废料资源化制砖方法的研究进展

王璐瑶， 李劲彬

(1.陕西省土地工程建设集团有限责任公司， 陕西 西安710075； 2.陕西地建土地工程技术研究院有限责任公司， 陕西 西安710075； 3.自然资源部 退化及未利用土地整治工程重点实验室， 陕西 西安710075； 4.陕西省土地整治工程技术研究中心， 陕西 西安710075)

砖块作为主要的建筑材料之一，拥有悠远的使用历史，干粘土砖在公元前8 000年开始使用，烧制粘土砖在公元前4 500年开始使用。目前，全球砖的年产量约为13 910亿块，且砖的需求量预计将持续增长。常规砖一般是由粘土经高温窑烧制而成，或用普通波特兰水泥(OPC)混凝土生产。采石场作为获取粘土的主要途径之一，采石过程中不但会消耗大量能源，还会产生大量废弃物，并破坏生态环境。同时，高温窑烧过程还会消耗大量能源，释放大量CO2。另外，OPC混凝土砖是由OPC和骨料制成，其生产过程也会消耗大量能源，并释放大量CO2，所带来的环境负效应与普通粘土砖相似。为保护环境与可持续发展，诸多学者研究利用废料包括粉煤灰、矿山尾矿、矿渣、建筑垃圾、木屑、废弃棉花、石灰石粉、造纸残留物、石油废水处理厂污泥、牛皮纸浆生产残留物、烟头、废茶、稻壳灰、碎橡胶和水泥窑粉尘等生产砖块的方法。为废料资源化制砖的深入研究提供理论支撑，笔者对不同废料生产砖块方法的研究进展进行综述如下。

1 废料焙烧法制砖

废料焙烧法制砖是使用废料代替部分或全部粘土，并遵循传统的窑烧方法生产砖的材料。有研究表明，利用赤铁矿尾矿、F级粉煤灰和粘土一起生产砖块，尾矿∶粉煤灰∶粘土=84∶6∶10时，在980～1 030℃条件下烧制2 h，即可生产出优质砖块，其水分含量为12.5%～15%，承压强度为20～25 MPa[1]。将不同比例的F级粉煤灰与粘土和足够量水混合，在模具中将混合物压缩制备砖块，模制砖在空气中干燥2 d后分别在850℃和1 000℃的实验炉中煅烧24 h，结果表明，粉煤灰的加入总体上提高了砖的抗压强度，降低砖的吸水率，当粉煤灰含量为40%时，最高抗压强度为12.4 MPa，相应的吸水率为13.8%[2]。将50%高岭土细石料渣(KFQR)，10%～40%粒状高炉矿渣(GBFS)和10%～40%花岗岩-玄武岩细石料渣(GBFQR)混合，放入50 mm立方模具中加压22 MPa制砖，将形成的样品在恒温干燥箱中80℃干燥24 h，然后以5℃/min升温速率，在马弗炉中分别以1 100℃、1 125℃、1 150℃和1 175℃进行烧制，结果表明，在1 125℃温度下烧制的含50% KFQR，20% GBFQR和30%GBFS的砖块性能最优[3]。将0%～10%锯末，0%～30%滤油废土，0%～30%堆肥和0%～20%大理石4种废料与粘土混合制备轻质砖，在模制过程中加压54.5 MPa，然后以3℃/min升温速率分别烧至950℃和1 050℃，共计4 h，结果表明，与950℃相比，在1 050℃焙烧的砖具有更高的抗压强度和较低的孔隙率和吸水率，其最佳的废料量为5%木屑，15%滤油废土，10%堆肥或15%大理石[4]。

2 废料固结法制砖

废料固结法制砖是依靠废料本身或外源添加的胶结材料进行胶结，不需要窑炉烧制。有研究表明，将钢铁工业副产品粒状高炉矿渣与熟石灰混合后再与砂彻底混合，使用液压机加压4.9 MPa压制，然后在270～272℃和95%湿度下将样品固化成型持续28 d，所得固化砖的抗压强度、堆积密度和吸水性能均表现良好[5]。混合不同比例的粉煤灰(60%～90%)，煅烧磷石膏(5%～30%)和矿物石灰(5%～30%)，放入木制模具制备空心砖，制得的空心砖用湿麻袋覆盖1周后转移到21～25℃注水固化罐中进一步固化，最终空心砖的抗压强度、吸水率、密度和耐久性均达到标准，可用于低成本住房开发[6]。将木屑、石灰石废料与波特兰水泥以固定比例混合，再固定压强模具中压实4 h，然后在装有22%石灰饱和水的罐中于室温下固化24 h，最后在105℃通风烤箱中干燥24 h，制备的轻质砖抗压强度、抗弯强度、单位重量、超声脉冲速度和吸水率等指标满足国际有关标准[7]。将粉煤灰与熟石灰以100∶0、95∶5和90∶10比例混合，在125～135℃和0.14 MPa条件下制砖，结果表明，砖的强度取决于粉煤灰的细度，并随着粉煤灰细度的增加而提高，粉煤灰-石灰颗粒砖的强度为47.0～62.5 MPa；重金属元素，特别是Cd、Ni、Pb和Zn可有效地保留在粉煤灰-石灰颗粒未烧制砖中[8]。使用赤铁矿尾矿作为主要原料生产高强度蒸压砖，在压力1.2 MPa、时间6 h条件下，70%赤铁矿尾矿、15%石灰和15%沙子的混合物生产砖的性能最佳，符合《GB 11945—1999蒸压灰砂标准》[8]。

3 废料聚合法制砖

地聚合技术不同于高温窑烧和依靠固结废料生产砖块均有高能耗和大量温室气体排放的缺点，其依赖于非晶硅和富含氧化铝的固体与高碱性溶液在环境温度或略微升高的温度下的化学反应，以形成非晶至半结晶的铝硅酸盐无机聚合物或地质聚合物。地质聚合物不仅在许多应用中有着可与OPC媲美的性能，而且还具有其他诸多优势，包括丰富的原材料资源、快速发展的机械强度、良好的耐久性、优异的耐化学侵蚀性、固定污染物的能力以及显著降低能耗和温室气体排放，这些特性使地质聚合物成为可持续发展的理想材料。有研究表明，使用硅酸钠溶液作为碱活发剂，用粉煤灰和底灰在温度为20～23℃，相对湿度为35%～60%环境中固化28 d，制成的全尺寸砌砖符合有关常规水泥混凝土砌块的标准[10]。以氢氧化钠溶液作为碱活化剂，利用铜矿尾矿制备地质聚合物砖，通过调节初始含水量、NaOH浓度、成型压力和固化温度等条件，可以生产符合ASTM(美国材料实验协会)要求的矿山尾矿基地质聚合物砖，其抗压强度、吸水率和耐磨性均符合ASTM要求[11]。用赤泥和粉煤灰生产地质聚合物铺路砖，结果表明，赤泥的添加可改善地质聚合物反应强度，当赤泥添加量为5%～20%时，凝结时间和抗压强度也可得到改善；聚合反应时间取决于NaOH浓度，NaOH浓度、硅酸盐溶解度和氧化铁均可影响微观结构的致密程度，进而影响地质聚合物的机械性能；10%、20%赤泥所制备的铺路砖符合印度的相关标准，且重金属浸出浓度在允许范围内[12]。

4 小结

目前，有关使用废料以及不同生产方法制砖的研究较多，虽然许多由废料制成的砖块都满足现有有关标准要求，并且已获批多项专利，但进行商业生产和应用的非常有限，这与缺乏相关标准以及工业界和公众的接受缓慢有关。由于大多数废料中含有污染物，因此用废料生产砖块，有效且安全地固定原始废料中的污染物非常重要。为促进利用废料生产和使用砖块，不仅在技术、经济和环境方面，而且在废料回收和可持续发展有关的政策和公众教育方面还需要做更多的工作。