利用建筑垃圾制备混凝土标准砖

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瓦世界砖科技纵横研究与探讨2010.7SCIENCE&TECHNOLOGY利用建筑垃圾制备混凝土标准砖1211曹素改，张志强，贾美霞，李配欣（1.河北科技大学，石家庄，050018；2.沧州金鑫钢结构工程有限公司，沧州，061100）摘要：建筑垃圾经分选、破碎、筛分处理作为再生骨料，与生态型水泥（主要由高钙粉煤灰、矿渣和脱硫石膏等固体废弃物制备）、防冻助剂、水按比例计量、搅拌，经振压成型工艺生产高性能标准砖。产品具有优异的抗冻融性，固体废弃物含量达96%，其他性能满足《混凝土实心砖》GB/T21144-2007标准要求，强度等级MU15。关键词：建筑垃圾；再生骨料；生态型水泥；防冻助剂；标准砖据统计，我国建筑垃圾的排放量占城市垃圾总用水量、凝结时间、安定性检验方法》GB/T1346—量的30%~40%，我国每年产生的建筑垃圾超过1亿2001。t，一部分用于回填，绝大部分直接运往城郊或乡村，建筑垃圾砖：生态型水泥、助剂（溶于水）、水采用露天堆放或填埋处理，这样不仅占用耕地、耗和建筑垃圾骨料按比例计量、混合均匀，实验室试用大量的垃圾清运及填埋等建设费用，还对大气和验在混凝土压力试验机上挤压成型（工业化试验[1]水域造成严重的污染，破坏自然生态环境。在年产5000万块标砖生产线上进行），自然养护至本研究的目的是将建筑垃圾经分选、破碎、筛28d龄期；性能测试执行《砌墙砖试验方法》GB/T分至合适粒径作为再生骨料用于生产高性能的标2542—2003。准砖，通过添加助剂，提高产品抗冻性能，以适应北2　试验部分方高寒地区和极端天气条件下使用。2.1　生态型水泥的研制1　原材料及试验方法本研究以固体废弃物矿渣、高钙粉煤灰、脱硫1.1　原材料石膏等为主要原材料，添加少量的硅酸盐水泥熟料2水泥由以高钙粉煤灰、矿渣和脱硫石膏等固体和复合助剂，共同粉磨至比表面积约450m/kg，制成[2]废弃物为主研制的生态型水泥代替；建筑垃圾取自生态型水泥。试验选择不同的矿渣和高钙粉煤灰石家庄美城环保建材有限公司建筑垃圾堆场；助剂掺量，研究物料的匹配性能，生态水泥的物料配比为市售化工原料配制；配料用水为自来水。主要原和强度测试结果见表2。材料化学成分组成见表1。试验数据表明：掺入高钙粉煤灰能显著提高生1.2　试验方法态水泥的抗折强度，但同时也降低了水泥的抗压强胶凝材料：将矿渣、高钙粉煤灰、水泥熟料、激度，掺量超过10%时，抗压强度明显下降；另外，经发剂等按一定配比，采用Φ500mm×500mm水泥球检测生态型水泥A3初凝80min，终凝325min，安定磨机粉磨制得。性能测试执行《水泥胶砂强度检验性合格，其他各项指标均满足《通用硅酸盐水泥》方法（ISO法）》GB/T17671-1999和《水泥标准稠度GB175—2007中42.5号普通硅酸盐水泥标准要求，表1　原材料化学成分/%品种LOICaOMgOSiO2Fe2O3Al2O3SO3f-CaO矿渣-0.3140.374.5837.485.7510.77——高钙粉煤灰13.3627.091.8430.113.5622.411.845.50脱硫石膏18.3735.661.15—0.380.9245.26—水泥熟料0.1763.894.5620.184.26.690.210.63建筑垃圾11.2813.413.5558.923.0110.84——30 瓦世界科技纵横砖研究与探讨SCIENCE&TECHNOLOGY2010.7201表2　生态水泥物料配比和强度测试结果助剂3d强度/MPa28d强度/MPa编号矿渣/%高钙粉煤灰/%熟料/%脱硫石膏/%/%抗折抗压抗折抗压A170024514.425.18.552.8A265524515.324.99.150.8A3601024515.623.59.848.1A4551524515.320.59.243.7A5502024515.117.38.840.5可以替代普通硅酸盐水泥用于建筑垃圾砖的生产。试验结果强度值最小为8.8MPa，最大为2.2　再生骨料的处理和级配优化20.7MPa，范围较宽，这说明骨料级配对建筑垃圾砖建筑垃圾主要由惰性物质（混凝土、砖、砂石等）的抗压强度影响显著，合适的骨料级配能使砖形成和非惰性物质（金属、木料、玻璃、塑料等）组成。新较致密的骨架结构，大大改善砖的力学性能。利用生建筑垃圾首先经磁选和人工分选，分离非惰性物DPS软件进行二次多项式统计分析，建立回归方程质，物尽其用。分选后的废砖和废混凝土等物质经为：颚式破碎机破碎、振动筛分，可以得到不同粒径的y=-108.2701688+825.3063643X4×X4+366.544[3]再生骨料。7283X1×X2+809.4625221X1×X3+359.4599673X2本研究利用有附加约束条件的混料均匀设计×X3+150.60296010X2×X4-554.8745824X3×X4，试验方法，先将建筑垃圾骨料破碎、筛分成四种连由回归方程求解出强度指标最高为30.0MPa，续级配，各级骨料代号对应的骨料粒径范围见表3。各因素取值为X1=0.454、X2=0.175、X3=0.263、依据实际生产经验确定各级骨料掺量的取值范围X4=0.108；按此配比进行试验，检测砖的28d抗压强为0.3≤X1≤0.5、0.1≤X2≤0.4、0.1≤X3≤0.3、度为22.5MPa，达到试验方案中的最高水平，可见利[4]0.1≤X4≤0.3，利用DPS数据处理软件生成12用回归方程求出的再生骨料的优化级配可信度较水平的试验方案，探索再生骨料的级配对砖强度的高。影响规律。物料配比为水泥24%、骨料76%，试验2.3　水泥掺量的影响方案和28d抗压强度测试结果见表4。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抗压表3　级配粒径范围/mm强度测试结果，试验中利用优化级配的再生骨料，骨料代号X1X2X3X4水固比为0.13。粒径范围5~10﹤0.60.6~2.362.36~5试验结果表明，随着水泥掺量的提高，砖的强表4　均匀设计试验方案和结果度趋于增大。调整水泥的掺量，可以生产不同标号序号X1/%X2/%X3/%X4/%强度/MPa的建筑垃圾砖。本研究制备MU15的标准砖，水泥B10.32500.36750.10670.20089.2用量宜选用16%。B20.30420.23150.26310.201215.7B30.35740.32500.14890.168713.720B40.30410.34120.23650.118119.3B50.45330.28880.12030.13768.815B60.30090.30750.16180.229818.1抗压强度/MPa10B70.49020.22280.17960.107419.4B80.30850.32570.21280.153014.65B90.41110.18410.13440.270420.7B100.45310.13180.23050.184617.40B110.30240.28670.18160.229317.01214161820B120.30180.26640.20200.229815.6水泥掺量/%图1　水泥掺量对砖抗压强度的影响31 瓦世界砖科技纵横研究与探讨2010.7SCIENCE&TECHNOLOGY20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15果，找到显著性影响因素和各因素的最佳掺量。试抗压强度/MPa验中各因素的加量为水泥质量的百分比，砖的其他10组份固定为胶凝材料∶优化级配骨料=16∶84，水固比50.12。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0差分析数据见表5，方差分析数据见表6，直观分析0.110.120.130.140.15效果见图3。水固比图2　水固比对砖抗压强度的影响表5　正交试验方案、试验结果和极差分析2.4　水固比的影响因氯化钙YQ-1试验结果萘系减水剂/%素/%/%/MPa建筑垃圾砖成型时水和物料的比率简称水固实验11.00.50.00514.2比。合适的水固比能促进胶凝材料的水化、提高砖实验21.01.00.01016.5的密实度并降低砖的孔隙率。图2给出了水固比实验31.01.50.01515.8对砖强度的影响趋势，试验固定水泥与优化级配骨实验41.50.50.01018.1料的质量比为18∶82。实验51.51.00.01516.9实验61.51.50.00517.6由图2可见，随着水固比的增加，砖的抗压强实验72.00.50.01517.4度值先升后降，水固比为0.13时强度值最高。水固实验82.01.00.00518.1比小于0.13时，体系的水量不足，一方面影响了胶实验92.01.50.01019.2凝材料的水化，另一方面降低了胶凝材料水化产物均值115.50016.56716.633和骨料与骨料和骨料之间的结合程度，最终影响了均值217.53317.16717.933砖的强度发展。水固比大于0.13时，物料过湿，砖均值318.23317.53316.700成型后，随着水分的蒸发，砖内的孔隙率增大，密实极差2.7330.9661.300度随之下降，抗压强度降低。实际生产中应根据物表6　正交试验方差分析料的含水率和成型工艺，选择合适的水固比。因素偏差平方和自由度F比F临界值显著性2.5　专用防冻助剂的开发氯化钙12.096223.76419.000*我国北方地区通常对砖的抗冻性能要求较高，萘系减水剂1.42922.80719.000而再生骨料具有吸水率高的特点，冻融作用无疑是YQ-13.21626.31819.000导致砖体结构性能损伤的主要原因。因此，开发建误差0.512筑垃圾砖的专用防冻助剂意义重大。19抗压强度/MPa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18献资料，通过大量的试验，最终筛选出能显著提高17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16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151.01.52.00.51.01.50.0050.0100.015少建筑垃圾砖成型时的需水量，从而提高体系中盐氯化钙/%萘系减水剂/%YQ-1/%的浓度，进一步降低体系的液相冰点及水结冰对砖图3　正交试验直观分析形成的冻胀力；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，减缓冰正交试验结果的极差分析和方差分析数据说[5]明：相比较而言，试验中三因素的影响效果中氯化钙冻胀力，改善砖的抗冻能力。32 瓦世界科技纵横砖研究与探讨SCIENCE&TECHNOLOGY2010.7201居首，其次是引气剂YQ-1和萘系减水剂，氯化钙是表8　MU15、密度等级C级混凝土实心砖的标准要求和建筑垃圾砖性能检测结果显著性影响因素；正交试验结果的直观分析图可知：35次冻融循建筑垃圾砖经35次冻融循环后的抗压强度值随着抗压强度/MPa最大干燥收环损失/%密度项目3吸水缩氯化钙和萘系减水剂加量的增加而升高，且后期增/（kg/m）单块最率/%率/%平均值质量强度小值长率均变缓；随着引气剂YQ-1加量的增加砖的抗标准压强度值先升后降；氯化钙对砖冻融后的强度影响要求≤16801512≤17≤0.05≤5≤25最显著。综合考虑各因素的市场价格，最终确定专检测162017.514.29.80.0381.16.3结果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%。3　结论2.6　工业化试验本文以固体废弃物矿渣和高钙粉煤灰为主要在实验室研究的基础上，选择石家庄美城环保原材料研制生态型水泥，基于混料设计原理找到建建材有限公司标砖生产线进行工业化试验，砖机采筑垃圾再生骨料的优化级配，开发建筑垃圾砖抗用振压成型工艺，共计利用建筑垃圾再生骨料生产冻助剂，成功地制备了抗冻型建筑垃圾标准砖；工抗冻型标准砖500万块，试验中各物料组成比例见业化产品的各项性能满足《混凝土实心砖》GB/T表7。21144—2007标准要求，抗压强度等级为MU15；产表7　工业化试验物料组成配料表品使用生态型水泥间接地减少了二氧化碳的排放，名称组份质量比利用再生骨料节省了建筑垃圾的堆存占地，产品中生态水泥矿渣∶高钙粉煤灰∶水泥熟料∶脱硫石膏∶CF-Ⅲ激发剂固体废弃物约占总物料的96%，实现了固体废弃物=55∶15∶24∶5∶1的资源化利用，保护了自然生态环境。优化级配5~10mm∶2.36~5mm∶0.6~2.36mm∶﹤0.6mm骨料=45.4∶10.8∶26.3∶17.5氯化钙∶萘系减水剂∶YQ-1引气剂=74.5∶25∶0.5参考文献防冻助剂生态水泥∶再生骨料=16∶84（外掺防冻助剂占水泥质标准砖量的2%）[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-矿渣制备低碱度试验中物料按设计配合比分别计量后，送入双生态型水泥[J].粉煤灰综合利用，2006（3）：37~38螺旋强制搅拌机混合均匀，由皮带输送机输送到砖[3]王键,李懿.建筑垃圾的处理及再生利用研究[J].环境工程，机模具，振压成型，自然养护至28d龄期，性能检验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，结果和标准要求见表8，经对比可知：工业化产品建278~289筑垃圾标准砖抗冻性能优异，其他各项性能满足抗[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压强度等级MU15、密度等级C级混凝土实心砖的（3）：64~65标准要求。江西省“禁实”工作成效显著从江西省墙体材料革新办公室传出消息，为保推广目录。近3年，江西第三批“禁实”城市的新型护耕地、节约资源，江西已依法关闭780家实心黏土墙材项目共获650万元专项基金补助。有力促进了砖生产企业，全省11个设区市的城市规划区已全部新型墙体材料项目的实施。今年，全省新型墙材产完成“禁实”工作目标，列入国家第三批限时“禁实”量将达165亿块，新型墙材应用比例达75％以上。城市的10个县级市今年年底可全部完成“禁实”工据江西省墙体材料革新办公室负责人介绍，为作目标，全省“禁实”工作成效明显。确保完成“十一五”节能减排目标，江西省还要求，近年来，江西省实心黏土砖生产和使用大幅下未列入第三批“禁实”城市的县(市)也要在今年年降，新型墙体材料行业得到快速发展，全省已有522底前完成“禁实”工作目标。家新型墙材生产企业和18种新型墙材产品被列入33