【分享】固体废弃物在自流平砂浆中的应用

  随着人类社会发展,固体废弃物数量日益增加。为解决环境危机和资源危机,实现固体废弃物资源化利用是当务之急。将固体废弃物应用到自流平砂浆中,不仅可以降低自流平砂浆的成本,还能减少资源和能源消耗,实现资源循环再利用,具有显著的经济、环保和社会效益。主要介绍了固体废弃物在自流平砂浆中的应用现状,为低成本绿色自流平砂浆的研究和推广应用提供了参考。

  固体废弃物通常是指生产、生活活动中丢弃的固体和泥状物质,从废水、废气中分离出来的固体颗粒物。随着工业生产的发展,固体废弃物数量庞大且日益增加,其种类繁多,成分复杂,处理较困难。据统计,2016 年我国工业固体废弃物年产量超过30 亿t,建筑垃圾年产量超过20 亿t,全国近2/3 城市面临“垃圾围城”的困境。这种现状与环境保护政策和可持续发展战略背道而驰,同时制约产业发展。为解决环境危机和资源危机,实现固体废弃物改良资源化利用是当务之急[1]。自流平砂浆是由胶凝材料、细骨料、填料及添加剂组成,与水搅拌后具有流动性或稍加辅助性铺摊就能流动找平的地面用材料。它具有良好的流动性及稳定性,且早期强度高,施工速度快,劳动强度低,是大型超市、停车场和仓库等地面铺筑的理想材料,也是现代建筑地面施工的一个发展方向,市场潜力很大[2]。将固体废弃物应用到自流平砂浆中,不仅可以降低自流平砂浆的成本,还能减少资源和能源消耗,化废为宝,具有显著的经济、环保和社会效益。

  固体废弃物的种类繁多,产量极大,分布面很广,常年均衡排放,可作为稳定的可利用资源加以利用。大多数固体废弃物的物相组成较为稳定,化学成分与建材原料相近,具有潜在的活性,适合作建筑材料的原料[3]。自流平材料组分较为复杂,目前固体废弃物在自流平砂浆中的应用并不多,且对自流平砂浆性能影响的研究尚不全面。从整体来看,固体废弃物在自流平砂浆中的应用主要有三个方面。

  一些固体废弃物(如硅灰、粉煤灰、粒化高炉矿渣、钢渣、镍渣等) 中含有大量无定型SiO2 和Al2O3,或活性较高的CaO,掺加到自流平砂浆中,能够参与水泥水化反应,同样可以生成C- S- H 凝胶,从而替代部分水泥。此外,矿物掺合料还可以填充进砂浆空隙间,改善砂浆和易性、提高砂浆密实性和耐久性。

  王学森等[4,5]研究了单掺硅灰自流平砂浆在混凝土结构细裂缝(小于10mm)注浆补强工程中的应用,并通过硅灰与矿粉、粉煤灰复掺,对该自流平砂浆进行了改进,研制出特别适用于大体积补强注浆的低热注浆材料。

  李玉海等[6]研究了粉煤灰对自流平地坪砂浆性能的影响,发现粉煤灰中含有大量的玻璃微珠对于自流平地坪砂浆的流动性有一定的帮助,同时粉煤灰的微粒效应有减水作用,所以粉煤灰有利于自流平材料操作性能的提高,但是粉煤灰对于自流平地坪砂浆最终的强度值几乎没有帮助。

  张冬梅等[7]研究了矿渣微粉对自流平砂浆工作性能和力学性能的影响,研究表明,矿渣最佳掺量为水泥的10%,早强减水剂掺量为水泥质量的2.5%,此时得到的砂浆的扩展度245mm,强度可达50.0MPa。

  王广凯等[8]研究了粉煤灰、矿粉、石灰石粉在硫铝酸盐水泥基自流平砂浆中的应用,发现三种矿物掺合料均能延长砂浆凝结时间,增加流动度,降低强度,减小收缩;三种矿物掺合料参与硫铝酸盐水泥水化的程度有限,主要起填充密实、调节砂浆强度等级的作用。

  范晓玲等[9]研究了固硫灰的细度和掺量对水泥基自流平砂浆性能的影响,研究发现,掺加粉磨后固硫灰能够减小砂浆的收缩;固硫灰细度越细,砂浆抗折和抗压强度越高,收缩则先减小后增大;固硫灰取代硅酸盐水泥的40%~60%时,砂浆的强度和收缩性较好,取代率为50%时性能最佳。

  脱硫石膏、氟石膏、磷石膏等工业副产物的组成与天然硬石膏相似,具有潜在的水化活性,通过活性激发剂激发其活性,同样可以用来生产自流平砂浆。

  谢建海等[10]利用脱硫石膏配制了一种石膏基自流平材料,并对其水化产物进行了研究,发现用脱硫石膏配制的复合自流平材料水化产物主要为C- S- H 凝胶、少量的AFt和硬硅钙石;二水石膏和AFt 组成的网络骨架结构与C- S- H凝胶形成了致密的水化硬化体,提高了材料的后期强度和耐水性。

  王丽等[11]以氟石膏为主要胶凝材料制得自流平地坪砂浆。试验发现,复合激发剂可以有效提高材料的力学强度,缩短氟石膏的凝结时间;减水剂会在氟石膏颗粒表面形成吸附膜,影响二水石膏的生长速率,使其晶体的生长更完善,网络结构更密实,从而提高砂浆的强度。

  徐迅等[12]探讨了将改性处理后的磷石膏部分代替天然石膏掺入自流平砂浆中,配制出了较优的自流平试验配方。试验表明,β 半水磷石膏与α 半水石膏相比物理力学性能较差;在其他外加剂不变时,β半水磷石膏的掺加量越多,自流平材料的性能越差;而采用硬石膏、β半水磷石膏和α半水石膏复合的方法,能够配制出强度较高,性能较好的自流平砂浆。

  矿山开采的废石、选矿顶抛尾的粗粒尾矿、老旧建筑及其他混凝土工程拆除产生的废弃混凝土渣等,经过破碎、筛分、分选、洁净后,可作为再生粗骨料和细骨料来代替天然砂石用在混凝土和砂浆中。目前,用于替代自流平砂浆中砂的固体废弃物主要有三种。

  谢红波[13]利用硫铁尾矿细砂替代天然砂制备了自流平砂浆,结果表明,随着尾砂替代细砂用量的增加,砂浆的流动度降低,但其力学性能有所提高,且通过外加剂的调节,硫铁尾矿细砂替代天然砂的替代率可达100%。陈虎[14]研究了铁尾矿自身物化性质,根据铁尾矿砂的特性配制铁尾矿自流平砂浆。试验发现,铁尾矿的形状不规则,表面粗糙,石粉含量虽然较大但MB 值较小,并且石粉的平均粒径大于泥粉和水泥颗粒粒径;通过优化的配合比能制备出力学性能良好的铁尾矿自流平砂浆,并且较传统的自流平砂浆成本有了较大的降低。

  徐风广等[15]用镍渣代替地面用水泥基自流平砂浆中的骨料和填料,结果表明,镍渣作为骨料和填料会使早期强度略微下降,但是可以提高自流平砂浆的流动度和后期强度;用镍渣作骨料和填料制备的地面用水泥基自流砂浆具有耐磨性能好、后期强度高、表面不易粉化、价格低等特点。

  陈平等[16]将废石粉和锰渣用于制备自流平砂浆,研究了两者掺量对自流平砂浆的性能影响。试验表明,废石粉具有微集料填充作用和“晶核”效应,替代河砂后,可增加流动度,提高强度,但掺量过多时,会造成流动度下降和强度降低;锰渣微粉替代水泥,可降低砂浆浆体黏度,从而提高砂浆流动度,但由于锰渣早期活性低,因而砂浆的早期强度下降较为明显;废石粉和锰渣的最佳替代量为20%,二者通过复掺可实现优势互补。

  栗海玉等[17]对掺石灰石粉的自流平水泥基地坪砂浆性能进行了试验研究。研究表明,用石灰石粉替代细河砂,10%~15%的掺量是最佳掺量;石灰石粉和粉煤灰复掺,石灰石粉代替20%的粉煤灰,砂浆的和易性和强度最高。

  杨子胜等[18]将建筑垃圾各部位(板、柱和砖)混合成建筑垃圾砂替代天然砂,制备了自流平地坪砂浆。试验表明,砂浆流动度随建筑垃圾砂掺量增加先增大后减小,掺量为30%时达到最大;建筑垃圾砂掺量为50%时,砂浆90d 抗压与抗折强度达到最大;砂浆吸水率随建筑垃圾砂掺量增加先增大后减小,掺量为40%时达到最大。

  贾春林等[19]将城市生活垃圾焚烧灰渣取代一定比例的混合砂作为细集料的一部分,用于水泥基自流平砂浆中。试验表明,随着灰渣掺量的增大,砂浆的流动性、密度减小,但可以改善新拌砂浆的离析泌水性,同时减小砂浆的干缩;随着灰渣掺量的增加,砂浆强度随之提高,当掺量为20%时强度达到最大。

  洪微萍等[20]利用废陶瓷再生砂替代天然细砂配制自流平砂浆。研究表明,废陶瓷再生砂的表面较为粗糙,具有较多的棱角,吸水率较大;随着废陶瓷再生砂掺量增加,自流平砂浆的流动度降低,强度先提高后降低,当掺量为55%时强度最高。

  随着我国经济的快速发展和建筑技术的不断进步,自流平砂浆以其优异的性能得到快速发展。固体废弃物在自流平砂浆中的应用,可以改善砂浆的性能,降低成本,减少资源和能源消耗,符合低碳环保的时代要求。近年来,我国关于固体废弃物在自流平砂浆中的研究和应用已经取得了一定的成果,但是仍然存在一些问题。

  (1)我国固体废弃物的分布范围广,种类繁多,性能波动大,具有很强的地域性差异,缺乏相应的标准依据。

  (2)自流平砂浆配方体系十分复杂,对原材料性能的稳定性要求较高,而目前我国的固体废弃物性能差异较大,应用到自流平砂浆中极易造成性能偏差,对自流平砂浆的推广应用不利。

  (3)对固体废弃物的利用,尤其是在自流平砂浆中的应用认识不足。应用于自流平砂浆中的固体废弃物往往只有少数的常见种类,如粉煤灰、矿粉、硅灰等矿物掺合料,其他品种的研究还不多,或者还未应用到自流平砂浆中。

  (4)目前对各类固体废弃物综合利用研究和推广应用力度还不够,缺乏相关的政策引导。对固体废弃物在自流平砂浆中的应用研究与成果推广还较少,没有相应的标准、规范来保证产品稳定性和质量。

  自流平材料作为一种理想的地面施工新材料、新技术,由于其优异的性能和简便快捷的施工方法备受市场青睐,具有极广阔的应用前景。传统的自流平砂浆成本较高,限制了其推广应用。将固体废弃物应用到自流平砂浆中,不仅可以降低成本,还可以利用固体废弃物的某些特性改善自流平砂浆的性能,更重要的是可以节约资源,实现资源循环利用。同时,固体废弃物在自流平砂浆中的应用还处于初步发展阶段,存在许多不足之处,需要进一步研究和推广,真正走可持续发展道路。


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