建筑垃圾制备轻质墙体材料的研究

刘乐 刘晓娟 陈建印 赵昕 秦兴磊

（枣庄中联水泥有限公司）

0 引言

自十九世纪四十年代以来，欧洲、美国、日本等发达国家就已经相继开展了新型轻质墙体材料的研究，我国对轻质墙材材料的研究起步较晚，其研究方向大多为水泥发泡、纤维增强、轻骨料混凝土等，其产品性能较好，但对原材料的要求较高，产品价格偏高[1-3]。我国正处在基础建设高速发展的时期，建筑原材料价格不断上涨，环境保护的要求不断提高，迫切需要一种价格低廉、更加环保的轻质墙材产品[3-6]。有关研究表明，建筑垃圾可以用于制备轻质墙体材料，因此本实验拟利用废弃混凝土、废砖、渣土等建筑垃圾对制备轻质墙体材料进行研究。

1 试验原料及方法

1.1 水泥和聚苯颗粒

本试验所用水泥为P.O 42.5 普通硅酸盐水泥，其基本物理性能如表1 所示。

表1 水泥的基本物理性能

聚苯颗粒为粒径在1～2mm，堆积密度在17㎏/m3左右的市售聚苯颗粒。

1.2 建筑垃圾

试验所用建筑垃中的废弃混凝土、废砖、渣土均取自建筑工地，经过挑选、均化、破碎、过筛等处理后使用，各原材料的化学成分及XRD 衍射分析见表2 和图1。

从表2 和图1 中可以看出，渣土和废砖粉中的主要化学成分是SiO2和Al2O3，其主要矿物为石英和长石，废混凝土粉的主要化学成分为CaO 和SiO2，主要矿物为石英和方解石。

表2 渣土、废混凝土粉、废砖粉的化学成分

1.3 活性指数

对废混凝土粉和废砖粉进行了活性指数的测定，试验中水灰比固定为0.5，废混凝土粉和废砖粉均以30%的比例替代水泥，试验结果见表3。

从表3 中可以看出，废混凝土粉的活性指数在60%左右，废砖粉的活性指数在58%左右，两种原材料的活性均不高且相差不大。

表3 废混凝土粉和废砖粉强度活性指数

1.4 试验方法

按一定配比准确称量各种原材料的用量，把称量好的物料倒入搅拌锅中，搅拌均匀后加入一定量的水和一定体积的聚苯颗粒，待聚苯颗粒和物料均匀地胶结在一起，关闭搅拌机，装入70.7mm×70.7mm×70.7mm 的试模，插捣密实后，表面覆盖塑料薄膜，放置水泥标准养护箱内养护1d 后脱模得到试块，试块覆膜包裹继续养护至规定龄期28d 后，将试块置于烘箱中烘干至衡重，测试其干密度和抗压强度。

2 试验结果及分析

2.1 废混凝土粉、废砖粉对试块的影响

采用双因素试验，探究废混凝土粉和砖粉用量对轻质墙材性能的影响，试验配比及结果见表4，其中成型一组试块，原材料总料量为850g，聚苯颗粒用量均为1L，水料比为0.27。

从表4 中可以看出，随着废混凝土粉掺量的增加、废砖粉掺量的减少，抗压强度先增长后降低，当废混凝土掺量在40wt%、废砖粉掺量在25wt%时，抗压强度最高为3.84MPa；随着废混凝土粉掺量的增加、废砖粉掺量的减少，试块的干密度呈不断下降的趋势，即增加废混凝土粉的用量有利于试块干密度的降低。

表4 试验配比及结果

2.2 聚苯颗粒对试块的影响

选取上组抗压强度最高的配比A6 为基准配比，研究聚苯颗粒的用量对试块性能的影响，试验中聚苯颗粒用量及试验结果见表5，其中成型一组试块，原材料总料量为850g，水料比为0.27。

表5 试验配比及结果

从表5 中可以看出，随着聚苯颗粒掺量的增加，试块的抗压强度和干密度均呈不断下降的趋势，其中当聚苯颗粒掺量大于1.15L 时，试块的抗压强度下降比较明显，干密度下降也比较明显，即聚苯颗粒的掺量不宜超过1.15L。

2.3 固化剂对试块的影响

为进一步提高试块的性能，在上述B6 配比下，外掺适量固化剂，固化剂的主要成分包括氨基磺酸盐、硫酸钠、氯化铵、氯化镁、硅烷偶联剂等，其固含量为20%，试验配比及试验结果见表6。

从表6 中可以看出，加入固化剂可以提高试块的抗压强度，当固化剂掺量在3.0wt%时，抗压强度最高为3.95MPa，与空白组C0 相比，抗压强度提高了9.4%，随着固化剂掺量（0～2.0wt%）的增加，试块的抗压强度有不断升高的趋势，当固化剂掺量超过2.0wt%时，其抗压强度变化不大；随着固化剂掺量的增加，试块的干密度变化不大，所以固化剂的掺量为2.0wt%较为适宜。

表6 试验配比及结果

2.4 正交试验优化

为进一步优化试验配比，确定各原材料、固化剂的最优掺量，进行了正交试验。试验以水泥、固化剂、废混凝土粉、砖粉为试验因素，其中水泥（因素A）取15wt%、20wt%、25wt%三个水平，废混凝土粉（因素B）取20wt%、30wt%、40wt%三个水平，废砖粉（因素C）取15wt%、20wt%、25wt%三个水平，固化剂（因素D）掺量取1.5wt%、2.0wt%、2.5wt%三个水平，渣土为余料掺量，其中成型一组试块，原材料总料量为850g，聚苯颗粒用量均为1L，水料比为0.27。正交试验配比及试验结果见表7。

表7 正交试验配比

从表7 中可以看出，D8 组试块的抗压强度最高为4.21MPa，干密度为866㎏/m3，D3 组试块干密度最低为840㎏/m3，抗压强度为3.25MPa。为检验各因素水平对试块抗压强度和干密度影响大小，进行了正交试验极差分析，分析结果见表8。

从表8 极差分析中可以看出，对抗压强度的影响，水泥的影响最大，其次是废混凝土粉，废砖粉和固化剂的影响差不多，均较小，以抗压强度为分析指标，得到的较优组合为A3B3C1D3，即原材料配比为水泥25wt%、废混凝土粉40wt%、废砖粉15wt%、渣土20wt%、固化剂2.5wt%；对干密度的影响，水泥的影响也是最大，其次是废混凝土粉，废砖粉和固化剂影响不大，以干密度为分析指标，得到的较优组合为A1B3C2D1，即原材料配比为水泥15wt%、废混凝土粉40wt%、废砖粉20wt%、渣土25wt%、固化剂1.5wt%。为得到抗压强度和干密度均较好的配比，进行了两组配比的验证试验，试验配比及结果见表9。

表8 正交试验极差分析结果

表9 验证试验配比及结果

从表9 中可以看出D10 组试块抗压强度可达4.31MPa，干密度为855㎏/m3，D11 组试块抗压强度为3.33MPa，干密度为841㎏/m3，两组试块干密度仅相差14㎏/m3，强度却相差0.98MPa，因此较优配比应为D10组配比，即原材料较优配比为水泥25wt%、废混凝土粉40wt%、废砖粉15wt%、渣土20wt%、固化剂2.5wt%。

3 结论

建筑垃圾是放错了地方的资源，通过利用建筑垃圾中废弃混凝土、废砖、渣土等制备轻质墙体材料的研究，可以得出的结论有：

⑴废混凝土、废砖、渣土中的主要化学成分有SiO2、Al2O3、CaO 等，主要以石英、长石、方解石等矿物的形式存在。

⑵废混凝土、废砖磨成细粉后，具有一定的活性，其活性指数均在60%左右，废混凝土活性稍高。

⑶通过双因素试验的研究，得到废混凝土粉和废砖粉掺量分别在40wt%、25wt%时，试块的抗压强度最高为3.84MPa。

⑷聚苯颗粒作为轻质骨料，其掺量不宜超过1.35L/㎏。

⑸加入固化剂可以提高试块的抗压强度，固化剂的适宜掺量为2.0wt%，试块的抗压强度可提高9%左右。

⑹通过正交试验优化得到的较优配比为水泥25wt%、废混凝土粉40wt%、废砖粉15wt%、渣土20wt%、固化剂2.5wt%，抗压强度可达4.31MPa，干密度为855㎏/m3。