利用建筑垃圾和碱渣制备蒸压加气混凝土

张惠灵; 徐克猛; 陈永亮; 武诗怡; 齐辰晖; 肖华平

doi:10.12030/j.cjee.201807233

利用建筑垃圾和碱渣制备蒸压加气混凝土

1.
武汉科技大学资源与环境工程学院，武汉 430081
2.
冶金矿产资源高效利用与造块湖北省重点实验室，武汉 430081
基金项目:
国家重点基础研究发展计划项目2017YFC070330012

国家自然科学基金资助项目41102218

湖北省教育厅科学技术研究项目Q20141108

国家级大学生创新创业训练计划项目201810488009国家重点基础研究发展计划项目(2017YFC070330012)

国家自然科学基金资助项目(41102218)

湖北省教育厅科学技术研究项目(Q20141108)

国家级大学生创新创业训练计划项目(201810488009)

Preparation of autoclaved aerated concrete with construction waste and alkali residue

1.
College of Resources and Environmental Engineering, Wuhan University of Science and Technology, Wuhan 430081, China
2.
Hubei Province Key Laboratory for Efficient Utilization and Agglomeration for Metallurgic Mineral Resources, Wuhan 430081, China
Fund Project:

摘要: 为实现建筑垃圾和碱渣二次资源的综合利用，考察利用建筑垃圾和碱渣为主要原料制备蒸压加气混凝土的可行性。通过测试蒸压加气混凝土的干密度和抗压强度，确定适宜的原料配比和蒸压养护条件，并通过XRD、SEM和FTIR对蒸压加气混凝土样品的矿物组成、微观结构进行分析。结果表明，在建筑垃圾、碱渣、石灰、水泥、石膏、铝粉掺量分别为50%、20%、10%、18%、2%和0.1%、蒸压压力1.5 MPa、蒸压时间6 h的条件下，制备的蒸压加气混凝土性能达到《蒸压加气混凝土砌块》(GB 11968-2006)A7.5、B07级要求，且蒸压加气混凝土样品的主要物相为托贝莫来石、半结晶CSH(I)和少量方解石、石英和硬石膏，托贝莫来石、硬石膏和水化硅酸钙凝胶相互交错形成多孔结构，部分Si—O—Si和Al—O—Al断裂，[AlO4]取代了归属于[SiO4]中的Si—O—Si。碱渣的添加有助于激发建筑垃圾的活性，生成强度更高的含铝托贝莫来石，形成低密度高强度的蒸压加气混凝土。
- 蒸压加气混凝土 /
- 建筑垃圾资源化 /
- 碱渣再利用 /
- 混凝土抗压强度
Abstract: With the objective of utilizing the secondary resources of construction waste and alkali residue, the feasibility of preparing autoclaved aerated concrete (AAC) with construction waste and alkali residue as the main raw materials was investigated in this study. The properties of dry density and compressive strength of the AAC were tested to determine the mixing ratio of raw materials and autoclave curing conditions, and its phase compositions and microstructure were characterized by XRD, SEM and FTIR. The results indicate that the optimal mixing ratios of raw materials were 50% construction waste, 20% alkali slag, 10% cement, 18% quicklime, 2% gypsum and 0.1% aluminum powder. The suitable autoclave pressure and time were 1.5 MPa and 6 h, respectively. The physical properties of prepared AAC samples under above optimal conditions could meet the requirements for A7.5, B07 grade of autoclaved aerated concrete block (GB 11968-2006). The main phases of AAC samples were tobemorite, CSH(I) with a small amount of calcite, quartz and anhydrite. Tobemorite and anhydrite were interdigitated into CSH gel to form porous structure. Part of Si—O—Si and Al—O—Al in AAC samples was broken, [AlO4] replaced Si—O—Si belonging to [SiO4]. The addition of alkali residue could activate the construction waste reactivity, and aluminum-containing tobermorite with high strength formed, which resulted in AAC formation with low density and high strength.
- autoclaved aerated concrete /
- construction waste recycling /
- alkali residue reuse /
- concrete compressive strength

摘要

为实现建筑垃圾和碱渣二次资源的综合利用，考察利用建筑垃圾和碱渣为主要原料制备蒸压加气混凝土的可行性。通过测试蒸压加气混凝土的干密度和抗压强度，确定适宜的原料配比和蒸压养护条件，并通过XRD、SEM和FTIR对蒸压加气混凝土样品的矿物组成、微观结构进行分析。结果表明，在建筑垃圾、碱渣、石灰、水泥、石膏、铝粉掺量分别为50%、20%、10%、18%、2%和0.1%、蒸压压力1.5 MPa、蒸压时间6 h的条件下，制备的蒸压加气混凝土性能达到《蒸压加气混凝土砌块》(GB 11968-2006)A7.5、B07级要求，且蒸压加气混凝土样品的主要物相为托贝莫来石、半结晶CSH(I)和少量方解石、石英和硬石膏，托贝莫来石、硬石膏和水化硅酸钙凝胶相互交错形成多孔结构，部分Si—O—Si和Al—O—Al断裂，[AlO₄]取代了归属于[SiO₄]中的Si—O—Si。碱渣的添加有助于激发建筑垃圾的活性，生成强度更高的含铝托贝莫来石，形成低密度高强度的蒸压加气混凝土。

Abstract

With the objective of utilizing the secondary resources of construction waste and alkali residue, the feasibility of preparing autoclaved aerated concrete (AAC) with construction waste and alkali residue as the main raw materials was investigated in this study. The properties of dry density and compressive strength of the AAC were tested to determine the mixing ratio of raw materials and autoclave curing conditions, and its phase compositions and microstructure were characterized by XRD, SEM and FTIR. The results indicate that the optimal mixing ratios of raw materials were 50% construction waste, 20% alkali slag, 10% cement, 18% quicklime, 2% gypsum and 0.1% aluminum powder. The suitable autoclave pressure and time were 1.5 MPa and 6 h, respectively. The physical properties of prepared AAC samples under above optimal conditions could meet the requirements for A7.5, B07 grade of autoclaved aerated concrete block (GB 11968-2006). The main phases of AAC samples were tobemorite, CSH(I) with a small amount of calcite, quartz and anhydrite. Tobemorite and anhydrite were interdigitated into CSH gel to form porous structure. Part of Si—O—Si and Al—O—Al in AAC samples was broken, [AlO₄] replaced Si—O—Si belonging to [SiO₄]. The addition of alkali residue could activate the construction waste reactivity, and aluminum-containing tobermorite with high strength formed, which resulted in AAC formation with low density and high strength.

关键词

蒸压加气混凝土; 建筑垃圾资源化; 碱渣再利用; 混凝土抗压强度

Keywords

autoclaved aerated concrete; construction waste recycling; alkali residue reuse; concrete compressive strength

近年来，随着城镇化建设的推进，建筑垃圾产生量与日俱增，已经占到了城市生活垃圾排放量的40%^[1]，简单的露天堆放、简易填埋等处理方式不仅影响人们的生活和市容市貌，而且也造成资源的巨大浪费，资源化成为解决建筑垃圾出路的主要途径。碱渣是氨碱法制碱过程中排放的一种工业废料，我国纯碱生产发展迅速，大量的碱渣自然堆放或者直接排海，不仅占用土地资源，而且污染环境，其有效处理与处置一直制约着氨碱厂的可持续发展^[2]。蒸压加气混凝土是一种性能优良的新型建筑材料，通常是在硅质材料和钙质材料中，掺加少量发泡剂和调节剂，通过配料、干混、湿混、浇注、预养、切割和蒸压养护等工艺过程制备而成。由于其内部具有良好的多孔结构，其容重仅为普通建筑用砖的20%，具有轻质、保温、隔音、抗收缩性和防火等优良性质^[3]，生产和应用中节能减排效果显著，具有很强的市场竞争性。

利用固体废物取代传统的硅质材料和钙质材料制备蒸压加气混凝土，有利于固体废物资源化利用的发展。当前，国内外的众多专家学者对利用固体废物制备蒸压加气混凝土进行研究，王雨利等^[4]发现掺入30%~40%脱硫灰、8%电石渣等固体废弃物可替代部分生石灰，制备出性能符合国家标准《蒸压加气混凝土砌块》(GB 11968-2006)^[5]规定的A3.5、B06级加气混凝土；应姗姗等^[6]研究掺入40%陶瓷生产尾泥来替代石英砂，制备出性能优异的高铝质蒸压加气混凝土；白魁等^[7]利用磨细加工至723 m²·kg^-1的钨尾矿，制备出的钨尾矿渣加气混凝土砌块，其抗压强度达到3.67 MPa，干密度为 615 kg·m^-3；HUANG等^[8]利用铜尾矿和高炉矿渣取代石灰制备蒸压加气混凝土，其干密度和抗压强度分别为610 kg·m^-3和4.0 MPa，符合国家标准^[5]规定的A3.5、B06级加气混凝土。然而，当前研究主要集中在利用工业尾矿废渣制备蒸压加气混凝土，而对于利用建筑垃圾制作蒸压加气混凝土的研究较少，特别是同时掺入碱渣来联合制备蒸压加气混凝土的研究鲜见报道。

建筑垃圾基本组分物质性能较稳定，而且几乎没有污染，经过预处理后可以成为一种很有利用价值的建筑再生材料，当前建筑垃圾多用于制造活性和强度较低的再生骨料^[9]。碱渣钙盐含量高，可作为钙质原料制备蒸压加气混凝土，而且其强碱性可以充当激发剂，将其结合建筑垃圾制备新型建筑材料，具有重要的应用价值。本研究采用建筑垃圾和碱渣协同开发蒸压加气混凝土，不仅可以实现二次资源的综合利用，还可减少环境压力，实现社会效益、经济效益和环境效益的统一，具有一定的现实意义。

1 材料与方法

1

1.1 实验原料

建筑垃圾(construction waste, CW)取自湖北省某拆迁房废弃混凝土；碱渣(alkaline residue, AR)为湖北某企业采用氨碱法制碱产生的工业废渣，其溶液pH为10；生石灰活性氧化钙含量为81.43%；水泥为标号42.5的普通硅酸盐水泥，建筑垃圾、碱渣、生石灰、水泥化学成分分析结果见表1。将建筑垃圾和碱渣晒干、破碎、球磨5 min后备用。石膏主要成分为CaSO₄·2H₂O，含量99%以上；铝粉为100目铝粉。

表1 原料的化学成分

Table 1 Chemical composition of the raw materials%

原料	SiO₂	Al₂O₃	Fe₂O₃	CaO	MgO	K₂O	Na₂O	TiO₂	SO₃	IL
建筑垃圾	48.29	6.15	3.64	25.81	4.12	0.76	0.41	0.37	0.20	10.16
碱渣	6.02	3.41	0.33	31.09	0.22	0.06	1.99	0.07	18.39	28.05
生石灰	2.78	1.02	0.73	81.43	1.45	0.13	0.18	0.18	0.33	11.16
水泥	17.76	6.83	4.04	64.62	1.78	0.29	0.16	0.11	3.52	0.73

1.2 蒸压加气混凝土的制备

1.2

蒸压加气混凝土(AAC)的制备过程如图1所示。首先，将建筑垃圾、碱渣、水泥、生石灰、石膏按照比例进行称重，配好的干料放入水泥砂浆搅拌机中干混2 min，然后加入适量的水和发泡剂，搅拌20 min制得料浆，再将料浆倒入40 mm×40 mm×40 mm的钢化模具中浇筑成型，并放入烘箱中于65 °C发气静养6 h后脱模，最后将切去馒头峰的坯体放入蒸压釜中进行蒸压养护，自然冷却后放置于烘箱中50 °C烘干得AAC样品。

图1 蒸压加气混凝土的制备过程

Fig.1 Preparation process of autoclaved aerated concrete.
1.3 性能测试和表征

1.3

参照蒸压加气混凝土性能实验方法(GB/T 11969-2008)^[10]，对AAC样品的干密度和抗压强度进行测试；利用电感耦合等离子体发射光谱仪(SEA-2210A)检测原料的化学成分；采用激光粒度分析仪(Mastersizer 2000)对建筑垃圾和碱渣进行粒度分析；通过X射线衍射仪(D/MX-IIIA)分析原料及AAC样品的矿物组成；利用扫描电镜(PHILIPS XL30 TMP)和傅里叶红外光谱仪(Nicolet iS10)观察和分析AAC样品的微观形貌和结构。
2 结果与讨论

2
2.1 碱渣掺量对AAC干密度和抗压强度的影响

2.1

碱渣不仅能充当制备AAC的钙质材料，而且可以作为建筑垃圾的碱性激发剂激发其中Si和Al的活性。有研究发现，以建筑垃圾为主要原料、未掺入碱渣制备蒸压加气混凝土、固定蒸压压力1.4 MPa、蒸压时间3 h，结果表明，当建筑垃圾、石灰、水泥、石膏和铝粉掺量分别为70%、10%、18%、2%和0.1%、水料比0.60的配比条件下，AAC性能最佳；样品抗压强度和干密度分别达到4.06 MPa和702 kg·m^-3，但仍未能达到《蒸压加气混凝土砌块》(GB 11968-2006)^[5]标准要求。在此基础上，本实验在选择上述最佳石灰、水泥、石膏、铝粉掺量和水料比配比的条件下，逐步增大碱渣的掺量，研究其对AAC性能的影响。实验原料配比见表2。

表 2 蒸压加气混凝土配比

Table 2 Mixing ratios of AAC samples

掺量/% 水料比

建筑垃圾碱渣石灰水泥石膏

70 0 10 18 2 0.60

65 5 10 18 2 0.60

60 10 10 18 2 0.60

55 15 10 18 2 0.60

50 20 10 18 2 0.60

45 25 10 18 2 0.60

40 30 10 18 2 0.60

不同碱渣掺量对AAC性能的影响见图2。从图2可以看出，随着碱渣掺量从0%增加到30%，AAC干密度在691~702 kg·m^-3之间，总体变化很小；而抗压强度呈现先增大后减小的趋势，当碱渣掺量为20%时存在一个峰值，抗压强度达到6.73 MPa，干密度为695 kg·m^-3，达到《蒸压加气混凝土砌块》(GB 11968-2006)^[5]中A5.0、B07标准要求；在碱渣掺量超过20%继续增加至30%的过程中，抗压强度不断减小至5.88 MPa。造成这一结果的原因是，首先，随着碱渣掺量的增加，碱渣的碱性OH^-作用于原料硅铝源中的硅氧四面体和铝氧八面体，降低了多面体之间的键合力，进而导致结构的解体；其次，其中的铝氧八面体在高pH的液相条件下转变成为四面体结构，这些四面体解体后溶解于液相中，从而产生更多的活性Si、Al离子单体；再次，碱渣中含有大量可溶性Ca²⁺，因而在水化过程中生成了更多的水化硅酸钙，形成了强度更高的托贝莫来石等，增加了AAC的强度^[11]。然而，当碱渣掺量超过20%后，样品的强度下降，推测是由于料浆环境液的碱性过大，导致托贝莫来石结构被破坏形成其他硬度较低的矿物^[12]，导致AAC的性能下降。因此，碱渣的适宜掺量为20%，建筑垃圾掺量为50%。

图2 碱渣掺量对AAC性能的影响

Fig.2 Effects of alkaline residue addition on the performance of AAC samples
2.2 蒸压压力对AAC干密度和抗压强度的影响

2.2

蒸压养护过程对AAC性能有直接影响，通过蒸压养护，原材料中的硅质材料和钙质材料发生一系列的物理和化学反应生成CSH凝胶、CSH(I)和托贝莫来石等是AAC强度的来源^[13]。通常，当蒸压压力达到0.8~1.2 MPa时，CaO-SiO₂-H₂O体系才开始发生水化反应^[14]。考虑到建筑垃圾是一种低活性的废渣，本实验中选择的蒸压压力均大于1.2 MPa。在上述最佳配方下，即当建筑垃圾、碱渣、石灰、水泥、石膏和铝粉掺量分别为50 %、20%、10%、18%、2%和0.1%，水料比0.60，固定蒸压时间3 h，改变蒸压压力分别为1.2、1.3、1.4、1.5、1.6和1.7 MPa，考察蒸压压力对AAC性能的影响，实验数据如图3所示。

图3 蒸压压力对AAC性能的影响

Fig.3 Effects of autoclave pressure on the performance of AAC samples

由图3可知，随着蒸压压力的增加，AAC的抗压强度先增大后减小，而干密度则呈现先减小后增大的趋势；当蒸压压力从1.2 MPa升高到1.5 MPa，抗压强度增大，从5.42 MPa增加到7.03 MPa，而干密度则从724 kg·m^-3降低到683 kg·m^-3；进一步增大蒸压压力，抗压强度反而下降，干密度则略微上升。总体而言，随着蒸压压力的增大，干密度变化较小，抗压强度变化较大，说明蒸压压力对试件抗压强度影响较大，而对干密度影响较小。这是因为，蒸压养护提供SiO₂溶解的热力学条件，SiO₂的溶解度随着水热介质中压力和温度的升高而增加，随着蒸压压力的增大，蒸压釜内的温度也对应上升，水化反应越完全，会生成更多的水化产物，而且水化硅酸钙结晶度的同步提高，导致CSH(I)和托贝莫来石所占比例增多^[14]，最终样品的强度得到上升。但是，当蒸压压力过大时，有些试件出现裂纹，可能是由于瞬时压力过大造成试件开裂，使得AAC强度降低。综合考虑，确定适宜的蒸压压力是1.5 MPa。
2.3 蒸压时间对AAC干密度和抗压强度的影响

2.3

蒸压时间在一定程度上决定了ACC中水化产物的体积、类型和结晶度，而这些条件是影响ACC性能的关键因素。在最佳配方条件下，固定蒸压压力为1.5 MPa，改变蒸压时间分别为3、4、5、6、7和8 h，考察蒸压时间对AAC性能的影响，结果如图4所示。由图4可以看出，随着蒸压时间的延长，AAC的抗压强度先增大后减小，而干密度值持续下降，但总体变化不大；当蒸压时间为6 h的时候，AAC抗压强度达到最大值7.63 MPa，此时干密度为678 kg·m^-3，AAC性能达到《蒸压加气混凝土砌块》(GB 11968-2006) ^[5]A7.5、B07级要求；当蒸压时间为8 h时，干密度达到最小值683 kg·m^-3，但是抗压强度也下降到6.28 MPa。可能的原因是，水化反应的进行及产物之间的转化需要一定的时间，首先，水化硅酸钙在硅铝质颗粒表面产生，随着蒸压时间的延长，反应扩散到颗粒之间，且水化产物的量和结晶度随之增加^[15]，晶体互连在一起增加了试样的抗压强度；但是，当蒸压时间超过特定值时，颗粒表面的包装层逐渐变厚，溶解产物的迁移阻力增加^[16]，从而阻碍了水化产物的生成，导致抗压强度的下降。蒸压时间在一定程度上影响着AAC试件的强度，而对干密度影响较小。综合考虑，确定适宜的蒸压时间为6 h。

图4 蒸压时间对AAC性能的影响

Fig.4 Effects of autoclave time on the performance of AAC samples
2.4 XRD分析

2.4

不同碱渣掺量制备的AAC样品XRD图谱如图5所示。如图5所示，AAC样品的XRD图谱中含有大量非晶态CSH凝胶的弥散峰和部分结晶托贝莫来石(tobermorite)和半结晶CSH(I)的衍射峰，这些与相关研究^[17]结果一致。在蒸压氧护条件下，水化产物主要包括结晶良好的托贝莫来石、部分CSH凝胶和结晶程度较弱的CSH(I)；而且，托贝莫来石是一种低碱度的水化产物，其主要以片状、柱状形式存在，具有良好的力学性能，他的存在提高了AAC的强度；CSH(I)的力学性能次之，而CSH凝胶主要起胶凝作用^[17]。此外，还观察到少量方解石(calcite)、石英(cuartz)和硬石膏(anhydrite)的衍射峰，其为原料中存在而未参与反应的矿物成分。随着碱渣含量增加到20%，托贝莫来石主峰的衍射峰增强，而石英的衍射峰减弱，表明在碱渣加入20%时，建筑垃圾-碱渣体系中CaO-SiO₂-H₂O的水化反应消耗了大量原材料中的硅和钙，生成了更多的托贝莫来石；当碱渣含量增加到30%时，托贝莫来石的衍射峰降低，而硬石膏的衍射峰增强，表明托贝莫来石含量减少，而硬石膏含量增多，其主要来源于碱渣原材料中未反应的硬度较低的硬石膏，从而导致AAC样品的抗压强度降低。

图5 不同碱渣掺量AAC样品的XRD图谱

Fig.5 XRD patterns of AAC samples with different alkaline residue contents
2.5 SEM分析

2.5

不同碱渣掺量制备的AAC样品断面的SEM形貌图如图6所示。从低倍数(1 000倍)的形貌图可以看出，AAC内部分布着大量微孔，这些孔隙的存在使AAC的干密度大大降低；同时，孔隙周围生成了许多水化产物。由XRD物相分析和高倍数(5 000倍)的形貌图可以看出，水化产物是托贝莫来石和半结晶CSH(I)，水化产物交错连接在一起，形成一定的骨架层次结构，提高了AAC样品的强度。未掺入碱渣的样品(图6(b))中存在少量针状的托贝莫来石和CSH 凝胶；碱渣掺量20%的样品(图6(d))中存在着大量针状的托贝莫来石和少量的六方柱状的硬石膏穿插其中形成网状结构^[18]，这些晶体被絮状CSH凝胶胶结在一起增加了样品强度；碱渣掺量30%的样品(图6(e))中可以看出有明显结块，这是由于碱性过大，体系中的SiO₂和CaO迅速结块，从而阻碍了水化反应的进行使水化产物减少造成的。样品中还存在着大量的六方柱状的硬石膏，降低了AAC的抗压强度，这与2.1节样品宏观抗压强度测试结果一致。

图6 不同碱渣掺量的AAC样品的SEM图谱

Fig.6 SEM images of AAC samples with different alkaline residue contents
2.6 FTIR分析

2.6

不同碱渣掺量AAC样品的FTIR图谱如图7所示。由图7可知，3种碱渣掺量AAC样品IR图谱曲线差别不大，个别波数有合并、分裂、偏移等变化。波数在3 650~3 400 cm^-1吸收波带表征—OH的伸缩振动，是结构中的结合水引起的。根据研究^[19]，波数3 485、 3 442、3 449 cm^-1是水化硅酸钙中—OH不对称伸缩振动，3 536、3 643 cm^-1是托贝莫来石—OH对称伸缩振动。由图7可知，20%和30%曲线中该波段的吸收波带变宽，—OH的伸缩振动加强，可能是由于生成了更多的CSH(I)和托贝莫来石等水化产物所致，掺入碱渣后，托贝莫来石—OH对称伸缩振动加强，且20%碱渣含量曲线的该吸收峰最强，则托贝莫来石的含量最多。波数在1 437~1 448 cm^-1和874 cm^-1是O—C—O的伸缩振动，归属于原料中残余的方解石中 C O 3 2 - 的特征峰，也可能是反应过程中Ca(OH)₂发生碳化生成CaCO₃所致^[20]，这与图4中AAC样品的XRD中出现方解石(calcite)水化产物相一致。波数1 000、935、1 448、1 137、1 140 cm^-1是Si—O—Si的伸缩振动；波数955、956 cm^-1是Al—O—Si非对称伸缩振动的吸收峰；713 cm^-1是Al—O—Al弯曲振动吸收峰^[21]。随着碱渣掺量的增加，Si—O—Si和Al—O—Al振动特征峰减弱，水化产物样品的特征峰向中波数移动，20%曲线最为明显，这表明，可能在碱渣的激发下造成了硅氧四面体和铝氧四面体周围环境发生变化，部分Si—O—Si和Al—O—Al断裂，AlO₄取代了归属于SiO₄中Si—O—Si，在955、956 cm^-1处形成新的Al—O—Si非对称伸缩振动，从而进一步生成强度更高的含铝托贝莫来石。在1 140 cm^-1处吸收峰归属于Si—O—Si弯曲振动，同样可以看出，20%曲线和30%曲线比0%曲线中吸收带要宽和钝。这表明，托贝莫来石基团排列由不规则变为有序的排列结构，即托贝莫来石对称性和结晶度升高^[22]。波数在456、457、454 cm^-1是 S O 4 2 - 的伸缩振动，归属于硬石膏中 S O 4 2 - 的特征峰，其中，30%曲线的特征峰增强，可能是碱渣中的硬石膏残留所致。以上分析与XRD及SEM结果一致，表明碱渣掺量为20%时，碱渣激发建筑垃圾溶解出较多的活性Si和Al，生成了更多水化硅酸钙产物，而且他们经过充分反应后，形成了高强度的含铝托贝莫来石，从而提高了AAC的机械强度。

图7 不同碱渣掺量的AAC样品FTIR图

Fig.7 FTIR spectra of AAC samples with different alkaline residue contents
3 结论

3

1) 利用建筑垃圾和碱渣为主要原料制备AAC是可行的。在建筑垃圾、碱渣、石灰、水泥、石膏、铝粉掺量分别为50%、20%、10%、18%、2%、水料比为0.60、蒸压压力1.5 MPa、蒸压时间6 h的条件下，制备的AAC抗压强度和干密度分别为7.63 MPa和678 kg·m^-3，达到了《蒸压加气混凝土砌块》(GB 11968-2006) A7.5、B07级要求。

2) 碱渣的掺入提高了加气混凝土的性能，其高碱性可激发原料中硅、铝的活性，形成更多CSH凝胶、半结晶CSH(I)和托贝莫来石，提高了AAC的强度；但当碱渣掺量超过20%后，料浆环境液的碱性过大，体系中的SiO₂和CaO容易结块，阻碍了水化反应的进行，导致硬度较低的硬石膏含量增多，AAC的强度降低。

3) 微观分析表明，蒸压加气混凝土样品的主要物相为非晶态的CSH凝胶、半结晶CSH(I)、托贝莫来石和少量硬石膏，大量絮状凝胶与晶体颗粒胶结在一起增强了样品强度；部分Si—O—Si和Al—O—Al断裂，AlO₄取代了归属于SiO₄中的Si—O—Si，形成Al—O—Si的非对称伸缩振动，从而生成强度更高的含铝托贝莫来石，促进了AAC强度的进一步提高；针状的托贝莫来石和少量的六方柱状的硬石膏穿插其中形成多孔结构，有利于样品密度的降低。
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摘要

Abstract

关键词

蒸压加气混凝土; 建筑垃圾资源化; 碱渣再利用; 混凝土抗压强度

Keywords

autoclaved aerated concrete; construction waste recycling; alkali residue reuse; concrete compressive strength

1 材料与方法

1

1.1 实验原料

表1 原料的化学成分

Table 1 Chemical composition of the raw materials%

原料	SiO₂	Al₂O₃	Fe₂O₃	CaO	MgO	K₂O	Na₂O	TiO₂	SO₃	IL
建筑垃圾	48.29	6.15	3.64	25.81	4.12	0.76	0.41	0.37	0.20	10.16
碱渣	6.02	3.41	0.33	31.09	0.22	0.06	1.99	0.07	18.39	28.05
生石灰	2.78	1.02	0.73	81.43	1.45	0.13	0.18	0.18	0.33	11.16
水泥	17.76	6.83	4.04	64.62	1.78	0.29	0.16	0.11	3.52	0.73

1.2 蒸压加气混凝土的制备

1.2

蒸压加气混凝土(AAC)的制备过程如图1所示。首先，将建筑垃圾、碱渣、水泥、生石灰、石膏按照比例进行称重，配好的干料放入水泥砂浆搅拌机中干混2 min，然后加入适量的水和发泡剂，搅拌20 min制得料浆，再将料浆倒入40 mm×40 mm×40 mm的钢化模具中浇筑成型，并放入烘箱中于65 °C发气静养6 h后脱模，最后将切去馒头峰的坯体放入蒸压釜中进行蒸压养护，自然冷却后放置于烘箱中50 °C烘干得AAC样品。

图1 蒸压加气混凝土的制备过程

Fig.1 Preparation process of autoclaved aerated concrete.
1.3 性能测试和表征

1.3

参照蒸压加气混凝土性能实验方法(GB/T 11969-2008)^[10]，对AAC样品的干密度和抗压强度进行测试；利用电感耦合等离子体发射光谱仪(SEA-2210A)检测原料的化学成分；采用激光粒度分析仪(Mastersizer 2000)对建筑垃圾和碱渣进行粒度分析；通过X射线衍射仪(D/MX-IIIA)分析原料及AAC样品的矿物组成；利用扫描电镜(PHILIPS XL30 TMP)和傅里叶红外光谱仪(Nicolet iS10)观察和分析AAC样品的微观形貌和结构。
2 结果与讨论

2
2.1 碱渣掺量对AAC干密度和抗压强度的影响

2.1

碱渣不仅能充当制备AAC的钙质材料，而且可以作为建筑垃圾的碱性激发剂激发其中Si和Al的活性。有研究发现，以建筑垃圾为主要原料、未掺入碱渣制备蒸压加气混凝土、固定蒸压压力1.4 MPa、蒸压时间3 h，结果表明，当建筑垃圾、石灰、水泥、石膏和铝粉掺量分别为70%、10%、18%、2%和0.1%、水料比0.60的配比条件下，AAC性能最佳；样品抗压强度和干密度分别达到4.06 MPa和702 kg·m^-3，但仍未能达到《蒸压加气混凝土砌块》(GB 11968-2006)^[5]标准要求。在此基础上，本实验在选择上述最佳石灰、水泥、石膏、铝粉掺量和水料比配比的条件下，逐步增大碱渣的掺量，研究其对AAC性能的影响。实验原料配比见表2。

表 2 蒸压加气混凝土配比

Table 2 Mixing ratios of AAC samples

掺量/% 水料比

建筑垃圾碱渣石灰水泥石膏

70 0 10 18 2 0.60

65 5 10 18 2 0.60

60 10 10 18 2 0.60

55 15 10 18 2 0.60

50 20 10 18 2 0.60

45 25 10 18 2 0.60

40 30 10 18 2 0.60

不同碱渣掺量对AAC性能的影响见图2。从图2可以看出，随着碱渣掺量从0%增加到30%，AAC干密度在691~702 kg·m^-3之间，总体变化很小；而抗压强度呈现先增大后减小的趋势，当碱渣掺量为20%时存在一个峰值，抗压强度达到6.73 MPa，干密度为695 kg·m^-3，达到《蒸压加气混凝土砌块》(GB 11968-2006)^[5]中A5.0、B07标准要求；在碱渣掺量超过20%继续增加至30%的过程中，抗压强度不断减小至5.88 MPa。造成这一结果的原因是，首先，随着碱渣掺量的增加，碱渣的碱性OH^-作用于原料硅铝源中的硅氧四面体和铝氧八面体，降低了多面体之间的键合力，进而导致结构的解体；其次，其中的铝氧八面体在高pH的液相条件下转变成为四面体结构，这些四面体解体后溶解于液相中，从而产生更多的活性Si、Al离子单体；再次，碱渣中含有大量可溶性Ca²⁺，因而在水化过程中生成了更多的水化硅酸钙，形成了强度更高的托贝莫来石等，增加了AAC的强度^[11]。然而，当碱渣掺量超过20%后，样品的强度下降，推测是由于料浆环境液的碱性过大，导致托贝莫来石结构被破坏形成其他硬度较低的矿物^[12]，导致AAC的性能下降。因此，碱渣的适宜掺量为20%，建筑垃圾掺量为50%。

图2 碱渣掺量对AAC性能的影响

Fig.2 Effects of alkaline residue addition on the performance of AAC samples
2.2 蒸压压力对AAC干密度和抗压强度的影响

2.2

蒸压养护过程对AAC性能有直接影响，通过蒸压养护，原材料中的硅质材料和钙质材料发生一系列的物理和化学反应生成CSH凝胶、CSH(I)和托贝莫来石等是AAC强度的来源^[13]。通常，当蒸压压力达到0.8~1.2 MPa时，CaO-SiO₂-H₂O体系才开始发生水化反应^[14]。考虑到建筑垃圾是一种低活性的废渣，本实验中选择的蒸压压力均大于1.2 MPa。在上述最佳配方下，即当建筑垃圾、碱渣、石灰、水泥、石膏和铝粉掺量分别为50 %、20%、10%、18%、2%和0.1%，水料比0.60，固定蒸压时间3 h，改变蒸压压力分别为1.2、1.3、1.4、1.5、1.6和1.7 MPa，考察蒸压压力对AAC性能的影响，实验数据如图3所示。

图3 蒸压压力对AAC性能的影响

Fig.3 Effects of autoclave pressure on the performance of AAC samples

由图3可知，随着蒸压压力的增加，AAC的抗压强度先增大后减小，而干密度则呈现先减小后增大的趋势；当蒸压压力从1.2 MPa升高到1.5 MPa，抗压强度增大，从5.42 MPa增加到7.03 MPa，而干密度则从724 kg·m^-3降低到683 kg·m^-3；进一步增大蒸压压力，抗压强度反而下降，干密度则略微上升。总体而言，随着蒸压压力的增大，干密度变化较小，抗压强度变化较大，说明蒸压压力对试件抗压强度影响较大，而对干密度影响较小。这是因为，蒸压养护提供SiO₂溶解的热力学条件，SiO₂的溶解度随着水热介质中压力和温度的升高而增加，随着蒸压压力的增大，蒸压釜内的温度也对应上升，水化反应越完全，会生成更多的水化产物，而且水化硅酸钙结晶度的同步提高，导致CSH(I)和托贝莫来石所占比例增多^[14]，最终样品的强度得到上升。但是，当蒸压压力过大时，有些试件出现裂纹，可能是由于瞬时压力过大造成试件开裂，使得AAC强度降低。综合考虑，确定适宜的蒸压压力是1.5 MPa。
2.3 蒸压时间对AAC干密度和抗压强度的影响

2.3

蒸压时间在一定程度上决定了ACC中水化产物的体积、类型和结晶度，而这些条件是影响ACC性能的关键因素。在最佳配方条件下，固定蒸压压力为1.5 MPa，改变蒸压时间分别为3、4、5、6、7和8 h，考察蒸压时间对AAC性能的影响，结果如图4所示。由图4可以看出，随着蒸压时间的延长，AAC的抗压强度先增大后减小，而干密度值持续下降，但总体变化不大；当蒸压时间为6 h的时候，AAC抗压强度达到最大值7.63 MPa，此时干密度为678 kg·m^-3，AAC性能达到《蒸压加气混凝土砌块》(GB 11968-2006) ^[5]A7.5、B07级要求；当蒸压时间为8 h时，干密度达到最小值683 kg·m^-3，但是抗压强度也下降到6.28 MPa。可能的原因是，水化反应的进行及产物之间的转化需要一定的时间，首先，水化硅酸钙在硅铝质颗粒表面产生，随着蒸压时间的延长，反应扩散到颗粒之间，且水化产物的量和结晶度随之增加^[15]，晶体互连在一起增加了试样的抗压强度；但是，当蒸压时间超过特定值时，颗粒表面的包装层逐渐变厚，溶解产物的迁移阻力增加^[16]，从而阻碍了水化产物的生成，导致抗压强度的下降。蒸压时间在一定程度上影响着AAC试件的强度，而对干密度影响较小。综合考虑，确定适宜的蒸压时间为6 h。

图4 蒸压时间对AAC性能的影响

Fig.4 Effects of autoclave time on the performance of AAC samples
2.4 XRD分析

2.4

不同碱渣掺量制备的AAC样品XRD图谱如图5所示。如图5所示，AAC样品的XRD图谱中含有大量非晶态CSH凝胶的弥散峰和部分结晶托贝莫来石(tobermorite)和半结晶CSH(I)的衍射峰，这些与相关研究^[17]结果一致。在蒸压氧护条件下，水化产物主要包括结晶良好的托贝莫来石、部分CSH凝胶和结晶程度较弱的CSH(I)；而且，托贝莫来石是一种低碱度的水化产物，其主要以片状、柱状形式存在，具有良好的力学性能，他的存在提高了AAC的强度；CSH(I)的力学性能次之，而CSH凝胶主要起胶凝作用^[17]。此外，还观察到少量方解石(calcite)、石英(cuartz)和硬石膏(anhydrite)的衍射峰，其为原料中存在而未参与反应的矿物成分。随着碱渣含量增加到20%，托贝莫来石主峰的衍射峰增强，而石英的衍射峰减弱，表明在碱渣加入20%时，建筑垃圾-碱渣体系中CaO-SiO₂-H₂O的水化反应消耗了大量原材料中的硅和钙，生成了更多的托贝莫来石；当碱渣含量增加到30%时，托贝莫来石的衍射峰降低，而硬石膏的衍射峰增强，表明托贝莫来石含量减少，而硬石膏含量增多，其主要来源于碱渣原材料中未反应的硬度较低的硬石膏，从而导致AAC样品的抗压强度降低。

图5 不同碱渣掺量AAC样品的XRD图谱

Fig.5 XRD patterns of AAC samples with different alkaline residue contents
2.5 SEM分析

2.5

不同碱渣掺量制备的AAC样品断面的SEM形貌图如图6所示。从低倍数(1 000倍)的形貌图可以看出，AAC内部分布着大量微孔，这些孔隙的存在使AAC的干密度大大降低；同时，孔隙周围生成了许多水化产物。由XRD物相分析和高倍数(5 000倍)的形貌图可以看出，水化产物是托贝莫来石和半结晶CSH(I)，水化产物交错连接在一起，形成一定的骨架层次结构，提高了AAC样品的强度。未掺入碱渣的样品(图6(b))中存在少量针状的托贝莫来石和CSH 凝胶；碱渣掺量20%的样品(图6(d))中存在着大量针状的托贝莫来石和少量的六方柱状的硬石膏穿插其中形成网状结构^[18]，这些晶体被絮状CSH凝胶胶结在一起增加了样品强度；碱渣掺量30%的样品(图6(e))中可以看出有明显结块，这是由于碱性过大，体系中的SiO₂和CaO迅速结块，从而阻碍了水化反应的进行使水化产物减少造成的。样品中还存在着大量的六方柱状的硬石膏，降低了AAC的抗压强度，这与2.1节样品宏观抗压强度测试结果一致。

图6 不同碱渣掺量的AAC样品的SEM图谱

Fig.6 SEM images of AAC samples with different alkaline residue contents
2.6 FTIR分析

2.6

不同碱渣掺量AAC样品的FTIR图谱如图7所示。由图7可知，3种碱渣掺量AAC样品IR图谱曲线差别不大，个别波数有合并、分裂、偏移等变化。波数在3 650~3 400 cm^-1吸收波带表征—OH的伸缩振动，是结构中的结合水引起的。根据研究^[19]，波数3 485、 3 442、3 449 cm^-1是水化硅酸钙中—OH不对称伸缩振动，3 536、3 643 cm^-1是托贝莫来石—OH对称伸缩振动。由图7可知，20%和30%曲线中该波段的吸收波带变宽，—OH的伸缩振动加强，可能是由于生成了更多的CSH(I)和托贝莫来石等水化产物所致，掺入碱渣后，托贝莫来石—OH对称伸缩振动加强，且20%碱渣含量曲线的该吸收峰最强，则托贝莫来石的含量最多。波数在1 437~1 448 cm^-1和874 cm^-1是O—C—O的伸缩振动，归属于原料中残余的方解石中 C O 3 2 - 的特征峰，也可能是反应过程中Ca(OH)₂发生碳化生成CaCO₃所致^[20]，这与图4中AAC样品的XRD中出现方解石(calcite)水化产物相一致。波数1 000、935、1 448、1 137、1 140 cm^-1是Si—O—Si的伸缩振动；波数955、956 cm^-1是Al—O—Si非对称伸缩振动的吸收峰；713 cm^-1是Al—O—Al弯曲振动吸收峰^[21]。随着碱渣掺量的增加，Si—O—Si和Al—O—Al振动特征峰减弱，水化产物样品的特征峰向中波数移动，20%曲线最为明显，这表明，可能在碱渣的激发下造成了硅氧四面体和铝氧四面体周围环境发生变化，部分Si—O—Si和Al—O—Al断裂，AlO₄取代了归属于SiO₄中Si—O—Si，在955、956 cm^-1处形成新的Al—O—Si非对称伸缩振动，从而进一步生成强度更高的含铝托贝莫来石。在1 140 cm^-1处吸收峰归属于Si—O—Si弯曲振动，同样可以看出，20%曲线和30%曲线比0%曲线中吸收带要宽和钝。这表明，托贝莫来石基团排列由不规则变为有序的排列结构，即托贝莫来石对称性和结晶度升高^[22]。波数在456、457、454 cm^-1是 S O 4 2 - 的伸缩振动，归属于硬石膏中 S O 4 2 - 的特征峰，其中，30%曲线的特征峰增强，可能是碱渣中的硬石膏残留所致。以上分析与XRD及SEM结果一致，表明碱渣掺量为20%时，碱渣激发建筑垃圾溶解出较多的活性Si和Al，生成了更多水化硅酸钙产物，而且他们经过充分反应后，形成了高强度的含铝托贝莫来石，从而提高了AAC的机械强度。

图7 不同碱渣掺量的AAC样品FTIR图

Fig.7 FTIR spectra of AAC samples with different alkaline residue contents
3 结论

3

1) 利用建筑垃圾和碱渣为主要原料制备AAC是可行的。在建筑垃圾、碱渣、石灰、水泥、石膏、铝粉掺量分别为50%、20%、10%、18%、2%、水料比为0.60、蒸压压力1.5 MPa、蒸压时间6 h的条件下，制备的AAC抗压强度和干密度分别为7.63 MPa和678 kg·m^-3，达到了《蒸压加气混凝土砌块》(GB 11968-2006) A7.5、B07级要求。

2) 碱渣的掺入提高了加气混凝土的性能，其高碱性可激发原料中硅、铝的活性，形成更多CSH凝胶、半结晶CSH(I)和托贝莫来石，提高了AAC的强度；但当碱渣掺量超过20%后，料浆环境液的碱性过大，体系中的SiO₂和CaO容易结块，阻碍了水化反应的进行，导致硬度较低的硬石膏含量增多，AAC的强度降低。

3) 微观分析表明，蒸压加气混凝土样品的主要物相为非晶态的CSH凝胶、半结晶CSH(I)、托贝莫来石和少量硬石膏，大量絮状凝胶与晶体颗粒胶结在一起增强了样品强度；部分Si—O—Si和Al—O—Al断裂，AlO₄取代了归属于SiO₄中的Si—O—Si，形成Al—O—Si的非对称伸缩振动，从而生成强度更高的含铝托贝莫来石，促进了AAC强度的进一步提高；针状的托贝莫来石和少量的六方柱状的硬石膏穿插其中形成多孔结构，有利于样品密度的降低。
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参考文献 (22)

掺量/%					水料比
建筑垃圾	碱渣	石灰	水泥	石膏	水料比
70	0	10	18	2	0.60
65	5	10	18	2	0.60
60	10	10	18	2	0.60
55	15	10	18	2	0.60
50	20	10	18	2	0.60
45	25	10	18	2	0.60
40	30	10	18	2	0.60

利用建筑垃圾和碱渣制备蒸压加气混凝土

Preparation of autoclaved aerated concrete with construction waste and alkali residue

摘要

Abstract

关键词

Keywords

1 材料与方法

1

1.1 实验原料

1.1

1.2 蒸压加气混凝土的制备

1.2

1.3 性能测试和表征

1.3

2 结果与讨论

2

2.1 碱渣掺量对AAC干密度和抗压强度的影响

2.1

2.2 蒸压压力对AAC干密度和抗压强度的影响

2.2

2.3 蒸压时间对AAC干密度和抗压强度的影响

2.3

2.4 XRD分析

2.4

2.5 SEM分析

2.5

2.6 FTIR分析

2.6

3 结论

3

参考文献

期刊类型引用(11)

其他类型引用(17)

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出版历程

利用建筑垃圾和碱渣制备蒸压加气混凝土

English Abstract

Preparation of autoclaved aerated concrete with construction waste and alkali residue

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摘要

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关键词

Keywords

1 材料与方法

1

1.1 实验原料

1.1

1.2 蒸压加气混凝土的制备

1.2

1.3 性能测试和表征

1.3

2 结果与讨论

2

2.1 碱渣掺量对AAC干密度和抗压强度的影响

2.1

2.2 蒸压压力对AAC干密度和抗压强度的影响

2.2

2.3 蒸压时间对AAC干密度和抗压强度的影响

2.3

2.4 XRD分析

2.4

2.5 SEM分析

2.5

2.6 FTIR分析

2.6

3 结论

3

参考文献

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