建筑废弃黏土砖资源化综合利用综述

刘荣涛，朱建辉,2，朱玮杰，张 伟，吴文瀚

(1.西安建筑科技大学材料科学与工程学院，西安 710055；2.陕西循环经济工程技术院，西安 710055)



建筑废弃黏土砖资源化综合利用综述

刘荣涛1，朱建辉1,2，朱玮杰1，张 伟1，吴文瀚1

(1.西安建筑科技大学材料科学与工程学院，西安 710055；2.陕西循环经济工程技术院，西安 710055)

我国建筑垃圾年产量巨大，其中废弃黏土砖占建筑垃圾总量的大部分，但有效利用率却很低。从废弃黏土砖自身属性出发，综述了废弃黏土砖用作粗细骨料和活性材料资源化利用的研究现状。废弃黏土砖通过合理途径改善满足使用要求，提高了废弃粘土砖的综合利用率，对解决目前建筑垃圾围城的窘境具有非常重要意义。

建筑垃圾； 废弃黏土砖； 资源化利用

1 引 言

近些年来，随着国民经济稳步发展以及城镇化进程加快，各项基础设施建设和旧房改造工程随处可见，带来建筑行业高速发展。目前建筑垃圾来源于三个方面：旧城改造、建筑施工以及地质灾害。据国家发改委发布的《中国资源综合利用年度报告》指出：目前我国每年产生的建筑垃圾约10亿吨，而其利用率却不足5%[1]。在这些建筑垃圾中，废弃黏土砖、混凝土和砂的总量占到98%，这三种组分皆具有再生资源化利用的属性，可再生利用。其中，废弃黏土砖产生量占到建筑垃圾总量的50%以上[2,3]。因此，进行建筑垃圾中废弃黏土的资源化利用研究具有非常重要的现实意义和长远的社会意义。由于黏土砖自身的物理和化学属性，决定了其具有吸水率大、压碎指标大[4]，具有潜在活性[5]等特点。因此，目前国内外主要研究方向集中于两方面：一方面是将黏土砖破碎筛分作为混凝土粗细骨料，另一方面是通过激发提高黏土砖粉活性，将其作为活性材料使用。

2 废弃黏土砖作为混凝土粗骨料

骨料强化方面。刘军等[6]分别利用水泥净浆和水泥砂浆对砖骨料进行表面预处理，认为用涂浆预处理法来改善砖粗骨料的性能是可行的，处理后再生砖骨料的吸水率和压碎指标均有所降低，通过对比认为水泥砂浆预处理方法优于水泥净浆预处理方法。此外，马欣等[7]通过有机浆液浸渍改性砖骨料的研究表明砖骨料经有机浆液浸渍处理后所配制的混凝土抗压强度并无明显提高，但骨料吸水率明显降低，进而改善再生混凝土的收缩性。

力学性能方面。大量研究表明，通过优化配合比设计以及骨料预湿或附加用水量等手段，利用废弃黏土砖全部或部分替代天然粗骨料制备混凝土是可行的，其力学性能可以满足设计要求[8]。研究认为影响废弃黏土砖再生混凝土力学性能的主要因素是再生粗骨料的级配、取代率、水灰比、砂率、附加用水量等，多数学者一致认为[9,10]影响废弃黏土砖骨料再生混凝土抗压强度的首要因素是再生骨料取代率，随着取代率的增大，废弃黏土砖再生骨料混凝土抗压强度逐渐降低，这一点与天然骨料混凝土水胶比是主要因素不同。废弃砖骨料配制的高强度等级混凝土不能完全达到强度要求[11]，主要是因为废弃黏土砖骨料强度低、弹性模量小所致，废弃黏土砖再生粗骨料混凝土破坏过程中，水泥石往往是从骨料劈裂开始，而与天然骨料混凝土从界面开始破坏不同。因此多数学者认为废弃黏土砖骨料适宜配制低强度等级(C40以下)的再生混凝土。

此外，由于黏土砖吸水率大且表面粗糙等原因导致配制的再生骨料混凝土和易性欠佳，还有很多研究集中在通过附加用水量、掺加粉煤灰或硅灰等骨料表面改性改善其工作性能。研究发现掺入部分粉煤灰对改善再生骨料混凝土的流动性是有帮助的。通过附加用水量的办法在一定程度上改善混凝土和易性，但总体来说效果不甚理想，这主要是因为黏土砖骨料拌合时的吸水率小于自身吸水率导致混凝土流动性不好，增大附加用水量又会导致混凝土离析泌水等现象的发生。

与普通混凝土相比，废弃黏土砖骨料再生混凝土对抗冻性能没有较大影响。混凝土的冻害是以水泥浆体的剥落为主，而不是砖骨料的破坏[12]，这是因为废弃砖骨料混凝土遭遇冻害时砖骨料表面的空隙可以缓解因水结冰产生的体积膨胀压力。当冻融循环次数达到一定限值后，混凝土表面水泥浆体脱落，黏土砖骨料开始裸露[13]。

黏土砖骨料表面的缺陷为离子的扩散提供了通道，这使得再生砖骨料混凝土抗氯离子渗透性能下降，因此可以通过降低骨料孔隙并减少裂纹，以提高抗氯离子渗透性能。赵书峰[14]采用砂浆裹覆再生砖骨料处理后骨料的孔隙率明显降低，骨料与水泥浆体之间界面过渡区黏结性能增强，提高了骨料与浆体之间的密实性，减少了氯离子进入的通道，增强了废弃砖骨料混凝土抗氯离子渗透性能。水泥中活性混合材的掺入能够填充砖骨料的空隙，活性混合材中含有的活性氧化硅(SiO2)和氧化铝(Al2O3)能与水泥熟料水化反应生成的氢氧化钙(CH)二次水化反应生成水化硅酸钙(C-S-H)凝胶,使得天然粗骨料与再生骨料之间黏结紧密，改善了砖骨料表面的空隙和裂纹结构，同样使得再生砖骨料混凝土抗氯离子渗透的性能得到提高。粉煤灰和硅灰单掺时，硅灰效果优于粉煤灰，而两者的复掺可以发挥“叠加效应”对界面过渡区的强化和致密效果更佳。

目前尚无专门针对废砖骨料混凝土抗渗性的相关报道，Levy S M[15]的研究表明，再生砖骨料混凝土的渗透性高于普通混凝土，这可能与砖骨料表面的缺陷有关。Dhir R K[16]认为，粗集料取代率小于30%时，再生混凝土抗渗性能降低不大。

Levy S M[15]等观察到破碎砖取代相同体积的天然粗骨料时，可以发挥自养护作用：在拌合初期，砖骨料可以将拌合的水保留在自身的孔结构中，随着养护时间的延长，逐渐释放出其中的水分。由于这种内部水分的存在，在水泥水化的过程中，会延缓干缩现象的出现。

综上所述，笔者认为，虽然废弃黏土砖骨料在强度、工作性能和耐久性等方面均存在一些不足，但通过合理的配合比设计以及掺入矿物掺合料、引入外加剂、改变混凝土搅拌工艺等手段，可以配制低强度等级混凝土。

3 废弃黏土砖作为混凝土及砂浆用再生细骨料

目前对废弃黏土砖再生细骨料的研究多集中于力学性能方面。国内外学者研究表明[17-20]，在一定范围内掺入废弃黏土砖再生细骨料对砂浆或低强度等级混凝土强度的影响不大，可以满足力学性能要求。甚至还有学者在利用废弃黏土砖再生细骨料取代部分天然细骨料研制低强度等级混凝土、砂浆以及轻质墙体材料后发现了力学性能有所提高的现象[21-23]。这主要是因为，一方面，废弃黏土砖细骨料具有不规则的多棱角形貌，相对于天然细骨料更容易搭接交联形成稳固的空间网络结构，同时天然砂可以很好地进入废砖颗粒间的孔隙中，提高了体系的致密度。另一方面，在水泥浆体水化初期，废弃黏土砖再生细骨料的掺入，能够较多地吸收体系中的水分，产生的真空吸压效应有效减小了水泥浆体与集料之间的距离，提高了水泥浆体与集料之间的黏结强度，在水泥水化过程中废弃黏土砖细骨料又将水分缓慢释放，起到自养护作用有利于水泥水化，同时废弃黏土砖细骨料具有火山灰活性，水泥水化产物中的Ca(OH)2可作为激发剂与砖中的SiO2、Al2O3发生二次水化反应，生成新的水硬性产物，进一步提高了废弃黏土砖细骨料与水泥浆体之间的界面强度。

在砂浆和易性方面，废弃黏土砖再生细骨料的掺入导致砂浆流动性下降，这是由于砖粉与天然砂相比孔隙率高，吸水性强所致；另一方面废弃黏土砖再生细骨料比表面积较大，需水量增大，减少了砂浆中的有效水，使得再生砂浆的流动性下降，但取代率在30%以下时，砂浆仍具有一定的工作性。研究还发现，废弃黏土砖再生细骨料的掺入有利于提高砂浆保水性，但须控制取代率以免发生干缩开裂[24,25]。

由于黏土砖轻质、多孔等特点将其应用于墙体材料也成为研究热点。程海丽等[26,27]对废弃黏土砖细骨料制备墙体材料进行了大量研究，认为废弃黏土砖再生细骨料可替代天然砂应用于墙体材料中，所研制的墙体材料强度、密度、抗冻性及导热系数均满足国家相关标准要求，同时废弃黏土砖细骨料的掺入有利于改善墙体材料耐久性。此外，Alibdo A A等[28]研究还发现随着废弃黏土砖再生细骨料掺量的增加，混凝土孔隙率增大，声音传播速度减小。

综上所述，笔者认为废弃黏土砖作为再生细骨料虽然对砂浆流动性有所影响，但在一定掺量范围内其工作性能和力学性能仍然满足要求，也可以掺入合适外加剂改变砂浆工作性能。将黏土砖应用于墙体材料时，其各项性能指标也符合国家标准要求。

4 废弃黏土砖粉作为活性材料

废弃黏土砖粉具有潜在活性，可以通过物理和化学途径激发。废弃黏土砖经过机械粉磨这种最常用的物理激发方式，使砖粉中的存在活性氧化硅(SiO2)和氧化铝(Al2O3)，同时提高了砖粉的填充效应和堆积效应，从宏观上提高了砖粉活性[29]。韩涛等[30]的研究也证明了上述观点，但同时指出废弃黏土砖粉的活性并不是很高，认为是由于废弃黏土砖的烧结温度与烧黏土接近，其矿物组成主要为无定形SiO2、Al2O3和铝硅酸盐玻璃体，其中的活性SiO2含量不高所致。此外，不少学者通过化学激发途径提高砖粉活性，芦静等[31]的研究表明利用Ca(OH)2对砖粉改性可以弥补砖粉少钙的缺陷，还可以增加体系的碱度，促进水泥浆的强度发展。刘香等[32]的研究则说明石膏可以激发砖粉的活性，同时适量石膏可使钙矾石的生成量增大，有利于提高混凝土强度。曹素改等[33]认为砖粉中掺入矿粉可以增强复合粉中的钙含量，改善缺陷，矿粉自身的高活性和颗粒填充效应，使得激发后的砖粉活性更高。

Naceri A等[34]认为砖粉的加入降低了早期强度，但引入的Al2O3和SiO2，改变了CaO/SiO2的比值，可以在养护后期与水泥水化产生的Ca(OH)2继续水化，由此改善了胶砂的后期强度。韩涛等[30]的研究发现，砖粉作为混合材掺入对水泥的浆体的标准稠度需水量和凝结时间产生影响。葛智[35]认为砖粉用作混合材取代水泥可以降低混凝土的自收缩。

砖粉能够改善水泥基材料孔结构，有利于提高耐久性。Farrell M O等[36]研究了砂浆中掺入砖粉后孔的体积和尺寸分布的情况：随着砖粉掺量的增加，砂浆早期的孔径较大，细孔较少，随着养护时间的增加，90 d以后孔径减小，细孔增多。这是由于砖粉与水泥水化产生的氢氧化钙(CH)发生反应引起的火山灰质效应形成了多余的水化硅酸钙(C-S-H)凝胶，这些凝胶就会进入孔中，细化孔结构，打断了毛细孔之间的连通，降低了砂浆的孔隙率。Wild S等[36]研究了砖粉在30%掺量的范围内，随着掺量的增加，抗硫酸盐侵蚀能力也随之增强，这是由砖粉中的化学组成和相组成决定的。砖粉中少量的SO3含量可以提高砂浆抵抗硫酸盐侵蚀的能力。并且玻璃相中的CaO的含量是抗硫酸盐侵蚀的关键因素，这是因为玻璃相中低的CaO经常长时间的火山灰质反应会产生水化硅酸钙(C-S-H)凝胶和少量的水化铝酸钙，而高含量的氧化钙(约10%左右)在反应过程中会生成大量的铝酸钙，在硫酸盐的作用下会形成大量的膨胀体硫铝酸钙。冯杰等[37]认为砖粉有利于改善混凝土抗氯离子渗透和抗碳化方面的性能。郑丽等[38]的研究表明砖粉有利于改善混凝土的抗冻性，300次冻融循环后，混凝土质量损失率很小，抗折强度变化不大。

砖粉能够抑制碱骨料反应的发生。Fatih B[39]使用砖粉取代部分水泥制备混凝土研究掺入砖粉的碱骨料反应，结果表明砖粉的掺入有效的减少了碱骨料反应引起的膨胀。这是因为黏土砖粉的加入改变混凝土和胶砂体系中的碱骨料反应化学过程，产生了高碱性的和低钙的凝胶，这些凝胶的膨胀率较低，因此砖粉可以作为碱骨料反应的抑制成分有效的降低混凝土中的碱骨料反应引起的体系膨胀。Turanli L等[40]认为碱硅反应减少膨胀的原因在于砖粉的火山灰质活性，砖粉的水化可以改善孔的结构，减少离子的移动，并且砖粉的水化可以消耗掉氢氧化钙(CH)，而且阻断了富硅区的碱的进入。

5 结 论

综合目前国内外对废弃粘土砖的研究进展，废弃黏土砖作为粗细骨料和活性材料使用中仍然存在较多不足，但通过合理改善途径仍可满足使用要求，提高了废弃粘土砖的综合利用率，从而对解决目前建筑垃圾围城的窘境，具有十分重要的意义。

[1] 中国资源综合利用年度报告[R].北京：国家发展和改革委员会，2014.

[2] 李寿德.建筑垃圾生产烧结建材制品的可行性[J].砖瓦，2005,12：36-38.

[3] 燕 芳.废弃黏土砖对再生水泥熟料烧成及性能的影响[D].大连：大连理工大学，2013.

[4] 刘 秦.再生废砖粗骨料混凝土配合比及物理性能试验研究[D].郑州：郑州大学，2010.

[5] 芦 静,路备战,曹素改,等.建筑垃圾砖粉制备水泥混合材的应用研究[J].粉煤灰综合利用,2012,2：39-42.

[6] 刘 军,李 瑶,刘 宇,等.无机预处理再生粗骨料的性能研究[J].沈阳建筑大学学报(自然科学版),2009,1：133-138.

[7] 孙宝建,马 欣.有机物改性再生砖骨料混凝土的性能研究[J].科技信息,2008,32：116 -120.

[8] 宗 兰,余 倩,张士萍.碎砖类骨料再生混凝土的配合比设计研究[J].混凝土,2012,12：113-116.

[9] 邢振贤,刘利军,赵玉青,等.碎砖骨料再生混凝土配合比研究[J].再生资源研究,2006,2：38-40.

[10] 谢玲君,翟爱良,翟文举,等.影响烧结砖瓦再生骨料混凝土强度主要因素的试验研究[J].混凝土,2012,5：70-73.

[11] 王硕智,程海丽,周 锟,等.全废砖再生轻骨料混凝土试验研究[J].再生资源与循环经济,2014,11：28-31.

[12] 李 飞,张晓奇,董汇标,等.再生废砖粗骨料对混凝土性能的影响[J].混凝土,2015,2：56-58.

[13] 汤贝贝,王 磊,宗 兰,等.碎砖骨料再生混凝土的抗冻性能试验研究[J].江苏建材,2015,3：26-29.

[14] 赵书锋.黏土砖再生混凝土抗氯离子渗透性试验研究[J].水利水运工程学报,2015,3：108-113.

[15] Levy S，Helene P.Durability of recycled aggregates concrete:a safe way to sustainable development[J].CementandConcreteResearch,2004,(34):1975-1980.

[16] Dhir R K.Suitability of recycled aggregate for use in BS designated mixed[J].ProceedingsoftheInstitutionofCivilEngineers,1999,134(3):257-274.

[17] 梁 倚,邓志恒,黄廷剑,等.以废砖粉和废砂浆为细骨料的再生混凝土受力性能试验研究[J].混凝土,2009,3：44-46.

[18] 程海丽.废砖粉在建筑砂浆中的应用研究-建筑垃圾资源化技术研究之二[J].北方工业大学学报,2005,1：89-93.

[19] Khatib J M.Properties of concrete incorporating fine recycled aggregate[J].Cem.Concr.Res，2005,35(4):763-779.

[20] Debieb F，Kenai S.The use of coarse and fine crushed brick as aggregate in concrete[J].ConstrBuildMater,2008,22(5):886-893.

[21] 王俭宝,梁炯丰,郭立湘,等.再生废砖细骨料混凝土基本力学性能研究[J].混凝土,2015,8：78-79.

[22] 李新建,韩 涛,靳秀芝,等.废黏土砖颗粒对砂浆强度的影响[J].建材技术与应用,2011,3：1-3.

[23] 袁 帅.砖、砼再生细骨料砂浆力学性能及应用研究[D].湖南：长沙理工大学,2013.

[24] 程海丽.废旧砖在GRC中的再生利用研究[J].新型建筑材料,2012,10：8-10.

[25] Betas F，Wang K．Effects of crushed clay brick aggregate on mortar durability[J].ConstructionandBuildingMaterials,2009,23(5):1909-1914．

[26] 程海丽,吴华锐,王大伟,等.全废砖骨料轻质GRC墙体保温材料研制[J].粉煤灰综合利用,2014,5：44-46.

[27] 程海丽,杨飞华,佟明贺.加速老化条件下废砖对GRC耐久性影响研究[J].混凝土与水泥制品,2014,7：84-87.

[28] Aliabdo A A.Utilization of crushed clay brick in cellular concrete production[J].AlexandriaEngineeringJournal,2014，(53):119-130.

[29] 程海丽,田海泽.废黏土砖粉潜在活性探究[J].再生资源与循环经济,2014,12：25-27.

[30] 韩 涛，靳秀芝.废黏土砖再生胶凝材料评价及应用[J].建材技术与应用,2015,3：22-25.

[31] 芦 静,路备战,曹素改,等.建筑垃圾砖粉制备水泥混合材的应用研究[J].粉煤灰综合利用,2012,2：37-39.

[32] 刘 香,张 伟,丁 铸,等.激发剂对砖粉泡沫混凝土性能的影响[J].混凝土,2014,1：76-78.

[33] 曹素改,王银生,贾美霞.废砖粉改性制备水泥混合材[J].中国水泥,2011,12：48-50.

[34] Naceri A.Use of waste brick as a partial replacement of cement in mortar[J].WasteManagement，2009，(19):2378-2384.

[35] 葛 智,王 昊,郑 丽,等.废黏土砖粉混凝土的性能研究[J].山东大学学报(工学版),2012,1：104-108.

[36] Farrell M O,Wild S.Pore size distribution and compressive stren-gth of waste clay brick mortar[J].CementandConcreteComposite，2001，(23):81-91.

[37] 冯 杰,刘娟红,刘 昆.废弃砖粉复合掺合料对混凝土强度及耐久性的影响[J].江西建材,2015,12：83-88.

[38] 郑 丽.废黏土砖粉混凝土的性能研究[D].山东：山东大学,2012.

[39] Fatih B,Wang K.Performance of ground clay brick in ASR-affected concerte:Effect on expansion,mechanical properties and ASR gel chemistry[J].CementandConcreteComposite，2012，(34):273-278.

[40] Turanli L，Betas F.Use of ground brick as a pozzalanic mat-erial to reduce the alkali-silica reaction[J].CementandConcreteResearch，2003，(33):1539-1542.

Comprehensive Research on Utilizing the Wasted Building Clay Brick

LIURong-tao1,ZHUJian-hui1,2,ZHUWei-jie1,ZHANGWei1,WUWen-han1

(1.School of Material Science and Engineering,Xi'an University of Architecture and Technology,Xi'an 710055，China；2.Shaanxi Techno-Institute of Recycling Economy，Xi'an 710055，China)

The building waste production is huge in China, the waste clay brick accounted for most of the total construction waste,but the effective utilization rate is lower. Starting from the waste clay brick own properties, summarizes the research status of the waste clay brick is used as coarse/fine aggregate and active material. Waste clay brick will be meet the requirement by reasonable way, improving the comprehensive utilization of the waste clay brick. It is very important significance to solve the dilemma in the construction waste.

building waste;waste clay brick;resource utilization

陕西省2016年社会发展科技攻关项目(2016SF-416)

刘荣涛(1990-)，男，硕士研究生.主要从事建筑垃圾资源化利用与研究.

朱建辉，讲师.

TU528.45

A

1001-1625(2016)10-3191-05