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，特別是發達國家環境保護和可持續發展戰略的目標之一，資源化垃圾建材（又稱綠色建材Green Building Materials/生 態 建 材Ecological Building Materials）已 成 為發達國家研究的重要課題之一。對于建筑垃圾的處理，發達國家大多實行“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，使建筑垃圾變為“綠色產品”，并形成“潔凈產業”，確保建筑業的可持續發展[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：采用房山區河北鎮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：取房山區河北鎮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。廢棄黏土磚經過常用的機械粉磨物理激發方式，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]。本文從物理激發和有機化學激發兩個方面研究黏土磚微粉的火山灰活性。

3.1 物理激發

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

針對具有強度活性指數的粉體材料，一般有復合激發、堿激發、硫酸鹽激發和醇胺類激發等手段。在砌塊實際應用中，復合激發需摻加的高鈣磨細礦粉市場緊缺，質量難控制；堿激發和硫酸鹽激發手段，成型后砌塊反堿嚴重。因此本文采用醇胺類激發劑為激發手段，選取二乙醇單異丙醇胺或三乙醇胺為激發劑。醇胺類激發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劑

按照GB/T 1596-2017《用于水泥和粉煤灰中的粉煤灰》規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劑強度及活性指數

3.2.2 三異丙醇胺為激發劑

按照GB/T 1596-2017規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 三異丙醇胺為激發劑強度及活性指數

3.2.3 激發劑的穩定性

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劑，強度穩定，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效果要好，因此下文試驗均選取二乙醇單異丙醇胺為激發劑，摻量為黏土磚微粉的0.02%。

表8 二乙醇單異丙醇胺為激發劑的重復膠砂強度統計表

表9 三異丙醇胺為激發劑的重復膠砂強度統計表

3.2.4 黏土磚微粉摻量及養護期對膠砂強度的影響

采用二乙醇單異丙醇胺為激發劑，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河北鎮建筑垃圾資源化產業基地，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格200mm×100mm×60mm普通再生路面磚為例，其配比如表12，自然養護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布，再生路面磚市場得到增長。在京管發[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，以到房山區河北鎮為例，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，采用醇胺類激發劑激發，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。