建筑及砌塊廢棄物在水泥熟料生產過程中作為生料原料的應用

　　摘要：:本文的目的在于研究利用建筑及砌塊廢棄物(C & D)作為硅酸鹽水泥生料替代物的可能性。本文所以使用的廢棄物料均是來自于希臘阿提卡地區(qū)大量被拆毀的建筑物中回收的混凝土料塊(RCA)和砌塊(RMA)。RCA和RMA 樣品的選擇依據是它們的鈣質和硅質含量均符合普通硅酸鹽水泥生料的配料原料成分組成要求。因此，試驗中制作了六組水泥生料的樣本：一組為普通的原料，作為對照樣品，另外五組樣本分別適量摻入不同比例的RCA和RMA。試驗通過在一定含量的游離氧化鈣（f-CaO）的基礎上將樣品置于1350℃、 1400℃和 1450℃下進行燒結以評估不同摻量對生料燒結的影響。測試結果表明，添加的回收料塊不但不會對水泥熟料的性能產生負面影響，并且還能改進水泥生料的生料易燒性。此外，本實驗結果也可以在形成的生成熟料(在1450℃燒結)的主要成分(C₃S、C₂S、C₃A、C₄AF)的x射線衍射(XRD)試驗結果中得到證實。

　　　　1.概述

　　目前，在大多數工業(yè)化國家，基于從廢棄物再利用的環(huán)境效益考慮，對建筑廢棄物和廢棄的砌塊(C&D)的研究被認為很有吸引力。由于C&D廢棄物大多是惰性物料，它們已經大量應用于各種應用工程中，例如道路路面材料、 地下層施工、 穩(wěn)定土壤工程、隧道改進、生產混凝土制品的許多類別等等 (西蒙茲集團，1999 年 ；Cuperus 科技布恩，2003年）。特別是再生的混凝土、 磚和瓷磚，其中包括了最大量的 C & D 廢棄物（Oikonomou，2004年），為它們作為骨料代替物提供了廣泛的機會。另一方面，今天的水泥行業(yè)正朝著使用替代物代替水泥熟料生產所需的生料原料的總趨勢發(fā)展。為此，有人建議使用一些材料，主要是廢棄物和其他工業(yè)生產過程中的副產品來作為替原料（Bhatty 等人，2004年）。研究發(fā)現有些材料材料，如石灰?guī)r、 水泥窯灰、 渣、 粉煤灰、 底灰、 鋁土礦、 稻殼灰、 紅泥等，可以提高水泥生料的生料易燒性而不會顯著影響水泥熟料的性能(Bhatty等人，2004年；Tsakiridis等人，2004年；Krammart &Tangtermsirikul，2003 年 ；卡卡利等人，2003 年 ；Bhatty等人，2002 年）。此外，使用天然原料可以使采石場的影響最小化、 減少水泥廠對當地環(huán)境的影響，并且使水泥工業(yè)在資源回收方面扮演重要的角色。

　　本文研究了從拆毀的建筑物中回收的混凝土料塊(RCA)和回收砌體(RMA)作為硅酸鹽水泥生料替代物的潛在使用性能。試驗對不同適當比例摻入量的水泥生料的制備以及在各種溫度下混合物生料的生料易燒性研究給予了特別重視。此外，產生的熟料（在1450 ℃燒結)通過x射線衍射(XRD) 檢測了其主要相(C₃S、 C₂S、C₃A和C₄AF），以確保完燒結進行完全。

　　2.試驗

　　2.1實驗材料

　　RCA和RMA樣品是從希臘阿提卡地區(qū)建立的垃圾回收回收站回收到的。應注意到的確切來源和樣品的年齡是未知的。RCA樣本的粒度為0-8毫米，而RMA樣本的粒度大于32毫米。為了在90μm的篩余量與硅酸鹽水泥生料（大約12%）相近，研究中使用的材料在實驗室里經球磨機粉磨到了一定的細度。根據 RCA和RMA 樣品的化學分析，他們的鈣質和硅質含量證實是不同的 (Galbenis &Tsimas，2004年）。硅酸鹽水泥生料來源于希臘一家水泥生產企業(yè)，其90μm 篩余量為 12%。表一列出上述材料的化學成分。

　　表1 試驗中使用的原料化學成分(% w/w)

　　上述材料的化學成分使用的是牛津 MDX 1000 光譜儀x射線熒光法

　　2.2 水泥生料制備，燒結過程和煅燒產物

　　實驗所用的五個樣本是在硅酸鹽水泥生料中摻入適當比例的RCA和RMA混合而成。第六個樣品是從從水泥企業(yè)獲得的硅酸鹽水泥生料，作為空白對照組。所有混合物樣品都要在實驗室的球磨機中進行粉磨并混合均勻，其均勻性可以通過檢測1100℃時的燒失量來判定?；旌暇鶆蚝? 樣品在90μm篩的篩余量是相同的（大約7%）。燒結過程在所有混合物樣品中是相同的的。水泥生料首先被做成直徑為2厘米的小球，然后在110℃溫度下干燥一天。然后，將它們放在溫度為1350℃、1400℃和1450℃電爐中一小時。在燒結結束后 ，樣品被置于空氣中迅速冷卻。對生料易燒性影響是基于在以上溫度下燒結反應中未反應的氧化鈣(fCaO)做出評估的。游戲氧化鈣含量是根據標準乙二醇方法（ASTM C114 03）確定的。運用西門子D5000 x射線衍射儀對燒結產物(在1450 °C燒結)進行礦物的分析，以確定燒結的完全性。所有圖形都是在5 °到65 ° 呢范圍內已2θ的范圍掃描獲得的。對所有樣本，測試速率均為0.02 °^.min-1。

　　3.結果與討論

　　3.1 原料的混合比例

　　基于對硅酸鹽水泥生料、RCA和RMA的化學成分的分析（表1）及目標產生熟料在相同制作工藝下與標準生料的熟料在相同石灰飽和系數(LSF)下的比比較分析，我們確定了所需的混合比例。表二列出了本文中使用的水泥生料組成。

　　表 2原材料的混合比例 (% w/w)

　　表3列出了生料的率值  硅率：Silica Moduli (SM), 鋁率：Alumina Ratio (AR) ；水硬率：Hydraulic Moduli (HM) . 此表包含了率值的限制范圍和常用值。

　　表3 水泥生料的率值

　　LSF=C/(2.8S+1.18A+0.65F), SM=S/(A+F), AR=A/F, HM=C/(S+A+F); C,S,A,F: % 表示生料中 CaO, SiO₂, Al₂O₃ 和Fe₂O₃的含量百分數

　　在表中可以看出LSF以及HM在所有生料中是保持不變的，這對于LSF尤其重要，因為它在生料的易燒性方面發(fā)揮了重大作用。但SM和AR隨著RCA和RMA在生料中的百分比增加而增加，雖然都在限制水平范圍內。

　　3.2水泥生料易燒性研究

　　水泥生料的反應活性是通過在一定游離氧化鈣（f-CaO）含量的基礎上分別在1350℃、1400℃和1450℃溫度下進行燒結來評估的，如表4所示。在表4上給出了給生料易燒性（BC）的計算值，BC根據以下公式（Kolovos，2003年）計算： BC=3.75(f-CaO1350℃+f-CaO1400℃+2f-CaO1450℃) /（f-CaO1350℃ ）1/4

　　我們可以看到，摻入的再生料塊硅酸鹽水泥生料料替代物可以提高對照料硅酸鹽水泥生料（CRMRef）的生料易燒性。各組改性水泥生料的BC值反映出改性水泥中游離CaO的含量顯著減少。上述結果還反映出了減少熟料煅燒溫度的可能性。生料易燒性改善的原因可能是添加的再生料塊組分中的材料（水泥、磚）已經在高溫條件煅燒過了，因此，它們在形成水泥熟料的主要相階段需要更少的能源。

　　3.3熟料產品的礦物分析

　　圖1反映了熟料產物（在1450℃下燒結）的XRD分析結果

　　應當指出的是，礦物主要的組成相，既C₃S、C₂S、C₃A、C₄AF在所有熟料的顏射圖譜中均有呈現，這意味著添加的回收料不會影響生成的熟料的礦物組成。此外，燒結的完整性也得到了證實。從CRMRef的圖譜中，可以看到較高的f-CaO吸收峰，這與生料易燒性研究的結果相吻合。

　　4. 結語

　　RCA和RMA作為硅酸鹽水泥熟料生產過程中所需的生料替代品應該是可行的。上述結果顯示，試驗使用的樣本可以大量（甚至100%）取代硅酸鹽水泥生料而不影響改性水泥的特性（生料化學組成率值）。試驗還表明改進的水泥生料易燒性得到了改善，與對照組的生料相比，所有改進組的游離氧化鈣的含量均大幅度降低。對生成的熟料而言，應該說所有樣本均較好形地成了主要的礦物組成相信。XRD分析也證實了基于f-CaO含量的生料易燒性研究結果。