陶土添加剂对水泥试块性能的影响

郑宏伟 ,李永荃 ,刘 彬 ,高凯凯 ,赵 宏 ,甫尔海提·艾尼瓦尔 ,刘 威,徐小伟,莫文龙

(1.新疆兴亚工程建设有限公司,昌吉 831199;2.新疆生产建设兵团建筑工程科学技术研究院有限责任公司,乌鲁木齐 833054;3.交通运输部科学研究院,北京 100088;4.贵州省公路工程集团有限公司,贵阳 550008;5.新疆交投建设管理有限责任公司,乌鲁木齐 830099;6.新疆大学化工学院,乌鲁木齐 830046)

随着工业和城市化的发展,固体废弃物的产生量大幅度增加。目前,国内对生活垃圾的处理方式主要是填埋,但是这种方式无法较好地消除白色垃圾,还会占用大量的土地资源,甚至污染土壤及地下水。焚烧可以有效地减小垃圾体积(使之降至原来的20%～30%),相比传统的填埋方式具有一定的优越性,但焚烧后的残余无机物累积量随着垃圾处理量的增加而增多,必须按照规定进行管理和处置。因此,寻找一种简单、绿色、高效、可持续的垃圾处理残余物资源化的方法成为解决环境与能源问题的关键。

生活垃圾焚烧后的产物一般为无机物,具有力学性能良好等优点,可被应用到建筑工程中。章志等[1]将生活垃圾焚烧炉底渣用作干硬性混凝土的集料,发现炉底渣作为干硬性混凝土细集料时,在一定掺量下,对干硬混凝土的力学性能与干燥收缩有积极影响。该研究成果可为解决生活垃圾焚烧炉底渣的处置问题提供参考。胡艳丽等[2]采用城市生活垃圾焚烧底灰制备墙体材料,研究了焚烧底灰的用量对混凝土试块抗折强度和抗压强度的影响,测试了焚烧底灰混凝土试块的导热系数,分析了其热工性能。研究表明,随着焚烧底灰用量的增加,混凝土试块的抗折强度和抗压强度均先增大后减小,最大值分别达到9.97 MPa 和39.81 MPa,而导热系数则逐渐减小,最小仅为0.42 W·m-1·K-1,远低于常规建筑材料,说明垃圾焚烧底灰颗粒孔隙率高、密度低,为保温材料的开发提供了借鉴。郭晓潞等[3]对高钙粉煤灰-城市垃圾焚烧飞灰复合地聚合物中飞灰的加入量开展了试验研究,结果表明高钙粉煤灰基地聚合物中飞灰含量达5%～15%时,其重金属浸出浓度均远低于标准最高限值,复合地聚合物中飞灰的最佳加入量宜控制在10%以内。谢吉星等[4]将飞灰和高岭土作为主要基质,制备了飞灰地聚合物材料,发现飞灰加入量为70%的地聚合物材料的28 d 抗压强度可达19.36 MPa,且重金属浸出试验结果表明,养护28 d 的地聚合物材料中重金属基本无溶出。刘星等[5]分析认为,飞灰(类似于陶土)具有一定的火山灰活性,有望成为辅助性胶凝材料;其对混凝土性能影响的机制较为复杂,主要取决于飞灰的理化性质和预处理工艺。孙涛等[6]利用生活垃圾焚烧炉底渣微粉(类似于陶土)部分代替水泥制备水泥胶砂和混凝土,并测试了二者的抗压强度。结果表明,底渣掺量为10%时,胶砂试件的抗压强度提高,因而底渣可部分代替水泥作为胶凝材料制备混凝土。石东升等[7]测试了不同水胶比和代砂率条件下生活垃圾焚烧灰渣代砂混凝土的抗压强度及微观孔结构参数,并分析了混凝土孔隙结构对力学性能的影响规律。结果表明,焚烧灰渣细骨料混凝土的抗压强度随含气量、气泡弦长和气泡间距系数的增大而减小,随气泡比表面积的增大而增大。灰渣代砂混凝土的抗压强度随气泡分形维数的变化规律与普通混凝土一致,均随气泡分形维数的增大而增大。齐道正等[8]发现以焚烧垃圾灰渣部分或全部替代混凝土中的砂石作为粗细骨料,随着垃圾灰渣掺量的增加,混凝土试块的抗压强度逐渐降低,当灰渣掺量达到60%时,强度降低了约50%。说明这类焚烧垃圾灰渣的强度比砂石低,而且垃圾灰渣骨料的吸水率较高,扫描电子显微镜(SEM)观察结果显示,其中针片状结构含量较高,导致混凝土的工作性能降低。伍浩然等[9]使用焚烧垃圾产生的底灰制备陶瓷砖,并运用正交分析法研究灰渣添加比例、烧结温度、保温时间对陶瓷砖破坏强度、线膨胀率、吸水率等性能的影响。结果表明,高温烧结有效提高了陶瓷砖的致密度,使其破坏强度增大;灰渣添加量增加,破坏强度先增大后减小,与国家标准相比,灰渣添加比例20%、烧结温度1 100 ℃、保温时间13 min 时得到的陶瓷砖样品的性能最优。杨秋菊等[10]基于旋转压实法研究不同再生料掺量(60%、70%、80%)下水泥冷再生混合料的力学性能(抗压强度、劈裂强度及回弹模量)与稳定性能(水稳定性及抗冻性)。结果表明,随着新集料掺量增加,水泥冷再生混合料的最佳含水量降低、最大干密度增大;相同水泥剂量下,掺加新集料后,水泥冷再生混合料的力学性能、稳定性能明显提升。

基于负氧蓄热式工艺,使用远红外热辐射技术处理城市生活垃圾,可得到无机废弃物颗粒,本文称之为陶土。本研究以此作为水泥添加剂,通过工业分析、XRF 和XRD 等了解陶土的成分,考察不同粒径的陶土对水泥试块力学性能和抗凝冰性能的影响。

1 试验部分

1.1 试验原料

试验主要原料为陶土。陶土呈颗粒状、淡黄色,尺寸大小不一,且含有黑色碳质、金属屑渣、白色硬质塑料、谷物皮、玻璃屑渣、鱼骨和小石粒等物质。陶土中所含的元素以硅、铁和钙为主,可以用于制造高温耐火砖,也可以用于提取SiO2,作为水泥胶砂的添加剂。试验用水泥为天山P·O42.5;细骨料为标准砂;水为自来水。

1.2 试验方法

1.2.1 样品的筛分分析

对陶土颗粒进行分级,公称直径＞1.25 mm、0.63～1.25 mm、0.32～0.63 mm、0.16～0.32 mm和＜0.16 mm 的方孔砂石筛从上往下依次排列。将样品置于最上层砂石筛,通过不停晃动,得到不同粒径的陶土。其中粒径＞1.25 mm 的颗粒因较大而未使用,其余四种不同粒径的陶土的质量分数和形貌特征如表1 所示。由表1 可知,陶土经过筛分后,细颗粒占比最大,粗颗粒占比最小。另外,粗颗粒和较粗颗粒含黑色物质相对较多,较细颗粒含浅黄色颗粒相对较多,而细颗粒基本上全部是淡黄色粉末状物质。

表1 不同粒径的陶土的质量分数和形貌特征

1.2.2 试块制备

原材料均在实验室环境(室温为20 ℃)中放置1 d 后进行试验。水泥砂浆配合比为m(水) ∶m(水泥) ∶m(标准砂)=1 ∶3 ∶9,陶土添加量为水泥质量的5%。

将配比好的干物料倒入搅拌锅中慢速搅拌30 s,加入称量好的水,慢速搅拌1 min,再快速搅拌1 min。搅拌完成后,将物料分两次倒入已经在振实台放好的模具中(模具尺寸为40 mm×40 mm×160 mm,使用前在内壁涂上润滑油),然后用刮尺将模具上层刮平,在室温下凝固24 h。待试块凝固好后脱模,将其放置在标准养护室中进行养护。

1.3 分析方法

1.3.1 工业分析

根据《煤的工业分析方法》 (GB/T 212—2008),分析残渣样品中的水分、灰分和挥发分,计算固定碳含量。

1.3.2 XRF 分析

使用X 射线荧光光谱仪(荷兰PANalytical Axios)分析样品的灰分化学成分,基于X 射线与物质相互作用的原理,通过测量物质中荧光辐射的能量和强度来确定样品中的元素组成和含量。

1.3.3 XRD 分析

为了研究陶土的矿物质组成成分,利用X 射线衍射在10°～90°范围内进行扫描。

1.3.4 强度分析

参照《水泥胶砂强度检验方法(ISO 法)》(GB/T 17671—2021)测试抗折强度和抗压强度,每组3 个试块,取结果的平均值。

1.3.5 抗凝冰性能分析

将加入5%陶土细颗粒和未加入陶土的干燥试块放入水中浸泡10 min,再放入-20 ℃的冰箱中,等待2 h 后取出,观察试验现象。

2 结果与讨论

2.1 工业分析结果

不同粒径的陶土的工业分析结果如表2 所示。由表2 可知,所有样品的水分含量都很低;灰分含量都大于83%,且随着粒径变大,样品的灰分也逐渐增多。从挥发分的含量可知,随着陶土粒径减小,挥发分(主要由有机物燃烧产生)也逐渐增加,说明陶土中的有机质主要存在于细颗粒中。也正因为如此,样品中有机质和固定碳的含量越低,越有利于水泥胶砂的水合反应,试块的强度也会相对较高。

表2 不同粒径的陶土的工业分析结果

2.2 元素组成特征

XRF 分析得到的陶土元素组成如图1 所示,陶土中部分元素含量如表3 所示。由于生活垃圾中的物质相对复杂,所以陶土中金属元素的种类比较多,其中Fe、Ca 的含量最高,这可能是原料中含有大量铁屑和含钙化合物造成的。陶土中的Ca 有利于其与水泥中的硅酸盐发生水合反应,加速水泥砂浆和混凝土的强度发展。

图1 XRF 分析得到的陶土元素组成

表3 陶土中部分元素含量 (%)

2.3 晶相结构特征

XRD 分析得到的陶土晶体结构如图2 所示。

图2 XRD 分析得到的陶土晶体结构

由图2 可以看出,陶土在非晶峰26°左右的衍射角对应的强度相对较低,可能是因为其中的固定碳含量较低。XRD 分析结果进一步表明了陶土中Ca、Si 的存在,其中主要含有NaCl、CaCO3、SiO2和KCl,较多的NaCl 和KCl 可以提高试块的抗凝冰性能,SiO2则可以与Ca(OH)2发生水合反应,形成C-S-H 凝胶,提高试块的强度。综上,陶土很适合作为添加剂来提高建筑材料的强度。

2.4 力学性能

添加5%陶土的试块的3 d 抗折强度和抗压强度如图3 所示。

图3 添加5%陶土的试块的3 d 抗折强度和抗压强度

从图3 可以看出,空白样试块的抗折强度和抗压强度分别为6.8 MPa 和19.9 MPa,添加粒径＜0.16 mm 的陶土颗粒的试块,抗折强度提高到7.5 MPa,抗压强度提高到20.5 MPa[11]。这说明粒径＜0.16 mm 的陶土颗粒能明显促进水泥胶砂在硬化过程中的水合反应,从而提高其抗折强度和抗压强度;而添加粒径为0.16～0.32 mm 和0.32～0.63 mm 的陶土颗粒的试块,抗折强度分别下降到5.7 MPa 和6 MPa,抗压强度也有所下降,这可能是因为粒径在0.16～0.63 mm 的陶土颗粒无法形成较为完整的骨架结构,不能充分与水泥发生反应,凝胶效果较差。而添加粒径为0.63～1.25 mm 的陶土颗粒的试块,抗折强度、抗压强度相对于添加粒径为0.16～0.32 mm 和0.32～0.63 mm 的陶土颗粒的试块有所提高,可能是因为大颗粒在其中充当了骨架结构。从力学性能可以看出,加入陶土中的细颗粒能明显提高试块的抗折强度和抗压强度。

2.5 抗凝冰性能

新疆的冬季非常寒冷,昼夜温差较大,道路表面的积雪在中午温度较高时会部分融化,但到了晚上又会结成冰黏结在路面,导致路面的抗滑性能急剧下降,严重影响车辆的操纵稳定性和安全性,因此,需要对路面进行抗凝冰处理。-20 ℃条件下,添加5%陶土的试块的抗凝冰性能如图4 所示。从图4 可以明显看出,未加入陶土细颗粒的水泥试块四周明显结冰而且冰层相对较厚,而加入5%陶土的水泥试块四周没有黏结冰块,冰层厚度也较薄。陶土中存在的多种无机盐组分,具有与抗凝冰涂层相似的储能特性,这一点可从试块的抗凝冰效果上看出。

图4 添加5%陶土的试块的抗凝冰性能

3 结论

本文讨论了不同粒径的陶土对提高水泥试块力学性能以及抗凝冰性能的效果。结果表明,陶土粒径越大,灰分含量越高,挥发分越少。陶土中主要含有Si、Ca、Fe 等元素,SiO2和盐类的含量较高。对试块的力学性能进行测试发现,添加陶土细颗粒能明显促进水泥胶砂的水合反应,从而提高其抗折强度和抗压强度。-20 ℃条件下试块的抗凝冰性能测试显示,添加细颗粒陶土可明显降低结冰层厚度和冰的黏结性,说明陶土中的盐类物质降低了水的冰点,增强了试块的抗凝冰性能。因此,陶土可作为水泥制品的添加剂,实现固体废物的资源化利用。