基于水热合成技术的建筑废料再利用研究

申 琳，李晓刚

(1杨凌职业技术学院,陕西 杨凌 712100；2晶科电力科技股份有限公司，上海 201106)

建筑废料的回收再利用是提高砂石、水泥资源利用效率的一项重要手段，现阶段我国的建筑废料主要包括废弃混凝土和废砖两种，这两种废弃材料主要由未水化水泥颗粒、硬化水泥石和粗细骨料组成，含有丰富的CaCO3，经过简单的煅烧处理可以分解为CaO，结合其他添加料并经过水热合成处理可以生产可供再利用的硅酸盐材料，深入分析水热合成技术在建筑废料再利用中的应用策略，对于降低建筑成本、改善居民生活环境具有十分重要的意义[1-4]。

1 废弃混凝土-废砖混合料的煅烧

1.1 废料来源

选择某项拆迁项目所产生的废弃混凝土和废砖，其中废弃混凝土材料为C40混凝土，废砖材料为粘土砖。

1.2 煅烧处理

废弃混凝土于标准条件下(湿度95%以上、20±2 ℃)养护28d，通过液压式万能试验机实施碾压处理，再于105℃环境下干燥24h，得到干燥混凝土碎料后通过重型球磨机实施6h粉碎处理，最后通过行星球磨机实施研磨处理，直到75μm筛的筛余量不大于5%。废砖同样实施压碎处理，经过105℃、24h干燥处理后，通过重型球磨机对所得到的干燥碎砖实施4h的粉碎处理，最后通过行星球磨机实施研磨处理，直到75μm筛的筛余量不大于5%。将经过预处理的混凝土粉料和砖粉料均匀混合，再将混合物放入煅烧炉中并在830℃环境下加热30min，最终得到废弃混凝土-废砖煅烧产物[5-8]。

2 再生硅酸盐材料的制备

在获取废弃混凝土-废砖煅烧产物的基础上，结合其他添加料并对其实施水热合成处理。称取一定量的燃烧产物，将所需要的外加剂饱和溶液、蒸馏水以及废弃混凝土-废砖煅烧产物置于水泥胶砂搅拌机中搅拌成浆体。于20mm×20mm×20mm的模具中放置20g浆体，于10MPa条件下压制10s，将所得到的块状产物置于蒸压釜中实施蒸压处理，再对经过蒸压处理的块状产物实施24h、50℃的干燥处理，最终获取再生硅酸盐材料。在此过程中，通过力学性能测试来探究硅酸盐材料的具体制备工艺[9-11]。

3 再生硅酸盐材料的制备工艺分析

3.1 水固比对再生硅酸盐材料抗压强度的影响

通过水热合成法制备硅酸盐材料，主要原料为废弃混凝土-废砖煅烧产物，补充钙质原料为分析纯Ca(OH)2，选择四个水固比（0.10、0.15、0.20、0.25）、三个硅钙比（0.7、0.9、1.1）进行配料，利用蒸压釜对混合配料实施蒸压处理，蒸压时间为4h，蒸压温度为203℃，环境压强为1.5MPa。抗压强度测试结果与配料方案分别见表1、表2、表3。

表1 抗压强度和原料配比（硅钙比=0.7）Table 1 Compressive strength and raw material ratio (Si Ca ratio = 0.7)

表2 抗压强度和原料配比（硅钙比=0.9）Table 2 Compressive strength and raw material ratio (Si Ca ratio = 0.9)

表3 抗压强度和原料配比（硅钙比=1.1）Table 3 Compressive strength and raw material ratio (Si Ca ratio = 1.1)

经实验研究发现，在水固比持续增加的过程中，再生硅酸盐材料的抗压强度先增后减。较高的水固比有助于原料充分混合，但多余的水分会使硅酸盐材料在蒸压过程中形成过多孔径，影响抗压强度；较低的水固比有助于减少硅酸盐材料孔径，但易引起混合不均现象，造成表面开裂[12-13]。各组分材料在水固比为0.20的情况下达到最高抗压强度水平。

在硅钙比=0.9的情况下，对水固比为0.1和0.2的两组再生硅酸盐材料实施XRD分析，测试结果如图1所示。经实验研究发现，水固比为0.2的再生硅酸盐材料在蒸压过程中会生成更多的托贝莫来石、CSH(B)等水化产物，使其达到更高的抗压强度水平。

图1 蒸压试件的XRD图谱（硅钙比=0.9）Fig.1 XRD pattern of autoclaved specimen (Si Ca ratio = 0.9)

3.2 蒸压压力与蒸压时间对再生硅酸盐材料抗压强度的影响

当水固比为0.2时，不同硅钙比及蒸压制度下各组再生硅酸盐材料的抗压强度检测结果见表4。

表4 再生硅酸盐材料的抗压强度（MPa）Table 4 Compressive strength of recycled silicate materials (MPA)

经实验研究发现，在不同硅钙比及蒸压制度下各组再生硅酸盐材料的抗压强度最高可达到42.86MPa（硅钙比=0.9、蒸压强度1.5MPa、蒸压时间6h），最低只有31.36MPa（硅钙比=1.1、蒸压强度1.0MPa、蒸压时间4h），这两组再生硅酸盐材料在抗压测试后的外观状况如图2所示。

图2 高、低两种强度再生硅酸盐材料在抗压测试后的外观Fig.2 Appearance of high and low strength recycled silicate materials after compression test

4 结论

根据实验分析结果，废弃混凝土（C40混凝土）和废砖（粘土砖）在经过精磨、煅烧和水热合成处理可以生产出再生硅酸盐建筑材料。进入水热处理阶段后，在硅钙比=0.9的情况下，最佳水固比为0.2，最佳蒸汽强度为1.5MPa，最佳蒸压时间为6h，所生成的硅酸盐材料（20mm×20mm×20mm）抗压强度可达42.86MPa，可满足一般建筑材料的强度要求。