免燒磚研究進展

摘要：免燒磚在現代土木工程中扮演著不可或缺的角色，它具有不同于其他墻磚的鮮明特征，能夠取代燒結磚，應用前景廣闊。免燒磚的制備主要包括原材料選擇、成型、養護和檢測4個步驟。免燒磚的原料分為工業固體廢棄物、城市建筑廢棄物、尾礦渣、鉆采工藝固體廢棄物以及其他可資源化利用的固體廢棄物。免燒磚的成型方式可分為半干法壓制成型和塑性擠出成型，它宜采用蒸壓養護，初期養護溫度不宜過高，中后期可以適當提高溫度。分析結果表明，免燒磚的強度主要來源于具有膠凝作用的水化產物。目前，免燒磚還存在諸多問題，抗折強度與抗壓強度不高，軟化系數不理想，生產過程產生污染排放。因此，要優選原料，優化顆粒級配，合理采用成型方式，改變模具結構，回收有害物質，增強免燒磚的綜合性能。

關鍵詞：免燒磚；發展趨勢；低碳環保

中圖分類號：TU522.1；X799.1 文獻標識碼：A 文章編號：1008-9500（2023）04-00-05

DOI：10.3969/j.issn.1008-9500.2023.04.019

Research progress in unburned bricks

LI Xiaohui1， CHEN Zidong1， CHEN Lele1， YANG Linwang1，2， ZHAI Jiaxin2， DONG Jingliang2

（1. The Fifth Engineering Co.， Ltd.， of China Railway 15th Bureau Group， Tianjin 300300， China;

2. School of Civil Engineering and Architecture， East China Jiaotong University， Nanchang 330013， China）

Abstract： Unburned bricks play an indispensable role in modern civil engineering， with distinct characteristics that are different from other wall bricks， which can replace sintered bricks and have broad application prospects. The preparation of unburned bricks mainly includes four steps： raw material selection， molding， curing and testing. The raw materials for unburned bricks are divided into industrial solid waste， urban construction waste， tailings， drilling and mining process solid waste， and other solid waste that can be recycled. The forming methods of unburned bricks can be divided into semi dry pressing forming and plastic extrusion forming， it is recommended to use steam pressure curing， and the initial curing temperature should not be too high， in the middle and later stages， the temperature can be appropriately increased. The analysis results indicate that the strength of unburned bricks mainly comes from hydration products with cementitious properties. At present， there are still many problems with unburned bricks， such as low flexural and compressive strength， unsatisfactory softening coefficient， and pollution emissions during the production process. Therefore， it is necessary to optimize raw materials， optimize particle grading， adopt reasonable molding methods， change mold structure， recover harmful substances， and enhance the comprehensive performance of unburned bricks.

Keywords： unburned bricks; development trends; low carbon and environmental protection

隨著實心黏土磚使用禁令的頒布，我國全面停止制造和使用實心黏土磚，傳統的黏土磚廠目前已經停產。只有科學開發可再生資源，合理利用粉煤灰、煤矸石、尾礦渣、城市建筑廢棄物等進行新型墻體材料生產，方可節省土地與資金，有效緩解環境污染，保護生態環境。免燒磚是一種新型墻體材料，其制備工藝簡單，設備較少，生產投入低，而且能夠使用劣質黏土、含砂土、頁巖、尾礦等資源，從而開源節流，有效保護耕地和森林。免燒磚不需要焙燒，所以能耗比燒結磚低[1]，是一種節能型材料。2020年，我國在第七十五屆聯合國大會上鄭重承諾，2030年前實現碳達峰，2060年前實現碳中和。免燒磚迎來前所未有的發展機遇，大力推廣、應用和改進勢在必行。本文結合免燒磚的發展歷程，綜述免燒磚的制備工藝，展望其發展趨勢并提出建議，以實現免燒磚的廣泛應用。

1 免燒磚的發展歷程

免燒磚的研制始于20世紀，美國、法國、日本等國的免燒磚發展令人矚目。20世紀60年代，丹麥研制出石灰紅壤型免燒磚。之后，免燒磚在美國、瑞士等地得到推廣[2]。20世紀80年代，中國開始進行免燒磚研究，開發出蒸養粉煤灰磚、蒸壓灰砂磚等免燒磚，并在部分城市推廣。作為一種新型墻體材料，免燒磚采用粉煤灰、煤矸石、尾礦渣等作為主要原料，不需要高溫煅燒。我國免燒磚發展迅速，但是受諸多因素影響，部分免燒磚產品質量不合格，導致部分人對其產生誤解。近年來，隨著政府監管力度的加大，免燒磚制作過程更加規范。

2 免燒磚的制備

2.1 免燒磚的原料選擇

目前，免燒磚的主要原料包括工業固體廢棄物、城市建筑廢棄物、尾礦渣、鉆采工藝固體廢棄物以及其他可資源化利用的固體廢棄物。

2.1.1 工業固體廢棄物

工業固體廢棄物是工業生產排放的固體廢物。原鋁是一種戰略資源，我國原鋁年產量高，鋁渣產生量大。鋁電解、熔煉和廢鋁再生都會形成工業垃圾。目前，鋁渣的主要處理方式是堆放和回填，環境危害大，而且耗費較多資金。唐偉佳等[3]利用鋁渣制備免燒磚，研究發現，鋁渣、石膏、硅灰和水泥的配合比為6.5∶1.5∶1.0∶1.0時，免燒磚的7 d抗壓強度為17.31 MPa，抗折強度為2.61 MPa，完全滿足相關產品的標準要求；免燒磚內部會發生強烈的水化反應，產生大量的水化產物，這是鋁渣免燒磚力學性能的主要影響因素。赤泥作為氧化鋁生產過程的固體廢物，其堆存量隨著氧化鋁生產規模的擴大而日益提高，同時其成分復雜，環境威脅較大。季文君等[4]使用赤泥、粉煤灰作為主要原料，并加入石膏、硅灰等輔料制備免燒磚，然后開展免燒磚特性試驗。試驗結果表明，在天然養護條件下，最佳成型壓力為20 MPa，陳化時間為7 h，保壓時間為30 s，其抗壓強度合格，固廢基本實現再利用。

2.1.2 城市建筑廢棄物

近年來，我國拆除大量老舊建筑物，著力完善城市基礎設施，其間產生很多城市建筑廢棄物。馮志遠等[5]利用建筑渣土制備免燒磚，結果發現，外加劑摻量對其強度的影響較大。影響免燒磚軟化系數的主要因素是固化劑添加比例，建筑渣土摻入適量的水泥與固化劑，生產的免燒磚性能最好。鐘恩等[6]將建筑廢棄物粉碎、篩分，轉化為可回收使用的材料，以再生利用建筑廢棄物，最終實現固體廢物零排放。

2.1.3 尾礦渣

尾礦是選礦中分選作業的產物之一，其有用成分含量低。煤矸石主要是煤礦開采、分選及加工過程形成的固體廢物。煤矸石的大量堆存不僅侵占耕地，還會引起泥石流、塌方等地質災害。為了進行資源節約利用，張寧等[7]利用煤矸石提鋁提硅廢液制備免燒磚，研究結果顯示，加入廢液可使得免燒磚的抗壓強度顯著減少。鐵尾礦的綜合利用已經引起全球關注，目前，其主要用于制備建材，用作充填材料和土壤調理劑。使用鐵尾礦生產免燒磚，能夠有效消納鐵尾礦，降低資源損耗。趙國浩[8]使用鐵尾礦砂和干化污泥生產免燒磚，結果發現，免燒磚的強度隨礦渣微粉摻量的提高而上升，礦渣微粉、鐵尾礦砂、干化污泥的配合比為45∶50∶5時，制備的免燒磚符合《非燒結垃圾尾礦磚》（JC/T 422—2007）[9]的標準要求。

2.1.4 鉆采工藝固體廢棄物

鉆采工藝固體廢棄物是指開采石油、天然氣等資源時產生的鉆井巖屑。這種巖屑處理難度大，若不處理直接堆放，則會占用土地，污染土壤和水源。鉆采工藝固體廢棄物需要進行資源化利用。張忠亮等[10]利用海上鉆井巖屑生產免燒磚，研究結果顯示，鉆井巖屑的最佳摻量為20%，免燒磚性能達到《非燒結垃圾尾礦磚》（JC/T 422—2007）[9]的標準要求。此外，鉆井過程中形成的廢液會對環境產生危害[11]，要確保不落地或進行無害化處置，把液相與固相分開，液相回收后循環利用，鉆井固廢進行資源化利用。石媛麗等[12]研究指出，鉆井固廢與粉煤灰等工業廢料進行綜合處置，可實現各類廢料的資源化利用。

2.1.5 其他可資源化利用的固體廢棄物

其他可資源化利用的固體廢棄物有淤泥等。我國國土面積大，水系龐雜，每年隨著水流沖刷搬運，許多泥沙淤積在河流湖泊中。對河流與湖泊泥沙進行資源化利用，意義重大。俞毅等[13]以河道淤泥取代石硝，然后添加適量的磷石膏制備免燒磚，研究表明，河道淤泥摻量為18%時，免燒磚的綜合性能顯著提高，可滿足相關標準[14]的要求。

2.2 免燒磚的成型

目前，國內免燒磚成型工藝大致分為2種[15-16]。

2.2.1 半干法壓制成型

半干法壓制成型應用廣泛。機械施加壓力時，凝膠粒子間相互滲透，從而使坯體密實，確保后期強度滿足標準要求。理論上，在加壓過程中，顆粒間的距離越來越小，更加密實，強度應不斷增大。但是，在實際生產中，隨著壓力的增大，免燒磚強度出現先增加后下降的現象。經分析，較大的壓力使基體太過緊密，內部形成裂紋，強度逐漸降低。王梅[17]利用赤泥、粉煤灰制備免燒磚，試驗發現，成型初期，免燒磚的容重增長迅速，但后來速度越來越平緩。隨著設備壓力的不斷提高，免燒磚的抗拉強度越來越高。因此，要結合原料含水率，合理選用成型壓力。劉慕丹[18]把石灰粉碎、磨細，將石灰和土、水等拌和均勻，然后制備免燒磚，其強度達到相關標準要求。

2.2.2 塑性擠出成型

塑性擠出成型是生產免燒磚的重要成型工藝。可以采用濕陷性黃土、水泥制備免燒磚，成品經合理養護后滿足相關標準要求。塑性擠出成型工序要合理控制含水量。含水量偏高時，雖然擠壓成功，泥條表面光潔，但密實性并不理想，硬化后強度小，初始強度較低，容易塌落或變形；含水量偏低時，擠出泥條的表層不平滑、有裂縫，擠壓不易，最后造成制品強度降低。

2.3 免燒磚的養護

免燒磚成型后，要合理選擇養護方法，確保成品質量達到使用要求。目前，免燒磚的養護方法主要有3種。

2.3.1 自然養護

自然養護是一種簡易的養護方法，會對免燒磚表面噴灑養護用水，以確保其不會在溫度較高時發生開裂，但是噴灑水時無法保證其表面與水均勻接觸，使免燒磚的質量良莠不齊。自然養護最為常見，投資小，但效果差，養護周期長。

2.3.2 標準養護

標準養護需要將溫度控制在20 ℃±3 ℃，并將濕度控制在90%。茹曉紅[19]對礦渣磷尾礦進行再利用，使用標準養護制備免燒磚，成品質量較好，滿足相關標準要求。

2.3.3 加速養護

熱養護是加速養護的主要方式，按介質濕度又分為濕熱養護和干熱養護。濕熱養護主要包括蒸壓養護和蒸氣養護，其中蒸氣養護應用較為廣泛，效果較好。亓義衛[20]利用干法脫硫灰制備免燒磚，結果發現，免燒磚的強度隨著蒸養溫度的升高而不斷增加；隨著蒸養時間的增加，免燒磚的力學性能不斷提升。蒸壓養護的壓力越大，免燒磚的強度越大。但是，蒸壓養護和蒸汽養護的能耗較大，存在廢氣污染。干熱養護又可分為干濕熱養護和全干熱養護，其養護效果次于濕熱養護。楊家寬等[21]以赤泥、粉煤灰為主要原料制備免燒磚，并進行自然養護和蒸壓養護。經核算，蒸壓養護成本略高于自然養護，但成品經濟價值更高。陳泉[22]研究粉煤灰免燒磚的防凍特性，經凍融循環，蒸汽養護的強度損失最大，而蒸壓養護的強度損失最少。保養的關鍵是溫濕度管理。保養初期養護溫度不能太高，溫度變化太大會引起坯體開裂，而保養中期可以適當提高溫度。郭盼盼等[23]利用錳渣制備免燒磚，發現高溫養護環境對抗壓性能的影響很明顯。林莉等[24]采用垃圾焚燒爐渣制備免燒磚，高溫養護樣品的早期抗拉強度一般較低溫養護高，而養護28 d后，二者抗壓強度差別不大。

2.4 免燒磚的檢測

免燒磚制備前，要對原料組分進行檢測，免燒磚制備后，再次檢測原料組分，通過前后對比明確免燒磚固化過程的物質變化，為研發新型免燒磚提供理論基礎。目前使用的檢測設備主要有掃描電子顯微鏡（SEM）、X射線衍射儀（XRD）和傅立葉變換紅外吸收光譜儀（FTIR）。唐偉佳等[3]利用鋁渣制備免燒磚，經SEM和XRD分析，在固化過程中，免燒磚內部發生水化反應，其水化產物極大地影響免燒磚的力學性能。王松等[25]利用磷石膏、水泥制備免燒磚，經SEM和XRD分析，磷石膏主要由CaO、SiO2、MgO、Fe2O3和Al2O3組成，后三者含量相對較少。劉俊杰等[26]利用鐵尾礦制備免燒磚，經XRD和FTIR分析，免燒磚的力學性能主要取決于水化產物成分。

2.5 有待解決的問題

隨著研究的不斷深入，可以用于制備免燒磚的固體廢棄物日趨多樣，但目前依然存在許多問題，這是免燒磚未來發展需要改進的方向。免燒磚需要提高抗壓強度、抗折強度、軟化系數和抗凍性能，減少制備過程的污染排放。

2.5.1 抗壓強度與抗折強度

抗壓強度與抗折強度是評價免燒磚力學性能的重要指標，要想確定免燒磚是否適用于工程，必須進行力學試驗，提高免燒磚的抗壓強度與抗折強度。王松等[25]將磷石膏與水泥混合，制備免燒磚，研究水泥摻量對免燒磚性能的影響。結果表明，養護28 d時，免燒磚成品的抗壓強度與抗折強度符合相關標準要求；凍融循環25次后，抗壓強度不變，抗凍性能符合相關標準要求。張忠亮等[10]利用海上鉆井巖屑制備免燒磚，養護28 d時，免燒磚抗壓強度符合相關標準要求。未來研究要充分利用固體廢棄物，提高免燒磚的抗壓強度與抗折強度。

2.5.2 軟化系數

軟化系數是選用建筑材料的重要依據。軟化系數取值范圍為0～1，其數值越高，說明建筑材料的耐水性越好。一般來說，軟化系數高于0.85時，材料耐水性較好。長期處于水中或潮濕環境的重要建筑物不宜使用軟化系數低于0.85的材料。軟化系數是評價免燒磚性能的重要指標之一。郭愛鋒等[27]利用渣土制備免燒磚，測定結果顯示，免燒磚軟化系數為0.85，符合《非燒結垃圾尾礦磚》（JC/T 422—2007）的標準要求。我國部分地區比較潮濕，建筑工程必須將軟化系數作為選用免燒磚的重要依據。

2.5.3 抗凍性能

抗凍性能是指材料在含水狀態下能經受多次凍融循環作用而不破壞，強度不會明顯下降。凍融循環次數越多，則抗凍性能越好。混凝土凍融破壞嚴重危害建筑安全和長久使用，因此免燒磚抗凍性能必須符合相關標準要求。連坤等[28]依據《砌墻磚試驗方法》（GB/T 2542—2012）[29]，通過試驗研究超細粉煤灰對爐渣免燒磚抗凍性的影響，試驗結果表明，超細粉煤灰能夠改善爐渣免燒磚的抗凍性能。

2.5.4 制備過程的污染排放

雖然免燒磚的主要原料為固體廢棄物，但制備過程也會排放一些污染物。王湘徽等[30]利用鋇渣制備免燒磚，研究鋇渣的污染特性與資源化利用風險，結果發現，鋇渣含鋇量超過相關標準限值，若鋇渣免燒磚用于建造儲水池，則鋇元素的釋放會對人體健康造成較大風險。賓燈輝[31]利用廢催化劑制備免燒磚，研究重金屬浸出規律，經風險評估，這種免燒磚對人體健康的風險均在可接受范圍內。然而，這種免燒磚廢棄后，其中的銻元素對地下水環境的危害較大，會帶來長久影響。

3 結論

近年來，我國城鎮化建設迅速推進，其間產生大量固體廢棄物。免燒磚通常以固體廢棄物為原料，可以實現廢物的資源化利用，符合可持續發展的要求。本文結合免燒磚的發展歷程，綜述其制備工藝，包括原料選擇、成型、養護及檢測等。隨著研究的不斷深入，免燒磚制備方法逐漸成熟，性能不斷提高，應用不斷擴展，市場更加廣闊。相比燒結磚，免燒磚節能減排效果更好，但目前依然存在部分突出問題，其抗壓強度、抗折強度、軟化系數和抗凍性能有待提高，制備過程會有污染。未來，要優化生產工藝，優選原料，改進模具結構，加強基礎材料和設備研發，減少污染排放，提高免燒磚的綜合性能，拓展應用范圍，使其更加經濟、安全，進一步保護環境。

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