建筑垃圾再生細骨料制加氣混凝土砌塊研究

黃 鑫，田 風，倪柳芳，彭 蕾，王發楠，翁仁貴

（福建工程學院生態環境與城市建設學院，福建福州 350118）

建筑垃圾指建筑廢棄物及工業固體廢物，伴隨著拆遷、土地開發、地震等因素，建筑垃圾的產生不可避免[1]，每年增長約為35億t的數量成為我國城市生活垃圾的重要構成，占比可達到35%[2]。我國對建筑垃圾的處理方式依為掩埋或堆放[3]，未進行任何處理，如此大量的建筑垃圾堆積可預見將對人們生活造成嚴重影響。

蒸壓加氣混凝土（AAC）是一種性能優良的新型建筑材料，其主要原料多為無機材料，內部有良好的多孔結構，因此具有輕質、保溫、隔音、抗收縮性、防火等優點[4-7]。建筑廢棄物制備蒸壓加氣混凝土砌塊方面研究較少，傳統蒸壓加氣混凝土制備以粉煤灰為原料，建筑垃圾主要作為再生骨料應用于再生混凝土，其含有大量的SiO2、Al2O3，結合甚至取替粉煤灰作為硅質和鈣質材料用于蒸壓加氣混凝土的制備。本研究采用建筑垃圾再生細骨料制備蒸壓加氣混凝土，為建筑垃圾資源化處置提供新的技術工藝，減少自然資源壓力同時實現經濟效益和環境效益。

1 試驗

1.1 試驗材料

建筑垃圾：取自福建省某改建、拆遷過程產生的廢棄混凝土；粉煤灰：取自福州市某電廠的脫硫粉煤灰；水泥：為P.O42.5普通硅酸鹽水泥；生石灰：有效氧化鈣為73.61%；石膏：其主要成分為CaSO4·2H2O；鋁粉：細度為1.8（0.080mm篩篩余），各原料的主要化學成分組成見表1，建筑垃圾經破碎、球磨、篩分、物料烘干后備用。

表1 原料主要化學組分

1.2 實驗儀器

本試驗儀器主要有：電熱鼓風干燥箱、磅秤、鋼板直尺、鋼制搗棒、材料試驗機等。

1.3 蒸壓加氣混凝土砌塊制備

工藝流程包括：混料→攪拌→澆筑→脫模→靜置→切割、蒸壓養護等過程。將建筑垃圾與輔料在不同配比下進稱重混合，其中鋁粉利用恒溫磁力攪拌機攪拌制得均勻的鋁粉懸浮液。加入適量水攪拌30min后將料漿倒入模具中澆筑成型。靜停稠化6h后脫模并放入蒸壓釜中進行蒸壓養護，待自然冷卻后切割成標準試塊并養護得到蒸壓加氣混凝土試塊樣品。

1.4 性能分析

蒸壓加氣混凝土砌塊的性能依據《蒸壓加氣混凝土性能試驗方法（GBT11969—2008）》與《蒸壓加氣混凝土砌塊（（GB 11968—2006））》測試蒸壓加氣混凝土砌塊干密度、抗壓強度。

1.4.1 干密度測試

本次試驗采取機械刀具切割將整塊的混凝土砌塊切割成100mm×100mm×100mm的立方體小塊。將試塊放入60℃的電熱鼓風干燥箱內保溫24h，溫度升至80℃保溫24h后，升至溫度105℃下烘至質量恒定，即得到最終質量M0。

1.4.2 抗壓強度測試

機械刀具切割混凝土砌塊成100mm×100mm×100mm的立方體試塊，一組3塊。檢查試塊外觀無缺陷后測量試件的尺寸，并計算試件的受壓面積。將試塊放在材料試驗機的下壓板的中心位置，開動試驗機，以2.5kN/s的速度連續而均勻地加荷，直至試件破壞，記錄破壞荷載。

其中：f-試件的抗壓強度，MPa；p1-破壞荷載，N；A1-試件受壓面積，mm2。

2 結果與討論

2.1 蒸壓加氣混凝土砌塊輔料參數優選

輔料的配比是蒸壓加氣混凝土砌塊成型及性能強度的關鍵，試驗在固定建筑垃圾和粉煤灰的占比分別為40%和29%的條件下做了五組輔料配比的試驗組，性能結果及各配比下的澆筑穩定性可得，石膏的占比不宜高于5%，石膏占比過高會導致坯體的氣孔合并造成靜停稠化速度過慢，破環孔結構甚至造成“塌模”。而石灰占比不宜低于10%，石灰是蒸壓加氣混凝土砌塊制備的關鍵鈣質材料，其含量直接影響蒸壓加氣混凝土砌塊的強度，在堿性及消解條件下反應生成的氫氣伴隨著稠化分布到坯體中，促進坯體形成，而摻量過小，熱量和產氣量不足則會導致稠化速度慢，影響砌塊的干密度。結合砌塊性能及實際需要，優選輔料石膏、水泥、石灰的占原料比為5%、10%、16%，三者配比為16:52:32。

表2 輔料配比

2.2 蒸壓加氣混凝土砌塊工藝參數優選

蒸壓養護過程存在著溫度與濕度的交換，在交換時原料在一系列反應中加速SiO2溶出，并在高溫高壓環境、堿性條件下形成托貝莫來石晶體使制品擁有更緊致的孔結構，這決定蒸壓加氣混凝土砌塊的強度。

表3 不同蒸壓養護時間下砌塊性能試驗

由圖1可得，通過控制蒸壓時間，可以看到干密度值呈下降趨勢，變化不明顯。砌塊的抗壓強度隨著蒸壓時間的加長呈先增后減趨勢，并且在蒸壓時間為7h時達到最高，抗壓強度最大值為4.25MPa，此時間對應干密度為623.6kg·m-3。可能隨著蒸壓時間的延長對砌塊中水化產物的體積和結晶度產生影響，蒸壓時間過長使水化的硅酸鈣及鋁酸鈣間距增大，阻礙了溶解產物的遷移與水化，使砌塊內部變得松散，從而降低抗壓強度。坯體內部的水分與蒸壓養護環境進行長時間交換，使坯體的水分散失導致干密度下降。綜合分析，確定蒸壓時間優選為6h。

圖1 蒸壓養護時間對蒸壓加氣混凝土砌塊性能影響

2.3 建筑垃圾摻量對蒸壓加氣混凝土性能的影響

通過上述試驗所得優選工藝條件下進行，由表4、圖2得隨著建筑垃圾摻量增大，蒸壓加氣混凝土砌塊干密度呈上升趨勢，當建筑垃圾完全替代粉煤灰時，砌塊干密度達到641.8kg·m-3。干密度上升粉煤灰的占比有很大關系，粉煤灰中含有大量的SiO2、Al2O3，作為蒸壓加氣混凝土中主要的硅質材料，促進了原料拌合物的和易性，提高了發氣高度，隨著粉煤灰的減少，因此砌塊干密度上升。其次建筑垃圾主要是廢棄磚、混凝土等，在機械作用下依舊保留著水泥顆粒、黏土等，易吸收水分導致拌合物靜停稠化時間減短，引起發氣量的減少，對砌塊內部孔結構造成影響，因此表現為干密度上升。

表4 建筑垃圾摻量對蒸壓加氣混凝土砌塊性能影響

圖2 建筑垃圾摻量對加氣混凝土砌塊干密度和抗壓強度的影響

隨著建筑垃圾摻量的增加，蒸壓加氣混凝土砌塊抗壓強度呈現先上升后下降的趨勢，分析可能原因為經處理后的建筑垃圾存在細小的碎石、水泥漿等，在建筑垃圾摻量較少時，其成分中大量的SiO2在高溫高壓強堿條件下反應，改善于填充坯體孔結構，從而提升了蒸壓加氣混凝土砌塊的強度。但隨著建筑垃圾摻入過量時，混料中膠凝物質較少導致黏性較差，黏結界面易開裂，因此導致蒸壓加氣混凝土砌塊抗壓強度的下降。

3 結論

（1）綜上所述，在工藝條件：建筑垃圾、粉煤灰、石膏、水泥、石灰摻量分別為50%、19%、5%、10%、16%，蒸壓養護時間為6h條件下，制得蒸壓加氣混凝土砌塊111干密度為627.4kg·m-3，抗壓強度為5.67MPa，達到蒸壓加氣混凝土砌塊B06、A5.0級要求。

（2）利用建筑垃圾制備出性能蒸壓加氣混凝土砌塊，有效地將建筑垃圾的有害化處置方式轉化成無害化、資源化處理，節省自然資源，為建筑垃圾處置方式提供新的技術工藝，在環境和經濟上都取得良好的效益。