廢料資源化制磚方法的研究進(jìn)展

王璐瑤， 李勁彬

(1.陜西省土地工程建設(shè)集團(tuán)有限責(zé)任公司， 陜西 西安710075； 2.陜西地建土地工程技術(shù)研究院有限責(zé)任公司， 陜西 西安710075； 3.自然資源部 退化及未利用土地整治工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 陜西 西安710075； 4.陜西省土地整治工程技術(shù)研究中心， 陜西 西安710075)

磚塊作為主要的建筑材料之一，擁有悠遠(yuǎn)的使用歷史，干粘土磚在公元前8 000年開(kāi)始使用，燒制粘土磚在公元前4 500年開(kāi)始使用。目前，全球磚的年產(chǎn)量約為13 910億塊，且磚的需求量預(yù)計(jì)將持續(xù)增長(zhǎng)。常規(guī)磚一般是由粘土經(jīng)高溫窯燒制而成，或用普通波特蘭水泥(OPC)混凝土生產(chǎn)。采石場(chǎng)作為獲取粘土的主要途徑之一，采石過(guò)程中不但會(huì)消耗大量能源，還會(huì)產(chǎn)生大量廢棄物，并破壞生態(tài)環(huán)境。同時(shí)，高溫窯燒過(guò)程還會(huì)消耗大量能源，釋放大量CO2。另外，OPC混凝土磚是由OPC和骨料制成，其生產(chǎn)過(guò)程也會(huì)消耗大量能源，并釋放大量CO2，所帶來(lái)的環(huán)境負(fù)效應(yīng)與普通粘土磚相似。為保護(hù)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展，諸多學(xué)者研究利用廢料包括粉煤灰、礦山尾礦、礦渣、建筑垃圾、木屑、廢棄棉花、石灰石粉、造紙殘留物、石油廢水處理廠污泥、牛皮紙漿生產(chǎn)殘留物、煙頭、廢茶、稻殼灰、碎橡膠和水泥窯粉塵等生產(chǎn)磚塊的方法。為廢料資源化制磚的深入研究提供理論支撐，筆者對(duì)不同廢料生產(chǎn)磚塊方法的研究進(jìn)展進(jìn)行綜述如下。

1 廢料焙燒法制磚

廢料焙燒法制磚是使用廢料代替部分或全部粘土，并遵循傳統(tǒng)的窯燒方法生產(chǎn)磚的材料。有研究表明，利用赤鐵礦尾礦、F級(jí)粉煤灰和粘土一起生產(chǎn)磚塊，尾礦∶粉煤灰∶粘土=84∶6∶10時(shí)，在980～1 030℃條件下燒制2 h，即可生產(chǎn)出優(yōu)質(zhì)磚塊，其水分含量為12.5%～15%，承壓強(qiáng)度為20～25 MPa[1]。將不同比例的F級(jí)粉煤灰與粘土和足夠量水混合，在模具中將混合物壓縮制備磚塊，模制磚在空氣中干燥2 d后分別在850℃和1 000℃的實(shí)驗(yàn)爐中煅燒24 h，結(jié)果表明，粉煤灰的加入總體上提高了磚的抗壓強(qiáng)度，降低磚的吸水率，當(dāng)粉煤灰含量為40%時(shí)，最高抗壓強(qiáng)度為12.4 MPa，相應(yīng)的吸水率為13.8%[2]。將50%高嶺土細(xì)石料渣(KFQR)，10%～40%粒狀高爐礦渣(GBFS)和10%～40%花崗巖-玄武巖細(xì)石料渣(GBFQR)混合，放入50 mm立方模具中加壓22 MPa制磚，將形成的樣品在恒溫干燥箱中80℃干燥24 h，然后以5℃/min升溫速率，在馬弗爐中分別以1 100℃、1 125℃、1 150℃和1 175℃進(jìn)行燒制，結(jié)果表明，在1 125℃溫度下燒制的含50% KFQR，20% GBFQR和30%GBFS的磚塊性能最優(yōu)[3]。將0%～10%鋸末，0%～30%濾油廢土，0%～30%堆肥和0%～20%大理石4種廢料與粘土混合制備輕質(zhì)磚，在模制過(guò)程中加壓54.5 MPa，然后以3℃/min升溫速率分別燒至950℃和1 050℃，共計(jì)4 h，結(jié)果表明，與950℃相比，在1 050℃焙燒的磚具有更高的抗壓強(qiáng)度和較低的孔隙率和吸水率，其最佳的廢料量為5%木屑，15%濾油廢土，10%堆肥或15%大理石[4]。

2 廢料固結(jié)法制磚

廢料固結(jié)法制磚是依靠廢料本身或外源添加的膠結(jié)材料進(jìn)行膠結(jié)，不需要窯爐燒制。有研究表明，將鋼鐵工業(yè)副產(chǎn)品粒狀高爐礦渣與熟石灰混合后再與砂徹底混合，使用液壓機(jī)加壓4.9 MPa壓制，然后在270～272℃和95%濕度下將樣品固化成型持續(xù)28 d，所得固化磚的抗壓強(qiáng)度、堆積密度和吸水性能均表現(xiàn)良好[5]。混合不同比例的粉煤灰(60%～90%)，煅燒磷石膏(5%～30%)和礦物石灰(5%～30%)，放入木制模具制備空心磚，制得的空心磚用濕麻袋覆蓋1周后轉(zhuǎn)移到21～25℃注水固化罐中進(jìn)一步固化，最終空心磚的抗壓強(qiáng)度、吸水率、密度和耐久性均達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)，可用于低成本住房開(kāi)發(fā)[6]。將木屑、石灰石廢料與波特蘭水泥以固定比例混合，再固定壓強(qiáng)模具中壓實(shí)4 h，然后在裝有22%石灰飽和水的罐中于室溫下固化24 h，最后在105℃通風(fēng)烤箱中干燥24 h，制備的輕質(zhì)磚抗壓強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度、單位重量、超聲脈沖速度和吸水率等指標(biāo)滿足國(guó)際有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[7]。將粉煤灰與熟石灰以100∶0、95∶5和90∶10比例混合，在125～135℃和0.14 MPa條件下制磚，結(jié)果表明，磚的強(qiáng)度取決于粉煤灰的細(xì)度，并隨著粉煤灰細(xì)度的增加而提高，粉煤灰-石灰顆粒磚的強(qiáng)度為47.0～62.5 MPa；重金屬元素，特別是Cd、Ni、Pb和Zn可有效地保留在粉煤灰-石灰顆粒未燒制磚中[8]。使用赤鐵礦尾礦作為主要原料生產(chǎn)高強(qiáng)度蒸壓磚，在壓力1.2 MPa、時(shí)間6 h條件下，70%赤鐵礦尾礦、15%石灰和15%沙子的混合物生產(chǎn)磚的性能最佳，符合《GB 11945—1999蒸壓灰砂標(biāo)準(zhǔn)》[8]。

3 廢料聚合法制磚

地聚合技術(shù)不同于高溫窯燒和依靠固結(jié)廢料生產(chǎn)磚塊均有高能耗和大量溫室氣體排放的缺點(diǎn)，其依賴(lài)于非晶硅和富含氧化鋁的固體與高堿性溶液在環(huán)境溫度或略微升高的溫度下的化學(xué)反應(yīng)，以形成非晶至半結(jié)晶的鋁硅酸鹽無(wú)機(jī)聚合物或地質(zhì)聚合物。地質(zhì)聚合物不僅在許多應(yīng)用中有著可與OPC媲美的性能，而且還具有其他諸多優(yōu)勢(shì)，包括豐富的原材料資源、快速發(fā)展的機(jī)械強(qiáng)度、良好的耐久性、優(yōu)異的耐化學(xué)侵蝕性、固定污染物的能力以及顯著降低能耗和溫室氣體排放，這些特性使地質(zhì)聚合物成為可持續(xù)發(fā)展的理想材料。有研究表明，使用硅酸鈉溶液作為堿活發(fā)劑，用粉煤灰和底灰在溫度為20～23℃，相對(duì)濕度為35%～60%環(huán)境中固化28 d，制成的全尺寸砌磚符合有關(guān)常規(guī)水泥混凝土砌塊的標(biāo)準(zhǔn)[10]。以氫氧化鈉溶液作為堿活化劑，利用銅礦尾礦制備地質(zhì)聚合物磚，通過(guò)調(diào)節(jié)初始含水量、NaOH濃度、成型壓力和固化溫度等條件，可以生產(chǎn)符合ASTM(美國(guó)材料實(shí)驗(yàn)協(xié)會(huì))要求的礦山尾礦基地質(zhì)聚合物磚，其抗壓強(qiáng)度、吸水率和耐磨性均符合ASTM要求[11]。用赤泥和粉煤灰生產(chǎn)地質(zhì)聚合物鋪路磚，結(jié)果表明，赤泥的添加可改善地質(zhì)聚合物反應(yīng)強(qiáng)度，當(dāng)赤泥添加量為5%～20%時(shí)，凝結(jié)時(shí)間和抗壓強(qiáng)度也可得到改善；聚合反應(yīng)時(shí)間取決于NaOH濃度，NaOH濃度、硅酸鹽溶解度和氧化鐵均可影響微觀結(jié)構(gòu)的致密程度，進(jìn)而影響地質(zhì)聚合物的機(jī)械性能；10%、20%赤泥所制備的鋪路磚符合印度的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，且重金屬浸出濃度在允許范圍內(nèi)[12]。

4 小結(jié)

目前，有關(guān)使用廢料以及不同生產(chǎn)方法制磚的研究較多，雖然許多由廢料制成的磚塊都滿足現(xiàn)有有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，并且已獲批多項(xiàng)專(zhuān)利，但進(jìn)行商業(yè)生產(chǎn)和應(yīng)用的非常有限，這與缺乏相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)以及工業(yè)界和公眾的接受緩慢有關(guān)。由于大多數(shù)廢料中含有污染物，因此用廢料生產(chǎn)磚塊，有效且安全地固定原始廢料中的污染物非常重要。為促進(jìn)利用廢料生產(chǎn)和使用磚塊，不僅在技術(shù)、經(jīng)濟(jì)和環(huán)境方面，而且在廢料回收和可持續(xù)發(fā)展有關(guān)的政策和公眾教育方面還需要做更多的工作。