廢料資源化制磚方法的研究進展

王璐瑤， 李勁彬

(1.陜西省土地工程建設集團有限責任公司， 陜西 西安710075； 2.陜西地建土地工程技術研究院有限責任公司， 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實驗室， 陜西 西安710075； 4.陜西省土地整治工程技術研究中心， 陜西 西安710075)

磚塊作為主要的建筑材料之一，擁有悠遠的使用歷史，干粘土磚在公元前8 000年開始使用，燒制粘土磚在公元前4 500年開始使用。目前，全球磚的年產量約為13 910億塊，且磚的需求量預計將持續增長。常規磚一般是由粘土經高溫窯燒制而成，或用普通波特蘭水泥(OPC)混凝土生產。采石場作為獲取粘土的主要途徑之一，采石過程中不但會消耗大量能源，還會產生大量廢棄物，并破壞生態環境。同時，高溫窯燒過程還會消耗大量能源，釋放大量CO2。另外，OPC混凝土磚是由OPC和骨料制成，其生產過程也會消耗大量能源，并釋放大量CO2，所帶來的環境負效應與普通粘土磚相似。為保護環境與可持續發展，諸多學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、牛皮紙漿生產殘留物、煙頭、廢茶、稻殼灰、碎橡膠和水泥窯粉塵等生產磚塊的方法。為廢料資源化制磚的深入研究提供理論支撐，筆者對不同廢料生產磚塊方法的研究進展進行綜述如下。

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，并遵循傳統的窯燒方法生產磚的材料。有研究表明，利用赤鐵礦尾礦、F級粉煤灰和粘土一起生產磚塊，尾礦∶粉煤灰∶粘土=84∶6∶10時，在980～1 030℃條件下燒制2 h，即可生產出優質磚塊，其水分含量為12.5%～15%，承壓強度為20～25 MPa[1]。將不同比例的F級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℃的實驗爐中煅燒24 h，結果表明，粉煤灰的加入總體上提高了磚的抗壓強度，降低磚的吸水率，當粉煤灰含量為40%時，最高抗壓強度為12.4 MPa，相應的吸水率為13.8%[2]。將50%高嶺土細石料渣(KFQR)，10%～40%粒狀高爐礦渣(GBFS)和10%～40%花崗巖-玄武巖細石料渣(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℃進行燒制，結果表明，在1 125℃溫度下燒制的含50% KFQR，20% GBFQR和30%GBFS的磚塊性能最優[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磚，在模制過程中加壓54.5 MPa，然后以3℃/min升溫速率分別燒至950℃和1 050℃，共計4 h，結果表明，與950℃相比，在1 050℃焙燒的磚具有更高的抗壓強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 廢料固結法制磚

廢料固結法制磚是依靠廢料本身或外源添加的膠結材料進行膠結，不需要窯爐燒制。有研究表明，將鋼鐵工業副產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28 d，所得固化磚的抗壓強度、堆積密度和吸水性能均表現良好[5]?；旌喜煌壤姆勖夯?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周后轉移到21～25℃注水固化罐中進一步固化，最終空心磚的抗壓強度、吸水率、密度和耐久性均達到標準，可用于低成本住房開發[6]。將木屑、石灰石廢料與波特蘭水泥以固定比例混合，再固定壓強模具中壓實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℃通風烤箱中干燥24 h，制備的輕質磚抗壓強度、抗彎強度、單位重量、超聲脈沖速度和吸水率等指標滿足國際有關標準[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，結果表明，磚的強度取決于粉煤灰的細度，并隨著粉煤灰細度的增加而提高，粉煤灰-石灰顆粒磚的強度為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高強度蒸壓磚，在壓力1.2 MPa、時間6 h條件下，70%赤鐵礦尾礦、15%石灰和15%沙子的混合物生產磚的性能最佳，符合《GB 11945—1999蒸壓灰砂標準》[8]。

3 廢料聚合法制磚

地聚合技術不同于高溫窯燒和依靠固結廢料生產磚塊均有高能耗和大量溫室氣體排放的缺點，其依賴于非晶硅和富含氧化鋁的固體與高堿性溶液在環境溫度或略微升高的溫度下的化學反應，以形成非晶至半結晶的鋁硅酸鹽無機聚合物或地質聚合物。地質聚合物不僅在許多應用中有著可與OPC媲美的性能，而且還具有其他諸多優勢，包括豐富的原材料資源、快速發展的機械強度、良好的耐久性、優異的耐化學侵蝕性、固定污染物的能力以及顯著降低能耗和溫室氣體排放，這些特性使地質聚合物成為可持續發展的理想材料。有研究表明，使用硅酸鈉溶液作為堿活發劑，用粉煤灰和底灰在溫度為20～23℃，相對濕度為35%～60%環境中固化28 d，制成的全尺寸砌磚符合有關常規水泥混凝土砌塊的標準[10]。以氫氧化鈉溶液作為堿活化劑，利用銅礦尾礦制備地質聚合物磚，通過調節初始含水量、NaOH濃度、成型壓力和固化溫度等條件，可以生產符合ASTM(美國材料實驗協會)要求的礦山尾礦基地質聚合物磚，其抗壓強度、吸水率和耐磨性均符合ASTM要求[11]。用赤泥和粉煤灰生產地質聚合物鋪路磚，結果表明，赤泥的添加可改善地質聚合物反應強度，當赤泥添加量為5%～20%時，凝結時間和抗壓強度也可得到改善；聚合反應時間取決于NaOH濃度，NaOH濃度、硅酸鹽溶解度和氧化鐵均可影響微觀結構的致密程度，進而影響地質聚合物的機械性能；10%、20%赤泥所制備的鋪路磚符合印度的相關標準，且重金屬浸出濃度在允許范圍內[12]。

4 小結

目前，有關使用廢料以及不同生產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有有關標準要求，并且已獲批多項專利，但進行商業生產和應用的非常有限，這與缺乏相關標準以及工業界和公眾的接受緩慢有關。由于大多數廢料中含有污染物，因此用廢料生產磚塊，有效且安全地固定原始廢料中的污染物非常重要。為促進利用廢料生產和使用磚塊，不僅在技術、經濟和環境方面，而且在廢料回收和可持續發展有關的政策和公眾教育方面還需要做更多的工作。