废弃混凝土粉料在磷酸镁胶凝材料中的应用

曹 洋, 王红英, 王宏杰, 刘 豫

河南理工大学材料科学与工程学院（454000）

0 引言

磷酸镁胶凝材料水泥是由 MgO、磷酸盐、缓凝剂及矿物掺合料按一定比例配制而成。由于具备速凝、早强、快硬等特点使得它在快速修补材料、结合工业废料生产建筑材料、固化有害及放射性废料以及制造人造板材等方面有广阔的应用前景[1]。但是它的原材料相对于应用来讲比较昂贵，所以寻找一种便宜的掺合料成了推广其应用的关键。而我国每年拆除建筑垃圾约为1亿吨，其中34%是废弃混凝土，则由此产生的废弃混凝土就有3 400万吨，除此之外还有新建房屋产生4 000万吨的建筑垃圾所产生的废弃混凝土[2];所以如何利用废弃混凝土就成了一个研究热点。过去，大多数关于废弃混凝土的研究都集中在利用废弃混凝土骨料制备再生骨料的研究上,利用废弃混凝土中的粉料的研究则很少有报道。本文就是以废弃混凝土粉料作为掺合料在磷酸镁胶凝材料中应用的研究。

1 原材料

1.1 磷酸镁水泥胶凝材料制备

1）氧化镁（MgO）：试验用氧化镁取自河南振德窑业集团,由菱镁矿经过工业窑炉煅烧后，经过球磨机粉磨60 min,然后收取物料，再用 0.9 mm孔径的标准筛筛选。粉体呈棕黄色，其中氧化镁含量为93%。其粒径分布如下图1：

图1 镁砂粒径分布图

2）磷酸二氢钾：产自天津市宁鑫化工有限公司，纯度≥99.5%，pH值为 4.2～4.5，为白色晶体。

3）硼砂（Na2B4O7·10H2O）：产自天津市金达化工有限公司,纯度≥99%，为白色晶体。

4）砂子：高硅质砂,细度模数属于中砂,其性能指标符合我国《GB/T 14684-2001水泥强度试验用标准砂》规定的标准砂，粒径小于2 mm。

5）水：为普通自来水。

1.2 废弃混凝土粉料

采用普通建筑用混凝土废弃物（取自河南理工大学建筑垃圾），经球磨机磨碎90 min，取出物料，用0.6 mm的标准筛筛选，粉体外观为灰色。这些细粉料的主要成分包括大量的水泥浆粉末、部分水泥石颗粒和少量的石灰石细颗粒。

2 试验方法

本试验采用正交试验的方法，主要研究磷酸二氢钾与氧化镁之比，缓凝剂硼砂掺量，废弃混凝土粉料掺量以及水胶比对砂浆28天强度的影响。废弃混凝土粉在干凝胶材料中的所占的质量百分数分别为30%、40%和50%，磷酸二氢钾的质量分别取氧化镁质量的80%、85%和90%，缓凝剂为氧化镁含量的4.5%、4.8%和5.1%,细集料与胶凝材料的质量比为1：1，水胶比分别为0.16、0.18和0.20。因素水平表及因素水平选择如下：

表1 因素水平表

将废弃混凝土粉料、磷酸盐、氧化镁与缓凝剂硼砂四个因素构成构建四因素三水平正交表,如表2所示。将磷酸盐、氧化镁、缓凝剂与废弃混凝土粉按照表2中的比例混合均匀，然后加入细集料和水，在砂浆搅拌机中拌合均匀，然后再浇筑在试模中，放在振动台上振动密实，制备成标准的砂浆试块，然后在干燥状态下进行养护，测量28天的抗压和抗折强度,并与普通42.5号硅酸盐水泥制成的砂浆试块的强度进行比较。

3 实验结果及分析

3.1 与普通水泥强度值的比较

与普通水泥抗压强度、抗折强度比较如图2、图3所示。

表2 L9（34）正交试验方案及结果

图2 磷酸镁胶凝材料的抗压强度

图3 磷酸镁胶凝材料的抗折强度

从图中可以看出，在28天时，掺入废弃混凝土粉料的磷酸镁胶凝材料水泥不论是抗压强度还是抗折强度都比普通水泥的强度至少要高，特别是抗折强度，明显优于普通水泥。该试验也说明磷酸镁胶凝材料和废弃混凝土中的水泥有很好的兼容性。废弃混凝土被磨细后有助于提高基体试块的密实性，所以使得该材料的强度得到了大幅度提高。

3.2 实验结果极差分析表如图示

表3 28天抗折强度极差分析

由表3的极差分析结果可知,影响28天抗折强度的因素首先是KH2PO4/MgO质量比，并且在其他因素不变的情况下抗折强度随质量比的增加而减小;其次是废弃混凝土粉料的掺量百分数，随掺入量的增加而呈现曲线变化;最后是水灰比，也是呈现曲线变化。但是，从极差值也可以看出，在试验范围内,这四种因素的变化所造成的抗折强度的改变的极差变化不大,这说明这四种因素在试验范围内对抗折强度的影响都差不多。

表4 28天抗压强度极差分析

影响28天抗压度因素的主要因素为KH2PO4/MgO的质量比，且随质量比的增加而增加，这是因为KH2PO4/MgO比值增加使Mg2+和K+增加,形成的水化物MgKPO4·6H2O增加，因而强度增加；其次是水灰比,并且随水灰比的增加而减小，这与丁铸等人研究的结果相同[3]，这主要是由于水含量的增加会造成砂浆孔隙率增加，从而使强度下降。废弃混凝土粉的掺量对抗压强度的影响和水灰比差不多,而缓凝剂对抗折强度的影响就比较小了。

3.3 最佳掺量

由表3和表4的正交表中可以找出该材料的最佳配比，由于废弃混凝土粉掺加量越大越有利于降低成本,从表中可以看到，M6组的废弃混凝土粉的掺量在达到50%的情况下，该材料的强度值依旧很高。因此，从废弃物的利用角度考虑来看最佳掺量组合为即KH2PO4/MgO的质量比为90%，水灰比为0.18，废混凝土粉50%。

4 实验结论

1）废弃混凝土粉料的加入可以大大提高磷酸镁水泥的强度,影响磷酸镁水泥抗压强度的主要因素是KH2PO4/MgO的质量比，强度随质量比增加而增加；次要因素是水灰比，并且随水灰比的增加而减小。

2）影响磷酸镁水泥抗折强度的主要因素是KH2PO4/MgO的质量比,并且在其他因素不变的情况下随质量比的增加而减小；次要因素是废弃混凝土粉料的掺入量，随掺入量的增加而呈现曲线变化。

3）从废弃物的利用角度考虑，磷酸镁水泥最佳配比为M6组合：KH2PO4/MgO的质量比 90%，Na2B4O7质量百分数4.5%废弃混凝土粉料质量百分数50%，水灰比为0.18。

[1]杜磊,严云,胡志华.化学结合磷酸镁胶凝材料的研究及应用现状[J].水泥,2007(5)：23-25

[2]柳春红,邢世海,张俊杰.废弃混凝土开发利用的可行性分析[J].建筑技术,2009 Vol.40 No.0

[3]丁铸,李宗津.早强磷硅酸盐水泥的制备和性能[J].材料研究学报,2006 Vol.20 No.02