砂浆的孔隙率。因此，煅烧渣土-白云石能够有效地促进复合水泥砂浆后期强度的发展。

煅烧渣土-白云石中的 MgO可水化生成Mg（OH）2，固相体积增加，从而促进水泥砂浆的膨胀。但由于煅烧渣土-白云石中的 MgO是在较高的煅烧温度下形成的，相比低温轻烧的 MgO，前者活性较低，水化速度缓慢，会产生延迟膨胀［15］。因此，掺煅烧渣土-白云石的水泥砂浆后期的膨胀速率较快，且膨胀量较大。

4 结 论

（1）渣土和白云石的混合物在950～1 050℃可生成β-C2S和C12A7，且随着温度的提高，β-C2S和C12A7的含量显著增加。

（2）水泥砂浆早期强度随着煅烧渣土-白云石含量的增加而呈现下降趋势，但后期强度下降幅度明显减少，其中掺10%煅烧渣土-白云石水泥砂浆的90 d强度甚至高于纯水泥砂浆，这主要是煅烧渣土-白云石中的β-C2S后期水化生成C-S-H，促进了砂浆后期强度的发展。

（3）掺煅烧渣土-白云石的水泥砂浆试件在整个养护周期内均有明显的膨胀，且随着煅烧渣土-白云石掺量的增加而增加，特别是在养护后期，其膨胀率增加更加显著。这主要是由于煅烧渣土-白云石中的MgO可水化生成Mg（OH）2，固相体积增加，从而促进水泥砂浆试件的膨胀。