利用城市建筑廢棄物制備環(huán)保磚新技術(shù)的研究

程國淡，張凱松，葉寶水，黃榮清

（1.中國科學(xué)院城市環(huán)境研究所，福建 廈門 361021；2.福建省綠標(biāo)生物科技有限公司，福建 廈門 361100）

利用城市建筑廢棄物制備環(huán)保磚新技術(shù)的研究

程國淡1，張凱松1，葉寶水2，黃榮清2

（1.中國科學(xué)院城市環(huán)境研究所，福建 廈門 361021；2.福建省綠標(biāo)生物科技有限公司，福建 廈門 361100）

以城市建筑垃圾、爐底渣和石粉等區(qū)域特色的固體廢棄物為再生骨料制備環(huán)保磚，系統(tǒng)考察了骨料對環(huán)保磚機械性能的影響。試驗結(jié)果表明：再生骨料的種類對環(huán)保磚抗壓強度的影響顯著。隨著再生骨料中混凝土塊的增加，環(huán)保磚抗壓強度逐漸增加；而隨著再生骨料中黏土磚含量的增加，環(huán)保磚抗壓強度明顯降低；環(huán)保磚抗壓強度隨爐底渣的含量增加而降低；石粉對環(huán)保磚抗壓強度有提升作用。該方法有望解決在城市化進(jìn)程中出現(xiàn)的大量建筑垃圾，實現(xiàn)建筑廢棄物的循環(huán)再利用。

環(huán)保磚；資源化；建筑固體廢棄物；石粉；爐底渣

隨著我國城市化進(jìn)程的快速推進(jìn)，城市建設(shè)產(chǎn)生大量的建筑廢棄物，其中主要成分為廢棄碎磚、混凝土塊、鋼筋、砂石等[1]，據(jù)不完全統(tǒng)計，建筑垃圾中約有30%～50%的碎磚砌塊[2]。燃煤電廠產(chǎn)生大量爐底渣、粉煤灰等，固體廢棄物的處置在城市可持續(xù)發(fā)展過程中備受關(guān)注。

Poon和Soutsos利用拆遷廢棄物骨料制備混凝土鋪路磚，拆遷廢棄物骨料可以替代天然骨料而不降低混凝土鋪路磚機械性能[3-8]。Wattanasiriwech[9]等利用瓷磚生產(chǎn)廢棄物及普通硅酸鹽水泥為原料制備鋪地磚，認(rèn)為壓制壓力直接影響鋪地磚機械性能。另外，Atici[10]等研究了以粉煤灰和高爐礦渣替代部分水泥，制造混凝土鋪地磚，測試了混凝土磚的抗壓強度等機械性能，結(jié)果顯示，粉煤灰和高爐礦渣分別可以替換水泥的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%～20%、30%～40%。

我國石材出口居世界第二，福建石材產(chǎn)品出口居全國第一。加工石材會產(chǎn)生大量廢漿，根據(jù)加工方式的不同，產(chǎn)生的石粉的量占所加工石材荒料重量的20%～30%[11]。國內(nèi)外已有很多成熟的石粉利用技術(shù)，例如，日本將石粉作為水泥的原料，將石粉與其他材料結(jié)合生產(chǎn)人工景點，利用石粉生產(chǎn)多孔燒結(jié)磚等；西班牙利用石粉生產(chǎn)地磚或鋪路板材等；我國也有利用石粉生產(chǎn)磚、板材、石粉陶瓷等[12]。

爐底渣是火力發(fā)電廠、城市集中供熱系統(tǒng)等工業(yè)和民用燃煤鍋爐底部排出的粒徑較粗的灰渣，一般為碎石多孔結(jié)構(gòu)，主要成分是SiO2、Al2O3和Fe2O3。爐底渣在各大發(fā)電廠、熱電廠的日產(chǎn)量都相當(dāng)大。根據(jù)《2010廈門經(jīng)濟特區(qū)年鑒》，2009年廈門爐底渣產(chǎn)量為19.13萬噸。目前，爐底渣主要再生循環(huán)利用在磚瓦制品中，對爐底渣的利用率較低。不僅污染了環(huán)境，也造成了資源的極大浪費。國內(nèi)外學(xué)者對爐底渣的應(yīng)用均有研究，郭鋒等研究了爐底渣在預(yù)拌砂漿中的應(yīng)用，結(jié)果顯示含爐底渣預(yù)拌砂漿操作性良好，保水率、力學(xué)性能、收縮率等指標(biāo)，完全滿足相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)的要求[13]。Yüksel[14]等報道了爐底渣替代細(xì)骨料混凝土的耐用性。Bai[15]、Kou[16]等研究了爐底渣替代細(xì)骨料對混凝土強度的影響，結(jié)果顯示，在水灰比相同的條件下，混凝土強度隨著爐底渣的增加而降低。

上述廢棄物是廈門市典型的固體廢棄物，目前尚未進(jìn)行相關(guān)回收再生循環(huán)利用研究，本研究利用建筑廢棄物、火電站爐底渣、石材廠石粉等為骨料，硅酸鹽水泥為膠凝材料，以一定的配比混合制備環(huán)保磚，探索區(qū)域典型固體廢棄物回收循環(huán)利用途徑，并且探索最佳的環(huán)保磚配比。

1 試驗材料與方法

建筑廢棄物取自廈門某拆遷現(xiàn)場，主要為混凝土碎塊和黏土磚，在實驗室經(jīng)過人工破碎成粗、細(xì)骨料，稱為再生骨料；爐底渣取自廈門嵩嶼火電廠，石粉取自廈門周邊水頭鎮(zhèn)某石材廠，實驗室用普通硅酸鹽水泥C42.5（OPC42.5）。

1.1 原材料粒徑分布

爐底渣、碎黏土磚和碎混凝土塊粒徑分布采用標(biāo)準(zhǔn)篩篩分測出，爐底渣粒徑小于2.36mm的占98%，混凝土碎塊和碎黏土磚粒徑小于2.36mm的分別占61.2%和66.3%（見圖1）。石粉和水泥粒徑用激光粒度儀測定（Mastersizer 2000、 Malvern），水泥和石粉粒徑d（0.5）分別為22.898μm、23.359μm（見圖2）。本文中所有的試驗均是采用上述材料。

圖1 骨料粒徑分布

圖2 水泥和石粉粒徑分布

1.2 原材料XRD（X射線衍射）分析

石粉XRD圖譜顯示石粉中含有大量的二氧化硅和少量硅酸鈣（見圖3），這些二氧化硅可能與水泥水化產(chǎn)生的氫氧化鈣發(fā)生反應(yīng)生成水合硅酸鈣。與石粉相似，黏土磚中也含有大量二氧化硅，還有三氧化二鋁、三氧化二鐵等；爐底渣成分與黏土磚相似，主要是二氧化硅、三氧化二鋁、三氧化二鐵等。

圖3 環(huán)保磚原材料XRD分析

1.3 再生骨料環(huán)保磚的制作及檢測方法

水泥、石粉及粗細(xì)骨料在攪拌器（SJD60，上虞拓展）中干拌2min，而后加入水繼續(xù)攪拌3min。將上述混合均勻的材料加入內(nèi)部尺寸為200×100×60（mm）的鋼制模具中制鋪路磚樣品，每個鋪路磚樣品大約2.4kg?；旌狭戏謨蓪蛹尤?，加入每一層后，用木塊和錘子手工將混合料壓密實。而后，用壓力機（TYE-2000H，無錫建儀）壓制成型，以600kN/min的速度壓制50s，然后清除多余的料，再用相同的速度壓制60s。成型的樣品貯存于室溫、50%左右濕度條件下，用塑料布蓋著。成型1天后拆模，拆模放入水中養(yǎng)護(hù)到適當(dāng)?shù)凝g期后測試抗壓強度。

為研究骨灰比、骨料對環(huán)保磚機械強度的影響，試驗過程中，環(huán)保磚水泥種類和等級、骨料類型、骨料級配、環(huán)保磚制備方法、成型工藝、養(yǎng)護(hù)制度和機械強度檢測方法等均保持不變，所有試驗均在實驗室完成。

抗壓強度測試采用一臺最大荷載為2000kN的壓力機（TYE-2000H，無錫建儀），負(fù)載速度為0.6MPa/s。測試環(huán)保磚在不同齡期的抗壓強度。

2 再生骨料環(huán)保磚

2.1 骨灰比對環(huán)保磚的影響

不同骨灰比環(huán)保磚配比的基本情況如表1所示。

表1 不同骨灰比環(huán)保磚的配比表

圖4 不同骨灰比環(huán)保磚抗壓強度

圖5 環(huán)保磚SEM分析

骨灰比對環(huán)保磚在不同養(yǎng)護(hù)齡期時抗壓強度有顯著影響，環(huán)保磚抗壓強度由骨灰比決定（見圖4）。隨著骨灰比的增加，環(huán)保磚抗壓強度逐漸降低。隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增加，環(huán)保磚骨灰比不同，其抗壓強度增長不同，齡期養(yǎng)護(hù)到28天時，其抗壓強度分別為21.4MPa、13.7MPa、11.9MPa、9.4MPa。當(dāng)骨灰比大于3.5時，環(huán)保磚前期抗壓強度增長較快，而后期抗壓強度增加均小于5%，而骨灰比為3時，環(huán)保磚28天抗壓強度較7天時增加了21%，可見，隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增加，不同骨灰比的環(huán)保磚的抗壓強度差距在增加。環(huán)保磚SEM（掃描電子顯微鏡）分析顯示（見圖5），水泥中的C3S、C2S經(jīng)過物理化學(xué)反應(yīng)生成水和硅酸鈣（CSH）和氫氧化鈣（Ca(OH)2），CSH形成強度，而CSH是水泥發(fā)生水化反應(yīng)的產(chǎn)物，因此，環(huán)保磚中水泥含量高，則水化產(chǎn)物CSH多，因而環(huán)保磚的強度較高。

2.2 再生骨料對環(huán)保磚的影響

不同建筑垃圾再生骨料環(huán)保配比的基本情況如表2所示。

表2 不同再生骨料含量環(huán)保磚的配比表

隨著黏土磚含量的增加，混凝土塊的降低，環(huán)保磚抗壓強度降低（見圖6）。不同再生骨料對環(huán)保磚初始強度影響較小，然而，隨著養(yǎng)護(hù)的進(jìn)行，再生骨料組成的影響逐漸顯示出來，再生骨料中黏土磚含量為0、33%、50%、67%的環(huán)保磚7天抗壓強度分別為19.3MPa、16.9MPa、15.3MPa、11.8MPa。再生骨料中含有少量黏土磚對環(huán)保磚抗壓強度影響較小。當(dāng)黏土磚含量為再生骨料的67%時，環(huán)保磚抗壓強度顯著降低，28天齡期抗壓強度16.7MPa，相比于骨料中不含黏土磚時，強度降低了26.7%。在利用再生骨料制環(huán)保磚時，應(yīng)控制再生骨料中黏土磚的含量。Poon[7]等研究表明黏土磚再生骨料的固有強度小于混凝土再生骨料，這也是環(huán)保磚抗壓強度隨著黏土磚再生骨料含量增加而降低的主要原因。

圖6 不同再生骨料含量環(huán)保磚抗壓強度

2.3 爐底渣含量對環(huán)保磚的影響

不同爐底渣含量環(huán)保配比的基本情況如表3所示。

表3 不同爐底渣含量環(huán)保磚的配比表

爐底渣含量對環(huán)保磚抗壓強度有明顯的影響，對環(huán)保磚前期（7天）抗壓強度影響尤為明顯（見圖7），隨著爐底渣含量增加，環(huán)保磚抗壓強度下降。在爐底渣含量大于細(xì)骨料的25%時（Ⅱ-3，Ⅲ-2），試驗結(jié)果顯示，其環(huán)保磚養(yǎng)護(hù)前期對抗壓強度基本沒有影響，7天抗壓強度均為16.9MPa，而對后期抗壓強度影響較大，Ⅱ-2齡期28天抗壓強度較7天抗壓強度增加了29%，而Ⅱ-1齡期28天抗壓強度較7天增加21%。當(dāng)環(huán)保磚中不含爐底渣時（Ⅲ-3），其抗壓強度明顯高于含爐底渣環(huán)保磚抗壓強度，尤其是前期抗壓強度影響極為顯著，齡期7天時，抗壓強度為21.7MPa，而爐底渣為細(xì)骨料25%、50%的環(huán)保磚7天抗壓強度為16.9MPa。Kou[11]等研究表明在水灰比相同的條件下，混凝土抗壓強度隨著爐底渣替代細(xì)骨料的量的增加而降低，這可能是由于爐底渣、水泥的結(jié)合力較小。

圖7 不同爐底渣含量環(huán)保磚抗壓強度

2.4 石粉含量對環(huán)保磚的影響

不同石粉含量環(huán)保配比的基本情況如表4所示。

表4 不同石粉含量環(huán)保磚的配比表

隨著石粉含量的增加，環(huán)保磚28天抗壓強度逐漸增加（見圖8）。當(dāng)石粉含量為骨料的17.5%時，其28天抗壓強度較不含石粉環(huán)保磚抗壓強度增加了近60%。石粉在環(huán)保磚中的作用可歸結(jié)為物理作用方面，即指石粉的微孔填充效應(yīng)和形態(tài)效應(yīng)，其可以改善集料的級配、流動性，又可以增加環(huán)保磚的密實性，顯著提升環(huán)保磚抗壓強度[12]，SEM圖片也證實了石粉的微孔填充效應(yīng)（見圖9）。圖10FTIR（Thermo Scientific Collect NICDLET is10）圖譜顯示在3600cm-1左右的峰值，是水泥水化過程中產(chǎn)生氫氧化鈣中OH的峰[17-18]，隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增加，該峰消失，表明隨著養(yǎng)護(hù)的進(jìn)行，氫氧化鈣被消耗，可見，環(huán)保磚養(yǎng)護(hù)過程中發(fā)生了火山灰反應(yīng)。

圖8 不同石粉含量環(huán)保磚抗壓強度

圖9 含石粉環(huán)保磚SEM照片

圖10 含石粉環(huán)保磚FTIR分析

3 結(jié)論

通過本試驗，得出以下結(jié)論：

（1）實驗室人工破碎再生骨料、爐底渣、石粉等可用于制備環(huán)保磚，環(huán)保磚的抗壓強度由骨灰比決定。骨灰比為3時，環(huán)保磚抗壓強度明顯高于骨灰比大于3時。此外，不同的再生骨料對環(huán)保磚抗壓強度的影響也很顯著，隨著骨料中黏土磚含量的增加，環(huán)保磚抗壓強度明顯降低，而隨著骨料中混凝土塊的增加，環(huán)保磚抗壓強度逐漸增加。

（2）爐底渣的含量對環(huán)保磚強度有顯著影響，爐底渣含量較低時，對環(huán)保磚影響尤為顯著。石粉含量對環(huán)保磚抗壓強度有提升作用。

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New Technology for Environmental Protection Brick Preparation by Using Urban Building Wastes

CHENG Guo-dan1,ZHANG Kai-song1,YE Bao-shui2,HUANG Rong-qing2
(1.Institute of Urban Environment,Chinese Academy of Sciences,Fujian Xiamen 361021; 2.Fujian Greenway Bio-sciences & Technologies Co.,Ltd,Fujian Xiamen 361100,China)

By taking the solid wastes of the urban building garbage,dregs of hearth and stone powders as the recycled bone materials for the environmental protection brick preparation,the paper studies the effect of bone materials on the mechanical properties of the environmental protection brick.The result shows that the species of bone materials shows obvious influence on compressive strength of the environmental protection brick.With the increasing of the concrete block in the recycled bone materials,the compressive strength of the environmental protection brick will increase gradually.While the increasing of the content of clay brick in the recycled bone materials,the compressive strength of the environmental protection brick will reduce obviously; with the increasing of the content of dregs of hearth,the compressive strength of the environmental protection brick will reduce; the stone powders see a upgrading role on the compressive strength of the environmental protection brick.The process is expected to solve the problem of a great lot of building garbage arisen in the course of urbanization and to realize the recycling and reuse of the building wastes.

environmental protection brick; resource; building solid wastes; stone powder; dregs of hearth

X799.1

A

1006-5377（2015）06-0058-05