建筑垃圾再生微粉資源化利用的試驗研究

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、機械研磨及兩種激發方法復合的方式對再生微粉進行活性激發，使用再生微粉替代部分水泥（摻量30%）制備膠砂試塊，經標準養護28 d后以抗壓強度檢測結果評價再生微粉的活性激發效果。結果表明，Ca（OH）2與Na2SO3·9H2O以1∶1的比例混合球磨15 min，激發劑摻量為2.5%，再生微粉活性最好。養護28 d后，與全部使用普通硅酸鹽水泥作為膠凝材料的對照組相比，以Ca（OH）2+Na2SO3·9H2O為激發劑，使用再生微粉取代部分水泥制備的膠砂試塊抗壓強度僅下降1.82%，與粉煤灰取代部分水泥（摻量30%）的對照組相比，前者抗壓強度明顯更高。

關鍵詞：建筑垃圾；再生微粉；資源化利用；抗壓強度；堿激發；機械研磨

中圖分類號：X799.1 文獻標識碼：A 文章編號：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

我國建筑垃圾年產生量超過20億t，隨著城鎮化步伐加快，它呈現快速增長的勢頭。建筑垃圾產生量大，難以降解。我國絕大多數建筑垃圾采用露天堆放及直接填埋的方式處置，對土地、水體和大氣造成嚴重污染。目前，發達國家對建筑垃圾的資源化利用率超過90%[1]，而我國不足10%[2]。為解決建筑垃圾大量堆積造成的資源浪費與環境問題，國家相繼出臺多項政策，鼓勵和引導社會各界重視建筑垃圾的資源化利用。建筑垃圾處置過程不可避免地會產生粒徑小于75 μm的粉體[3]，粉體產生量因建筑垃圾硬度不同而上下波動，一般占原料質量的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，再生微粉活性激發的研究頗多，其主要化學成分與水泥相似，主要活性激發方式有機械研磨、堿激發、熱處理和復合處理方式[5]。元成方等[6]研究機械研磨、化學激發和熱處理對再生微粉活性的激發效果，發現球磨45 min的激發效果最好。康曉明等[7]以砂漿抗壓強度和微觀結構為評價指標，研究堿激發和熱處理等激發方式對再生微粉活性的激發效果。結果表明，未經處理的再生微粉不適合替代水泥，試塊養護28 d時，熱活化效果最好。在現有研究的基礎上，采用堿激發、機械研磨、堿激發和機械研磨相結合的方式對再生微粉進行活性激發，使用再生微粉替代部分水泥（摻量30%）制備膠砂試塊，經標準養護28 d后以抗壓強度檢測結果評價再生微粉的活性激發效果，從而增加其利用率和附加值。

1 試驗部分

1.1 試驗原料

試驗原料有水泥、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抗壓強度不低于42.5 MPa，主要技術指標如表1、表2所示。普通小區內的裝潢垃圾經顎式破碎機破碎，然后經篩分得到再生骨料及粒徑小于0.16 mm的再生微粉，其化學成分如表3所示。采用二級粉煤灰，化學成分如表4所示，篩余物占比如表5所示。試驗用砂為天然中砂，試驗用水為符合相關國家標準的自來水。

1.2 試驗設計

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

作為激發劑，通過測試不同對照組不同齡期的膠砂試塊強度，研究最優的再生微粉活性激發劑種類、摻量及球磨細度。膠砂試塊基礎配合比如表6所示。

1.3 試驗方法

堿激發試驗共設計1個對照組和3個試驗組（編號分別為Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ）。對照組未添加激發劑，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、二級粉煤灰取代部分水泥（摻量30%）制備的膠砂試塊、未經機械研磨（球磨）與活性激發處理的再生微粉取代部分水泥（摻量30%）制備的膠砂試塊。試驗組Ⅰ以Ca（OH）2為激發劑，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。試驗組Ⅱ以Na2SiO3·9H2O為激發劑，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。試驗組Ⅲ以Ca（OH）2+Na2SiO3·9H2O（質量比1∶1）為激發劑，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。

機械研磨試驗采用機械研磨激發再生微粉活性，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。

堿激發與機械研磨相結合的試驗分別以Ca（OH）2、Na2SiO3·9H2O、Ca（OH）2+Na2SiO3·9H2O（質量比1∶1）為激發劑，將不同激發劑添加到再生微粉中，然后將其與再生微粉共同研磨。激發劑分別以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。按照相應配方制備規格40 mm×40 mm×160 mm的膠砂試塊，放入標準養護箱養護24 h后脫模。脫模后，膠砂試塊放入標準養護箱養護至28 d齡期[8]。按照《水泥膠砂強度檢驗方法（ISO法）》（GB/T 17671—2021），測定試塊的抗壓強度。

2 試驗結果與討論

2.1 堿激發試驗

再生微粉添加不同種類與摻量的激發劑時，膠砂試塊抗壓強度隨養護時間的變化如圖1所示。由圖1（a）可以看出，再生微粉末添加激發劑，加入摻合料取代水泥后，膠砂試塊抗壓強度均有下降。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，膠砂試塊抗壓強度降低31.61%；未經處理的再生微粉以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，膠砂試塊抗壓強度分別降低27.37%、26.86%、41.99%和37.46%；相比未經處理的再生微粉取代部分水泥制備的膠砂試塊，添加激發劑后，膠砂試塊抗壓強度略有提升，說明加入Ca（OH）2對再生微粉活性有一定的激發效果，但摻量超過3.5%后，激發效果變差。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作為激發劑，膠砂試塊抗壓強度分別降低41.81%、51.40%、37.53%和48.57%，說明其對再生微粉的活性激發效果較差。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作為激發劑，膠砂試塊抗壓強度分別降低44.95%、51.11%、45.99%和42.37%，說明其對再生微粉的活性激發效果較差。

研究發現，在未經處理的再生微粉中直接添加Ca（OH）2和Na2SO3·9H2O作為激發劑，再生微粉活性的激發效果十分有限。經分析，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，物理形態多為粒徑范圍較廣的尖角狀、片狀的細小顆粒，流動性差，因此再生微粉在砂漿中的分散性差，填充效果差。即使加入激發劑，再生微粉也不能充分分散到砂漿體系，導致作用不明顯，激發效果欠佳。

2.2 機械研磨試驗

如表7所示，再生微粉經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%。延長球磨時間，篩余物占比變化幅度較小，再生微粉經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%，原因是在球磨過程中，粒度越小，再生微粉越易板結，粘在球磨罐壁上，降低球磨效率。

如圖2所示，與未添加激發劑的對照組相比，機械研磨可以降低再生微粉粒徑，激發再生微粉活性。但是，隨著機械研磨時間的增加，再生微粉活性呈下降趨勢。機械研磨時間對再生微粉活性的激發效果變化是非線性的，不同研磨時間的再生微粉活性先增大后減小，其中機械研磨15 min與機械研磨30 min的再生微粉活性激發效果最好，相比粉煤灰以30%的比例取代部分水泥，經28 d養護，前者制備的膠砂試塊抗壓強度均超過后者。機械研磨15 min后，球磨效率開始降低，團聚現象加重。考慮能耗，機械研磨時間取15 min，從而激發再生微粉活性。

經分析，再生微粉主要通過填充砂漿中骨料堆積的孔隙使膠砂試塊微觀結構更加密實，從而提升膠砂試塊抗壓強度[9-10]。在球磨過程中，再生微粉顆粒級配得到優化，顆粒形態由多棱角的針片狀變為類球形，流動性大幅增強，它在膠砂試塊中可以起到更好的填充效果。隨著球磨時間的增加，再生微粉逐漸細化，當再生微粉粒徑與水泥粒徑（見表8）相近時，填充效果最好，膠砂試塊的抗壓強度有明顯提升。繼續增加球磨時間，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，導致再生砂漿拌和時流動性降低，密實度變小，膠砂試塊抗壓強度下降。

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彌補部分未水化水泥帶來的強度損失，不同細度的再生微粉在砂漿試塊中的填充效應不同，所以膠砂試塊呈現不同的抗壓強度增長速度。水化后期，再生微粉的火山灰活性效應發揮主要作用[11]，隨著再生微粉比表面積逐漸增大，其吸水率逐漸提高，當再生微粉的火山灰效應和填充效應無法彌補未水化水泥帶來的強度損失時，膠砂試塊的抗壓強度就會受到影響，隨之降低。

2.3 堿激發與機械研磨相結合的試驗

激發劑摻量分別為2.5%、3.5%、4.5%和5.5%時，不同研磨時間條件下，激發活性后的再生微粉制備的膠砂試塊28 d抗壓強度如圖3所示。數據顯示，球磨時間與激發劑摻量沒有相關性。如圖3（a）所示，激發劑摻量為2.5%時，以Ca（OH）2+Na2SO3·9H2O為激發劑，研磨時間為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度僅下降1.82%，而單獨使用Na2SO3·9H2O作為激發劑的活性激發效果最差。如圖3（b）所示，激發劑摻量為3.5%時，以Ca（OH）2+Na2SO3·9H2O為激發劑，研磨時間為

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度下降13.56%，而單獨使用Na2SO3·9H2O作為激發劑，激發效果最差。如圖3（c）所示，激發劑摻量為4.5%時，以Ca（OH）2+Na2SO3·9H2O為激發劑，研磨時間為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度下降14.56%，而單獨使用Na2SO3·9H2O作為激發劑，激發效果最差。如圖3（d）所示，激發劑摻量為5.5%時，以Ca（OH）2+Na2SO3·9H2O為激發劑，研磨時間為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度下降14.09%。從激發效果來看，不同激發劑對再生微粉活性激發效果的排序為Ca（OH）2+Na2SO3·9H2O＞Ca（OH）2＞Na2SO3·9H2O。在加入激發劑的情況下，研磨時間對再生微粉活性激發效果的影響無明顯規律。

經分析，激發劑Ca（OH）2可以與水泥的水化產物發生火山灰反應，提升水泥水化速率，從而激發再生微粉活性。隨著Ca（OH）2摻量的增加，反應體系的OH-濃度持續增大，其與Al2O3、SiO2及Ca2+反應，生成水化硅酸鈣，提升膠砂試塊抗壓強度，但堿-硅酸凝膠吸水后體積膨脹，遠大于反應前體積，過量添加Ca（OH）2使材料體系內部不均勻膨脹，造成膠砂試塊抗壓強度不佳。激發劑Na2SO3·9H2O可以在膠凝材料中起到骨架作用，水化產物填充于Na2SO3·9H2O構建的骨架中，使其微觀結構更加密實[12]，從而提升膠砂試塊抗壓強度，但過量添加Na2SO3·9H2O，骨架網絡會影響再生微粉與水泥熟料的接觸面積，影響火山灰反應，從而減少水化硅酸鈣、水化鋁酸鈣和水化硫酸鈣等物質的生成，最終影響膠砂試塊抗壓強度。再生微粉中，活性物質含量少且不穩定，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配，增加其流動性，使再生微粉在材料體系中更均勻地分散，細度對再生微粉活性的改善效果較差，無明顯規律。

3 結論

再生微粉成分復雜，破碎后形狀不規則，其在膠砂體系中的流動性差，物理填充效果也差。再生微粉的流動性對活性影響較大，球磨處理可有效改善再生微粉顆粒形態，增加其流動性，從而增強其活性。球磨時間與再生微粉活性不呈線性關系，球磨15 min，再生微粉活性最好。Ca（OH）2及Na2SO3·9H2O對再生微粉活性均有激發效果，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會降低砂漿的抗壓強度。Ca（OH）2及Na2SO3·9H2O以1∶1的比例混合，球磨15 min，摻量為2.5%時，再生微粉活性激發效果最好，養護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度僅下降1.82%，其遠大于粉煤灰取代部分水泥（摻量30%）制備的膠砂試塊，而單獨采用Na2SO3·9H2O激發再生微粉活性的效果最差。

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