裝修/拆房垃圾低品物料再生免燒磚研究

羅佳杰，周德生，唐 佶，李 津，鄭奇騰，馮世進(jìn)

（1. 上海老港廢棄物處置有限公司，上海 201302；2. 同濟(jì)大學(xué)土木工程學(xué)院地下建筑與工程系，上海 200092）

1 引言

隨著我國城市化進(jìn)程的加快，城市化率迅速增長，裝修和拆房垃圾的產(chǎn)生量與日俱增。據(jù)相關(guān)部門統(tǒng)計，2018 年上海市裝修和拆房垃圾的年平均產(chǎn)生量分別為5.3×106t 和6.6×106t［1］，且由于人們生活品質(zhì)的提高，居民房屋裝修頻率達(dá)到平均15～20 a/次，導(dǎo)致裝修垃圾產(chǎn)生量呈穩(wěn)步增長態(tài)勢。以上海為例，全市建筑垃圾組分逐漸由以廢舊混凝土、樁孔泥漿等拆房垃圾為主，轉(zhuǎn)變?yōu)檠b修垃圾和拆房垃圾并重的狀態(tài)［2］。

堆放和填埋是建筑垃圾處置的主要途徑［3］，不僅破壞生態(tài)環(huán)境，浪費大量資源，耗費土地征用費，還增加了額外的垃圾清理成本［4］。根據(jù)2018 年開始施行的《上海市建筑垃圾處理管理規(guī)定》，要求建筑垃圾處理遵循“減量化、資源化、無害化”理念，按照“全品種、全過程、全方位”的管理思路，完善建筑垃圾分類管理要求，重塑建筑垃圾管理流程和制度，重構(gòu)建筑垃圾收運處置體系，促進(jìn)建筑垃圾處理管理的法治化、規(guī)范化和精細(xì)化。

上海老港再生建材利用中心，配備有裝修/拆房垃圾處理生產(chǎn)線，是全市建筑垃圾處理設(shè)施應(yīng)急期的托底保障設(shè)施。該生產(chǎn)線處理流程如圖1所示，經(jīng)過“二次破碎+四次篩選”流程，最后可產(chǎn)出高品質(zhì)混凝土骨料、不同粒徑的再生骨料、各類金屬和難以利用的低品廢料（如除塵灰和灰渣）。設(shè)計建筑垃圾的處理規(guī)模為3 000 t/d（約合1.0×106t/a），其中裝修垃圾為2 000 t/d，拆房垃圾為1 000 t/d；處理后可產(chǎn)生骨料2 166 t/d、灰渣375 t/d 和除塵灰180 t/d（低品廢料占比18.5%）。

圖1 上海老港再生建材利用中心處理線流程示意Figure 1 Process flow schematic of Shanghai Laogang recycled materials utilization center

裝修/拆房垃圾的資源化處理是解決建筑垃圾處置問題的關(guān)鍵，目前其主要資源化途徑是破碎后作為骨料生產(chǎn)混凝土普通磚、多孔磚、小型空心砌塊、滲水地磚等建筑材料［5］。但是，裝修和拆房垃圾成分復(fù)雜，其破碎過程中可能會產(chǎn)生超過15%的灰渣和除塵灰等低品廢料。目前裝修及拆房垃圾處理生產(chǎn)線產(chǎn)出的灰渣、除塵灰等低品質(zhì)再生物料活性和強度較低，難以直接利用，一般直接進(jìn)行填埋處理，導(dǎo)致裝修/拆房垃圾資源化利用率較低。因此，本研究將對這些低品質(zhì)物料的再利用可行性進(jìn)行探究，通過堿激發(fā)改性低活性除塵灰替代部分水泥，再由灰渣替代部分標(biāo)準(zhǔn)砂制備免燒磚，研究再利用裝修/拆房垃圾低品廢料對免燒磚力學(xué)性能的影響，期望能提高建材垃圾生產(chǎn)線資源化利用率，最終實現(xiàn)資源化產(chǎn)業(yè)鏈閉環(huán)。

2 低品廢料再生免燒磚試驗材料和方法

2.1 試驗材料

2.1.1 裝修/拆房垃圾低品再生物料

本研究所探討的裝修/拆房垃圾低品廢料主要為灰渣和除塵灰。其中，灰渣為生產(chǎn)線經(jīng)初次破碎和二次篩選后直接排出的粒徑小于5 mm 的低品廢渣，成分復(fù)雜；除塵灰為裝修/拆房垃圾破碎過程中除塵布袋收集的布袋除塵灰，屬于環(huán)境除塵灰，是在常溫下聚集的，其介質(zhì)粉塵性質(zhì)無大變化，對生產(chǎn)基本無危害。因此，為了探究這些低品廢料的再利用可行性，首先測試除塵灰和灰渣的物理化學(xué)性質(zhì)，見表1。

表1 灰渣和除塵灰顆粒級配參數(shù)Table 1 Particle gradation parameters of residue ash and dust powder

由表1 可以發(fā)現(xiàn)，灰渣顆粒級配良好，接近40%的顆粒大于1.18 mm，而0.15 mm 以下灰粉含量較少。灰渣粒徑總體上大于標(biāo)準(zhǔn)砂，但差距不大。圖2 為不同粒徑的灰渣，可以看到灰渣小粒徑（＜0.15 mm）較為均勻，主要為細(xì)砂；而大粒徑（2.36～5.00 mm）成分較為復(fù)雜，包括碎石、碎玻璃、碎磚塊、碎木屑、碎紙和金屬等雜質(zhì)，這些可能會影響灰渣再利用產(chǎn)品性能?？傮w上，可考慮將灰渣作為骨料。

圖2 灰渣各粒徑形態(tài)Figure 2 Morphology of residue ash particles with different sizes

對于除塵灰，表1 可以看到除塵灰粒度主要集中在1～100 μm，最大粒徑為200 μm 以內(nèi)。該除塵灰樣品的比表面積為1 543 m2/kg，體積分布中10% 對應(yīng)的粒度為1.52 μm，50% 對應(yīng)的粒度為5.58 μm，90%對應(yīng)的粒度為23.40 μm。除塵灰的粒度分布情況與水泥較為接近。通過采用X 射線熒光光譜法（X-Ray Fluorescence，XRF）檢測除塵灰化學(xué)組成（表2），可以發(fā)現(xiàn)，除塵灰的主要化學(xué)成分有CaO（39.40%）、SiO2（28.61%）、SO3（12.35%）、Al2O3（8.28%），與水泥近似。此外，除塵灰中重金屬含量較低，作為再利用材料的環(huán)境安全隱患低。因此，可以考慮將除塵灰替代部分水泥作為免燒磚的膠結(jié)料。

表2 除塵灰和水泥主要化學(xué)成分組成（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）Table 2 Main chemical composition of dust power and cement(weight percentage)

2.1.2 其他試驗材料

其他試驗材料還包括42.5 硅酸鹽水泥、標(biāo)準(zhǔn)砂、5～10 mm 再生粗骨料、水、Ca(OH)2堿激發(fā)劑等，其中再生粗骨料由上海老港再生建材利用中心提供，其余材料為市場購買。

2.2 試驗流程

本研究試驗免燒磚制備采用“振動成型+自然養(yǎng)護(hù)”方式，操作流程如圖3 所示。

圖3 免燒磚生產(chǎn)工藝流程示意Figure 3 Process schematic of baking-free brick production

1）骨料干混。稱量試驗所需原料，將砂、灰渣、再生粗骨料等倒入輪碾機中進(jìn)行骨料干混，混合時間為5 min。

2）配料陳化。本次試驗不涉及生石灰熟化過程，干混完成后靜置5 min 即可。

3）配料濕混。在干混料中加入水泥、外加劑和適量的水一起混合攪拌，使配料和水充分混勻，攪拌時間為5 min。

4）填料成型。打開制磚機的上模，在模具中加入配料，鋪料時注意平整嚴(yán)實；鋪料完畢后，拉上回模，同時啟動上下兩個震動電機；振動10 s后關(guān)閉震動電機，將壓桿壓下，脫膜成型。

5）自然養(yǎng)護(hù)。為了降低生產(chǎn)成本，采用自然養(yǎng)護(hù)工藝。將免燒磚原地靜置24 h 后，再移動至養(yǎng)護(hù)場地，前7 d 每天灑水1 次，然后自然存放至養(yǎng)護(hù)時間結(jié)束。

6）抗壓強度測試。指定養(yǎng)護(hù)齡期的免燒磚抗壓試驗流程參照GB/T 2542—2012 砌墻磚試驗方法中的非成型制樣抗壓，即將磚樣鋸成兩塊半截磚，按切斷口方向相反疊放，疊合部分不小于100 mm；然后，測量每個連接面的長、寬尺寸各兩次并取平均值，精確至1 mm；最后，將試樣平放至加壓板中央，垂直于受壓面均勻平穩(wěn)加荷，加荷速度為2～6 kN/s，直至試樣破壞為止。最后，試樣的抗壓強度按下式計算：

式中：Rp為抗壓強度，MPa；P為最大破壞荷載，N；L為連接面長度，mm；B為連接面寬度，mm。

2.3 試驗方案

為了分析各種因素（水泥和灰渣摻量、粗骨料和除塵灰摻量）對再生免燒磚抗壓強度的影響，設(shè)計了一系列不同配比的免燒磚試驗，試驗方案如表3 所示。根據(jù)文獻(xiàn)調(diào)研和初步試驗，首先確定對照組的基本配比為水泥∶砂=15%∶85% 和水灰比=0.5（組0）。然后研究水泥摻量和灰渣摻量對免燒磚抗壓強度的影響，采用灰渣替代30% 的砂（即灰渣摻量為總量的25.5%），研究灰渣摻入量的影響（組1-1），并分別將水泥摻量提高至20%和25%（組1-2、1-3）；接著保持15%、20%和25% 的水泥摻量（組1-4、組1-5、組1-6），在組1-4、組1-5、組1-6 內(nèi)將灰渣替代量調(diào)整為砂的20%（即灰渣摻量為總量的17%、16% 和15%）。組2（組2-1、組2-2）考慮加入粗骨料的變化，粗骨料分別替代25%和50%的灰渣（即粗骨料摻量為6% 和12%，粗骨料加灰渣總摻量為24%），研究粗骨料摻量對免燒磚抗壓強度的影響；而組3（組3-1、組3-2、組3-3）采用激發(fā)除塵灰（原除塵灰加入占除塵灰質(zhì)量10% 的Ca(OH)2進(jìn)行堿激活）來替代10%～30% 的水泥（即激發(fā)除塵灰摻量為2%、4% 和6%），研究除塵灰摻量對免燒磚抗壓強度的影響。每組試驗重復(fù)進(jìn)行3 次，免燒磚壓制成型后養(yǎng)護(hù)至3、7、28 d 后測量磚體抗壓強度，以優(yōu)選符合資源化利用要求的免燒磚最佳配比，同時研究免燒磚的強度發(fā)展規(guī)律。

表3 免燒磚制備試驗方案Table 3 Testing program for baking-free brick production

3 低品廢料再生免燒磚試驗結(jié)果分析

3.1 水泥和灰渣摻量的影響

水泥免燒磚主要依靠水泥的膠結(jié)作用形成一定強度，因此水泥摻量的選取十分關(guān)鍵。作為重點研究對象，在保證免燒磚強度的同時應(yīng)盡可能利用低品質(zhì)灰渣。已有研究表明，再生細(xì)骨料的摻量在30% 以內(nèi)時對再生混凝土抗壓強度的影響較?。?］。因此，試驗首先研究不同水泥摻量（15%、20%、25%）和不同灰渣摻量（0%、替代20%砂、替代30%砂）的影響（表3 中組1）。

可以預(yù)見，免燒磚的抗壓強度隨著水泥摻量的提高而上升，但是摻入灰渣將顯著降低免燒磚的抗壓強度（表4 和圖4）。

表4 水泥和灰渣摻量對免燒磚強度的影響Table 4 Effect of cement and residue ash contents on the strength of baking-free brick

圖4 水泥摻量和灰渣摻量對免燒磚抗壓強度的影響Figure 4 Effect of cement and residue ash contents on the compressive strength of baking-free brick

以水泥摻量為15%且不摻入灰渣的免燒磚28 d 強度為參考（20.10 MPa），當(dāng)灰渣替代20%砂時免燒磚強度降低了40%，替代30% 砂時降低了70%。這可能是因為灰渣成分較為復(fù)雜，作為骨料使得試樣內(nèi)孔隙較多，而自然養(yǎng)護(hù)下（前7 d 保持每天灑水）水泥水化作用不完全，膠結(jié)料難以完全填充孔隙。由圖4 可見，采用灰渣替代部分砂作為骨料，形成的磚樣孔隙、裂隙較多，水化不充分，國外也有學(xué)者針對該現(xiàn)象提出了類似的結(jié)論，認(rèn)為免燒磚養(yǎng)護(hù)方式的不同將顯著影響最終結(jié)果［7］。

因此，若在免燒磚生產(chǎn)中采用灰渣替代部分骨料，需加入足夠的膠結(jié)料填充孔隙。以圖4 灰渣替代30% 砂為例，若水泥摻量從15% 提高至20%，免燒磚的強度得到大幅改善，但是繼續(xù)提高至25% 時，效果并不明顯。因此，建議摻灰渣免燒磚的水泥摻量為20% 左右，并優(yōu)化免燒磚養(yǎng)護(hù)條件，如早期提高灑水頻率或灑水后采用塑料薄膜覆蓋磚樣以保持水分等。

3.2 粗骨料的影響

免燒磚制備中通常加入粒徑大于5 mm 的粗骨料，起骨架支撐作用，可以顯著提升磚體的強度、穩(wěn)定性和耐久性。因此，本節(jié)將不同含量的灰渣替換成粗骨料（粗骨料∶灰渣分別為0∶1、1∶3、1∶1），研究粗骨料摻量對免燒磚強度的影響，試驗結(jié)果如表5 所示。

表5 粗骨料對免燒磚強度的影響Table 5 Effect of coarse aggregate on the strength of baking-free brick

由表5 可以發(fā)現(xiàn)，添加一定量的粗骨料可以顯著提升免燒磚的抗壓強度，粗骨料占總骨料的7.5%～15.0% 時（未加入除塵灰），免燒磚28 d 強度可滿足MU15 磚的強度要求。一是因為粗骨料起到剛性骨架作用，承受荷載時磚體內(nèi)部由粗骨料傳遞應(yīng)力，大粒徑骨料比小粒徑骨料更難破碎；二是因為恰當(dāng)?shù)墓橇吓浔瓤梢杂行畛淇紫叮▓D5），且粗骨料表面更易于與砂漿基體黏結(jié)，水泥膠結(jié)能力更強；三是因為當(dāng)磚塊破壞時，裂縫難以貫穿粗骨料而是繞過它，使得粗骨料吸收更多能量。但是，粗骨料的比例不宜過大，可以看到粗骨料替代一半灰渣后，雖然28 d 的抗壓強度有一定提升，但7 d 的抗壓強度有所下降，因為過多的粗骨料將導(dǎo)致磚樣孔隙變大，難以形成緊湊結(jié)構(gòu)，降低膠凝材料的黏結(jié)能力。

圖5 加入6%粗骨料時磚塊斷面Figure 5 Fracture surface of the brick with the addition of 6%coarse aggregate

3.3 除塵灰的影響

除塵灰作為另一個研究重點，應(yīng)探討其作為免燒磚制磚材料的可行性。已有研究表明，在混凝土制備中再生微粉對水泥的替代率應(yīng)小于30%［8］。根據(jù)預(yù)備試驗發(fā)現(xiàn)，采用Ca（OH）2可以一定程度上提高除塵灰的活性，起到激發(fā)作用。因此，本節(jié)采用Ca（OH）2作為激發(fā)劑（占除塵灰摻量的10%），研究不同替代比除塵灰（0、10%、20% 和30%）對免燒磚的影響。試驗結(jié)果如表6所示，免燒磚28 d 抗壓強度增長曲線見圖6。

表6 除塵灰對免燒磚強度的影響Table 6 Effect of dust power on the strength of baking-free brick

圖6 不同除塵灰摻量下免燒磚抗壓強度成長曲線Figure 6 Compressive strength growth curve of baking-free bricks with different contents of dust power

當(dāng)除塵灰替代10% 水泥時（除塵灰摻量為2%），免燒磚抗壓強度基本保持不變；隨著替代比增加至20%時，抗壓強度略有下降，到30%替代比時免燒磚抗壓強度下降了一半。值得注意的是，摻入除塵灰將降低免燒磚內(nèi)膠凝材料的黏結(jié)力，更易發(fā)生脆性破壞，如圖6 所示，除塵灰替代比30%的免燒磚樣受壓后，上半塊被全部壓碎，下半塊磚被1 條主裂縫貫穿?？偟膩碚f，當(dāng)除塵灰替代10% 的水泥時，養(yǎng)護(hù)7 d 的免燒磚即可滿足MU10 磚的強度要求，當(dāng)替代比上升至20% 時，養(yǎng)護(hù)28 d 的免燒磚也能滿足MU10 磚的強度要求。

當(dāng)前研究制備的免燒磚對除塵灰的利用率不高，若想繼續(xù)提高除塵灰摻量，充分資源化利用低品物料，可在后續(xù)研究中尋找其他更合適的激發(fā)劑，有效激活除塵灰，特別是針對除塵灰中的主要成分硫酸鈣；或者優(yōu)化材料混合方法，在骨料干混后加入除塵灰、激發(fā)劑和適量的水，進(jìn)行二次攪拌，然后陳化足夠的時間，使激發(fā)劑充分發(fā)揮其對除塵灰的激活效果。

4 結(jié)論

本研究采用“振動成型+自然養(yǎng)護(hù)”制備工藝進(jìn)行小型免燒磚試驗，研究裝修/拆房垃圾低品質(zhì)再生物料（灰渣、除塵灰）制備免燒磚的資源化途徑，通過設(shè)計12 組配比，分析不同摻入量和配比對再生免燒磚抗壓強度的影響，結(jié)論如下：

1）免燒磚強度隨著水泥摻量的增加而提升，而摻入灰渣將使免燒磚強度降低40%～70%，特別是水泥摻量較低、膠結(jié)料填充不足時。因此，當(dāng)摻入灰渣替代30% 砂作為骨料時，水泥摻量至少應(yīng)達(dá)到20%。

2）添加一定粗骨料（5～10 mm）可以顯著提高免燒磚抗壓強度。

3）采用除塵灰替代10%水泥時，免燒磚抗壓強度基本保持不變，養(yǎng)護(hù)7 d 即可滿足MU10 磚的強度要求；采用除塵灰替代水泥20%時，養(yǎng)護(hù)28 d 的免燒磚也能滿足MU10 磚的強度要求。

4）養(yǎng)護(hù)方式對免燒磚的強度有較大影響，建議在實際生產(chǎn)中優(yōu)化養(yǎng)護(hù)條件，如早期提高灑水頻率（每天2 次灑水），或前7 d 先采用濕養(yǎng)護(hù)，后續(xù)再采用自然養(yǎng)護(hù)。