利用不同颗粒级配的建筑渣土制备硅晶石及其性能研究

谭 俊,田 密,谢贵全,马明龙

(筑邦绿建科技(重庆)有限公司,荣昌 402460)

随着我国建筑行业迅速发展,从2006-2022年,我国的建筑行业房屋施工总面积迅速增长的同时,建筑垃圾的生产总量也在不断增长。建筑垃圾主要包括建筑渣土、废旧砖石等,据相关数据统计,我国建筑垃圾年产出量高达20亿吨[1]。但目前我国针对建筑行业产生的建筑垃圾的处理方式仍不成熟,其中少数用于生产透水砖等低端建材产品,而绝大部分建筑垃圾未经任何处理,直接在郊外露天堆放或填埋,不仅处理费用高,而且在清运和堆放过程中产生的粉尘污染等问题又造成了严重的环境污染[2-4]。另外,建筑垃圾用作路基填充材料的工艺技术也不够成熟,利用率不高[5-7]。因此,将建筑垃圾高效回收利用到建材产品里面才能有效解决废料对城市环境的损害。

目前,利用建筑废料制备建材的研究并不少见,陈建强等[8]以建筑渣土为原料制备出的烧结普通砖抗压强度满足MU10强度要求,各项性能也均合格。王建义等[9]利用建筑渣土和淤泥生产出各项性能优异的高档烧结砖。刘乐等[10]充分利用建筑渣土制备出新型轻质墙体材料,结果表明:建筑渣土轻质墙材用于隔墙用保温条板时各项性能指标满足GB/T23450—2009《建筑隔墙用保温条板》的标准要求。马梦云[11]用添加城市污泥和建筑渣土的煤矸石烧结保温砖。张婧鹏[12]利用建筑废料并添加适量的玄武岩纤维制备出性能优异的玄武岩纤维改性建筑废料再生混凝土。虽然建筑废料在陶瓷建材行业和混凝土建材行业都有所研究,但研究制备出的产品利用率与实用性较高的仍是陶瓷类的烧结建材。

为了最大程度对建筑废料进行回收利用,以不同颗粒级配的建筑渣土为主要原料,引入适量的粘土、长石、青石等无机原料,采用真空挤出成型、高温烧结工艺制备出一种中空轻质材料硅晶石。采取严格控制建筑渣土颗粒级配的方法,通过比较硅晶石表观爆裂情况、体积密度、吸水率以及抗压强度的变化,分析建筑渣土颗粒级配的变化对硅晶石性能的影响,并确定最佳的建筑渣土颗粒级配。

1 试 验

1.1 原材料

1)建筑渣土:试验所用建筑渣土为取自荣昌当地某公司厂房建设过程中产生的废弃渣土。采用美国赛默飞世尔科技公司生产的ARLPERFORMX型X荧光光谱分析仪对样品化学成分进行分析,由此得到建筑渣土样品的主要化学成分见表1;采用日本岛津公司生产的X 射线衍射仪(型号:XRD-7000)测定样品的晶体结构,X射线衍射测试的条件为:Cu靶Kα线,速度8°/min,衍射范围10°～80°,由此得到建筑渣土样品的主要矿物成分见图1。

表1 矿物原料主要化学成分 w/%

从表1可以看出,建筑渣土的SiO2和Al2O3的成分含量超过70%,是制备烧结陶瓷建材的好原料。从图1可以看出,建筑渣土的主要物相为石英(SiO2)和钾霞石(KAlSiO4),这与黏土系列的矿物成分类似。因此,该建筑渣土完全可以用作制备硅晶石的原材料。

2)粘土:塑性原料,灰白色粉末,原料粒度<100目,其化学组成见表1。

3)长石:熔剂型原料,淡黄色粉末,原料粒度<100目,其化学组成见表1。

4)青石:瘠性骨料,原料粒度<8目,其化学组成见表1。

1.2 配合比

不同编号的试验原料与配比都相同,如表2所示。调整配方中不同颗粒尺寸的建筑渣土的掺量,选用8～20目、20～40目、40～100目和<100目4种颗粒级配的建筑渣土,建筑渣土总掺量固定为70%,配方中建筑渣土具体的颗粒级配如表3所示。

表2 试验配合比

表3 建筑渣土颗粒级配

1.3 方法

1)产品制备:将所有原材料按照表2和表3中的配比进行称量,然后依次加入到搅拌机中,搅拌机转速为100 r/min,搅拌时间为5 min;干粉料搅拌均匀后加水进行搅拌,搅拌机转速调整到250 r/min,混料时间为15 min。混合均匀的泥料含水率在13%～18%,陈腐1～3 d提高泥料的均匀性和塑性,然后传送到真空练泥挤出机中进行练泥挤出,挤出时保证挤出机绝对真空度控制在0.09 MPa以上。挤出后的坯体为中空结构,截面尺寸宽×厚为50 mm×30 mm,将挤出的坯体切割成长度为120 mm的样品。挤出的样品在室温条件下干燥1～3 d,样件含水率≤13%后放入70 ℃的低温干燥箱干燥20～28 h,样品含水率≤7%后放入120 ℃的中温干燥箱5～8 h,当样品含水率≤1%时放入烧结电炉进行高温烧结,烧结温度为1 020 ℃,烧结时间为30 min,自然冷却到室温后取出样品。

2)表观爆裂情况:在进行试验前将其他已经存在的外观缺陷作好标记以免影响试验结果,然后将样件完全浸入常温水中72 h后取出,检查每块样件上因石灰爆裂而造成的外观缺陷,记录其尺寸和数量。

3)体积密度:样件的体积密度按式(1)计算,结果精确至0.01%。

(1)

式中,ρ、M、a、b、c分别为样件体积密度(kg/m3)、样件质量(kg)、样件长度(m)、样件宽度(m)、样件厚度(m)。

4)吸水率:将样件表面清理干净,除去粉尘后称其干质量,将干燥试样浸入水温10～30 ℃的水中24 h后取出试样,用毛巾拭去表面水分后立即称量。样件的吸水率按式(2)计算,结果精确至0.01%。

(2)

式中,W、M1、M2分别为样件吸水率(%)、样件浸泡水之前的质量(g)、样件浸泡24 h并拭去表面水分后的质量(g)。

5)抗压强度:将烧制出的样件利用全自动抗折抗压试验机进行抗压强度的测试。具体测试过程如下:将样件放置于压力机压板中心后启动压力机,需保证试验机上压板与样件上表面均匀接触,持续加压直至样件破坏后记录当时破坏载荷,抗压强度数据保留至0.01 MPa。

2 结果与讨论

1)不同颗粒级配建筑渣土对硅晶石表观爆裂的影响

样件表观石灰爆裂的情况如表4所示。从表4中可以看出,样件表观爆点数量随着配方中建筑渣土粗颗粒掺量的降低而减少,当建筑渣土整体粒径小于40目,且小于100目的颗粒占比40%以上时,样件表观几乎不发生石灰爆裂现象。这主要是因为建筑渣土颗粒越细,搅拌后原料中的石灰石细颗粒越分散,避免了烧结成品内部生石灰颗粒的聚集,防止了水化所产生的集中应力,因此产生爆裂的数量减少。

表4 样件表观石灰爆裂情况

2)不同颗粒级配建筑渣土对硅晶石体积密度的影响

样件体积密度测试结果如图2所示。从图2中可以看出,随着建筑渣土细颗粒的增加,样件的体积密度逐渐增大,由于细颗粒建筑渣土在烧结时充分熔融,产生较多液相,样件致密性增加,气孔率降低,因此样件的体积密度增大。

3)不同颗粒级配建筑渣土对硅晶石吸水率的影响

各样件吸水率测试结果如图3所示。从图3中可以看出,随着建筑渣土细颗粒的增加样件的吸水率逐渐降低,在J6处吸水率基本保持不变。这是因为细颗粒建筑渣土比表面积大、烧结活性大,烧结时充分熔融软化,细颗粒越多产生的液相越多,坯体变得越密实,使得气孔率降低,水分子不易进入坯体内部;产生的液相达到饱和时,吸水率不再降低。因此吸水率降低到一定值后不再变化。

4)不同颗粒级配建筑渣土对硅晶石抗压强度的影响

样件抗压强度如图4所示,随着建筑渣土细颗粒掺量逐渐增加,样件的抗压强度也逐渐增大,在J6处达到最大为9.38 MPa,此后随着建筑渣土细颗粒掺量逐渐增加抗压强度降低。这是因为细颗粒原料越多越促进烧结液相的生成,但液相过多时就会导致配方中的骨料失去作用,从而抗压强度降低。

3 结 论

a.建筑渣土主要物相为石英(SiO2)和钾霞石(KAlSiO4),采用建筑渣土为主要原料制备中空结构的轻质材料硅晶石,总掺量可以高达70%,实现了对建筑废料的高效回收利用。

b.提高配方中建筑渣土细颗粒的掺量,可以降低硅晶石烧结后产生爆裂的风险。当建筑渣土整体粒径小于40目,且小于100目的颗粒占比40%以上时,样件表观几乎不发生石灰爆裂现象,综合性能即抗压强度、吸水率也最佳,体积密度小于850 kg/m3。