據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國建筑垃圾的排放量占城市垃圾總量的30%~40%，我國每年產(chǎn)生的建筑垃圾超過1億t，一部分用于回填，絕大部分直接運(yùn)往城郊或鄉(xiāng)村，采用露天堆放或填埋處理，這樣不僅占用耕地、耗用大量的垃圾清運(yùn)及填埋等建設(shè)費(fèi)用，還對大氣和水域造成嚴(yán)重的污染，破壞自然生態(tài)環(huán)境[1]。
本研究的目的是將建筑垃圾經(jīng)分選、破碎、篩分至合適粒徑作為再生骨料用于生產(chǎn)高性能的標(biāo)準(zhǔn)磚，通過添加助劑，提高產(chǎn)品抗凍性能，以適應(yīng)北方高寒地區(qū)和極端天氣條件下使用。
1原材料及試驗(yàn)方法
1.1原材料
水泥由以高鈣粉煤灰、礦渣和脫硫石膏等固體廢棄物為主研制的生態(tài)型水泥代替；建筑垃圾取自石家莊美城環(huán)保建材有限公司建筑垃圾堆場；助劑為市售化工原料配制；配料用水為自來水。主要原材料化學(xué)成分組成見表1。
1.2試驗(yàn)方法
膠凝材料：將礦渣、高鈣粉煤灰、水泥熟料、激發(fā)劑等按一定配比，采用Φ500mm×500mm水泥球磨機(jī)粉磨制得。性能測試執(zhí)行《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法（ISO法）》GB/T17671-1999和《水泥標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量、凝結(jié)時(shí)間、安定性檢驗(yàn)方法》GB/T1346—2001。
建筑垃圾磚：生態(tài)型水泥、助劑（溶于水）、水和建筑垃圾骨料按比例計(jì)量、混合均勻，實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)在混凝土壓力試驗(yàn)機(jī)上擠壓成型（工業(yè)化試驗(yàn)在年產(chǎn)5000萬塊標(biāo)磚生產(chǎn)線上進(jìn)行），自然養(yǎng)護(hù)至28d齡期；性能測試執(zhí)行《砌墻磚試驗(yàn)方法》GB/T2542—2003。
2試驗(yàn)部分
2.1生態(tài)型水泥的研制
本研究以固體廢棄物礦渣、高鈣粉煤灰、脫硫石膏等為主要原材料，添加少量的硅酸鹽水泥熟料和復(fù)合助劑，共同粉磨至比表面積約450m2/kg，制成生態(tài)型水泥[2]。試驗(yàn)選擇不同的礦渣和高鈣粉煤灰摻量，研究物料的匹配性能，生態(tài)水泥的物料配比和強(qiáng)度測試結(jié)果見表2。
試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明：摻入高鈣粉煤灰能顯著提高生態(tài)水泥的抗折強(qiáng)度，但同時(shí)也降低了水泥的抗壓強(qiáng)度，摻量超過10%時(shí)，抗壓強(qiáng)度明顯下降；另外，經(jīng)檢測生態(tài)型水泥A3初凝80min，終凝325min，安定性合格，其他各項(xiàng)指標(biāo)均滿足《通用硅酸鹽水泥》GB175—2007中42.5號普通硅酸鹽水泥標(biāo)準(zhǔn)要求，可以替代普通硅酸鹽水泥用于建筑垃圾磚的生產(chǎn)。

2.2再生骨料的處理和級配優(yōu)化
建筑垃圾主要由惰性物質(zhì)（混凝土、磚、砂石等）和非惰性物質(zhì)（金屬、木料、玻璃、塑料等）組成。新生建筑垃圾首先經(jīng)磁選和人工分選，分離非惰性物質(zhì)，物盡其用。分選后的廢磚和廢混凝土等物質(zhì)經(jīng)顎式破碎機(jī)破碎、振動(dòng)篩分，可以得到不同粒徑的再生骨料[3]。
本研究利用有附加約束條件的混料均勻設(shè)計(jì)試驗(yàn)方法，先將建筑垃圾骨料破碎、篩分成四種連續(xù)級配，各級骨料代號對應(yīng)的骨料粒徑范圍見表3。依據(jù)實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)確定各級骨料摻量的取值范圍為0.3≤X1≤0.5、0.1≤X2≤0.4、0.1≤X3≤0.3、0.1≤X4≤0.3，利用DPS數(shù)據(jù)處理軟件[4]生成12水平的試驗(yàn)方案，探索再生骨料的級配對磚強(qiáng)度的影響規(guī)律。物料配比為水泥24%、骨料76%，試驗(yàn)方案和28d抗壓強(qiáng)度測試結(jié)果見表4。

試驗(yàn)結(jié)果強(qiáng)度值最小為8.8MPa，最大為20.7MPa，范圍較寬，這說明骨料級配對建筑垃圾磚的抗壓強(qiáng)度影響顯著，合適的骨料級配能使磚形成較致密的骨架結(jié)構(gòu)，大大改善磚的力學(xué)性能。利用DPS軟件進(jìn)行二次多項(xiàng)式統(tǒng)計(jì)分析，建立回歸方程為：y=-108.2701688+825.3063643X4×X4+366.5447283X1×X2+809.4625221X1×X3+359.4599673X2×X3+150.60296010X2×X4-554.8745824X3×X4，由回歸方程求解出強(qiáng)度指標(biāo)最高為30.0MPa，各因素取值為X1=0.454、X2=0.175、X3=0.263、X4=0.108；按此配比進(jìn)行試驗(yàn)，檢測磚的28d抗壓強(qiáng)度為22.5MPa，達(dá)到試驗(yàn)方案中的最高水平，可見利用回歸方程求出的再生骨料的優(yōu)化級配可信度較高。
2.3水泥摻量的影響
膠凝材料是形成建筑垃圾磚強(qiáng)度的關(guān)鍵組份，圖1是建筑垃圾磚在不同水泥摻量時(shí)磚的28d抗壓強(qiáng)度測試結(jié)果，試驗(yàn)中利用優(yōu)化級配的再生骨料，水固比為0.13。 
試驗(yàn)結(jié)果表明，隨著水泥摻量的提高，磚的強(qiáng)度趨于增大。調(diào)整水泥的摻量，可以生產(chǎn)不同標(biāo)號的建筑垃圾磚。本研究制備MU15的標(biāo)準(zhǔn)磚，水泥用量宜選用16%。

2.4水固比的影響
建筑垃圾磚成型時(shí)水和物料的比率簡稱水固比。合適的水固比能促進(jìn)膠凝材料的水化、提高磚的密實(shí)度并降低磚的孔隙率。圖2給出了水固比對磚強(qiáng)度的影響趨勢，試驗(yàn)固定水泥與優(yōu)化級配骨料的質(zhì)量比為18∶82。
由圖2可見，隨著水固比的增加，磚的抗壓強(qiáng)度值先升后降，水固比為0.13時(shí)強(qiáng)度值最高。水固比小于0.13時(shí)，體系的水量不足，一方面影響了膠凝材料的水化，另一方面降低了膠凝材料水化產(chǎn)物和骨料與骨料和骨料之間的結(jié)合程度，最終影響了磚的強(qiáng)度發(fā)展。水固比大于0.13時(shí)，物料過濕，磚成型后，隨著水分的蒸發(fā)，磚內(nèi)的孔隙率增大，密實(shí)度隨之下降，抗壓強(qiáng)度降低。實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)根據(jù)物料的含水率和成型工藝，選擇合適的水固比。
2.5專用防凍助劑的開發(fā)
我國北方地區(qū)通常對磚的抗凍性能要求較高，而再生骨料具有吸水率高的特點(diǎn)，凍融作用無疑是導(dǎo)致磚體結(jié)構(gòu)性能損傷的主要原因。因此，開發(fā)建筑垃圾磚的專用防凍助劑意義重大。
防凍助劑一般由防凍、早強(qiáng)、減水和引氣四組份構(gòu)成，各組分可用的物料都很多，本研究參考文獻(xiàn)資料，通過大量的試驗(yàn)，最終篩選出能顯著提高建筑垃圾磚體系抗凍性能的助劑：氯化鈣、萘系減水劑和引氣劑YQ-1。其中，氯化鈣不僅與水溶液有很低的共溶溫度，還能直接與水泥發(fā)生水化反應(yīng)，加速材料的凝結(jié)硬化和強(qiáng)度發(fā)展；萘系減水劑能減少建筑垃圾磚成型時(shí)的需水量，從而提高體系中鹽的濃度，進(jìn)一步降低體系的液相冰點(diǎn)及水結(jié)冰對磚形成的凍脹力；引氣劑YQ-1在原料拌合過程中形成微小密封氣泡，調(diào)整制品內(nèi)部的孔結(jié)構(gòu)，減緩冰凍脹力，改善磚的抗凍能力[5]。

本文利用正交試驗(yàn)方法，研究氯化鈣、萘系減水劑和引氣劑YQ-1對體系抗凍性能的綜合作用效果，找到顯著性影響因素和各因素的最佳摻量。試驗(yàn)中各因素的加量為水泥質(zhì)量的百分比，磚的其他組份固定為膠凝材料∶優(yōu)化級配骨料=16∶84，水固比0.12。試驗(yàn)結(jié)果以建筑垃圾磚35次凍融循環(huán)后的抗壓強(qiáng)度指標(biāo)評定，正交試驗(yàn)方案、試驗(yàn)結(jié)果和極差分析數(shù)據(jù)見表5，方差分析數(shù)據(jù)見表6，直觀分析效果見圖3。

正交試驗(yàn)結(jié)果的極差分析和方差分析數(shù)據(jù)說明：相比較而言，試驗(yàn)中三因素的影響效果中氯化鈣居首，其次是引氣劑YQ-1和萘系減水劑，氯化鈣是顯著性影響因素；正交試驗(yàn)結(jié)果的直觀分析圖可知：建筑垃圾磚經(jīng)35次凍融循環(huán)后的抗壓強(qiáng)度值隨著氯化鈣和萘系減水劑加量的增加而升高，且后期增長率均變緩；隨著引氣劑YQ-1加量的增加磚的抗壓強(qiáng)度值先升后降；氯化鈣對磚凍融后的強(qiáng)度影響最顯著。綜合考慮各因素的市場價(jià)格，最終確定專用防凍助劑的組分比例為氯化鈣74.5%、萘系減水劑25%、YQ-1引氣劑0.5%。
2.6工業(yè)化試驗(yàn)
在實(shí)驗(yàn)室研究的基礎(chǔ)上，選擇石家莊美城環(huán)保建材有限公司標(biāo)磚生產(chǎn)線進(jìn)行工業(yè)化試驗(yàn)，磚機(jī)采用振壓成型工藝，共計(jì)利用建筑垃圾再生骨料生產(chǎn)抗凍型標(biāo)準(zhǔn)磚500萬塊，試驗(yàn)中各物料組成比例見表7。

試驗(yàn)中物料按設(shè)計(jì)配合比分別計(jì)量后，送入雙螺旋強(qiáng)制攪拌機(jī)混合均勻，由皮帶輸送機(jī)輸送到磚機(jī)模具，振壓成型，自然養(yǎng)護(hù)至28d齡期，性能檢驗(yàn)結(jié)果和標(biāo)準(zhǔn)要求見表8，經(jīng)對比可知：工業(yè)化產(chǎn)品建筑垃圾標(biāo)準(zhǔn)磚抗凍性能優(yōu)異，其他各項(xiàng)性能滿足抗壓強(qiáng)度等級MU15、密度等級C級混凝土實(shí)心磚的標(biāo)準(zhǔn)要求。
3結(jié)論
本文以固體廢棄物礦渣和高鈣粉煤灰為主要原材料研制生態(tài)型水泥，基于混料設(shè)計(jì)原理找到建筑垃圾再生骨料的優(yōu)化級配，開發(fā)建筑垃圾磚抗凍助劑，成功地制備了抗凍型建筑垃圾標(biāo)準(zhǔn)磚；工業(yè)化產(chǎn)品的各項(xiàng)性能滿足《混凝土實(shí)心磚》GB/T21144—2007標(biāo)準(zhǔn)要求，抗壓強(qiáng)度等級為MU15；產(chǎn)品使用生態(tài)型水泥間接地減少了二氧化碳的排放，利用再生骨料節(jié)省了建筑垃圾的堆存占地，產(chǎn)品中固體廢棄物約占總物料的96%，實(shí)現(xiàn)了固體廢棄物的資源化利用，保護(hù)了自然生態(tài)環(huán)境。
參考文獻(xiàn)
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