多因素對(duì)工程渣土免燒磚性能影響研究

馮志遠(yuǎn)，黃遠(yuǎn)洋，羅霄，羅剛，黃啟林

（深圳市建筑科學(xué)研究院股份有限公司，廣東 深圳 518000）

0 引言

近年來(lái)，我國(guó)城市發(fā)展很快，拆除大量既有建筑，開(kāi)挖地下空間，產(chǎn)生了大量的建筑垃圾。按CJJ/T 134—2019《建筑垃圾處理技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》將建筑垃圾分為五大類：拆除垃圾、工程渣土、工程泥漿、工程垃圾、裝修垃圾。根據(jù)中國(guó)建筑垃圾管理與資源化工作委員會(huì)副主任陳家隴教授統(tǒng)計(jì)，住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部在全國(guó)開(kāi)展建筑垃圾治理試點(diǎn)工作的35個(gè)城市（區(qū)），2018年建筑垃圾的產(chǎn)生量為13.15億t、2019年產(chǎn)生量為13.69億t，以此推算2020年全國(guó)建筑垃圾年產(chǎn)生量已超過(guò)35億t。

據(jù)深圳市住房和建設(shè)局測(cè)算，2017~2020年深圳市建筑垃圾產(chǎn)生總量約3.97億m3。年均產(chǎn)生量約9920萬(wàn)m3，其中政府投資項(xiàng)目工程渣土約6450萬(wàn)m3，社會(huì)投資項(xiàng)目工程渣土約2700萬(wàn)m3，拆除垃圾約770萬(wàn)m3。單是工程渣土一項(xiàng)，僅統(tǒng)計(jì)到的建設(shè)項(xiàng)目，深圳市每年產(chǎn)生量就達(dá)到了9150萬(wàn)m3，這一數(shù)量是很驚人的[1]。

城市的飛速發(fā)展帶來(lái)巨量的工程渣土，目前處置方式主要是空地堆填。深圳市2015年12月20日發(fā)生的“光明滑坡事件”，充分暴露了這種處置方式不但占用寶貴的土地資源，還存在極大的安全隱患。按照無(wú)廢城市建設(shè)理念，固體廢棄物應(yīng)實(shí)現(xiàn)無(wú)害化、資源化處置。工程渣土必須改變堆填處置現(xiàn)狀，走向資源化利用的道路。

水亮亮等[2]針對(duì)南京南部新城市政基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)過(guò)程中工程渣土產(chǎn)生量巨大、特性差異大、強(qiáng)度低及外運(yùn)成本高等特點(diǎn)，結(jié)合新城內(nèi)道路工程建設(shè)對(duì)筑路填料的巨大需求，提出了工程渣土廠拌固化改良后用于道路工程的成套技術(shù)方案。經(jīng)前期調(diào)研、室內(nèi)試驗(yàn)、試驗(yàn)段實(shí)施及檢測(cè)，結(jié)果表明：利用工程渣土制備的固化渣土混合料是一種性能良好的筑路材料，所鋪筑路基的水穩(wěn)定性及整體性良好，固化渣土在道路工程中資源化利用技術(shù)方案可行。

周永祥等[3]研究了工程渣土中加入水泥或固化劑作為膠凝材料，按照混凝土的生產(chǎn)工藝加工成流態(tài)固化土，測(cè)試7、28、56 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度顯示，有3種固化劑固化土強(qiáng)度明顯高于摻水泥成型的固化土強(qiáng)度，性能指標(biāo)滿足工程施工要求。

本研究采用工程渣土、水泥和固化劑通過(guò)特定的設(shè)備拌和、壓制、自然養(yǎng)護(hù)，加工成免燒標(biāo)準(zhǔn)實(shí)心磚，按相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試其3、28 d抗壓強(qiáng)度以及軟化系數(shù)，探索適宜的膠凝材料種類及摻量。

1 原材料與試驗(yàn)方法

1.1 原材料

1.1.1 工程渣土

工程渣土成分各地區(qū)差異很大，本試驗(yàn)工程渣土為南方地區(qū)典型工程渣土，取自深圳建科院未來(lái)大廈項(xiàng)目基坑2 m深土層，主要成分為紅色黏性土，含砂率（公稱粒徑0.63~5.00 mm的顆粒）49%，基本無(wú)人類活動(dòng)雜質(zhì)。

采用螺旋洗砂機(jī)將工程渣土進(jìn)行泥砂分離，泥漿通過(guò)板框式壓濾機(jī)濾水，得到的泥餅中含有少量0.6 mm以下細(xì)砂顆粒；再通過(guò)回添分離出來(lái)的水洗砂配成不同含砂率的工程渣土作為試驗(yàn)原料樣品。

1.1.2 水泥

試驗(yàn)采用羅浮山P·O42.5、P·O52.5兩個(gè)型號(hào)水泥進(jìn)行試配，經(jīng)檢測(cè)安定性合格，技術(shù)性能見(jiàn)表1。

表1 水泥的主要技術(shù)性能

1.1.3 固化劑

現(xiàn)有的固化劑大體分為4大類：石灰水泥類固化劑、礦渣硅酸鹽類固化劑、高聚物類固化劑、電離子溶液類固化劑。本試驗(yàn)選用2種固化劑作對(duì)比，分別是：泉州某公司高聚物型固化劑、深圳某高校研制的水泥基固化劑。

1.1.4 水

成型機(jī)對(duì)混合料干濕度要求較高，太濕會(huì)導(dǎo)致粘模、癱軟不易成型，太干時(shí)會(huì)散掉，且后期水泥難以充分水化反應(yīng)?；旌狭享殲楦捎残?。經(jīng)試驗(yàn)，混合料維勃稠度為45~65 s時(shí)，效果較好。因此本實(shí)驗(yàn)只控制物料干濕度，不分析水灰比。試驗(yàn)用水為市政自來(lái)水。

1.2 試驗(yàn)設(shè)備及成型工藝

采用行星式碾輪攪拌機(jī)，該攪拌機(jī)可以將土顆粒碾碎；同時(shí)與攪拌葉片配合將注水后粘結(jié)成團(tuán)的物料攪散拌勻。

采用泉州某公司靜壓式液壓固化成型機(jī)，型號(hào)300T-1×6，實(shí)際作用力約為額定的80%。制備標(biāo)準(zhǔn)尺寸磚（240 mm×115 mm×53 mm）時(shí)1次成型6塊，作用在橫截面（橫截面為條形面：240 mm×53 mm）的壓強(qiáng)約180 MPa，成型后放置在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，4、24 h后表面分別灑水養(yǎng)護(hù)1次。實(shí)驗(yàn)室溫度為（25±3）℃、相對(duì)濕度為（50±15）%。

1.3 試驗(yàn)方法

抗壓強(qiáng)度、軟化系數(shù)及浸泡海水軟化系數(shù)均參照GB/T 4111—2013《混凝土砌塊和磚試驗(yàn)方法》進(jìn)行。軟化系數(shù)及浸泡海水軟化系數(shù)除按標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定測(cè)試浸泡4 d數(shù)據(jù)外；再分別測(cè)試浸泡28 d數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析。海水取自深圳市紅樹(shù)林公園海岸，氯離子濃度為1.12%。

2 多因素影響試驗(yàn)與結(jié)果分析

2.1 初選試配

2.1.1 不同固化劑試配對(duì)比

固化劑按廠家建議的摻量進(jìn)行試配，對(duì)比分析產(chǎn)品性能，從而確定較優(yōu)固化劑。G1-泉州某公司高聚物型固化劑、G2-深圳某高校研制的水泥基固化劑。

人工篩分、配制成含砂率25%的工程渣土100 kg、羅浮山P·O42.5水泥15 kg，對(duì)2種固化劑進(jìn)行工程渣土免燒磚試配對(duì)比，其中G1固化劑2.0 kg（按照推薦摻量為工程渣土的2%）、G2固化劑15 kg（推薦摻量與水泥摻量相等）。測(cè)試3 d（自然養(yǎng)護(hù)）抗壓強(qiáng)度、對(duì)比試件（自然養(yǎng)護(hù)7 d）抗壓強(qiáng)度、4 d浸泡試件（自然養(yǎng)護(hù)3 d后再于25℃水中浸泡4 d）抗壓強(qiáng)度，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 不同固化劑試配對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果

由表2可見(jiàn)，G2固化劑試件整體抗壓強(qiáng)度較高，主要原因是該固化劑成分是水泥基，摻量較大，相當(dāng)于大幅提高了水泥摻量。但其軟化系數(shù)較低，因此選用G1固化劑作進(jìn)一步試驗(yàn)研究。

2.1.2 不同水泥試配對(duì)比

采用人工篩分、配制成含砂率25%的工程渣土100 kg、G1固化劑2.0 kg，對(duì)羅浮山P·O42.5、P·O52.5兩種水泥采用12%、15%、18%三種不同摻量進(jìn)行試配，對(duì)比工程渣土免燒磚3 d抗壓強(qiáng)度，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 不同水泥試配工程渣土免燒磚3 d抗壓強(qiáng)度MPa

由表3可見(jiàn)，采用P·O52.5水泥的樣品抗壓強(qiáng)度略高，但相同配合比下兩組樣品整體相差并不明顯。市場(chǎng)上P·O52.5水泥價(jià)格高于P·O42.5水泥，從節(jié)省成本考慮，建議采用P·O42.5水泥生產(chǎn)。

2.2 正交試驗(yàn)

2.2.1 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果

試驗(yàn)采用羅浮山P·O42.5水泥，泉州某公司高聚物型固化劑，工程渣土采用人工篩選、配制成20%、25%、30%三種含砂率。本軟化系數(shù)試驗(yàn)方法為：從成型28 d后樣品中選3組試件，每組10個(gè)。第1組放入淡水中浸泡，第2組放入海水中浸泡，第3組為對(duì)比試件，放置于實(shí)驗(yàn)室自然環(huán)境中。4 d后每組測(cè)試5個(gè)試件的抗壓強(qiáng)度，結(jié)果取算術(shù)平均值，計(jì)算4 d淡水環(huán)境軟化系數(shù)、4 d海水環(huán)境軟化系數(shù)；28 d后測(cè)試剩下5個(gè)試件的抗壓強(qiáng)度，結(jié)果取算術(shù)平均值，計(jì)算28 d淡水環(huán)境軟化系數(shù)、28 d海水環(huán)境軟化系數(shù)。

正交試驗(yàn)因素水平設(shè)計(jì)見(jiàn)表4，正交試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5。

表4 正交試驗(yàn)因素水平

表5 正交試驗(yàn)結(jié)果

2.2.2 正交試驗(yàn)結(jié)果分析（見(jiàn)表6）

表6 正交試驗(yàn)極差分析

由表6可以看出，在試驗(yàn)摻量范圍內(nèi)，試件抗壓強(qiáng)度隨著含砂率（A）、水泥摻量（B）、固化劑摻量（C）的增加而提高，影響因素主次順序?yàn)椋核鄵搅浚˙）＞含砂率（A）＞固化劑摻量（C）。工程渣土免燒磚作為水泥制品，強(qiáng)度主要來(lái)自水泥水化反應(yīng)形成的凝膠，將渣土中的砂顆粒與微小泥粉顆粒包裹起來(lái)，形成致密的固化結(jié)構(gòu)，隨著水泥摻量的增加，形成的固化結(jié)構(gòu)增多，抗壓強(qiáng)度提高。

影響4 d軟化系數(shù)（淡水）的因素主次順序?yàn)椋汗袒瘎搅浚–）＞含砂率（A）＞水泥摻量（B），影響28 d軟化系數(shù)的因素主次順序變?yōu)椋汗袒瘎搅浚–）＞水泥摻量（B）＞含砂率（A）。固化劑可以降低渣土顆粒間的排斥力，破壞顆粒吸附水膜，提高顆粒間的吸附力，減少渣土顆粒間隙含水量，有利于水泥水化后將渣土顆粒充分包裹形成致密結(jié)構(gòu)。

2.3 長(zhǎng)期浸泡抗壓強(qiáng)度測(cè)試

正交試驗(yàn)2#的樣品，成型28 d后另外選3組試件，第1組放入淡水中浸泡，第2組放入海水中浸泡，第3組為對(duì)比試件放置在實(shí)驗(yàn)室自然環(huán)境中。180、360 d后分別測(cè)試抗壓強(qiáng)度，并計(jì)算對(duì)應(yīng)的軟化系數(shù)。

本次測(cè)試結(jié)果與前述正交實(shí)驗(yàn)中4、28 d軟化系數(shù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)一起列于表7。

表7 長(zhǎng)期浸泡性能測(cè)試結(jié)果

由表7可知，3種環(huán)境下試件的抗壓強(qiáng)度隨著齡期延長(zhǎng)均有所提高，浸泡在海水中的試件強(qiáng)度增長(zhǎng)最多。因?yàn)楹Ｋ杏休^高濃度的氯化鈉、氯化鎂等氯化物，這是電離子溶液類土壤固化劑的重要組成成分。試件浸泡時(shí)，氯化物起到了固化劑作用，破壞了渣土顆粒附水膜，降低顆粒間隙水，起到了提高試件強(qiáng)度的作用。

3 結(jié)語(yǔ)

（1）水泥摻量對(duì)工程渣土免燒磚抗壓強(qiáng)度的影響最大；固化劑摻量對(duì)軟化系數(shù)影響較大；宜采用含砂率25%的工程渣土，摻入15%~18%P·O42.5水泥、2%高分子聚合物類固化劑生產(chǎn)工程渣土免燒磚。

（2）浸泡4 d后試件抗壓強(qiáng)度下降幅度較大，軟化系數(shù)小于0.80；持續(xù)浸泡到28 d，強(qiáng)度會(huì)有所回升，軟化系數(shù)達(dá)到0.8以上；隨著浸泡時(shí)間延長(zhǎng)，抗壓強(qiáng)度持續(xù)增長(zhǎng)，尤其是在海水中強(qiáng)度增長(zhǎng)更明顯；工程渣土免燒磚適用于海邊、低洼潮濕環(huán)境。

（3）本試驗(yàn)采用行星式碾輪攪拌機(jī)和靜壓式液壓成型機(jī)專用設(shè)備，試件制備過(guò)程與實(shí)際生產(chǎn)一致，具有指導(dǎo)生產(chǎn)的實(shí)際意義。