黏土砖微粉的应用研究

杨高强 赵春祥 张强 刘守功

（北京城建华晟交通建设有限公司，北京 102415）

1 背景

据统计，1万平方米建筑的施工过程中会产生建筑垃圾500～600 吨，而拆除1 万平方米旧建筑会产生7000～12000吨建筑垃圾。我国建筑垃圾数量已占城市垃圾总量的30%以上。2015年我国产出的建筑垃圾就高达35.5亿吨，预计到2030年更将达到73亿吨[1]。据有关资料，1979年我国红砖的产量已达1200亿块，居世界第一位[2]，约1.76亿立方米。有研究统计，黏土砖占全国墙体材料用量的95%，即使在北京，红砖也占墙材用量的70%以上。经长年积累，黏土砖的使用量巨大，在我国建筑进程中承担了举足轻重的作用。在城市拆迁及农村城镇化、新农村改造过程中，红砖也占了建筑垃圾的一大部分。

城市建筑垃圾资源化处理是20 世纪90 年代以来世界各国，特别是发达国家环境保护和可持续发展战略的目标之一，资源化垃圾建材（又称绿色建材Green Building Materials/生 态 建 材Ecological Building Materials）已 成 为发达国家研究的重要课题之一。对于建筑垃圾的处理，发达国家大多实行“建筑垃圾源头削减策略”，或称为3R(Reduce，Reuse，Recycle)原则，即首先实行减量化，采取一系列措施减少垃圾数量，使得建筑垃圾排放在总量上得到控制；其次实行资源化，将建筑垃圾的处理与利用结合起来，将建筑垃圾中可再生利用的成分再用于建设中，使建筑垃圾变为“绿色产品”，并形成“洁净产业”，确保建筑业的可持续发展[3]。北京建筑垃圾年产生约4000万吨，但资源化利用比例不足10%，与发达国家90%左右的利用率相差甚远。黏土砖的抗压强度低、吸水率大等不利特性导致了低的建筑垃圾资源化比例。黏土砖以火山灰质材料为主，含有活性矿物成份，其中的二氧化硅和氧化铝含量较高，磨细后可作为胶凝材料代替粉煤灰、矿粉等掺合料。

2 原材料

1）水泥：采用唐山弘也生产的P.O42.5水泥。

2）再生骨料：采用房山区河北镇拆迁过程中产生的建筑垃圾，经分选、除杂、破碎、筛分等工艺加工而成，粒径有0～4.75mm和5～10mm两种规格。再生骨料性能见表1。

表1 再生骨料性能表

3）搅拌用水：采用自来水。

4）黏土砖微粉及混凝土微粉：取房山区河北镇拆迁产生的建筑垃圾，挑选红基砖和混凝土后用SM500*500型水泥试验磨磨制（图1），或采用型号DY-800Y的新元多功能制样粉碎机破碎而成（图2）。黏土砖粉化学成分见表2。

表2 黏土砖粉主要化学成分表

图1 SM500*500型水泥试验磨

图2 DY-800Y的新元多功能制样粉碎机

5）标准砂：采用厦门艾思欧的标准砂。

6）激发剂：二乙醇单异丙醇胺、三异丙醇胺（网购）。

3 影响因素

废弃黏土砖粉有潜在活性，可通过物理和化学途径激发。废弃黏土砖经过常用的机械粉磨物理激发方式，提升了砖粉中的活性氧化硅（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[4]。本文从物理激发和有机化学激发两个方面研究黏土砖微粉的火山灰活性。

3.1 物理激发

采用SM500*500 型水泥试验球磨与DY-800Y新元多功能制样粉碎机，同样粉磨30min条件下，得到两份黏土砖微粉。采用水泥：微粉：标准砂：水：激发剂=315:135:1350:225:0.02%（外掺），按照GB/T 17671-1999《水泥胶砂强度检验方法（ISO法）》规定分别测定胶砂的抗压强度和抗折强度，其28d胶砂强度如表3所示。试验数据表明，采用球磨设备磨制的黏土砖微粉活性更高。本文其他试验使用的黏土砖微粉均采用球磨设备磨细而成。

表3 不同试验设备磨细的黏土砖微粉胶砂强度对比表

3.2 有机化学激发

针对具有强度活性指数的粉体材料，一般有复合激发、碱激发、硫酸盐激发和醇胺类激发等手段。在砌块实际应用中，复合激发需掺加的高钙磨细矿粉市场紧缺，质量难控制；碱激发和硫酸盐激发手段，成型后砌块反碱严重。因此本文采用醇胺类激发剂为激发手段，选取二乙醇单异丙醇胺或三乙醇胺为激发剂。醇胺类激发剂在碱性条件下可促进粉煤灰和矿渣等活性掺合料二次水化反应，主要通过络合作用与玻璃体中的活性Al2O3和SiO2反应，促进Si-O和Al-O键断裂，从而使得玻璃体解聚，反应生成较多细小的C-S-H和C-A-H凝胶，从而提高强度[5-6]。

3.2.1 二乙醇单异丙醇胺为激发剂

按照GB/T 1596-2017《用于水泥和粉煤灰中的粉煤灰》规定的强度活性指数实验方法，设定配比见表4。

表4 强度活性指数试验胶砂配比(单位:g)

其3d、28d胶砂强度及活性指数如表5所示。试验数据表明，随着二乙醇单异丙醇胺掺量增加，强度活性指数先增加后减小，二乙醇单异丙醇胺掺量为0.02%时，活性指数最高。

表5 二乙醇单异丙醇胺为激发剂强度及活性指数

3.2.2 三异丙醇胺为激发剂

按照GB/T 1596-2017规定的强度活性指数实验方法，设定配比见表6。

表6 强度活性指数试验胶砂配比(单位:g)

其3d、28d胶砂强度及活性指数如表7所示。试验数据表明，随着三异丙醇胺掺量增加，强度活性指数先增加后减小，三异丙醇胺掺量为0.05%时，活性指数最高。

表7 三异丙醇胺为激发剂强度及活性指数

3.2.3 激发剂的稳定性

选取掺量为0.02%的二乙醇单异丙醇胺和0.05%的三异丙醇胺重复胶砂强度试验，试验结果见表8、表9。数据表明，利用醇胺类作为黏土砖微粉激发剂，强度稳定，强度活性指数均大于70%，可在砌块中代替水泥。在黏土砖微粉中，二乙醇单异丙醇胺比三异丙醇胺的激发效果要好，因此下文试验均选取二乙醇单异丙醇胺为激发剂，掺量为黏土砖微粉的0.02%。

表8 二乙醇单异丙醇胺为激发剂的重复胶砂强度统计表

表9 三异丙醇胺为激发剂的重复胶砂强度统计表

3.2.4 黏土砖微粉掺量及养护期对胶砂强度的影响

采用二乙醇单异丙醇胺为激发剂，以黏土砖微粉的0.02%为掺加量，在微粉掺加量占水泥比例的10%、20%、30%、40%条件下，检测胶砂强度，检测结果如表10。从图3中看出，28d强度随着黏土砖微粉掺量的增加而降低，但在掺量从30%到40%时，降低幅度明显变大，说明黏土砖微粉最大掺量为水泥的30%。随着养护期的增加，胶砂试件的抗折强度变化不大且稍有降低，但胶砂抗压强度增长量较大，且随着掺加量的增大，提高量先增加后减小，但总体上胶砂后期强度会增长，甚至接近基准水泥抗压强度。数据显示，黏土砖微粉有利于混凝土的后期强度增长。

表10 试验胶砂强度

图3 胶砂强度对比图

3.2.5 黏土砖微粉纯度对胶砂强度的影响

在拆迁等工程中产生的建筑垃圾都是砖砼混合料，目前砖砼分离技术主要有物理分离（依靠容重不同）、红外检测分离（依靠颜色不同），但无法做到100%砖砼分离，所以在加工黏土砖微粉时会带有一定量的混凝土粉。为此，在微粉代替水泥量30%条件下，进行微粉中砼微粉含量不同的胶砂强度对比试验，试验数据如表11。从表11看出，早期砼微粉对胶砂强度的影响不大，但当微粉中砼粉含量超过20%后对抗折强度影响较大，当微粉中砼粉含量超过40%后对抗压强度的影响逐渐明显。因此，在加工黏土砖微粉时，其建筑垃圾中砼重量比例不能超过20%。

表11 砼微粉含量不同的胶砂强度试验数据

3.3 小结

在采用醇胺类为激发剂时，黏土砖微粉的强度活性指数大于70%，满足用于水泥和混凝土中掺合料对于强度活性指数的要求。在加工黏土砖微粉时，应控制建筑垃圾中混凝土的含量，砼含量不能超过20%，且加工黏土砖微粉宜采用球磨设备。

4 应用及经济效益

4.1 黏土砖微粉在路面砖中的应用

北京城建华晟交通建设有限公司位于北京房山区河北镇建筑垃圾资源化产业基地，采用贝赛尔MT140-120型彩色混凝土路面砖成型机生产再生路面砖、砌块等。本文选取市场中常用规格200mm×100mm×60mm普通再生路面砖为例，其配比如表12，自然养护28d后依据GB/T 28635-2012《混凝土路面砖》检测其主要性能，结果如表13。从表中看出，在再生混凝土路面砖生产中，黏土砖微粉可代替30%的水泥，且产品满足GB/T 28635-2012规定的所有性能指标。

表12 普通再生路面砖设计配比表(单位:kg)

表13 普通再生路面砖性能对比

4.2 利用黏土砖微粉的经济效益

随着建筑废弃物的资源化利用政策发布，再生路面砖市场得到增长。在京管发[2018]142号关于北京市建筑垃圾分类消纳管理办法明确指出，指定工程部位选择的再生产品替代使用比例不低于10%，且比例逐年提高。目前，建筑垃圾收储利用中，政府补助45元/吨，基本满足了黏土砖在建筑垃圾分选、破碎中所需的能耗、人工等成本。通过本文试验证明，黏土砖微粉完全可替代全部粉煤灰或部分水泥，达到预期效果，由此带来可观的经济价值。以200mm×100mm×60mm的普通再生路面砖为例，一平米水泥用量约19kg，以到房山区河北镇为例，到厂水泥约445元/吨，即水泥成本为8.455元/平米，以30%的黏土砖微粉代替水泥，黏土砖微粉磨细需成本约60元/吨（包括磨细的能耗和人工），计算得胶凝材料成本为6.2605元/平米，可节约2.1945元/平米。一条15型路面砖生产线年生产量为80万平米，即一年可节约175.56万元。另外，生产再生路面砖时再生材料掺量达70%时，可减免70%的税收。所以，在生产砌块中采用黏土砖微粉代替水泥具有可观的经济效益。

5 结论

利用拆迁等工程产生的建筑垃圾，筛除轻物质及冗余土后，经筛分、破碎、分选后得到纯度不小于80%的黏土砖，经球磨机磨细，得到黏土砖微粉，采用醇胺类激发剂激发，满足设计及国家标准要求的前提下，在砂浆、砌块生产中可代替30%的水泥。