PCSB固化建筑废渣的路面基层性能研究

毛静民，李色篆

(1武汉工程职业技术学院冶金工程系，武汉 430080;2.北京旷世达资源环境工程发展中心技术工程部，北京 100029)

1 建筑废渣及应用

1.1 建筑废渣来源

建筑废渣来源主要有以下3方面:一是在建筑物新建过程中产生;二是在旧城改造时拆除和维修工程中产生;三是在地震、洪水、泥石流、战争等不可抗拒的灾害中产生。据统计，我国每年因拆除、改造和新建工程产生建筑废渣6亿t［1］，其中每10 000 m2建筑的施工过程中，会产生建筑废渣500～600 t，而拆除10 000 m2旧建筑，将产生7 000～12 000 t建筑废渣。武汉市建委资料显示，2007年武汉市的拆迁总规模达到580 m2，拆除产生的建筑废渣高达650万t。2008年5月12日汶川大地震一次产生建筑废渣达数亿t。玉树、舟曲的地震和泥石流灾害产生建筑废渣也有上亿t。

建筑废渣主要由渣土、砂浆块、混凝土块、碎砖瓦、金属、竹木、装饰废料、包装材料等组成［2］。其中各种成分比例因其来源不同而有一定差异，如拆除砖结构建筑所得建筑废渣以砖渣、砂浆块、竹木为主，拆除混凝土框架建筑所得建筑废渣以混凝土块、钢筋为主，总体上，各种建筑废渣的组成比例相对稳定，如表1。

建筑废渣产生后，一般被混入城市生活垃圾，通过转运、露天堆放和简单填埋的方式处理。根据对全国部分城市的调查情况来看，建筑废渣的平均处理费用(不包含运输费用)约为3.5元/t。按这个价格计算，近年来全国平均每年的建筑废渣处理费用近20亿元。

表1 建筑废渣的组成成分及比例Table 1 Components and ratios of construction waste

1.2 建筑废渣处理、应用现状

国外由于长期重视投入和研发，其建筑废渣资源化技术已经很成熟，产品种类和质量以及应用情况也相当好。日本、美国、德国等工业发达国家凭借经济实力与科技优势，实行“建筑垃圾源头削减策略”，通过科学管理和有效控制将其减量化，对于产生的建筑废渣则采用科学手段［3］，使其成为再生资源。

近些年来，上海、北京、武汉等地区的一些单位对建筑废渣的回收利用作了一些有益的尝试［4］。1990年7月，上海市第二建筑工程公司在市中心的“华亭”和“霍兰”2项工程中收集建筑废渣，经分拣、剔除、粉碎后，用作细骨料，与细砂掺合使用。河北工专新兴科技服务总公司将碎砖瓦、废钢渣、碎石等作为填料，用于夯实扩张桩基础。武汉城市环境工程有限公司将建筑废渣加工成再生骨料、粉料，将其中再生骨料用于配制再生混凝土，粉料用于制作蒸压砖。当前各方建筑废渣回收生产流程如图1。

图1 建筑废渣回收生产流程Fig.1 Process of construction waste recycling production

其中原料选择环节要求在建筑废渣堆场人工分拣竹木、纸板、包装袋等杂物;通过初级破碎分离钢筋混凝土，磁选机分拣废铁，自动分拣机分选塑料等非金属杂物;通过预筛机将大块建筑废渣送入反击式破碎机进一步破碎，小块建筑废渣送入分级筛筛分出粉料和不同粒径的细骨料、粗骨料，其中粒度较大者，再送入冲击式破碎机破碎，破碎后再返回到分级筛分级处理;最后，将骨料水洗、干燥后再做浸渍处理，才能获得高性能再生骨料。

我国建筑废渣处理中的问题如下:

(1)建筑废渣分类收集的程度不高，回收种类少。仅回收钢筋，而占建筑废渣组成比例最大的废混凝土、废砖瓦被排弃，造成建筑废渣回收利用率低;

(2)法规不健全、投资少造成建筑废渣处理及资源化技术水平落后;

(3)建筑废渣资源化技术不成熟，处理回收技术复杂、环节过多、费用过高;

(4)建筑废渣因处理不当给城市环境带来了以下影响和危害:①建筑废渣随意堆放，占用土地，降低土壤质量;②建筑废渣转运、堆放的过程中影响空气质量、水域环境，产生二次污染;③建筑废渣破坏市容、恶化城市环境卫生，存在安全隐患。

本文主要从建筑废渣的基本性质入手，研究PCSB(Poly Chem Soil Binder)固化建筑废渣的机理，将建筑废渣与PCSB固化剂按照一定配合比掺和，制作试件，经过养护后测定其抗压强度，研究其作为路面基层材料的性能，进而简化建筑废渣利用环节，降低建筑废渣利用成本，探讨利用建筑废渣制作路面基层材料的可行性。

本文试验所用的建筑废渣取自于武汉市旧城改造工地，在取样时，各成分参照表1的比例有所取舍，如去除竹木、金属、包装等杂物，样品成分主要为砖块、砼块、渣土，用鄂式破碎机控制最大粒径＜30 mm一次破碎，破碎后不筛分，直接使用。

2 PCSB固化建筑废渣相容性分析

2.1 PCSB的基本性能

PCSB(Poly Chem Soil Binder)是含有聚合物的沙土固化剂［5］，具有水泥基胶凝材料的基本性能，在此基础上特别能够针对各类沙土(河沙、戈壁沙、山砂土、尾矿、废渣、淤泥)实施固化，经固化的沙土具有优异的固化性能。近几年，PCSB沙土固化工程的应用研究实例主要有马来西亚西港极重负载道路(CT3)工程、天兴洲整体护滩工程、南通道路工程、安庆老虎滩护滩工程、沙市三八滩应急守护工程、崔家营航电枢纽工程、泉州山砂土制砖、武钢尾矿制作墙体材料、南昌页岩(粉煤灰、锂、镍尾矿等)制砖、遵化铁尾矿铺路等。利用石灰石、白云石尾矿制作墙体材料的应用技术是PCSB应用的一项研究，2009年10月16日通过中国冶金矿山协会鉴定。鉴定认为，利用石灰石、白云石尾矿生产新型墙体材料填补了国内空白，达到了国内领先水平。此外还完成了2项发明专利。

PCSB沙土固化剂从国外引进后，针对国内各类固化对象进行了优化。表2和图2、图3为3种剂型的沙土固化剂材料试验性能参数试验数据。Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ剂型材料增长趋势见图2、图3。

PCSB的优越性能使得将建筑废渣加工成为道路基层(底基层)的铺路材料成为可能。根据固化剂的特点和固化性能，废砖块、石、砌筑砂浆块、抹灰砂浆块、混凝土块甚至泥土块等不用分选，直接破碎，破碎后的集料不需筛分、级配，直接配料搅拌摊铺。制备工艺异常简单，如图4。

图4和图1对比，应用PCSB技术简化了建筑废渣处理环节、降低了回收费用。

表2 沙土固化剂材料性能参数Table 2 Properties of sand hardener material

图2 PCSB材料抗压强度增长趋势Fig.2 Relations between the compressive strength of PCSB material and the curing days

图3 PCSB材料抗折强度增长趋势Fig.3 Relations between the flexural strength of PCSB material and the curing days

图4 用建筑废渣制备道路基层(底基层)材料的工艺Fig.4 Preparation of road base(subbase)material by construction waste

2.2 PCSB固化建筑废渣的作用机理

2.2.1 建筑废渣的性能分析

普通黏土砖在高温煅烧、冷却的过程中会形成一些具有潜在活性的不定形的SiO2，Al2O3，Fe2O3等物质，黏土矿物原有的晶体结构被破坏形成铝硅酸盐结构，具有了很好的火山灰性质。废砖瓦细料与固化剂作用，不仅能产生足够的强度，而且能减小碱－硅反应，降低由此引起的固化块膨胀，同时还能增强抗化学腐蚀性。废混凝土含有一定的水泥凝胶、Ca(HO)2、未水化的水泥颗粒和CaCO3，分别具有形成CSH，CAH，CFH，作为水泥水化晶坯和继续水化形成胶凝产物的能力。

对比建筑废渣化学分析(表3)和XRD(X-Ray Diffraction)图谱［6－7］，XRD 分析结果与原料的化学成分分析基本吻合，废混凝土的主要成分为CaCO3和SiO2。黏土砖的主要晶相为石英，另外还有一小部分方解石和生石灰。废混凝土渣和废砖渣都具有一定的反应活性，其中废砖渣的活性来自经高温煅烧的活性SiO2，Al2O3和CaCO3，可与PCSB固化剂水化物形成CSH，CAH凝胶及碳式钙钒石;废混凝土渣中一方面水化硅酸钙等矿物可作为晶胚促进水化，其中可能存在的未水化的水泥熟料颗粒在PCSB作用下继续水化，另一方面，Ca(HO)2会与 SiO2，Al2O3，Fe2O3等玻璃态反应，进一步促进PCSB固化剂颗粒的水化，并且再次形成CSH，CAH，CFH晶体，因此，建筑废渣在本质上存在被继续利用的价值。

表3 建筑废渣化学成分分析Table 3 Chemical components of construction waste

砖瓦碎块呈现多孔状，其表观密度1.9～2.2 g/cm3，压碎指标高、吸水率高，但破碎后的砖渣压碎值20% ～40%，破碎粒径越小，压碎值越小。在固化剂作用下可以达到一定的抗拉、抗压强度，用大颗粒砖块作骨料的固化试件断裂破坏与普通混凝土有所区别，破坏通常是集中通过集料，而不是绕过集料，单独由砖瓦碎块骨料制成的固化试件的性能不高。不过，当砖块破碎粒径越小，同时当砖渣与砼渣掺合后，砖渣的不利特性大大减少。试验研究表明:当砼块在建筑废渣中的比例＞20%时，压碎值＜30%;当砼块在建筑废渣中的比例＞35%时，压碎值＜26%。

废砼碎块表观密度和堆积密度分别为2.6和1.35 g/cm3，其吸水率处于4.2% ～9.1% 之间，压碎指标在11.2% ～22.6%之间，能够用作再生骨料。沥青与固化剂胶结料有比较好的黏结性，建筑废渣固化块中掺入沥青后在抗压强度上有所减低，但韧性提高了，沥青废料可以用于建筑废渣的固化［8］。

2.2.2 PCSB与建筑废渣的相互作用

PCSB在固化建筑废渣的过程中产生了多种作用(混合作用、聚合作用、水化作用、化学作用)的综合过程是PCSB固化建筑废渣的特点。

PCSB与建筑废渣均匀混合并加水拌和后，PCSB中含有的聚合物微粒分散在混合料中，随着固化剂水解和水化反应，水化产物CSH和CAH逐渐结晶，聚合物微粒逐渐封存在毛细管孔隙中。随着水化水的排出，聚合物颗粒凝聚、成模，在建筑废渣固化块中形成聚合物与水化物互相穿透的网络结构，骨料被粘结在其中，形成一个复合体。

砖渣、砂浆粉料中的活性SiO2和Al2O3发生二次水化反应，生成不溶于水的稳定结晶矿物，并进一步填充建筑废渣中的孔隙。这些重新结合的微晶化合物，依靠比较强的化学键结合，构成结晶网状结构，改善固化体骨架结构，增加了固化体的强度和水稳性。

建筑废渣中的渣土颗粒很细，表面积大，有很强的吸附作用。当固化剂水化反应时，土粒表面便吸附溶液中的离子，形成一层液膜，液膜中的高价离子较低价离子更能有效地平衡土粒表面的电荷，发生离子交换吸附，产生絮凝作用，胶体颗粒发生聚结使土颗粒团聚，形成凝聚结构。这种结构的牢固性还必须用外力将拌和好的建筑废渣、固化剂及水的混合松散料在水化、结晶、凝聚、膜结构形成前压实成为整体，在最优含水下加适当的功能压实到最大干密度。这样颗粒间的距离减少，范德华力增加，对固化体初期强度起到积极的作用，也为固化体内部物理化学作用提供了有利的条件。

PCSB固化剂增强了固化体的性能，其膜结构封闭毛细管，粘结微裂纹，提高水化产物与骨料颗粒的黏结强度，增加建筑废渣固化块的冲击韧性，改善吸水性能，减少软化现象，增强抗冻性能，提高抗碳化能力和化学稳定性。聚合物在固化体中产生了网模结构性、减水性和缓凝性，使得PCSB固化建筑废渣的各项性能可控。

分析PCSB固化剂作用机理，可以发现，在对建筑废渣固化块养护时，湿养有利于水解水化，干养有利于聚合物固化成膜。由此，能够指导设计合理的养护制度［9－10］。

3 建筑废渣的筛分、击实

3.1 建筑废渣的粒径分析

对取样、加工所得建筑废渣进行粒径分析，结果如表4、图5。按道路基层颗粒级配标准，基本可划分为标准2区和3区，因而该取样、加工方案所得建筑废渣颗粒料级配良好。这是因为在破碎时，砖渣与砼渣一起破碎，破碎后砖渣颗粒普遍小于砼渣颗粒，同时，取样中砖渣与砼渣的比例控制在1∶1，砼块在建筑废渣中的比例达到40%。从颗粒分析表可见，中值粒径在7.44 mm，平均粒径6.87 mm左右，因而其压碎值＜26%，实测压碎值见表5，建筑废渣在标准压力下的压碎值为16.44% ～24.56%。

表4 建筑废渣颗粒分析表Table 4 Particle analysis of construction waste

图5 建筑废渣颗粒分析图Fig.5 Particle analysis of construction waste

表5 建筑废渣在不同压力下的压碎值Table 5 Crushing values of construction waste at different pressures

3.2 击 实

击实试验是研究不同配合比的固化剂、建筑废渣和水混合料在外力作用下达到最紧密结合的实现条件，以此试验作为建筑废渣固化试件成型的依据。在建筑废渣中掺不同比例的PCSB固化剂，做重型击实试验，最佳含水量及最大干密度的试验结果见表6。

表6 不同PCSB剂量试件最佳含水量和最大干密度Table 6 Optimum moisture contents and maximum dry densities of specimens with different PCSB doses

4 无侧限7 d抗压强度试验

4.1 试件制备、养护

根据建筑废渣最大粒径，选用∅×h=150 mm×150 mm圆柱试件，按击实试验所得最佳含水量、最大干密度以及对路面基层材料压实度的要求对5%，6%，7%，8%，9%等不同PCSB固化剂掺量的建筑废渣混合料成型，脱模后试件立即用塑料薄膜包覆。其中对5%，7%，9%固化剂掺量的试件自然养护，将6%，8%固化剂掺量的试件送至(25±2)℃，相对湿度大于95%的养护室保温保湿养护。养护6 d后浸水24 h，测其7 d无侧限抗压强度(以下简称为饱水强度或强度)。另对8%固化剂掺量的建筑废渣混合料延迟成型(延迟4 h)，测定试件的延时强度，以确定延时成型对试件强度的影响。对5%，9%固化剂掺量的试件自然养护后不浸水，测未饱水强度，以确定PCSB固化建筑废渣的水稳定性能。

4.2 混合料配合比

从技术、经济角度考虑，拟定5%，7%，9%等3个固化剂掺量的配合比，然后根据规定用途的无侧限抗压强度标准，通过试验选取合适的固化剂、建筑废渣、水3者混合料的配合比。

从表7可知，虽然养护温度不高，PCSB稳定建筑废渣的强度随PCSB掺加剂量的增加而增加，当剂量由5%增加到7%时，7 d无侧限饱水抗压强度增长41%，当剂量由7%到9%时，7 d无侧限饱水抗压强度增长52%。

表7 不同配合比的自然(＜10℃)养护7 d无侧限饱水抗压强度Table 7 Unconfined compressive strengths of water-saturated specimen with different mix ratios after natural(＜10°C)curing for 7 days

表7中压实度的数据是在试件制备后，按实际装料量成型的试件测算的。实测的压实度为0.89～0.92，未达到设计压实度0.97。一般而言，试件强度与压实度(成型密度)正相关，若提高压实度，试件强度将会大幅度提高。表8中第1，2组试验测试了相同掺量、相同养护条件下不同压实度试件的7 d无侧限抗压强度，测试结果表明，压实度增加对强度的贡献巨大。

表8 6%，8%PCSB掺量的标养试件强度Table 8 Strengths of specimens with 6%and 8%of PCSB after standard curing

按照表7中7 d无侧限饱水抗压强度的检测数据，5%，7%的PCSB稳定建筑废渣分别能达到《固化类路面基层和底基层技术规程》(CJJ/T80—98)中城市次干路和支路、城市快速路和城市主干路的路面基层和底基层的抗压强度标准。

4.3 养护温度对强度的影响

对6%，8%PCSB固化剂掺量的试件进行标准养护(湿度95%，温度25℃)，测7d无侧限饱水抗压强度，如表8。对比表7，较高的养护温度大大提高了试件强度。

4.4 PCSB固化建筑废渣的水稳定性能

PCSB固化建筑废渣的水稳定性能通过试件在水中浸泡一段时间后其强度的变化来表征。表9为5%，9%PCSB固化剂掺量试件的饱水与不饱水性能对比，2组试件软化系数均＞0.8，说明具有较好的抗水性能，其中，5%PCSB掺量试件的水稳性能尤其突出。不过，9%PCSB掺量饱水试件因压实度较小，强度较小，其抗水性能未得到应有的发挥。

表9 PCSB固化建筑废渣的水稳定性能Table 9 Water stability of construction waste cured by PCSB

4.5 PCSB固化建筑废渣延迟成型性能

对8%PCSB固化剂掺量的建筑废渣混合料延迟4 h成型试件，测定PCSB延迟固化的性能，如表10。延迟成型试件强度较即时成型试件强度损失率为6.89%，满足《土壤固化剂》(CJ/T3073—1998)中＜10%的要求。PCSB固化建筑废渣延迟成型性能较水泥好，是因PCSB固化建筑废渣的性能可控。

表10 PCSB固化建筑废渣延迟成型性能Table 10 Formability of construction waste cured by PCSB in delayed formation

5 建筑废渣路面基层材料与水泥稳定土的对比

利用建筑废渣制备路面基层材料，并将其与水泥稳定土(碎石土)相比，有不同特点，如表11。

表11 建筑废渣路面基层材料与水泥稳定土的对比Table 11 Comparison between construction waste road base material and cement stabilized soil

两者原料来源不同，建筑废渣只需一级破碎，不用筛分，碎石土虽然是建材生产中筛下物，但经过级配，其费用大体相当;两者铺筑工艺相似，铺筑工艺成本相差不大;建筑废渣路面基层材料的原料来自市内拆迁工地，运送费用略低于从市外到市内;固化剂成本大于水泥，但是建筑废渣路面基层材料因消纳利用了废渣，而节省了废渣的清运费。从对比中可看出建筑废渣制备路面基层材料的总成本略小于碎石土作为水泥稳定土的总成本。

6 结论

通过以上分析可以看出:

(1)PCSB固化剂固化建筑废渣具有较好的相容性。PCSB特有的固化机理使得PCSB固化建筑废渣的性能(水稳性能、凝结时间等)可控;

(2)PCSB固化建筑废渣强度随PCSB固化剂剂量、PCSB建筑废渣混合料的压实度、龄期及养生温度增加而增长;

(3)PCSB固化剂稳定建筑废渣的饱水养生强度能满足路面基层强度的基本要求，5%，7%的PCSB稳定建筑废渣能达到《固化类路面基层和底基层技术规程》(CJJ/T80—98)中城市次干路和支路、城市快速路和城市主干路的路面基层和底基层的抗压强度标准。

(4)利用PCSB固化建筑废渣的技术开发建筑废渣路面基层(底基层)材料，较建筑废渣的其他应用(制砖、再生骨料等)工艺简单，成本低廉。PCSB建筑废渣路面基层(底基层)材料具有优异的性能，综合成本略低于石屑(碎石)路面基层材料。

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