利用城市建筑废弃物制备环保砖新技术的研究

程国淡，张凯松，叶宝水，黄荣清

（1.中国科学院城市环境研究所，福建 厦门 361021；2.福建省绿标生物科技有限公司，福建 厦门 361100）

利用城市建筑废弃物制备环保砖新技术的研究

程国淡1，张凯松1，叶宝水2，黄荣清2

（1.中国科学院城市环境研究所，福建 厦门 361021；2.福建省绿标生物科技有限公司，福建 厦门 361100）

以城市建筑垃圾、炉底渣和石粉等区域特色的固体废弃物为再生骨料制备环保砖，系统考察了骨料对环保砖机械性能的影响。试验结果表明：再生骨料的种类对环保砖抗压强度的影响显著。随着再生骨料中混凝土块的增加，环保砖抗压强度逐渐增加；而随着再生骨料中黏土砖含量的增加，环保砖抗压强度明显降低；环保砖抗压强度随炉底渣的含量增加而降低；石粉对环保砖抗压强度有提升作用。该方法有望解决在城市化进程中出现的大量建筑垃圾，实现建筑废弃物的循环再利用。

环保砖；资源化；建筑固体废弃物；石粉；炉底渣

随着我国城市化进程的快速推进，城市建设产生大量的建筑废弃物，其中主要成分为废弃碎砖、混凝土块、钢筋、砂石等[1]，据不完全统计，建筑垃圾中约有30%～50%的碎砖砌块[2]。燃煤电厂产生大量炉底渣、粉煤灰等，固体废弃物的处置在城市可持续发展过程中备受关注。

Poon和Soutsos利用拆迁废弃物骨料制备混凝土铺路砖，拆迁废弃物骨料可以替代天然骨料而不降低混凝土铺路砖机械性能[3-8]。Wattanasiriwech[9]等利用瓷砖生产废弃物及普通硅酸盐水泥为原料制备铺地砖，认为压制压力直接影响铺地砖机械性能。另外，Atici[10]等研究了以粉煤灰和高炉矿渣替代部分水泥，制造混凝土铺地砖，测试了混凝土砖的抗压强度等机械性能，结果显示，粉煤灰和高炉矿渣分别可以替换水泥的质量分数为10%～20%、30%～40%。

我国石材出口居世界第二，福建石材产品出口居全国第一。加工石材会产生大量废浆，根据加工方式的不同，产生的石粉的量占所加工石材荒料重量的20%～30%[11]。国内外已有很多成熟的石粉利用技术，例如，日本将石粉作为水泥的原料，将石粉与其他材料结合生产人工景点，利用石粉生产多孔烧结砖等；西班牙利用石粉生产地砖或铺路板材等；我国也有利用石粉生产砖、板材、石粉陶瓷等[12]。

炉底渣是火力发电厂、城市集中供热系统等工业和民用燃煤锅炉底部排出的粒径较粗的灰渣，一般为碎石多孔结构，主要成分是SiO2、Al2O3和Fe2O3。炉底渣在各大发电厂、热电厂的日产量都相当大。根据《2010厦门经济特区年鉴》，2009年厦门炉底渣产量为19.13万吨。目前，炉底渣主要再生循环利用在砖瓦制品中，对炉底渣的利用率较低。不仅污染了环境，也造成了资源的极大浪费。国内外学者对炉底渣的应用均有研究，郭锋等研究了炉底渣在预拌砂浆中的应用，结果显示含炉底渣预拌砂浆操作性良好，保水率、力学性能、收缩率等指标，完全满足相关国家标准的要求[13]。Yüksel[14]等报道了炉底渣替代细骨料混凝土的耐用性。Bai[15]、Kou[16]等研究了炉底渣替代细骨料对混凝土强度的影响，结果显示，在水灰比相同的条件下，混凝土强度随着炉底渣的增加而降低。

上述废弃物是厦门市典型的固体废弃物，目前尚未进行相关回收再生循环利用研究，本研究利用建筑废弃物、火电站炉底渣、石材厂石粉等为骨料，硅酸盐水泥为胶凝材料，以一定的配比混合制备环保砖，探索区域典型固体废弃物回收循环利用途径，并且探索最佳的环保砖配比。

1 试验材料与方法

建筑废弃物取自厦门某拆迁现场，主要为混凝土碎块和黏土砖，在实验室经过人工破碎成粗、细骨料，称为再生骨料；炉底渣取自厦门嵩屿火电厂，石粉取自厦门周边水头镇某石材厂，实验室用普通硅酸盐水泥C42.5（OPC42.5）。

1.1 原材料粒径分布

炉底渣、碎黏土砖和碎混凝土块粒径分布采用标准筛筛分测出，炉底渣粒径小于2.36mm的占98%，混凝土碎块和碎黏土砖粒径小于2.36mm的分别占61.2%和66.3%（见图1）。石粉和水泥粒径用激光粒度仪测定（Mastersizer 2000、 Malvern），水泥和石粉粒径d（0.5）分别为22.898μm、23.359μm（见图2）。本文中所有的试验均是采用上述材料。

图1 骨料粒径分布

图2 水泥和石粉粒径分布

1.2 原材料XRD（X射线衍射）分析

石粉XRD图谱显示石粉中含有大量的二氧化硅和少量硅酸钙（见图3），这些二氧化硅可能与水泥水化产生的氢氧化钙发生反应生成水合硅酸钙。与石粉相似，黏土砖中也含有大量二氧化硅，还有三氧化二铝、三氧化二铁等；炉底渣成分与黏土砖相似，主要是二氧化硅、三氧化二铝、三氧化二铁等。

图3 环保砖原材料XRD分析

1.3 再生骨料环保砖的制作及检测方法

水泥、石粉及粗细骨料在搅拌器（SJD60，上虞拓展）中干拌2min，而后加入水继续搅拌3min。将上述混合均匀的材料加入内部尺寸为200×100×60（mm）的钢制模具中制铺路砖样品，每个铺路砖样品大约2.4kg。混合料分两层加入，加入每一层后，用木块和锤子手工将混合料压密实。而后，用压力机（TYE-2000H，无锡建仪）压制成型，以600kN/min的速度压制50s，然后清除多余的料，再用相同的速度压制60s。成型的样品贮存于室温、50%左右湿度条件下，用塑料布盖着。成型1天后拆模，拆模放入水中养护到适当的龄期后测试抗压强度。

为研究骨灰比、骨料对环保砖机械强度的影响，试验过程中，环保砖水泥种类和等级、骨料类型、骨料级配、环保砖制备方法、成型工艺、养护制度和机械强度检测方法等均保持不变，所有试验均在实验室完成。

抗压强度测试采用一台最大荷载为2000kN的压力机（TYE-2000H，无锡建仪），负载速度为0.6MPa/s。测试环保砖在不同龄期的抗压强度。

2 再生骨料环保砖

2.1 骨灰比对环保砖的影响

不同骨灰比环保砖配比的基本情况如表1所示。

表1 不同骨灰比环保砖的配比表

图4 不同骨灰比环保砖抗压强度

图5 环保砖SEM分析

骨灰比对环保砖在不同养护龄期时抗压强度有显著影响，环保砖抗压强度由骨灰比决定（见图4）。随着骨灰比的增加，环保砖抗压强度逐渐降低。随着养护龄期的增加，环保砖骨灰比不同，其抗压强度增长不同，龄期养护到28天时，其抗压强度分别为21.4MPa、13.7MPa、11.9MPa、9.4MPa。当骨灰比大于3.5时，环保砖前期抗压强度增长较快，而后期抗压强度增加均小于5%，而骨灰比为3时，环保砖28天抗压强度较7天时增加了21%，可见，随着养护龄期的增加，不同骨灰比的环保砖的抗压强度差距在增加。环保砖SEM（扫描电子显微镜）分析显示（见图5），水泥中的C3S、C2S经过物理化学反应生成水和硅酸钙（CSH）和氢氧化钙（Ca(OH)2），CSH形成强度，而CSH是水泥发生水化反应的产物，因此，环保砖中水泥含量高，则水化产物CSH多，因而环保砖的强度较高。

2.2 再生骨料对环保砖的影响

不同建筑垃圾再生骨料环保配比的基本情况如表2所示。

表2 不同再生骨料含量环保砖的配比表

随着黏土砖含量的增加，混凝土块的降低，环保砖抗压强度降低（见图6）。不同再生骨料对环保砖初始强度影响较小，然而，随着养护的进行，再生骨料组成的影响逐渐显示出来，再生骨料中黏土砖含量为0、33%、50%、67%的环保砖7天抗压强度分别为19.3MPa、16.9MPa、15.3MPa、11.8MPa。再生骨料中含有少量黏土砖对环保砖抗压强度影响较小。当黏土砖含量为再生骨料的67%时，环保砖抗压强度显著降低，28天龄期抗压强度16.7MPa，相比于骨料中不含黏土砖时，强度降低了26.7%。在利用再生骨料制环保砖时，应控制再生骨料中黏土砖的含量。Poon[7]等研究表明黏土砖再生骨料的固有强度小于混凝土再生骨料，这也是环保砖抗压强度随着黏土砖再生骨料含量增加而降低的主要原因。

图6 不同再生骨料含量环保砖抗压强度

2.3 炉底渣含量对环保砖的影响

不同炉底渣含量环保配比的基本情况如表3所示。

表3 不同炉底渣含量环保砖的配比表

炉底渣含量对环保砖抗压强度有明显的影响，对环保砖前期（7天）抗压强度影响尤为明显（见图7），随着炉底渣含量增加，环保砖抗压强度下降。在炉底渣含量大于细骨料的25%时（Ⅱ-3，Ⅲ-2），试验结果显示，其环保砖养护前期对抗压强度基本没有影响，7天抗压强度均为16.9MPa，而对后期抗压强度影响较大，Ⅱ-2龄期28天抗压强度较7天抗压强度增加了29%，而Ⅱ-1龄期28天抗压强度较7天增加21%。当环保砖中不含炉底渣时（Ⅲ-3），其抗压强度明显高于含炉底渣环保砖抗压强度，尤其是前期抗压强度影响极为显著，龄期7天时，抗压强度为21.7MPa，而炉底渣为细骨料25%、50%的环保砖7天抗压强度为16.9MPa。Kou[11]等研究表明在水灰比相同的条件下，混凝土抗压强度随着炉底渣替代细骨料的量的增加而降低，这可能是由于炉底渣、水泥的结合力较小。

图7 不同炉底渣含量环保砖抗压强度

2.4 石粉含量对环保砖的影响

不同石粉含量环保配比的基本情况如表4所示。

表4 不同石粉含量环保砖的配比表

随着石粉含量的增加，环保砖28天抗压强度逐渐增加（见图8）。当石粉含量为骨料的17.5%时，其28天抗压强度较不含石粉环保砖抗压强度增加了近60%。石粉在环保砖中的作用可归结为物理作用方面，即指石粉的微孔填充效应和形态效应，其可以改善集料的级配、流动性，又可以增加环保砖的密实性，显著提升环保砖抗压强度[12]，SEM图片也证实了石粉的微孔填充效应（见图9）。图10FTIR（Thermo Scientific Collect NICDLET is10）图谱显示在3600cm-1左右的峰值，是水泥水化过程中产生氢氧化钙中OH的峰[17-18]，随着养护龄期的增加，该峰消失，表明随着养护的进行，氢氧化钙被消耗，可见，环保砖养护过程中发生了火山灰反应。

图8 不同石粉含量环保砖抗压强度

图9 含石粉环保砖SEM照片

图10 含石粉环保砖FTIR分析

3 结论

通过本试验，得出以下结论：

（1）实验室人工破碎再生骨料、炉底渣、石粉等可用于制备环保砖，环保砖的抗压强度由骨灰比决定。骨灰比为3时，环保砖抗压强度明显高于骨灰比大于3时。此外，不同的再生骨料对环保砖抗压强度的影响也很显著，随着骨料中黏土砖含量的增加，环保砖抗压强度明显降低，而随着骨料中混凝土块的增加，环保砖抗压强度逐渐增加。

（2）炉底渣的含量对环保砖强度有显著影响，炉底渣含量较低时，对环保砖影响尤为显著。石粉含量对环保砖抗压强度有提升作用。

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New Technology for Environmental Protection Brick Preparation by Using Urban Building Wastes

CHENG Guo-dan1,ZHANG Kai-song1,YE Bao-shui2,HUANG Rong-qing2
(1.Institute of Urban Environment,Chinese Academy of Sciences,Fujian Xiamen 361021; 2.Fujian Greenway Bio-sciences & Technologies Co.,Ltd,Fujian Xiamen 361100,China)

By taking the solid wastes of the urban building garbage,dregs of hearth and stone powders as the recycled bone materials for the environmental protection brick preparation,the paper studies the effect of bone materials on the mechanical properties of the environmental protection brick.The result shows that the species of bone materials shows obvious influence on compressive strength of the environmental protection brick.With the increasing of the concrete block in the recycled bone materials,the compressive strength of the environmental protection brick will increase gradually.While the increasing of the content of clay brick in the recycled bone materials,the compressive strength of the environmental protection brick will reduce obviously; with the increasing of the content of dregs of hearth,the compressive strength of the environmental protection brick will reduce; the stone powders see a upgrading role on the compressive strength of the environmental protection brick.The process is expected to solve the problem of a great lot of building garbage arisen in the course of urbanization and to realize the recycling and reuse of the building wastes.

environmental protection brick; resource; building solid wastes; stone powder; dregs of hearth

X799.1

A

1006-5377（2015）06-0058-05