多因素对工程渣土免烧砖性能影响研究

冯志远，黄远洋，罗霄，罗刚，黄启林

（深圳市建筑科学研究院股份有限公司，广东 深圳 518000）

0 引言

近年来，我国城市发展很快，拆除大量既有建筑，开挖地下空间，产生了大量的建筑垃圾。按CJJ/T 134—2019《建筑垃圾处理技术标准》将建筑垃圾分为五大类：拆除垃圾、工程渣土、工程泥浆、工程垃圾、装修垃圾。根据中国建筑垃圾管理与资源化工作委员会副主任陈家陇教授统计，住房和城乡建设部在全国开展建筑垃圾治理试点工作的35个城市（区），2018年建筑垃圾的产生量为13.15亿t、2019年产生量为13.69亿t，以此推算2020年全国建筑垃圾年产生量已超过35亿t。

据深圳市住房和建设局测算，2017~2020年深圳市建筑垃圾产生总量约3.97亿m3。年均产生量约9920万m3，其中政府投资项目工程渣土约6450万m3，社会投资项目工程渣土约2700万m3，拆除垃圾约770万m3。单是工程渣土一项，仅统计到的建设项目，深圳市每年产生量就达到了9150万m3，这一数量是很惊人的[1]。

城市的飞速发展带来巨量的工程渣土，目前处置方式主要是空地堆填。深圳市2015年12月20日发生的“光明滑坡事件”，充分暴露了这种处置方式不但占用宝贵的土地资源，还存在极大的安全隐患。按照无废城市建设理念，固体废弃物应实现无害化、资源化处置。工程渣土必须改变堆填处置现状，走向资源化利用的道路。

水亮亮等[2]针对南京南部新城市政基础设施建设过程中工程渣土产生量巨大、特性差异大、强度低及外运成本高等特点，结合新城内道路工程建设对筑路填料的巨大需求，提出了工程渣土厂拌固化改良后用于道路工程的成套技术方案。经前期调研、室内试验、试验段实施及检测，结果表明：利用工程渣土制备的固化渣土混合料是一种性能良好的筑路材料，所铺筑路基的水稳定性及整体性良好，固化渣土在道路工程中资源化利用技术方案可行。

周永祥等[3]研究了工程渣土中加入水泥或固化剂作为胶凝材料，按照混凝土的生产工艺加工成流态固化土，测试7、28、56 d无侧限抗压强度显示，有3种固化剂固化土强度明显高于掺水泥成型的固化土强度，性能指标满足工程施工要求。

本研究采用工程渣土、水泥和固化剂通过特定的设备拌和、压制、自然养护，加工成免烧标准实心砖，按相关标准测试其3、28 d抗压强度以及软化系数，探索适宜的胶凝材料种类及掺量。

1 原材料与试验方法

1.1 原材料

1.1.1 工程渣土

工程渣土成分各地区差异很大，本试验工程渣土为南方地区典型工程渣土，取自深圳建科院未来大厦项目基坑2 m深土层，主要成分为红色黏性土，含砂率（公称粒径0.63~5.00 mm的颗粒）49%，基本无人类活动杂质。

采用螺旋洗砂机将工程渣土进行泥砂分离，泥浆通过板框式压滤机滤水，得到的泥饼中含有少量0.6 mm以下细砂颗粒；再通过回添分离出来的水洗砂配成不同含砂率的工程渣土作为试验原料样品。

1.1.2 水泥

试验采用罗浮山P·O42.5、P·O52.5两个型号水泥进行试配，经检测安定性合格，技术性能见表1。

表1 水泥的主要技术性能

1.1.3 固化剂

现有的固化剂大体分为4大类：石灰水泥类固化剂、矿渣硅酸盐类固化剂、高聚物类固化剂、电离子溶液类固化剂。本试验选用2种固化剂作对比，分别是：泉州某公司高聚物型固化剂、深圳某高校研制的水泥基固化剂。

1.1.4 水

成型机对混合料干湿度要求较高，太湿会导致粘模、瘫软不易成型，太干时会散掉，且后期水泥难以充分水化反应。混合料须为干硬性。经试验，混合料维勃稠度为45~65 s时，效果较好。因此本实验只控制物料干湿度，不分析水灰比。试验用水为市政自来水。

1.2 试验设备及成型工艺

采用行星式碾轮搅拌机，该搅拌机可以将土颗粒碾碎；同时与搅拌叶片配合将注水后粘结成团的物料搅散拌匀。

采用泉州某公司静压式液压固化成型机，型号300T-1×6，实际作用力约为额定的80%。制备标准尺寸砖（240 mm×115 mm×53 mm）时1次成型6块，作用在横截面（横截面为条形面：240 mm×53 mm）的压强约180 MPa，成型后放置在实验室内，4、24 h后表面分别洒水养护1次。实验室温度为（25±3）℃、相对湿度为（50±15）%。

1.3 试验方法

抗压强度、软化系数及浸泡海水软化系数均参照GB/T 4111—2013《混凝土砌块和砖试验方法》进行。软化系数及浸泡海水软化系数除按标准规定测试浸泡4 d数据外；再分别测试浸泡28 d数据进行对比分析。海水取自深圳市红树林公园海岸，氯离子浓度为1.12%。

2 多因素影响试验与结果分析

2.1 初选试配

2.1.1 不同固化剂试配对比

固化剂按厂家建议的掺量进行试配，对比分析产品性能，从而确定较优固化剂。G1-泉州某公司高聚物型固化剂、G2-深圳某高校研制的水泥基固化剂。

人工筛分、配制成含砂率25%的工程渣土100 kg、罗浮山P·O42.5水泥15 kg，对2种固化剂进行工程渣土免烧砖试配对比，其中G1固化剂2.0 kg（按照推荐掺量为工程渣土的2%）、G2固化剂15 kg（推荐掺量与水泥掺量相等）。测试3 d（自然养护）抗压强度、对比试件（自然养护7 d）抗压强度、4 d浸泡试件（自然养护3 d后再于25℃水中浸泡4 d）抗压强度，试验结果见表2。

表2 不同固化剂试配对比试验结果

由表2可见，G2固化剂试件整体抗压强度较高，主要原因是该固化剂成分是水泥基，掺量较大，相当于大幅提高了水泥掺量。但其软化系数较低，因此选用G1固化剂作进一步试验研究。

2.1.2 不同水泥试配对比

采用人工筛分、配制成含砂率25%的工程渣土100 kg、G1固化剂2.0 kg，对罗浮山P·O42.5、P·O52.5两种水泥采用12%、15%、18%三种不同掺量进行试配，对比工程渣土免烧砖3 d抗压强度，试验结果见表3。

表3 不同水泥试配工程渣土免烧砖3 d抗压强度MPa

由表3可见，采用P·O52.5水泥的样品抗压强度略高，但相同配合比下两组样品整体相差并不明显。市场上P·O52.5水泥价格高于P·O42.5水泥，从节省成本考虑，建议采用P·O42.5水泥生产。

2.2 正交试验

2.2.1 正交试验设计及结果

试验采用罗浮山P·O42.5水泥，泉州某公司高聚物型固化剂，工程渣土采用人工筛选、配制成20%、25%、30%三种含砂率。本软化系数试验方法为：从成型28 d后样品中选3组试件，每组10个。第1组放入淡水中浸泡，第2组放入海水中浸泡，第3组为对比试件，放置于实验室自然环境中。4 d后每组测试5个试件的抗压强度，结果取算术平均值，计算4 d淡水环境软化系数、4 d海水环境软化系数；28 d后测试剩下5个试件的抗压强度，结果取算术平均值，计算28 d淡水环境软化系数、28 d海水环境软化系数。

正交试验因素水平设计见表4，正交试验结果见表5。

表4 正交试验因素水平

表5 正交试验结果

2.2.2 正交试验结果分析（见表6）

表6 正交试验极差分析

由表6可以看出，在试验掺量范围内，试件抗压强度随着含砂率（A）、水泥掺量（B）、固化剂掺量（C）的增加而提高，影响因素主次顺序为：水泥掺量（B）＞含砂率（A）＞固化剂掺量（C）。工程渣土免烧砖作为水泥制品，强度主要来自水泥水化反应形成的凝胶，将渣土中的砂颗粒与微小泥粉颗粒包裹起来，形成致密的固化结构，随着水泥掺量的增加，形成的固化结构增多，抗压强度提高。

影响4 d软化系数（淡水）的因素主次顺序为：固化剂掺量（C）＞含砂率（A）＞水泥掺量（B），影响28 d软化系数的因素主次顺序变为：固化剂掺量（C）＞水泥掺量（B）＞含砂率（A）。固化剂可以降低渣土颗粒间的排斥力，破坏颗粒吸附水膜，提高颗粒间的吸附力，减少渣土颗粒间隙含水量，有利于水泥水化后将渣土颗粒充分包裹形成致密结构。

2.3 长期浸泡抗压强度测试

正交试验2#的样品，成型28 d后另外选3组试件，第1组放入淡水中浸泡，第2组放入海水中浸泡，第3组为对比试件放置在实验室自然环境中。180、360 d后分别测试抗压强度，并计算对应的软化系数。

本次测试结果与前述正交实验中4、28 d软化系数试验数据一起列于表7。

表7 长期浸泡性能测试结果

由表7可知，3种环境下试件的抗压强度随着龄期延长均有所提高，浸泡在海水中的试件强度增长最多。因为海水中有较高浓度的氯化钠、氯化镁等氯化物，这是电离子溶液类土壤固化剂的重要组成成分。试件浸泡时，氯化物起到了固化剂作用，破坏了渣土颗粒附水膜，降低颗粒间隙水，起到了提高试件强度的作用。

3 结语

（1）水泥掺量对工程渣土免烧砖抗压强度的影响最大；固化剂掺量对软化系数影响较大；宜采用含砂率25%的工程渣土，掺入15%~18%P·O42.5水泥、2%高分子聚合物类固化剂生产工程渣土免烧砖。

（2）浸泡4 d后试件抗压强度下降幅度较大，软化系数小于0.80；持续浸泡到28 d，强度会有所回升，软化系数达到0.8以上；随着浸泡时间延长，抗压强度持续增长，尤其是在海水中强度增长更明显；工程渣土免烧砖适用于海边、低洼潮湿环境。

（3）本试验采用行星式碾轮搅拌机和静压式液压成型机专用设备，试件制备过程与实际生产一致，具有指导生产的实际意义。