利用建筑垃圾制备混凝土标准砖

据统计，我国建筑垃圾的排放量占城市垃圾总量的30%~40%，我国每年产生的建筑垃圾超过1亿t，一部分用于回填，绝大部分直接运往城郊或乡村，采用露天堆放或填埋处理，这样不仅占用耕地、耗用大量的垃圾清运及填埋等建设费用，还对大气和水域造成严重的污染，破坏自然生态环境[1]。
本研究的目的是将建筑垃圾经分选、破碎、筛分至合适粒径作为再生骨料用于生产高性能的标准砖，通过添加助剂，提高产品抗冻性能，以适应北方高寒地区和极端天气条件下使用。
1原材料及试验方法
1.1原材料
水泥由以高钙粉煤灰、矿渣和脱硫石膏等固体废弃物为主研制的生态型水泥代替；建筑垃圾取自石家庄美城环保建材有限公司建筑垃圾堆场；助剂为市售化工原料配制；配料用水为自来水。主要原材料化学成分组成见表1。
1.2试验方法
胶凝材料：将矿渣、高钙粉煤灰、水泥熟料、激发剂等按一定配比，采用Φ500mm×500mm水泥球磨机粉磨制得。性能测试执行《水泥胶砂强度检验方法（ISO法）》GB/T17671-1999和《水泥标准稠度用水量、凝结时间、安定性检验方法》GB/T1346—2001。
建筑垃圾砖：生态型水泥、助剂（溶于水）、水和建筑垃圾骨料按比例计量、混合均匀，实验室试验在混凝土压力试验机上挤压成型（工业化试验在年产5000万块标砖生产线上进行），自然养护至28d龄期；性能测试执行《砌墙砖试验方法》GB/T2542—2003。
2试验部分
2.1生态型水泥的研制
本研究以固体废弃物矿渣、高钙粉煤灰、脱硫石膏等为主要原材料，添加少量的硅酸盐水泥熟料和复合助剂，共同粉磨至比表面积约450m2/kg，制成生态型水泥[2]。试验选择不同的矿渣和高钙粉煤灰掺量，研究物料的匹配性能，生态水泥的物料配比和强度测试结果见表2。
试验数据表明：掺入高钙粉煤灰能显著提高生态水泥的抗折强度，但同时也降低了水泥的抗压强度，掺量超过10%时，抗压强度明显下降；另外，经检测生态型水泥A3初凝80min，终凝325min，安定性合格，其他各项指标均满足《通用硅酸盐水泥》GB175—2007中42.5号普通硅酸盐水泥标准要求，可以替代普通硅酸盐水泥用于建筑垃圾砖的生产。

2.2再生骨料的处理和级配优化
建筑垃圾主要由惰性物质（混凝土、砖、砂石等）和非惰性物质（金属、木料、玻璃、塑料等）组成。新生建筑垃圾首先经磁选和人工分选，分离非惰性物质，物尽其用。分选后的废砖和废混凝土等物质经颚式破碎机破碎、振动筛分，可以得到不同粒径的再生骨料[3]。
本研究利用有附加约束条件的混料均匀设计试验方法，先将建筑垃圾骨料破碎、筛分成四种连续级配，各级骨料代号对应的骨料粒径范围见表3。依据实际生产经验确定各级骨料掺量的取值范围为0.3≤X1≤0.5、0.1≤X2≤0.4、0.1≤X3≤0.3、0.1≤X4≤0.3，利用DPS数据处理软件[4]生成12水平的试验方案，探索再生骨料的级配对砖强度的影响规律。物料配比为水泥24%、骨料76%，试验方案和28d抗压强度测试结果见表4。

试验结果强度值最小为8.8MPa，最大为20.7MPa，范围较宽，这说明骨料级配对建筑垃圾砖的抗压强度影响显著，合适的骨料级配能使砖形成较致密的骨架结构，大大改善砖的力学性能。利用DPS软件进行二次多项式统计分析，建立回归方程为：y=-108.2701688+825.3063643X4×X4+366.5447283X1×X2+809.4625221X1×X3+359.4599673X2×X3+150.60296010X2×X4-554.8745824X3×X4，由回归方程求解出强度指标最高为30.0MPa，各因素取值为X1=0.454、X2=0.175、X3=0.263、X4=0.108；按此配比进行试验，检测砖的28d抗压强度为22.5MPa，达到试验方案中的最高水平，可见利用回归方程求出的再生骨料的优化级配可信度较高。
2.3水泥掺量的影响
胶凝材料是形成建筑垃圾砖强度的关键组份，图1是建筑垃圾砖在不同水泥掺量时砖的28d抗压强度测试结果，试验中利用优化级配的再生骨料，水固比为0.13。 
试验结果表明，随着水泥掺量的提高，砖的强度趋于增大。调整水泥的掺量，可以生产不同标号的建筑垃圾砖。本研究制备MU15的标准砖，水泥用量宜选用16%。

2.4水固比的影响
建筑垃圾砖成型时水和物料的比率简称水固比。合适的水固比能促进胶凝材料的水化、提高砖的密实度并降低砖的孔隙率。图2给出了水固比对砖强度的影响趋势，试验固定水泥与优化级配骨料的质量比为18∶82。
由图2可见，随着水固比的增加，砖的抗压强度值先升后降，水固比为0.13时强度值最高。水固比小于0.13时，体系的水量不足，一方面影响了胶凝材料的水化，另一方面降低了胶凝材料水化产物和骨料与骨料和骨料之间的结合程度，最终影响了砖的强度发展。水固比大于0.13时，物料过湿，砖成型后，随着水分的蒸发，砖内的孔隙率增大，密实度随之下降，抗压强度降低。实际生产中应根据物料的含水率和成型工艺，选择合适的水固比。
2.5专用防冻助剂的开发
我国北方地区通常对砖的抗冻性能要求较高，而再生骨料具有吸水率高的特点，冻融作用无疑是导致砖体结构性能损伤的主要原因。因此，开发建筑垃圾砖的专用防冻助剂意义重大。
防冻助剂一般由防冻、早强、减水和引气四组份构成，各组分可用的物料都很多，本研究参考文献资料，通过大量的试验，最终筛选出能显著提高建筑垃圾砖体系抗冻性能的助剂：氯化钙、萘系减水剂和引气剂YQ-1。其中，氯化钙不仅与水溶液有很低的共溶温度，还能直接与水泥发生水化反应，加速材料的凝结硬化和强度发展；萘系减水剂能减少建筑垃圾砖成型时的需水量，从而提高体系中盐的浓度，进一步降低体系的液相冰点及水结冰对砖形成的冻胀力；引气剂YQ-1在原料拌合过程中形成微小密封气泡，调整制品内部的孔结构，减缓冰冻胀力，改善砖的抗冻能力[5]。

本文利用正交试验方法，研究氯化钙、萘系减水剂和引气剂YQ-1对体系抗冻性能的综合作用效果，找到显著性影响因素和各因素的最佳掺量。试验中各因素的加量为水泥质量的百分比，砖的其他组份固定为胶凝材料∶优化级配骨料=16∶84，水固比0.12。试验结果以建筑垃圾砖35次冻融循环后的抗压强度指标评定，正交试验方案、试验结果和极差分析数据见表5，方差分析数据见表6，直观分析效果见图3。

正交试验结果的极差分析和方差分析数据说明：相比较而言，试验中三因素的影响效果中氯化钙居首，其次是引气剂YQ-1和萘系减水剂，氯化钙是显著性影响因素；正交试验结果的直观分析图可知：建筑垃圾砖经35次冻融循环后的抗压强度值随着氯化钙和萘系减水剂加量的增加而升高，且后期增长率均变缓；随着引气剂YQ-1加量的增加砖的抗压强度值先升后降；氯化钙对砖冻融后的强度影响最显著。综合考虑各因素的市场价格，最终确定专用防冻助剂的组分比例为氯化钙74.5%、萘系减水剂25%、YQ-1引气剂0.5%。
2.6工业化试验
在实验室研究的基础上，选择石家庄美城环保建材有限公司标砖生产线进行工业化试验，砖机采用振压成型工艺，共计利用建筑垃圾再生骨料生产抗冻型标准砖500万块，试验中各物料组成比例见表7。

试验中物料按设计配合比分别计量后，送入双螺旋强制搅拌机混合均匀，由皮带输送机输送到砖机模具，振压成型，自然养护至28d龄期，性能检验结果和标准要求见表8，经对比可知：工业化产品建筑垃圾标准砖抗冻性能优异，其他各项性能满足抗压强度等级MU15、密度等级C级混凝土实心砖的标准要求。
3结论
本文以固体废弃物矿渣和高钙粉煤灰为主要原材料研制生态型水泥，基于混料设计原理找到建筑垃圾再生骨料的优化级配，开发建筑垃圾砖抗冻助剂，成功地制备了抗冻型建筑垃圾标准砖；工业化产品的各项性能满足《混凝土实心砖》GB/T21144—2007标准要求，抗压强度等级为MU15；产品使用生态型水泥间接地减少了二氧化碳的排放，利用再生骨料节省了建筑垃圾的堆存占地，产品中固体废弃物约占总物料的96%，实现了固体废弃物的资源化利用，保护了自然生态环境。
参考文献
[1]王纲,程堰陵,陈吉春.建筑垃圾的资源化处理.环境卫生工程，2003年9月第11卷第3期152~155
[2]曹素改,张志国,陈建波等.利用高钙粉煤灰-矿渣制备低碱度生态型水泥[J].粉煤灰综合利用，2006（3）：37~38
[3]王键,李懿.建筑垃圾的处理及再生利用研究[J].环境工程，2003（12）：6~9
[4]唐启义,冯明光.DPS数据处理系统[M].北京：科学出版社，278~289
[5]曹祝林.防冻剂的作用和混凝土的质量控制[J].河南建材，2008（3）：64~65