黏土磚微粉的應(yīng)用研究

楊高強(qiáng) 趙春祥 張強(qiáng) 劉守功

（北京城建華晟交通建設(shè)有限公司，北京 102415）

1 背景

據(jù)統(tǒng)計，1萬平方米建筑的施工過程中會產(chǎn)生建筑垃圾500～600 噸，而拆除1 萬平方米舊建筑會產(chǎn)生7000～12000噸建筑垃圾。我國建筑垃圾數(shù)量已占城市垃圾總量的30%以上。2015年我國產(chǎn)出的建筑垃圾就高達(dá)35.5億噸，預(yù)計到2030年更將達(dá)到73億噸[1]。據(jù)有關(guān)資料，1979年我國紅磚的產(chǎn)量已達(dá)1200億塊，居世界第一位[2]，約1.76億立方米。有研究統(tǒng)計，黏土磚占全國墻體材料用量的95%，即使在北京，紅磚也占墻材用量的70%以上。經(jīng)長年積累，黏土磚的使用量巨大，在我國建筑進(jìn)程中承擔(dān)了舉足輕重的作用。在城市拆遷及農(nóng)村城鎮(zhèn)化、新農(nóng)村改造過程中，紅磚也占了建筑垃圾的一大部分。

城市建筑垃圾資源化處理是20 世紀(jì)90 年代以來世界各國，特別是發(fā)達(dá)國家環(huán)境保護(hù)和可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的目標(biāo)之一，資源化垃圾建材（又稱綠色建材Green Building Materials/生 態(tài) 建 材Ecological Building Materials）已 成 為發(fā)達(dá)國家研究的重要課題之一。對于建筑垃圾的處理，發(fā)達(dá)國家大多實行“建筑垃圾源頭削減策略”，或稱為3R(Reduce，Reuse，Recycle)原則，即首先實行減量化，采取一系列措施減少垃圾數(shù)量，使得建筑垃圾排放在總量上得到控制；其次實行資源化，將建筑垃圾的處理與利用結(jié)合起來，將建筑垃圾中可再生利用的成分再用于建設(shè)中，使建筑垃圾變?yōu)椤熬G色產(chǎn)品”，并形成“潔凈產(chǎn)業(yè)”，確保建筑業(yè)的可持續(xù)發(fā)展[3]。北京建筑垃圾年產(chǎn)生約4000萬噸，但資源化利用比例不足10%，與發(fā)達(dá)國家90%左右的利用率相差甚遠(yuǎn)。黏土磚的抗壓強(qiáng)度低、吸水率大等不利特性導(dǎo)致了低的建筑垃圾資源化比例。黏土磚以火山灰質(zhì)材料為主，含有活性礦物成份，其中的二氧化硅和氧化鋁含量較高，磨細(xì)后可作為膠凝材料代替粉煤灰、礦粉等摻合料。

2 原材料

1）水泥：采用唐山弘也生產(chǎn)的P.O42.5水泥。

2）再生骨料：采用房山區(qū)河北鎮(zhèn)拆遷過程中產(chǎn)生的建筑垃圾，經(jīng)分選、除雜、破碎、篩分等工藝加工而成，粒徑有0～4.75mm和5～10mm兩種規(guī)格。再生骨料性能見表1。

表1 再生骨料性能表

3）攪拌用水：采用自來水。

4）黏土磚微粉及混凝土微粉：取房山區(qū)河北鎮(zhèn)拆遷產(chǎn)生的建筑垃圾，挑選紅基磚和混凝土后用SM500*500型水泥試驗?zāi)ツブ疲▓D1），或采用型號DY-800Y的新元多功能制樣粉碎機(jī)破碎而成（圖2）。黏土磚粉化學(xué)成分見表2。

表2 黏土磚粉主要化學(xué)成分表

圖1 SM500*500型水泥試驗?zāi)?/p>

圖2 DY-800Y的新元多功能制樣粉碎機(jī)

5）標(biāo)準(zhǔn)砂：采用廈門艾思?xì)W的標(biāo)準(zhǔn)砂。

6）激發(fā)劑：二乙醇單異丙醇胺、三異丙醇胺（網(wǎng)購）。

3 影響因素

廢棄黏土磚粉有潛在活性，可通過物理和化學(xué)途徑激發(fā)。廢棄黏土磚經(jīng)過常用的機(jī)械粉磨物理激發(fā)方式，提升了磚粉中的活性氧化硅（SiO2）和氧化鋁（Al2O3），同時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[4]。本文從物理激發(fā)和有機(jī)化學(xué)激發(fā)兩個方面研究黏土磚微粉的火山灰活性。

3.1 物理激發(fā)

采用SM500*500 型水泥試驗球磨與DY-800Y新元多功能制樣粉碎機(jī)，同樣粉磨30min條件下，得到兩份黏土磚微粉。采用水泥：微粉：標(biāo)準(zhǔn)砂：水：激發(fā)劑=315:135:1350:225:0.02%（外摻），按照GB/T 17671-1999《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗方法（ISO法）》規(guī)定分別測定膠砂的抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度，其28d膠砂強(qiáng)度如表3所示。試驗數(shù)據(jù)表明，采用球磨設(shè)備磨制的黏土磚微粉活性更高。本文其他試驗使用的黏土磚微粉均采用球磨設(shè)備磨細(xì)而成。

表3 不同試驗設(shè)備磨細(xì)的黏土磚微粉膠砂強(qiáng)度對比表

3.2 有機(jī)化學(xué)激發(fā)

針對具有強(qiáng)度活性指數(shù)的粉體材料，一般有復(fù)合激發(fā)、堿激發(fā)、硫酸鹽激發(fā)和醇胺類激發(fā)等手段。在砌塊實際應(yīng)用中，復(fù)合激發(fā)需摻加的高鈣磨細(xì)礦粉市場緊缺，質(zhì)量難控制；堿激發(fā)和硫酸鹽激發(fā)手段，成型后砌塊反堿嚴(yán)重。因此本文采用醇胺類激發(fā)劑為激發(fā)手段，選取二乙醇單異丙醇胺或三乙醇胺為激發(fā)劑。醇胺類激發(fā)劑在堿性條件下可促進(jìn)粉煤灰和礦渣等活性摻合料二次水化反應(yīng)，主要通過絡(luò)合作用與玻璃體中的活性Al2O3和SiO2反應(yīng)，促進(jìn)Si-O和Al-O鍵斷裂，從而使得玻璃體解聚，反應(yīng)生成較多細(xì)小的C-S-H和C-A-H凝膠，從而提高強(qiáng)度[5-6]。

3.2.1 二乙醇單異丙醇胺為激發(fā)劑

按照GB/T 1596-2017《用于水泥和粉煤灰中的粉煤灰》規(guī)定的強(qiáng)度活性指數(shù)實驗方法，設(shè)定配比見表4。

表4 強(qiáng)度活性指數(shù)試驗?zāi)z砂配比(單位:g)

其3d、28d膠砂強(qiáng)度及活性指數(shù)如表5所示。試驗數(shù)據(jù)表明，隨著二乙醇單異丙醇胺摻量增加，強(qiáng)度活性指數(shù)先增加后減小，二乙醇單異丙醇胺摻量為0.02%時，活性指數(shù)最高。

表5 二乙醇單異丙醇胺為激發(fā)劑強(qiáng)度及活性指數(shù)

3.2.2 三異丙醇胺為激發(fā)劑

按照GB/T 1596-2017規(guī)定的強(qiáng)度活性指數(shù)實驗方法，設(shè)定配比見表6。

表6 強(qiáng)度活性指數(shù)試驗?zāi)z砂配比(單位:g)

其3d、28d膠砂強(qiáng)度及活性指數(shù)如表7所示。試驗數(shù)據(jù)表明，隨著三異丙醇胺摻量增加，強(qiáng)度活性指數(shù)先增加后減小，三異丙醇胺摻量為0.05%時，活性指數(shù)最高。

表7 三異丙醇胺為激發(fā)劑強(qiáng)度及活性指數(shù)

3.2.3 激發(fā)劑的穩(wěn)定性

選取摻量為0.02%的二乙醇單異丙醇胺和0.05%的三異丙醇胺重復(fù)膠砂強(qiáng)度試驗，試驗結(jié)果見表8、表9。數(shù)據(jù)表明，利用醇胺類作為黏土磚微粉激發(fā)劑，強(qiáng)度穩(wěn)定，強(qiáng)度活性指數(shù)均大于70%，可在砌塊中代替水泥。在黏土磚微粉中，二乙醇單異丙醇胺比三異丙醇胺的激發(fā)效果要好，因此下文試驗均選取二乙醇單異丙醇胺為激發(fā)劑，摻量為黏土磚微粉的0.02%。

表8 二乙醇單異丙醇胺為激發(fā)劑的重復(fù)膠砂強(qiáng)度統(tǒng)計表

表9 三異丙醇胺為激發(fā)劑的重復(fù)膠砂強(qiáng)度統(tǒng)計表

3.2.4 黏土磚微粉摻量及養(yǎng)護(hù)期對膠砂強(qiáng)度的影響

采用二乙醇單異丙醇胺為激發(fā)劑，以黏土磚微粉的0.02%為摻加量，在微粉摻加量占水泥比例的10%、20%、30%、40%條件下，檢測膠砂強(qiáng)度，檢測結(jié)果如表10。從圖3中看出，28d強(qiáng)度隨著黏土磚微粉摻量的增加而降低，但在摻量從30%到40%時，降低幅度明顯變大，說明黏土磚微粉最大摻量為水泥的30%。隨著養(yǎng)護(hù)期的增加，膠砂試件的抗折強(qiáng)度變化不大且稍有降低，但膠砂抗壓強(qiáng)度增長量較大，且隨著摻加量的增大，提高量先增加后減小，但總體上膠砂后期強(qiáng)度會增長，甚至接近基準(zhǔn)水泥抗壓強(qiáng)度。數(shù)據(jù)顯示，黏土磚微粉有利于混凝土的后期強(qiáng)度增長。

表10 試驗?zāi)z砂強(qiáng)度

圖3 膠砂強(qiáng)度對比圖

3.2.5 黏土磚微粉純度對膠砂強(qiáng)度的影響

在拆遷等工程中產(chǎn)生的建筑垃圾都是磚砼混合料，目前磚砼分離技術(shù)主要有物理分離（依靠容重不同）、紅外檢測分離（依靠顏色不同），但無法做到100%磚砼分離，所以在加工黏土磚微粉時會帶有一定量的混凝土粉。為此，在微粉代替水泥量30%條件下，進(jìn)行微粉中砼微粉含量不同的膠砂強(qiáng)度對比試驗，試驗數(shù)據(jù)如表11。從表11看出，早期砼微粉對膠砂強(qiáng)度的影響不大，但當(dāng)微粉中砼粉含量超過20%后對抗折強(qiáng)度影響較大，當(dāng)微粉中砼粉含量超過40%后對抗壓強(qiáng)度的影響逐漸明顯。因此，在加工黏土磚微粉時，其建筑垃圾中砼重量比例不能超過20%。

表11 砼微粉含量不同的膠砂強(qiáng)度試驗數(shù)據(jù)

3.3 小結(jié)

在采用醇胺類為激發(fā)劑時，黏土磚微粉的強(qiáng)度活性指數(shù)大于70%，滿足用于水泥和混凝土中摻合料對于強(qiáng)度活性指數(shù)的要求。在加工黏土磚微粉時，應(yīng)控制建筑垃圾中混凝土的含量，砼含量不能超過20%，且加工黏土磚微粉宜采用球磨設(shè)備。

4 應(yīng)用及經(jīng)濟(jì)效益

4.1 黏土磚微粉在路面磚中的應(yīng)用

北京城建華晟交通建設(shè)有限公司位于北京房山區(qū)河北鎮(zhèn)建筑垃圾資源化產(chǎn)業(yè)基地，采用貝賽爾MT140-120型彩色混凝土路面磚成型機(jī)生產(chǎn)再生路面磚、砌塊等。本文選取市場中常用規(guī)格200mm×100mm×60mm普通再生路面磚為例，其配比如表12，自然養(yǎng)護(hù)28d后依據(jù)GB/T 28635-2012《混凝土路面磚》檢測其主要性能，結(jié)果如表13。從表中看出，在再生混凝土路面磚生產(chǎn)中，黏土磚微粉可代替30%的水泥，且產(chǎn)品滿足GB/T 28635-2012規(guī)定的所有性能指標(biāo)。

表12 普通再生路面磚設(shè)計配比表(單位:kg)

表13 普通再生路面磚性能對比

4.2 利用黏土磚微粉的經(jīng)濟(jì)效益

隨著建筑廢棄物的資源化利用政策發(fā)布，再生路面磚市場得到增長。在京管發(fā)[2018]142號關(guān)于北京市建筑垃圾分類消納管理辦法明確指出，指定工程部位選擇的再生產(chǎn)品替代使用比例不低于10%，且比例逐年提高。目前，建筑垃圾收儲利用中，政府補(bǔ)助45元/噸，基本滿足了黏土磚在建筑垃圾分選、破碎中所需的能耗、人工等成本。通過本文試驗證明，黏土磚微粉完全可替代全部粉煤灰或部分水泥，達(dá)到預(yù)期效果，由此帶來可觀的經(jīng)濟(jì)價值。以200mm×100mm×60mm的普通再生路面磚為例，一平米水泥用量約19kg，以到房山區(qū)河北鎮(zhèn)為例，到廠水泥約445元/噸，即水泥成本為8.455元/平米，以30%的黏土磚微粉代替水泥，黏土磚微粉磨細(xì)需成本約60元/噸（包括磨細(xì)的能耗和人工），計算得膠凝材料成本為6.2605元/平米，可節(jié)約2.1945元/平米。一條15型路面磚生產(chǎn)線年生產(chǎn)量為80萬平米，即一年可節(jié)約175.56萬元。另外，生產(chǎn)再生路面磚時再生材料摻量達(dá)70%時，可減免70%的稅收。所以，在生產(chǎn)砌塊中采用黏土磚微粉代替水泥具有可觀的經(jīng)濟(jì)效益。

5 結(jié)論

利用拆遷等工程產(chǎn)生的建筑垃圾，篩除輕物質(zhì)及冗余土后，經(jīng)篩分、破碎、分選后得到純度不小于80%的黏土磚，經(jīng)球磨機(jī)磨細(xì)，得到黏土磚微粉，采用醇胺類激發(fā)劑激發(fā)，滿足設(shè)計及國家標(biāo)準(zhǔn)要求的前提下，在砂漿、砌塊生產(chǎn)中可代替30%的水泥。