建筑垃圾再生微粉資源化利用的試驗(yàn)研究

摘要：為提高建筑垃圾再生微粉的利用率和附加值，采用堿激發(fā)、機(jī)械研磨及兩種激發(fā)方法復(fù)合的方式對(duì)再生微粉進(jìn)行活性激發(fā)，使用再生微粉替代部分水泥（摻量30%）制備膠砂試塊，經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d后以抗壓強(qiáng)度檢測(cè)結(jié)果評(píng)價(jià)再生微粉的活性激發(fā)效果。結(jié)果表明，Ca（OH）2與Na2SO3·9H2O以1∶1的比例混合球磨15 min，激發(fā)劑摻量為2.5%，再生微粉活性最好。養(yǎng)護(hù)28 d后，與全部使用普通硅酸鹽水泥作為膠凝材料的對(duì)照組相比，以Ca（OH）2+Na2SO3·9H2O為激發(fā)劑，使用再生微粉取代部分水泥制備的膠砂試塊抗壓強(qiáng)度僅下降1.82%，與粉煤灰取代部分水泥（摻量30%）的對(duì)照組相比，前者抗壓強(qiáng)度明顯更高。

關(guān)鍵詞：建筑垃圾；再生微粉；資源化利用；抗壓強(qiáng)度；堿激發(fā)；機(jī)械研磨

中圖分類號(hào)：X799.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1008-9500（2024）06-00-06

DOI：10.3969/j.issn.1008-9500.2024.06.009

Experimental study on the resource utilization of recycled micro powder from construction waste

GAO Yongtao， CHEN Huan， ZHANG Yinliang， YANG Chen， WU Yuansen， ZHANG Yi

（Hunan Zhongbang Renewable Resources Technology Co.， Ltd.， Changsha 410600， China）

Abstract： In order to improve the utilization rate and added value of recycled micro powder from construction waste， alkaline excitation， mechanical grinding， and a combination of two excitation methods are used to excite the activity of recycled micro powder， and recycled micro powder is used to replace some cement （with a content of 30%） to prepare rubber sand test blocks， after 28 d of standard curing， the compressive strength test results are used to evaluate the activity excitation effect of recycled micro powder. The results show that Ca（OH）2 and Na2SO3·9H2O are mixed and ball milled in a 1∶1 ratio for 15 min， with an activator content of 2.5%， and the recycled micro powder has the best activity. After 28 d of curing， compared with the control group that uses only ordinary Portland cement as the cementitious material， the compressive strength of the rubber sand test block prepared by using Ca（OH）2 + Na2SO3·9H2O as the activator and partially replacing cement with recycled micro powder decreases by only 1.82%， compared with the control group that partially replaces cement with fly ash （with a dosage of 30%）， the compressive strength of the former is significantly higher.

Keywords： construction waste; recycled micro powder; resource utilization; compressive strength; alkali excitation; mechanical grinding

我國(guó)建筑垃圾年產(chǎn)生量超過(guò)20億t，隨著城鎮(zhèn)化步伐加快，它呈現(xiàn)快速增長(zhǎng)的勢(shì)頭。建筑垃圾產(chǎn)生量大，難以降解。我國(guó)絕大多數(shù)建筑垃圾采用露天堆放及直接填埋的方式處置，對(duì)土地、水體和大氣造成嚴(yán)重污染。目前，發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)建筑垃圾的資源化利用率超過(guò)90%[1]，而我國(guó)不足10%[2]。為解決建筑垃圾大量堆積造成的資源浪費(fèi)與環(huán)境問(wèn)題，國(guó)家相繼出臺(tái)多項(xiàng)政策，鼓勵(lì)和引導(dǎo)社會(huì)各界重視建筑垃圾的資源化利用。建筑垃圾處置過(guò)程不可避免地會(huì)產(chǎn)生粒徑小于75 μm的粉體[3]，粉體產(chǎn)生量因建筑垃圾硬度不同而上下波動(dòng)，一般占原料質(zhì)量的15%左右，其組分是硬化水泥石和砂石骨料、磚的碎屑，即再生微粉[4]。這些粉體粒徑小，容易在空氣中飄浮，在建筑垃圾資源化利用過(guò)程中往往得不到有效利用。

再生微粉具有低活性或潛在活性，近年來(lái)，再生微粉活性激發(fā)的研究頗多，其主要化學(xué)成分與水泥相似，主要活性激發(fā)方式有機(jī)械研磨、堿激發(fā)、熱處理和復(fù)合處理方式[5]。元成方等[6]研究機(jī)械研磨、化學(xué)激發(fā)和熱處理對(duì)再生微粉活性的激發(fā)效果，發(fā)現(xiàn)球磨45 min的激發(fā)效果最好?？禃悦鞯萚7]以砂漿抗壓強(qiáng)度和微觀結(jié)構(gòu)為評(píng)價(jià)指標(biāo)，研究堿激發(fā)和熱處理等激發(fā)方式對(duì)再生微粉活性的激發(fā)效果。結(jié)果表明，未經(jīng)處理的再生微粉不適合替代水泥，試塊養(yǎng)護(hù)28 d時(shí)，熱活化效果最好。在現(xiàn)有研究的基礎(chǔ)上，采用堿激發(fā)、機(jī)械研磨、堿激發(fā)和機(jī)械研磨相結(jié)合的方式對(duì)再生微粉進(jìn)行活性激發(fā)，使用再生微粉替代部分水泥（摻量30%）制備膠砂試塊，經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d后以抗壓強(qiáng)度檢測(cè)結(jié)果評(píng)價(jià)再生微粉的活性激發(fā)效果，從而增加其利用率和附加值。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)原料

試驗(yàn)原料有水泥、建筑垃圾再生骨料及再生微粉、粉煤灰、砂和水。采用普通硅酸鹽水泥，28 d抗壓強(qiáng)度不低于42.5 MPa，主要技術(shù)指標(biāo)如表1、表2所示。普通小區(qū)內(nèi)的裝潢垃圾經(jīng)顎式破碎機(jī)破碎，然后經(jīng)篩分得到再生骨料及粒徑小于0.16 mm的再生微粉，其化學(xué)成分如表3所示。采用二級(jí)粉煤灰，化學(xué)成分如表4所示，篩余物占比如表5所示。試驗(yàn)用砂為天然中砂，試驗(yàn)用水為符合相關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的自來(lái)水。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)將再生微粉活性激發(fā)劑摻量、球磨時(shí)間和激發(fā)劑種類作為影響因素，選用Ca（OH）2和Na2SO3·9H2O

作為激發(fā)劑，通過(guò)測(cè)試不同對(duì)照組不同齡期的膠砂試塊強(qiáng)度，研究最優(yōu)的再生微粉活性激發(fā)劑種類、摻量及球磨細(xì)度。膠砂試塊基礎(chǔ)配合比如表6所示。

1.3 試驗(yàn)方法

堿激發(fā)試驗(yàn)共設(shè)計(jì)1個(gè)對(duì)照組和3個(gè)試驗(yàn)組（編號(hào)分別為Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ）。對(duì)照組未添加激發(fā)劑，分別使用不同材料制備3種膠砂試塊，即全部使用普通硅酸鹽水泥作為膠凝材料制備的膠砂試塊、二級(jí)粉煤灰取代部分水泥（摻量30%）制備的膠砂試塊、未經(jīng)機(jī)械研磨（球磨）與活性激發(fā)處理的再生微粉取代部分水泥（摻量30%）制備的膠砂試塊。試驗(yàn)組Ⅰ以Ca（OH）2為激發(fā)劑，分別將摻量2.5%、3.5%、4.5%和5.5%的Ca（OH）2添加到再生微粉中，然后再生微粉以30%的比例取代水泥制備膠砂試塊。試驗(yàn)組Ⅱ以Na2SiO3·9H2O為激發(fā)劑，分別將摻量2.5%、3.5%、4.5%和5.5%的Na2SiO3·9H2O添加到再生微粉中，然后再生微粉以30%的比例取代水泥制備膠砂試塊。試驗(yàn)組Ⅲ以Ca（OH）2+Na2SiO3·9H2O（質(zhì)量比1∶1）為激發(fā)劑，分別將摻量2.5%、3.5%、4.5%和5.5%的Ca（OH）2+Na2SiO3·9H2O添加到再生微粉中，然后再生微粉以30%的比例取代水泥制備膠砂試塊。

機(jī)械研磨試驗(yàn)采用機(jī)械研磨激發(fā)再生微粉活性，再生微粉分別研磨0 min、15 min、30 min、45 min和60 min，以30%的比例取代水泥制備膠砂試塊。

堿激發(fā)與機(jī)械研磨相結(jié)合的試驗(yàn)分別以Ca（OH）2、Na2SiO3·9H2O、Ca（OH）2+Na2SiO3·9H2O（質(zhì)量比1∶1）為激發(fā)劑，將不同激發(fā)劑添加到再生微粉中，然后將其與再生微粉共同研磨。激發(fā)劑分別以2.5%、3.5%、4.5%和5.5%的摻量加入再生微粉中，再共同經(jīng)15 min、30 min、45 min和60 min研磨后，以30%的比例取代水泥制備膠砂試塊。按照相應(yīng)配方制備規(guī)格40 mm×40 mm×160 mm的膠砂試塊，放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱養(yǎng)護(hù)24 h后脫模。脫模后，膠砂試塊放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱養(yǎng)護(hù)至28 d齡期[8]。按照《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法（ISO法）》（GB/T 17671—2021），測(cè)定試塊的抗壓強(qiáng)度。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 堿激發(fā)試驗(yàn)

再生微粉添加不同種類與摻量的激發(fā)劑時(shí)，膠砂試塊抗壓強(qiáng)度隨養(yǎng)護(hù)時(shí)間的變化如圖1所示。由圖1（a）可以看出，再生微粉末添加激發(fā)劑，加入摻合料取代水泥后，膠砂試塊抗壓強(qiáng)度均有下降。與全部使用普通硅酸鹽水泥作為膠凝材料制備的膠砂試塊相比，粉煤灰以30%的比例取代部分水泥后，膠砂試塊抗壓強(qiáng)度降低31.61%；未經(jīng)處理的再生微粉以30%的比例取代部分水泥后，膠砂試塊抗壓強(qiáng)度最低，降低44.32%。由圖1（b）可以看出，與全部使用普通硅酸鹽水泥作為膠凝材料制備的膠砂試塊相比，再生微粉分別添加摻量2.5%、3.5%、4.5%和5.5%的Ca（OH）2后，膠砂試塊抗壓強(qiáng)度分別降低27.37%、26.86%、41.99%和37.46%；相比未經(jīng)處理的再生微粉取代部分水泥制備的膠砂試塊，添加激發(fā)劑后，膠砂試塊抗壓強(qiáng)度略有提升，說(shuō)明加入Ca（OH）2對(duì)再生微粉活性有一定的激發(fā)效果，但摻量超過(guò)3.5%后，激發(fā)效果變差。由圖1（c）可以看出，與全部使用普通硅酸鹽水泥作為膠凝材料制備的膠砂試塊相比，再生微粉分別添加摻量2.5%、3.5%、4.5%和5.5%的Na2SO3·9H2O作為激發(fā)劑，膠砂試塊抗壓強(qiáng)度分別降低41.81%、51.40%、37.53%和48.57%，說(shuō)明其對(duì)再生微粉的活性激發(fā)效果較差。由圖1（d）可以看出，與全部使用普通硅酸鹽水泥作為膠凝材料制備的膠砂試塊相比，再生微粉分別添加摻量2.5%、3.5%、4.5%和5.5%的Ca（OH）2+Na2SO3·9H2O作為激發(fā)劑，膠砂試塊抗壓強(qiáng)度分別降低44.95%、51.11%、45.99%和42.37%，說(shuō)明其對(duì)再生微粉的活性激發(fā)效果較差。

研究發(fā)現(xiàn)，在未經(jīng)處理的再生微粉中直接添加Ca（OH）2和Na2SO3·9H2O作為激發(fā)劑，再生微粉活性的激發(fā)效果十分有限。經(jīng)分析，再生微粉是由破碎的建筑垃圾骨料直接篩分的粒徑小于0.15 mm的粉料，物理形態(tài)多為粒徑范圍較廣的尖角狀、片狀的細(xì)小顆粒，流動(dòng)性差，因此再生微粉在砂漿中的分散性差，填充效果差。即使加入激發(fā)劑，再生微粉也不能充分分散到砂漿體系，導(dǎo)致作用不明顯，激發(fā)效果欠佳。

2.2 機(jī)械研磨試驗(yàn)

如表7所示，再生微粉經(jīng)15 min球磨后，粒徑大于74 μm的篩余物占比由38%降至4%，粒徑大于47 μm的篩余物占比由58%降至29%。延長(zhǎng)球磨時(shí)間，篩余物占比變化幅度較小，再生微粉經(jīng)45 min球磨，粒徑大于74 μm的篩余物占比才由最初的38%降至0%，原因是在球磨過(guò)程中，粒度越小，再生微粉越易板結(jié)，粘在球磨罐壁上，降低球磨效率。

如圖2所示，與未添加激發(fā)劑的對(duì)照組相比，機(jī)械研磨可以降低再生微粉粒徑，激發(fā)再生微粉活性。但是，隨著機(jī)械研磨時(shí)間的增加，再生微粉活性呈下降趨勢(shì)。機(jī)械研磨時(shí)間對(duì)再生微粉活性的激發(fā)效果變化是非線性的，不同研磨時(shí)間的再生微粉活性先增大后減小，其中機(jī)械研磨15 min與機(jī)械研磨30 min的再生微粉活性激發(fā)效果最好，相比粉煤灰以30%的比例取代部分水泥，經(jīng)28 d養(yǎng)護(hù)，前者制備的膠砂試塊抗壓強(qiáng)度均超過(guò)后者。機(jī)械研磨15 min后，球磨效率開始降低，團(tuán)聚現(xiàn)象加重?？紤]能耗，機(jī)械研磨時(shí)間取15 min，從而激發(fā)再生微粉活性。

經(jīng)分析，再生微粉主要通過(guò)填充砂漿中骨料堆積的孔隙使膠砂試塊微觀結(jié)構(gòu)更加密實(shí)，從而提升膠砂試塊抗壓強(qiáng)度[9-10]。在球磨過(guò)程中，再生微粉顆粒級(jí)配得到優(yōu)化，顆粒形態(tài)由多棱角的針片狀變?yōu)轭惽蛐?，流?dòng)性大幅增強(qiáng)，它在膠砂試塊中可以起到更好的填充效果。隨著球磨時(shí)間的增加，再生微粉逐漸細(xì)化，當(dāng)再生微粉粒徑與水泥粒徑（見表8）相近時(shí)，填充效果最好，膠砂試塊的抗壓強(qiáng)度有明顯提升。繼續(xù)增加球磨時(shí)間，隨著再生微粉粒徑減小，比表面積逐漸增大，吸水率也隨比表面積的增大而提高，導(dǎo)致再生砂漿拌和時(shí)流動(dòng)性降低，密實(shí)度變小，膠砂試塊抗壓強(qiáng)度下降。

再生微粉吸水率較高，水泥水化早期，再生微粉大量吸水，從而抑制部分水泥的水化。合適粒度的再生微粉在膠砂試塊中的填充效應(yīng)彌補(bǔ)部分未水化水泥帶來(lái)的強(qiáng)度損失，不同細(xì)度的再生微粉在砂漿試塊中的填充效應(yīng)不同，所以膠砂試塊呈現(xiàn)不同的抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)速度。水化后期，再生微粉的火山灰活性效應(yīng)發(fā)揮主要作用[11]，隨著再生微粉比表面積逐漸增大，其吸水率逐漸提高，當(dāng)再生微粉的火山灰效應(yīng)和填充效應(yīng)無(wú)法彌補(bǔ)未水化水泥帶來(lái)的強(qiáng)度損失時(shí)，膠砂試塊的抗壓強(qiáng)度就會(huì)受到影響，隨之降低。

2.3 堿激發(fā)與機(jī)械研磨相結(jié)合的試驗(yàn)

激發(fā)劑摻量分別為2.5%、3.5%、4.5%和5.5%時(shí)，不同研磨時(shí)間條件下，激發(fā)活性后的再生微粉制備的膠砂試塊28 d抗壓強(qiáng)度如圖3所示。數(shù)據(jù)顯示，球磨時(shí)間與激發(fā)劑摻量沒(méi)有相關(guān)性。如圖3（a）所示，激發(fā)劑摻量為2.5%時(shí)，以Ca（OH）2+Na2SO3·9H2O為激發(fā)劑，研磨時(shí)間為15 min，再生微粉活性最好，與全部使用普通硅酸鹽水泥作為膠凝材料制備的膠砂試塊相比，前者制備的膠砂試塊抗壓強(qiáng)度僅下降1.82%，而單獨(dú)使用Na2SO3·9H2O作為激發(fā)劑的活性激發(fā)效果最差。如圖3（b）所示，激發(fā)劑摻量為3.5%時(shí)，以Ca（OH）2+Na2SO3·9H2O為激發(fā)劑，研磨時(shí)間為

45 min，再生微粉活性最好，與全部使用普通硅酸鹽水泥作為膠凝材料制備的膠砂試塊相比，前者制備的膠砂試塊抗壓強(qiáng)度下降13.56%，而單獨(dú)使用Na2SO3·9H2O作為激發(fā)劑，激發(fā)效果最差。如圖3（c）所示，激發(fā)劑摻量為4.5%時(shí)，以Ca（OH）2+Na2SO3·9H2O為激發(fā)劑，研磨時(shí)間為30 min，再生微粉活性最好，與全部使用普通硅酸鹽水泥作為膠凝材料制備的膠砂試塊相比，前者制備的膠砂試塊抗壓強(qiáng)度下降14.56%，而單獨(dú)使用Na2SO3·9H2O作為激發(fā)劑，激發(fā)效果最差。如圖3（d）所示，激發(fā)劑摻量為5.5%時(shí)，以Ca（OH）2+Na2SO3·9H2O為激發(fā)劑，研磨時(shí)間為15 min，再生微粉活性最好，與全部使用普通硅酸鹽水泥作為膠凝材料制備的膠砂試塊相比，前者制備的膠砂試塊抗壓強(qiáng)度下降14.09%。從激發(fā)效果來(lái)看，不同激發(fā)劑對(duì)再生微粉活性激發(fā)效果的排序?yàn)镃a（OH）2+Na2SO3·9H2O＞Ca（OH）2＞Na2SO3·9H2O。在加入激發(fā)劑的情況下，研磨時(shí)間對(duì)再生微粉活性激發(fā)效果的影響無(wú)明顯規(guī)律。

經(jīng)分析，激發(fā)劑Ca（OH）2可以與水泥的水化產(chǎn)物發(fā)生火山灰反應(yīng)，提升水泥水化速率，從而激發(fā)再生微粉活性。隨著Ca（OH）2摻量的增加，反應(yīng)體系的OH-濃度持續(xù)增大，其與Al2O3、SiO2及Ca2+反應(yīng)，生成水化硅酸鈣，提升膠砂試塊抗壓強(qiáng)度，但堿-硅酸凝膠吸水后體積膨脹，遠(yuǎn)大于反應(yīng)前體積，過(guò)量添加Ca（OH）2使材料體系內(nèi)部不均勻膨脹，造成膠砂試塊抗壓強(qiáng)度不佳。激發(fā)劑Na2SO3·9H2O可以在膠凝材料中起到骨架作用，水化產(chǎn)物填充于Na2SO3·9H2O構(gòu)建的骨架中，使其微觀結(jié)構(gòu)更加密實(shí)[12]，從而提升膠砂試塊抗壓強(qiáng)度，但過(guò)量添加Na2SO3·9H2O，骨架網(wǎng)絡(luò)會(huì)影響再生微粉與水泥熟料的接觸面積，影響火山灰反應(yīng)，從而減少水化硅酸鈣、水化鋁酸鈣和水化硫酸鈣等物質(zhì)的生成，最終影響膠砂試塊抗壓強(qiáng)度。再生微粉中，活性物質(zhì)含量少且不穩(wěn)定，大部分再生微粉在材料體系中僅起到物理填充作用，球磨可以改善再生微粉的粒型與級(jí)配，增加其流動(dòng)性，使再生微粉在材料體系中更均勻地分散，細(xì)度對(duì)再生微粉活性的改善效果較差，無(wú)明顯規(guī)律。

3 結(jié)論

再生微粉成分復(fù)雜，破碎后形狀不規(guī)則，其在膠砂體系中的流動(dòng)性差，物理填充效果也差。再生微粉的流動(dòng)性對(duì)活性影響較大，球磨處理可有效改善再生微粉顆粒形態(tài)，增加其流動(dòng)性，從而增強(qiáng)其活性。球磨時(shí)間與再生微粉活性不呈線性關(guān)系，球磨15 min，再生微粉活性最好。Ca（OH）2及Na2SO3·9H2O對(duì)再生微粉活性均有激發(fā)效果，但直接添加在再生微粉中，效果不明顯，其作為摻合料替代水泥時(shí)會(huì)降低砂漿的抗壓強(qiáng)度。Ca（OH）2及Na2SO3·9H2O以1∶1的比例混合，球磨15 min，摻量為2.5%時(shí)，再生微粉活性激發(fā)效果最好，養(yǎng)護(hù)28 d后，與全部使用普通硅酸鹽水泥作為膠凝材料制備的膠砂試塊相比，前者制備的膠砂試塊抗壓強(qiáng)度僅下降1.82%，其遠(yuǎn)大于粉煤灰取代部分水泥（摻量30%）制備的膠砂試塊，而單獨(dú)采用Na2SO3·9H2O激發(fā)再生微粉活性的效果最差。

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作者簡(jiǎn)介：高永濤（1994—），男，內(nèi)蒙古呼倫貝爾人，助理工程師。研究方向：固廢資源化利用。