建筑垃圾制備輕質(zhì)墻體材料的研究

劉樂 劉曉娟 陳建印 趙昕 秦興磊

（棗莊中聯(lián)水泥有限公司）

0 引言

自十九世紀(jì)四十年代以來，歐洲、美國、日本等發(fā)達(dá)國家就已經(jīng)相繼開展了新型輕質(zhì)墻體材料的研究，我國對輕質(zhì)墻材材料的研究起步較晚，其研究方向大多為水泥發(fā)泡、纖維增強(qiáng)、輕骨料混凝土等，其產(chǎn)品性能較好，但對原材料的要求較高，產(chǎn)品價格偏高[1-3]。我國正處在基礎(chǔ)建設(shè)高速發(fā)展的時期，建筑原材料價格不斷上漲，環(huán)境保護(hù)的要求不斷提高，迫切需要一種價格低廉、更加環(huán)保的輕質(zhì)墻材產(chǎn)品[3-6]。有關(guān)研究表明，建筑垃圾可以用于制備輕質(zhì)墻體材料，因此本實(shí)驗(yàn)擬利用廢棄混凝土、廢磚、渣土等建筑垃圾對制備輕質(zhì)墻體材料進(jìn)行研究。

1 試驗(yàn)原料及方法

1.1 水泥和聚苯顆粒

本試驗(yàn)所用水泥為P.O 42.5 普通硅酸鹽水泥，其基本物理性能如表1 所示。

表1 水泥的基本物理性能

聚苯顆粒為粒徑在1～2mm，堆積密度在17㎏/m3左右的市售聚苯顆粒。

1.2 建筑垃圾

試驗(yàn)所用建筑垃中的廢棄混凝土、廢磚、渣土均取自建筑工地，經(jīng)過挑選、均化、破碎、過篩等處理后使用，各原材料的化學(xué)成分及XRD 衍射分析見表2 和圖1。

從表2 和圖1 中可以看出，渣土和廢磚粉中的主要化學(xué)成分是SiO2和Al2O3，其主要礦物為石英和長石，廢混凝土粉的主要化學(xué)成分為CaO 和SiO2，主要礦物為石英和方解石。

表2 渣土、廢混凝土粉、廢磚粉的化學(xué)成分

1.3 活性指數(shù)

對廢混凝土粉和廢磚粉進(jìn)行了活性指數(shù)的測定，試驗(yàn)中水灰比固定為0.5，廢混凝土粉和廢磚粉均以30%的比例替代水泥，試驗(yàn)結(jié)果見表3。

從表3 中可以看出，廢混凝土粉的活性指數(shù)在60%左右，廢磚粉的活性指數(shù)在58%左右，兩種原材料的活性均不高且相差不大。

表3 廢混凝土粉和廢磚粉強(qiáng)度活性指數(shù)

1.4 試驗(yàn)方法

按一定配比準(zhǔn)確稱量各種原材料的用量，把稱量好的物料倒入攪拌鍋中，攪拌均勻后加入一定量的水和一定體積的聚苯顆粒，待聚苯顆粒和物料均勻地膠結(jié)在一起，關(guān)閉攪拌機(jī)，裝入70.7mm×70.7mm×70.7mm 的試模，插搗密實(shí)后，表面覆蓋塑料薄膜，放置水泥標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱內(nèi)養(yǎng)護(hù)1d 后脫模得到試塊，試塊覆膜包裹繼續(xù)養(yǎng)護(hù)至規(guī)定齡期28d 后，將試塊置于烘箱中烘干至衡重，測試其干密度和抗壓強(qiáng)度。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 廢混凝土粉、廢磚粉對試塊的影響

采用雙因素試驗(yàn)，探究廢混凝土粉和磚粉用量對輕質(zhì)墻材性能的影響，試驗(yàn)配比及結(jié)果見表4，其中成型一組試塊，原材料總料量為850g，聚苯顆粒用量均為1L，水料比為0.27。

從表4 中可以看出，隨著廢混凝土粉摻量的增加、廢磚粉摻量的減少，抗壓強(qiáng)度先增長后降低，當(dāng)廢混凝土摻量在40wt%、廢磚粉摻量在25wt%時，抗壓強(qiáng)度最高為3.84MPa；隨著廢混凝土粉摻量的增加、廢磚粉摻量的減少，試塊的干密度呈不斷下降的趨勢，即增加廢混凝土粉的用量有利于試塊干密度的降低。

表4 試驗(yàn)配比及結(jié)果

2.2 聚苯顆粒對試塊的影響

選取上組抗壓強(qiáng)度最高的配比A6 為基準(zhǔn)配比，研究聚苯顆粒的用量對試塊性能的影響，試驗(yàn)中聚苯顆粒用量及試驗(yàn)結(jié)果見表5，其中成型一組試塊，原材料總料量為850g，水料比為0.27。

表5 試驗(yàn)配比及結(jié)果

從表5 中可以看出，隨著聚苯顆粒摻量的增加，試塊的抗壓強(qiáng)度和干密度均呈不斷下降的趨勢，其中當(dāng)聚苯顆粒摻量大于1.15L 時，試塊的抗壓強(qiáng)度下降比較明顯，干密度下降也比較明顯，即聚苯顆粒的摻量不宜超過1.15L。

2.3 固化劑對試塊的影響

為進(jìn)一步提高試塊的性能，在上述B6 配比下，外摻適量固化劑，固化劑的主要成分包括氨基磺酸鹽、硫酸鈉、氯化銨、氯化鎂、硅烷偶聯(lián)劑等，其固含量為20%，試驗(yàn)配比及試驗(yàn)結(jié)果見表6。

從表6 中可以看出，加入固化劑可以提高試塊的抗壓強(qiáng)度，當(dāng)固化劑摻量在3.0wt%時，抗壓強(qiáng)度最高為3.95MPa，與空白組C0 相比，抗壓強(qiáng)度提高了9.4%，隨著固化劑摻量（0～2.0wt%）的增加，試塊的抗壓強(qiáng)度有不斷升高的趨勢，當(dāng)固化劑摻量超過2.0wt%時，其抗壓強(qiáng)度變化不大；隨著固化劑摻量的增加，試塊的干密度變化不大，所以固化劑的摻量為2.0wt%較為適宜。

表6 試驗(yàn)配比及結(jié)果

2.4 正交試驗(yàn)優(yōu)化

為進(jìn)一步優(yōu)化試驗(yàn)配比，確定各原材料、固化劑的最優(yōu)摻量，進(jìn)行了正交試驗(yàn)。試驗(yàn)以水泥、固化劑、廢混凝土粉、磚粉為試驗(yàn)因素，其中水泥（因素A）取15wt%、20wt%、25wt%三個水平，廢混凝土粉（因素B）取20wt%、30wt%、40wt%三個水平，廢磚粉（因素C）取15wt%、20wt%、25wt%三個水平，固化劑（因素D）摻量取1.5wt%、2.0wt%、2.5wt%三個水平，渣土為余料摻量，其中成型一組試塊，原材料總料量為850g，聚苯顆粒用量均為1L，水料比為0.27。正交試驗(yàn)配比及試驗(yàn)結(jié)果見表7。

表7 正交試驗(yàn)配比

從表7 中可以看出，D8 組試塊的抗壓強(qiáng)度最高為4.21MPa，干密度為866㎏/m3，D3 組試塊干密度最低為840㎏/m3，抗壓強(qiáng)度為3.25MPa。為檢驗(yàn)各因素水平對試塊抗壓強(qiáng)度和干密度影響大小，進(jìn)行了正交試驗(yàn)極差分析，分析結(jié)果見表8。

從表8 極差分析中可以看出，對抗壓強(qiáng)度的影響，水泥的影響最大，其次是廢混凝土粉，廢磚粉和固化劑的影響差不多，均較小，以抗壓強(qiáng)度為分析指標(biāo)，得到的較優(yōu)組合為A3B3C1D3，即原材料配比為水泥25wt%、廢混凝土粉40wt%、廢磚粉15wt%、渣土20wt%、固化劑2.5wt%；對干密度的影響，水泥的影響也是最大，其次是廢混凝土粉，廢磚粉和固化劑影響不大，以干密度為分析指標(biāo)，得到的較優(yōu)組合為A1B3C2D1，即原材料配比為水泥15wt%、廢混凝土粉40wt%、廢磚粉20wt%、渣土25wt%、固化劑1.5wt%。為得到抗壓強(qiáng)度和干密度均較好的配比，進(jìn)行了兩組配比的驗(yàn)證試驗(yàn)，試驗(yàn)配比及結(jié)果見表9。

表8 正交試驗(yàn)極差分析結(jié)果

表9 驗(yàn)證試驗(yàn)配比及結(jié)果

從表9 中可以看出D10 組試塊抗壓強(qiáng)度可達(dá)4.31MPa，干密度為855㎏/m3，D11 組試塊抗壓強(qiáng)度為3.33MPa，干密度為841㎏/m3，兩組試塊干密度僅相差14㎏/m3，強(qiáng)度卻相差0.98MPa，因此較優(yōu)配比應(yīng)為D10組配比，即原材料較優(yōu)配比為水泥25wt%、廢混凝土粉40wt%、廢磚粉15wt%、渣土20wt%、固化劑2.5wt%。

3 結(jié)論

建筑垃圾是放錯了地方的資源，通過利用建筑垃圾中廢棄混凝土、廢磚、渣土等制備輕質(zhì)墻體材料的研究，可以得出的結(jié)論有：

⑴廢混凝土、廢磚、渣土中的主要化學(xué)成分有SiO2、Al2O3、CaO 等，主要以石英、長石、方解石等礦物的形式存在。

⑵廢混凝土、廢磚磨成細(xì)粉后，具有一定的活性，其活性指數(shù)均在60%左右，廢混凝土活性稍高。

⑶通過雙因素試驗(yàn)的研究，得到廢混凝土粉和廢磚粉摻量分別在40wt%、25wt%時，試塊的抗壓強(qiáng)度最高為3.84MPa。

⑷聚苯顆粒作為輕質(zhì)骨料，其摻量不宜超過1.35L/㎏。

⑸加入固化劑可以提高試塊的抗壓強(qiáng)度，固化劑的適宜摻量為2.0wt%，試塊的抗壓強(qiáng)度可提高9%左右。

⑹通過正交試驗(yàn)優(yōu)化得到的較優(yōu)配比為水泥25wt%、廢混凝土粉40wt%、廢磚粉15wt%、渣土20wt%、固化劑2.5wt%，抗壓強(qiáng)度可達(dá)4.31MPa，干密度為855㎏/m3。