黏土磚微粉的應用研究

楊高強 趙春祥 張強 劉守功

（北京城建華晟交通建設有限公司，北京 102415）

1 背景

據統(tǒng)計，1萬平方米建筑的施工過程中會產生建筑垃圾500～600 噸，而拆除1 萬平方米舊建筑會產生7000～12000噸建筑垃圾。我國建筑垃圾數量已占城市垃圾總量的30%以上。2015年我國產出的建筑垃圾就高達35.5億噸，預計到2030年更將達到73億噸[1]。據有關資料，1979年我國紅磚的產量已達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。經長年積累，黏土磚的使用量巨大，在我國建筑進程中承擔了舉足輕重的作用。在城市拆遷及農村城鎮(zhèn)化、新農村改造過程中，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90 年代以來世界各國，特別是發(fā)達國家環(huán)境保護和可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的目標之一，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)達國家研究的重要課題之一。對于建筑垃圾的處理，發(fā)達國家大多實行“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合起來，將建筑垃圾中可再生利用的成分再用于建設中，使建筑垃圾變?yōu)椤熬G色產品”，并形成“潔凈產業(yè)”，確保建筑業(yè)的可持續(xù)發(fā)展[3]。北京建筑垃圾年產生約4000萬噸，但資源化利用比例不足10%，與發(fā)達國家90%左右的利用率相差甚遠。黏土磚的抗壓強度低、吸水率大等不利特性導致了低的建筑垃圾資源化比例。黏土磚以火山灰質材料為主，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)拆遷過程中產生的建筑垃圾，經分選、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)拆遷產生的建筑垃圾，挑選紅基磚和混凝土后用SM500*500型水泥試驗磨磨制（圖1），或采用型號DY-800Y的新元多功能制樣粉碎機破碎而成（圖2）。黏土磚粉化學成分見表2。

表2 黏土磚粉主要化學成分表

圖1 SM500*500型水泥試驗磨

圖2 DY-800Y的新元多功能制樣粉碎機

5）標準砂：采用廈門艾思歐的標準砂。

6）激發(fā)劑：二乙醇單異丙醇胺、三異丙醇胺（網購）。

3 影響因素

廢棄黏土磚粉有潛在活性，可通過物理和化學途徑激發(fā)。廢棄黏土磚經過常用的機械粉磨物理激發(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和堆積效應，從宏觀上提高了磚粉活性[4]。本文從物理激發(fā)和有機化學激發(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，同樣粉磨30min條件下，得到兩份黏土磚微粉。采用水泥：微粉：標準砂：水：激發(fā)劑=315:135:1350:225:0.02%（外摻），按照GB/T 17671-1999《水泥膠砂強度檢驗方法（ISO法）》規(guī)定分別測定膠砂的抗壓強度和抗折強度，其28d膠砂強度如表3所示。試驗數據表明，采用球磨設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備磨細而成。

表3 不同試驗設備磨細的黏土磚微粉膠砂強度對比表

3.2 有機化學激發(fā)

針對具有強度活性指數的粉體材料，一般有復合激發(fā)、堿激發(fā)、硫酸鹽激發(fā)和醇胺類激發(fā)等手段。在砌塊實際應用中，復合激發(fā)需摻加的高鈣磨細礦粉市場緊缺，質量難控制；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粉煤灰和礦渣等活性摻合料二次水化反應，主要通過絡合作用與玻璃體中的活性Al2O3和SiO2反應，促進Si-O和Al-O鍵斷裂，從而使得玻璃體解聚，反應生成較多細小的C-S-H和C-A-H凝膠，從而提高強度[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)定的強度活性指數實驗方法，設定配比見表4。

表4 強度活性指數試驗膠砂配比(單位:g)

其3d、28d膠砂強度及活性指數如表5所示。試驗數據表明，隨著二乙醇單異丙醇胺摻量增加，強度活性指數先增加后減小，二乙醇單異丙醇胺摻量為0.02%時，活性指數最高。

表5 二乙醇單異丙醇胺為激發(fā)劑強度及活性指數

3.2.2 三異丙醇胺為激發(fā)劑

按照GB/T 1596-2017規(guī)定的強度活性指數實驗方法，設定配比見表6。

表6 強度活性指數試驗膠砂配比(單位:g)

其3d、28d膠砂強度及活性指數如表7所示。試驗數據表明，隨著三異丙醇胺摻量增加，強度活性指數先增加后減小，三異丙醇胺摻量為0.05%時，活性指數最高。

表7 三異丙醇胺為激發(fā)劑強度及活性指數

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%的三異丙醇胺重復膠砂強度試驗，試驗結果見表8、表9。數據表明，利用醇胺類作為黏土磚微粉激發(fā)劑，強度穩(wěn)定，強度活性指數均大于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)劑的重復膠砂強度統(tǒng)計表

表9 三異丙醇胺為激發(fā)劑的重復膠砂強度統(tǒng)計表

3.2.4 黏土磚微粉摻量及養(yǎng)護期對膠砂強度的影響

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，檢測膠砂強度，檢測結果如表10。從圖3中看出，28d強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)護期的增加，膠砂試件的抗折強度變化不大且稍有降低，但膠砂抗壓強度增長量較大，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度會增長，甚至接近基準水泥抗壓強度。數據顯示，黏土磚微粉有利于混凝土的后期強度增長。

表10 試驗膠砂強度

圖3 膠砂強度對比圖

3.2.5 黏土磚微粉純度對膠砂強度的影響

在拆遷等工程中產生的建筑垃圾都是磚砼混合料，目前磚砼分離技術主要有物理分離（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，進行微粉中砼微粉含量不同的膠砂強度對比試驗，試驗數據如表11。從表11看出，早期砼微粉對膠砂強度的影響不大，但當微粉中砼粉含量超過20%后對抗折強度影響較大，當微粉中砼粉含量超過40%后對抗壓強度的影響逐漸明顯。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度試驗數據

3.3 小結

在采用醇胺類為激發(fā)劑時，黏土磚微粉的強度活性指數大于70%，滿足用于水泥和混凝土中摻合料對于強度活性指數的要求。在加工黏土磚微粉時，應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備。

4 應用及經濟效益

4.1 黏土磚微粉在路面磚中的應用

北京城建華晟交通建設有限公司位于北京房山區(qū)河北鎮(zhèn)建筑垃圾資源化產業(yè)基地，采用貝賽爾MT140-120型彩色混凝土路面磚成型機生產再生路面磚、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28d后依據GB/T 28635-2012《混凝土路面磚》檢測其主要性能，結果如表13。從表中看出，在再生混凝土路面磚生產中，黏土磚微粉可代替30%的水泥，且產品滿足GB/T 28635-2012規(guī)定的所有性能指標。

表12 普通再生路面磚設計配比表(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濟效益

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，達到預期效果，由此帶來可觀的經濟價值。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，黏土磚微粉磨細需成本約60元/噸（包括磨細的能耗和人工），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型路面磚生產線年生產量為80萬平米，即一年可節(jié)約175.56萬元。另外，生產再生路面磚時再生材料摻量達70%時，可減免70%的稅收。所以，在生產砌塊中采用黏土磚微粉代替水泥具有可觀的經濟效益。

5 結論

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