建筑廢棄黏土磚資源化綜合利用綜述

劉榮濤，朱建輝,2，朱瑋杰，張 偉，吳文瀚

(1.西安建筑科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，西安 710055；2.陜西循環(huán)經(jīng)濟(jì)工程技術(shù)院，西安 710055)

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建筑廢棄黏土磚資源化綜合利用綜述

劉榮濤1，朱建輝1,2，朱瑋杰1，張 偉1，吳文瀚1

(1.西安建筑科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，西安 710055；2.陜西循環(huán)經(jīng)濟(jì)工程技術(shù)院，西安 710055)

我國(guó)建筑垃圾年產(chǎn)量巨大，其中廢棄黏土磚占建筑垃圾總量的大部分，但有效利用率卻很低。從廢棄黏土磚自身屬性出發(fā)，綜述了廢棄黏土磚用作粗細(xì)骨料和活性材料資源化利用的研究現(xiàn)狀。廢棄黏土磚通過(guò)合理途徑改善滿足使用要求，提高了廢棄粘土磚的綜合利用率，對(duì)解決目前建筑垃圾圍城的窘境具有非常重要意義。

建筑垃圾； 廢棄黏土磚； 資源化利用

1 引 言

近些年來(lái)，隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)穩(wěn)步發(fā)展以及城鎮(zhèn)化進(jìn)程加快，各項(xiàng)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和舊房改造工程隨處可見(jiàn)，帶來(lái)建筑行業(yè)高速發(fā)展。目前建筑垃圾來(lái)源于三個(gè)方面：舊城改造、建筑施工以及地質(zhì)災(zāi)害。據(jù)國(guó)家發(fā)改委發(fā)布的《中國(guó)資源綜合利用年度報(bào)告》指出：目前我國(guó)每年產(chǎn)生的建筑垃圾約10億噸，而其利用率卻不足5%[1]。在這些建筑垃圾中，廢棄黏土磚、混凝土和砂的總量占到98%，這三種組分皆具有再生資源化利用的屬性，可再生利用。其中，廢棄黏土磚產(chǎn)生量占到建筑垃圾總量的50%以上[2,3]。因此，進(jìn)行建筑垃圾中廢棄黏土的資源化利用研究具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義和長(zhǎng)遠(yuǎn)的社會(huì)意義。由于黏土磚自身的物理和化學(xué)屬性，決定了其具有吸水率大、壓碎指標(biāo)大[4]，具有潛在活性[5]等特點(diǎn)。因此，目前國(guó)內(nèi)外主要研究方向集中于兩方面：一方面是將黏土磚破碎篩分作為混凝土粗細(xì)骨料，另一方面是通過(guò)激發(fā)提高黏土磚粉活性，將其作為活性材料使用。

2 廢棄黏土磚作為混凝土粗骨料

骨料強(qiáng)化方面。劉軍等[6]分別利用水泥凈漿和水泥砂漿對(duì)磚骨料進(jìn)行表面預(yù)處理，認(rèn)為用涂漿預(yù)處理法來(lái)改善磚粗骨料的性能是可行的，處理后再生磚骨料的吸水率和壓碎指標(biāo)均有所降低，通過(guò)對(duì)比認(rèn)為水泥砂漿預(yù)處理方法優(yōu)于水泥凈漿預(yù)處理方法。此外，馬欣等[7]通過(guò)有機(jī)漿液浸漬改性磚骨料的研究表明磚骨料經(jīng)有機(jī)漿液浸漬處理后所配制的混凝土抗壓強(qiáng)度并無(wú)明顯提高，但骨料吸水率明顯降低，進(jìn)而改善再生混凝土的收縮性。

力學(xué)性能方面。大量研究表明，通過(guò)優(yōu)化配合比設(shè)計(jì)以及骨料預(yù)濕或附加用水量等手段，利用廢棄黏土磚全部或部分替代天然粗骨料制備混凝土是可行的，其力學(xué)性能可以滿足設(shè)計(jì)要求[8]。研究認(rèn)為影響廢棄黏土磚再生混凝土力學(xué)性能的主要因素是再生粗骨料的級(jí)配、取代率、水灰比、砂率、附加用水量等，多數(shù)學(xué)者一致認(rèn)為[9,10]影響廢棄黏土磚骨料再生混凝土抗壓強(qiáng)度的首要因素是再生骨料取代率，隨著取代率的增大，廢棄黏土磚再生骨料混凝土抗壓強(qiáng)度逐漸降低，這一點(diǎn)與天然骨料混凝土水膠比是主要因素不同。廢棄磚骨料配制的高強(qiáng)度等級(jí)混凝土不能完全達(dá)到強(qiáng)度要求[11]，主要是因?yàn)閺U棄黏土磚骨料強(qiáng)度低、彈性模量小所致，廢棄黏土磚再生粗骨料混凝土破壞過(guò)程中，水泥石往往是從骨料劈裂開(kāi)始，而與天然骨料混凝土從界面開(kāi)始破壞不同。因此多數(shù)學(xué)者認(rèn)為廢棄黏土磚骨料適宜配制低強(qiáng)度等級(jí)(C40以下)的再生混凝土。

此外，由于黏土磚吸水率大且表面粗糙等原因?qū)е屡渲频脑偕橇匣炷梁鸵仔郧芳?，還有很多研究集中在通過(guò)附加用水量、摻加粉煤灰或硅灰等骨料表面改性改善其工作性能。研究發(fā)現(xiàn)摻入部分粉煤灰對(duì)改善再生骨料混凝土的流動(dòng)性是有幫助的。通過(guò)附加用水量的辦法在一定程度上改善混凝土和易性，但總體來(lái)說(shuō)效果不甚理想，這主要是因?yàn)轲ね链u骨料拌合時(shí)的吸水率小于自身吸水率導(dǎo)致混凝土流動(dòng)性不好，增大附加用水量又會(huì)導(dǎo)致混凝土離析泌水等現(xiàn)象的發(fā)生。

與普通混凝土相比，廢棄黏土磚骨料再生混凝土對(duì)抗凍性能沒(méi)有較大影響?；炷恋膬龊κ且运酀{體的剝落為主，而不是磚骨料的破壞[12]，這是因?yàn)閺U棄磚骨料混凝土遭遇凍害時(shí)磚骨料表面的空隙可以緩解因水結(jié)冰產(chǎn)生的體積膨脹壓力。當(dāng)凍融循環(huán)次數(shù)達(dá)到一定限值后，混凝土表面水泥漿體脫落，黏土磚骨料開(kāi)始裸露[13]。

黏土磚骨料表面的缺陷為離子的擴(kuò)散提供了通道，這使得再生磚骨料混凝土抗氯離子滲透性能下降，因此可以通過(guò)降低骨料孔隙并減少裂紋，以提高抗氯離子滲透性能。趙書(shū)峰[14]采用砂漿裹覆再生磚骨料處理后骨料的孔隙率明顯降低，骨料與水泥漿體之間界面過(guò)渡區(qū)黏結(jié)性能增強(qiáng)，提高了骨料與漿體之間的密實(shí)性，減少了氯離子進(jìn)入的通道，增強(qiáng)了廢棄磚骨料混凝土抗氯離子滲透性能。水泥中活性混合材的摻入能夠填充磚骨料的空隙，活性混合材中含有的活性氧化硅(SiO2)和氧化鋁(Al2O3)能與水泥熟料水化反應(yīng)生成的氫氧化鈣(CH)二次水化反應(yīng)生成水化硅酸鈣(C-S-H)凝膠,使得天然粗骨料與再生骨料之間黏結(jié)緊密，改善了磚骨料表面的空隙和裂紋結(jié)構(gòu)，同樣使得再生磚骨料混凝土抗氯離子滲透的性能得到提高。粉煤灰和硅灰單摻時(shí)，硅灰效果優(yōu)于粉煤灰，而兩者的復(fù)摻可以發(fā)揮“疊加效應(yīng)”對(duì)界面過(guò)渡區(qū)的強(qiáng)化和致密效果更佳。

目前尚無(wú)專(zhuān)門(mén)針對(duì)廢磚骨料混凝土抗?jié)B性的相關(guān)報(bào)道，Levy S M[15]的研究表明，再生磚骨料混凝土的滲透性高于普通混凝土，這可能與磚骨料表面的缺陷有關(guān)。Dhir R K[16]認(rèn)為，粗集料取代率小于30%時(shí)，再生混凝土抗?jié)B性能降低不大。

Levy S M[15]等觀察到破碎磚取代相同體積的天然粗骨料時(shí)，可以發(fā)揮自養(yǎng)護(hù)作用：在拌合初期，磚骨料可以將拌合的水保留在自身的孔結(jié)構(gòu)中，隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間的延長(zhǎng)，逐漸釋放出其中的水分。由于這種內(nèi)部水分的存在，在水泥水化的過(guò)程中，會(huì)延緩干縮現(xiàn)象的出現(xiàn)。

綜上所述，筆者認(rèn)為，雖然廢棄黏土磚骨料在強(qiáng)度、工作性能和耐久性等方面均存在一些不足，但通過(guò)合理的配合比設(shè)計(jì)以及摻入礦物摻合料、引入外加劑、改變混凝土攪拌工藝等手段，可以配制低強(qiáng)度等級(jí)混凝土。

3 廢棄黏土磚作為混凝土及砂漿用再生細(xì)骨料

目前對(duì)廢棄黏土磚再生細(xì)骨料的研究多集中于力學(xué)性能方面。國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究表明[17-20]，在一定范圍內(nèi)摻入廢棄黏土磚再生細(xì)骨料對(duì)砂漿或低強(qiáng)度等級(jí)混凝土強(qiáng)度的影響不大，可以滿足力學(xué)性能要求。甚至還有學(xué)者在利用廢棄黏土磚再生細(xì)骨料取代部分天然細(xì)骨料研制低強(qiáng)度等級(jí)混凝土、砂漿以及輕質(zhì)墻體材料后發(fā)現(xiàn)了力學(xué)性能有所提高的現(xiàn)象[21-23]。這主要是因?yàn)椋环矫?，廢棄黏土磚細(xì)骨料具有不規(guī)則的多棱角形貌，相對(duì)于天然細(xì)骨料更容易搭接交聯(lián)形成穩(wěn)固的空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，同時(shí)天然砂可以很好地進(jìn)入廢磚顆粒間的孔隙中，提高了體系的致密度。另一方面，在水泥漿體水化初期，廢棄黏土磚再生細(xì)骨料的摻入，能夠較多地吸收體系中的水分，產(chǎn)生的真空吸壓效應(yīng)有效減小了水泥漿體與集料之間的距離，提高了水泥漿體與集料之間的黏結(jié)強(qiáng)度，在水泥水化過(guò)程中廢棄黏土磚細(xì)骨料又將水分緩慢釋放，起到自養(yǎng)護(hù)作用有利于水泥水化，同時(shí)廢棄黏土磚細(xì)骨料具有火山灰活性，水泥水化產(chǎn)物中的Ca(OH)2可作為激發(fā)劑與磚中的SiO2、Al2O3發(fā)生二次水化反應(yīng)，生成新的水硬性產(chǎn)物，進(jìn)一步提高了廢棄黏土磚細(xì)骨料與水泥漿體之間的界面強(qiáng)度。

在砂漿和易性方面，廢棄黏土磚再生細(xì)骨料的摻入導(dǎo)致砂漿流動(dòng)性下降，這是由于磚粉與天然砂相比孔隙率高，吸水性強(qiáng)所致；另一方面廢棄黏土磚再生細(xì)骨料比表面積較大，需水量增大，減少了砂漿中的有效水，使得再生砂漿的流動(dòng)性下降，但取代率在30%以下時(shí)，砂漿仍具有一定的工作性。研究還發(fā)現(xiàn)，廢棄黏土磚再生細(xì)骨料的摻入有利于提高砂漿保水性，但須控制取代率以免發(fā)生干縮開(kāi)裂[24,25]。

由于黏土磚輕質(zhì)、多孔等特點(diǎn)將其應(yīng)用于墻體材料也成為研究熱點(diǎn)。程海麗等[26,27]對(duì)廢棄黏土磚細(xì)骨料制備墻體材料進(jìn)行了大量研究，認(rèn)為廢棄黏土磚再生細(xì)骨料可替代天然砂應(yīng)用于墻體材料中，所研制的墻體材料強(qiáng)度、密度、抗凍性及導(dǎo)熱系數(shù)均滿足國(guó)家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，同時(shí)廢棄黏土磚細(xì)骨料的摻入有利于改善墻體材料耐久性。此外，Alibdo A A等[28]研究還發(fā)現(xiàn)隨著廢棄黏土磚再生細(xì)骨料摻量的增加，混凝土孔隙率增大，聲音傳播速度減小。

綜上所述，筆者認(rèn)為廢棄黏土磚作為再生細(xì)骨料雖然對(duì)砂漿流動(dòng)性有所影響，但在一定摻量范圍內(nèi)其工作性能和力學(xué)性能仍然滿足要求，也可以摻入合適外加劑改變砂漿工作性能。將黏土磚應(yīng)用于墻體材料時(shí)，其各項(xiàng)性能指標(biāo)也符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求。

4 廢棄黏土磚粉作為活性材料

廢棄黏土磚粉具有潛在活性，可以通過(guò)物理和化學(xué)途徑激發(fā)。廢棄黏土磚經(jīng)過(guò)機(jī)械粉磨這種最常用的物理激發(fā)方式，使磚粉中的存在活性氧化硅(SiO2)和氧化鋁(Al2O3)，同時(shí)提高了磚粉的填充效應(yīng)和堆積效應(yīng)，從宏觀上提高了磚粉活性[29]。韓濤等[30]的研究也證明了上述觀點(diǎn)，但同時(shí)指出廢棄黏土磚粉的活性并不是很高，認(rèn)為是由于廢棄黏土磚的燒結(jié)溫度與燒黏土接近，其礦物組成主要為無(wú)定形SiO2、Al2O3和鋁硅酸鹽玻璃體，其中的活性SiO2含量不高所致。此外，不少學(xué)者通過(guò)化學(xué)激發(fā)途徑提高磚粉活性，蘆靜等[31]的研究表明利用Ca(OH)2對(duì)磚粉改性可以彌補(bǔ)磚粉少鈣的缺陷，還可以增加體系的堿度，促進(jìn)水泥漿的強(qiáng)度發(fā)展。劉香等[32]的研究則說(shuō)明石膏可以激發(fā)磚粉的活性，同時(shí)適量石膏可使鈣礬石的生成量增大，有利于提高混凝土強(qiáng)度。曹素改等[33]認(rèn)為磚粉中摻入礦粉可以增強(qiáng)復(fù)合粉中的鈣含量，改善缺陷，礦粉自身的高活性和顆粒填充效應(yīng)，使得激發(fā)后的磚粉活性更高。

Naceri A等[34]認(rèn)為磚粉的加入降低了早期強(qiáng)度，但引入的Al2O3和SiO2，改變了CaO/SiO2的比值，可以在養(yǎng)護(hù)后期與水泥水化產(chǎn)生的Ca(OH)2繼續(xù)水化，由此改善了膠砂的后期強(qiáng)度。韓濤等[30]的研究發(fā)現(xiàn)，磚粉作為混合材摻入對(duì)水泥的漿體的標(biāo)準(zhǔn)稠度需水量和凝結(jié)時(shí)間產(chǎn)生影響。葛智[35]認(rèn)為磚粉用作混合材取代水泥可以降低混凝土的自收縮。

磚粉能夠改善水泥基材料孔結(jié)構(gòu)，有利于提高耐久性。Farrell M O等[36]研究了砂漿中摻入磚粉后孔的體積和尺寸分布的情況：隨著磚粉摻量的增加，砂漿早期的孔徑較大，細(xì)孔較少，隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間的增加，90 d以后孔徑減小，細(xì)孔增多。這是由于磚粉與水泥水化產(chǎn)生的氫氧化鈣(CH)發(fā)生反應(yīng)引起的火山灰質(zhì)效應(yīng)形成了多余的水化硅酸鈣(C-S-H)凝膠，這些凝膠就會(huì)進(jìn)入孔中，細(xì)化孔結(jié)構(gòu)，打斷了毛細(xì)孔之間的連通，降低了砂漿的孔隙率。Wild S等[36]研究了磚粉在30%摻量的范圍內(nèi)，隨著摻量的增加，抗硫酸鹽侵蝕能力也隨之增強(qiáng)，這是由磚粉中的化學(xué)組成和相組成決定的。磚粉中少量的SO3含量可以提高砂漿抵抗硫酸鹽侵蝕的能力。并且玻璃相中的CaO的含量是抗硫酸鹽侵蝕的關(guān)鍵因素，這是因?yàn)椴Ａ嘀械偷腃aO經(jīng)常長(zhǎng)時(shí)間的火山灰質(zhì)反應(yīng)會(huì)產(chǎn)生水化硅酸鈣(C-S-H)凝膠和少量的水化鋁酸鈣，而高含量的氧化鈣(約10%左右)在反應(yīng)過(guò)程中會(huì)生成大量的鋁酸鈣，在硫酸鹽的作用下會(huì)形成大量的膨脹體硫鋁酸鈣。馮杰等[37]認(rèn)為磚粉有利于改善混凝土抗氯離子滲透和抗碳化方面的性能。鄭麗等[38]的研究表明磚粉有利于改善混凝土的抗凍性，300次凍融循環(huán)后，混凝土質(zhì)量損失率很小，抗折強(qiáng)度變化不大。

磚粉能夠抑制堿骨料反應(yīng)的發(fā)生。Fatih B[39]使用磚粉取代部分水泥制備混凝土研究摻入磚粉的堿骨料反應(yīng)，結(jié)果表明磚粉的摻入有效的減少了堿骨料反應(yīng)引起的膨脹。這是因?yàn)轲ね链u粉的加入改變混凝土和膠砂體系中的堿骨料反應(yīng)化學(xué)過(guò)程，產(chǎn)生了高堿性的和低鈣的凝膠，這些凝膠的膨脹率較低，因此磚粉可以作為堿骨料反應(yīng)的抑制成分有效的降低混凝土中的堿骨料反應(yīng)引起的體系膨脹。Turanli L等[40]認(rèn)為堿硅反應(yīng)減少膨脹的原因在于磚粉的火山灰質(zhì)活性，磚粉的水化可以改善孔的結(jié)構(gòu)，減少離子的移動(dòng)，并且磚粉的水化可以消耗掉氫氧化鈣(CH)，而且阻斷了富硅區(qū)的堿的進(jìn)入。

5 結(jié) 論

綜合目前國(guó)內(nèi)外對(duì)廢棄粘土磚的研究進(jìn)展，廢棄黏土磚作為粗細(xì)骨料和活性材料使用中仍然存在較多不足，但通過(guò)合理改善途徑仍可滿足使用要求，提高了廢棄粘土磚的綜合利用率，從而對(duì)解決目前建筑垃圾圍城的窘境，具有十分重要的意義。

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Comprehensive Research on Utilizing the Wasted Building Clay Brick

LIURong-tao1,ZHUJian-hui1,2,ZHUWei-jie1,ZHANGWei1,WUWen-han1

(1.School of Material Science and Engineering,Xi'an University of Architecture and Technology,Xi'an 710055，China；2.Shaanxi Techno-Institute of Recycling Economy，Xi'an 710055，China)

The building waste production is huge in China, the waste clay brick accounted for most of the total construction waste,but the effective utilization rate is lower. Starting from the waste clay brick own properties, summarizes the research status of the waste clay brick is used as coarse/fine aggregate and active material. Waste clay brick will be meet the requirement by reasonable way, improving the comprehensive utilization of the waste clay brick. It is very important significance to solve the dilemma in the construction waste.

building waste;waste clay brick;resource utilization

陜西省2016年社會(huì)發(fā)展科技攻關(guān)項(xiàng)目(2016SF-416)

劉榮濤(1990-)，男，碩士研究生.主要從事建筑垃圾資源化利用與研究.

朱建輝，講師.

TU528.45

A

1001-1625(2016)10-3191-05