建筑及砌块废弃物在水泥熟料生产过程中作为生料原料的应用

　　摘要：:本文的目的在于研究利用建筑及砌块废弃物(C & D)作为硅酸盐水泥生料替代物的可能性。本文所以使用的废弃物料均是来自于希腊阿提卡地区大量被拆毁的建筑物中回收的混凝土料块(RCA)和砌块(RMA)。RCA和RMA 样品的选择依据是它们的钙质和硅质含量均符合普通硅酸盐水泥生料的配料原料成分组成要求。因此，试验中制作了六组水泥生料的样本：一组为普通的原料，作为对照样品，另外五组样本分别适量掺入不同比例的RCA和RMA。试验通过在一定含量的游离氧化钙（f-CaO）的基础上将样品置于1350℃、 1400℃和 1450℃下进行烧结以评估不同掺量对生料烧结的影响。测试结果表明，添加的回收料块不但不会对水泥熟料的性能产生负面影响，并且还能改进水泥生料的生料易烧性。此外，本实验结果也可以在形成的生成熟料(在1450℃烧结)的主要成分(C₃S、C₂S、C₃A、C₄AF)的x射线衍射(XRD)试验结果中得到证实。

　　　　1.概述

　　目前，在大多数工业化国家，基于从废弃物再利用的环境效益考虑，对建筑废弃物和废弃的砌块(C&D)的研究被认为很有吸引力。由于C&D废弃物大多是惰性物料，它们已经大量应用于各种应用工程中，例如道路路面材料、 地下层施工、 稳定土壤工程、隧道改进、生产混凝土制品的许多类别等等 (西蒙兹集团，1999 年 ；Cuperus 科技布恩，2003年）。特别是再生的混凝土、 砖和瓷砖，其中包括了最大量的 C & D 废弃物（Oikonomou，2004年），为它们作为骨料代替物提供了广泛的机会。另一方面，今天的水泥行业正朝着使用替代物代替水泥熟料生产所需的生料原料的总趋势发展。为此，有人建议使用一些材料，主要是废弃物和其他工业生产过程中的副产品来作为替原料（Bhatty 等人，2004年）。研究发现有些材料材料，如石灰岩、 水泥窑灰、 渣、 粉煤灰、 底灰、 铝土矿、 稻壳灰、 红泥等，可以提高水泥生料的生料易烧性而不会显著影响水泥熟料的性能(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场的影响最小化、 减少水泥厂对当地环境的影响，并且使水泥工业在资源回收方面扮演重要的角色。

　　本文研究了从拆毁的建筑物中回收的混凝土料块(RCA)和回收砌体(RMA)作为硅酸盐水泥生料替代物的潜在使用性能。试验对不同适当比例掺入量的水泥生料的制备以及在各种温度下混合物生料的生料易烧性研究给予了特别重视。此外，产生的熟料（在1450 ℃烧结)通过x射线衍射(XRD) 检测了其主要相(C₃S、 C₂S、C₃A和C₄AF），以确保完烧结进行完全。

　　2.试验

　　2.1实验材料

　　RCA和RMA样品是从希腊阿提卡地区建立的垃圾回收回收站回收到的。应注意到的确切来源和样品的年龄是未知的。RCA样本的粒度为0-8毫米，而RMA样本的粒度大于32毫米。为了在90μm的筛余量与硅酸盐水泥生料（大约12%）相近，研究中使用的材料在实验室里经球磨机粉磨到了一定的细度。根据 RCA和RMA 样品的化学分析，他们的钙质和硅质含量证实是不同的 (Galbenis &Tsimas，2004年）。硅酸盐水泥生料来源于希腊一家水泥生产企业，其90μm 筛余量为 12%。表一列出上述材料的化学成分。

　　表1 试验中使用的原料化学成分(% w/w)

　　上述材料的化学成分使用的是牛津 MDX 1000 光谱仪x射线荧光法

　　2.2 水泥生料制备，烧结过程和煅烧产物

　　实验所用的五个样本是在硅酸盐水泥生料中掺入适当比例的RCA和RMA混合而成。第六个样品是从从水泥企业获得的硅酸盐水泥生料，作为空白对照组。所有混合物样品都要在实验室的球磨机中进行粉磨并混合均匀，其均匀性可以通过检测1100℃时的烧失量来判定。混合均匀后, 样品在90μm筛的筛余量是相同的（大约7%）。烧结过程在所有混合物样品中是相同的的。水泥生料首先被做成直径为2厘米的小球，然后在110℃温度下干燥一天。然后，将它们放在温度为1350℃、1400℃和1450℃电炉中一小时。在烧结结束后 ，样品被置于空气中迅速冷却。对生料易烧性影响是基于在以上温度下烧结反应中未反应的氧化钙(fCaO)做出评估的。游戏氧化钙含量是根据标准乙二醇方法（ASTM C114 03）确定的。运用西门子D5000 x射线衍射仪对烧结产物(在1450 °C烧结)进行矿物的分析，以确定烧结的完全性。所有图形都是在5 °到65 ° 呢范围内已2θ的范围扫描获得的。对所有样本，测试速率均为0.02 °^.min-1。

　　3.结果与讨论

　　3.1 原料的混合比例

　　基于对硅酸盐水泥生料、RCA和RMA的化学成分的分析（表1）及目标产生熟料在相同制作工艺下与标准生料的熟料在相同石灰饱和系数(LSF)下的比比较分析，我们确定了所需的混合比例。表二列出了本文中使用的水泥生料组成。

　　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), 铝率：Alumina Ratio (AR) ；水硬率：Hydraulic Moduli (HM) . 此表包含了率值的限制范围和常用值。

　　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的含量百分数

　　在表中可以看出LSF以及HM在所有生料中是保持不变的，这对于LSF尤其重要，因为它在生料的易烧性方面发挥了重大作用。但SM和AR随着RCA和RMA在生料中的百分比增加而增加，虽然都在限制水平范围内。

　　3.2水泥生料易烧性研究

　　水泥生料的反应活性是通过在一定游离氧化钙（f-CaO）含量的基础上分别在1350℃、1400℃和1450℃温度下进行烧结来评估的，如表4所示。在表4上给出了给生料易烧性（BC）的计算值，BC根据以下公式（Kolovos，2003年）计算： BC=3.75(f-CaO1350℃+f-CaO1400℃+2f-CaO1450℃) /（f-CaO1350℃ ）1/4

　　我们可以看到，掺入的再生料块硅酸盐水泥生料料替代物可以提高对照料硅酸盐水泥生料（CRMRef）的生料易烧性。各组改性水泥生料的BC值反映出改性水泥中游离CaO的含量显著减少。上述结果还反映出了减少熟料煅烧温度的可能性。生料易烧性改善的原因可能是添加的再生料块组分中的材料（水泥、砖）已经在高温条件煅烧过了，因此，它们在形成水泥熟料的主要相阶段需要更少的能源。

　　3.3熟料产品的矿物分析

　　图1反映了熟料产物（在1450℃下烧结）的XRD分析结果

　　应当指出的是，矿物主要的组成相，既C₃S、C₂S、C₃A、C₄AF在所有熟料的颜射图谱中均有呈现，这意味着添加的回收料不会影响生成的熟料的矿物组成。此外，烧结的完整性也得到了证实。从CRMRef的图谱中，可以看到较高的f-CaO吸收峰，这与生料易烧性研究的结果相吻合。

　　4. 结语

　　RCA和RMA作为硅酸盐水泥熟料生产过程中所需的生料替代品应该是可行的。上述结果显示，试验使用的样本可以大量（甚至100%）取代硅酸盐水泥生料而不影响改性水泥的特性（生料化学组成率值）。试验还表明改进的水泥生料易烧性得到了改善，与对照组的生料相比，所有改进组的游离氧化钙的含量均大幅度降低。对生成的熟料而言，应该说所有样本均较好形地成了主要的矿物组成相信。XRD分析也证实了基于f-CaO含量的生料易烧性研究结果。