PCSB固化建筑廢渣的路面基層性能研究

毛靜民，李色篆

(1武漢工程職業技術學院冶金工程系，武漢 430080;2.北京曠世達資源環境工程發展中心技術工程部，北京 100029)

1 建筑廢渣及應用

1.1 建筑廢渣來源

建筑廢渣來源主要有以下3方面:一是在建筑物新建過程中產生;二是在舊城改造時拆除和維修工程中產生;三是在地震、洪水、泥石流、戰爭等不可抗拒的災害中產生。據統計，我國每年因拆除、改造和新建工程產生建筑廢渣6億t［1］，其中每10 000 m2建筑的施工過程中，會產生建筑廢渣500～600 t，而拆除10 000 m2舊建筑，將產生7 000～12 000 t建筑廢渣。武漢市建委資料顯示，2007年武漢市的拆遷總規模達到580 m2，拆除產生的建筑廢渣高達650萬t。2008年5月12日汶川大地震一次產生建筑廢渣達數億t。玉樹、舟曲的地震和泥石流災害產生建筑廢渣也有上億t。

建筑廢渣主要由渣土、砂漿塊、混凝土塊、碎磚瓦、金屬、竹木、裝飾廢料、包裝材料等組成［2］。其中各種成分比例因其來源不同而有一定差異，如拆除磚結構建筑所得建筑廢渣以磚渣、砂漿塊、竹木為主，拆除混凝土框架建筑所得建筑廢渣以混凝土塊、鋼筋為主，總體上，各種建筑廢渣的組成比例相對穩定，如表1。

建筑廢渣產生后，一般被混入城市生活垃圾，通過轉運、露天堆放和簡單填埋的方式處理。根據對全國部分城市的調查情況來看，建筑廢渣的平均處理費用(不包含運輸費用)約為3.5元/t。按這個價格計算，近年來全國平均每年的建筑廢渣處理費用近20億元。

表1 建筑廢渣的組成成分及比例Table 1 Components and ratios of construction waste

1.2 建筑廢渣處理、應用現狀

國外由于長期重視投入和研發，其建筑廢渣資源化技術已經很成熟，產品種類和質量以及應用情況也相當好。日本、美國、德國等工業發達國家憑借經濟實力與科技優勢，實行“建筑垃圾源頭削減策略”，通過科學管理和有效控制將其減量化，對于產生的建筑廢渣則采用科學手段［3］，使其成為再生資源。

近些年來，上海、北京、武漢等地區的一些單位對建筑廢渣的回收利用作了一些有益的嘗試［4］。1990年7月，上海市第二建筑工程公司在市中心的“華亭”和“霍蘭”2項工程中收集建筑廢渣，經分揀、剔除、粉碎后，用作細骨料，與細砂摻合使用。河北工專新興科技服務總公司將碎磚瓦、廢鋼渣、碎石等作為填料，用于夯實擴張樁基礎。武漢城市環境工程有限公司將建筑廢渣加工成再生骨料、粉料，將其中再生骨料用于配制再生混凝土，粉料用于制作蒸壓磚。當前各方建筑廢渣回收生產流程如圖1。

圖1 建筑廢渣回收生產流程Fig.1 Process of construction waste recycling production

其中原料選擇環節要求在建筑廢渣堆場人工分揀竹木、紙板、包裝袋等雜物;通過初級破碎分離鋼筋混凝土，磁選機分揀廢鐵，自動分揀機分選塑料等非金屬雜物;通過預篩機將大塊建筑廢渣送入反擊式破碎機進一步破碎，小塊建筑廢渣送入分級篩篩分出粉料和不同粒徑的細骨料、粗骨料，其中粒度較大者，再送入沖擊式破碎機破碎，破碎后再返回到分級篩分級處理;最后，將骨料水洗、干燥后再做浸漬處理，才能獲得高性能再生骨料。

我國建筑廢渣處理中的問題如下:

(1)建筑廢渣分類收集的程度不高，回收種類少。僅回收鋼筋，而占建筑廢渣組成比例最大的廢混凝土、廢磚瓦被排棄，造成建筑廢渣回收利用率低;

(2)法規不健全、投資少造成建筑廢渣處理及資源化技術水平落后;

(3)建筑廢渣資源化技術不成熟，處理回收技術復雜、環節過多、費用過高;

(4)建筑廢渣因處理不當給城市環境帶來了以下影響和危害:①建筑廢渣隨意堆放，占用土地，降低土壤質量;②建筑廢渣轉運、堆放的過程中影響空氣質量、水域環境，產生二次污染;③建筑廢渣破壞市容、惡化城市環境衛生，存在安全隱患。

本文主要從建筑廢渣的基本性質入手，研究PCSB(Poly Chem Soil Binder)固化建筑廢渣的機理，將建筑廢渣與PCSB固化劑按照一定配合比摻和，制作試件，經過養護后測定其抗壓強度，研究其作為路面基層材料的性能，進而簡化建筑廢渣利用環節，降低建筑廢渣利用成本，探討利用建筑廢渣制作路面基層材料的可行性。

本文試驗所用的建筑廢渣取自于武漢市舊城改造工地，在取樣時，各成分參照表1的比例有所取舍，如去除竹木、金屬、包裝等雜物，樣品成分主要為磚塊、砼塊、渣土，用鄂式破碎機控制最大粒徑＜30 mm一次破碎，破碎后不篩分，直接使用。

2 PCSB固化建筑廢渣相容性分析

2.1 PCSB的基本性能

PCSB(Poly Chem Soil Binder)是含有聚合物的沙土固化劑［5］，具有水泥基膠凝材料的基本性能，在此基礎上特別能夠針對各類沙土(河沙、戈壁沙、山砂土、尾礦、廢渣、淤泥)實施固化，經固化的沙土具有優異的固化性能。近幾年，PCSB沙土固化工程的應用研究實例主要有馬來西亞西港極重負載道路(CT3)工程、天興洲整體護灘工程、南通道路工程、安慶老虎灘護灘工程、沙市三八灘應急守護工程、崔家營航電樞紐工程、泉州山砂土制磚、武鋼尾礦制作墻體材料、南昌頁巖(粉煤灰、鋰、鎳尾礦等)制磚、遵化鐵尾礦鋪路等。利用石灰石、白云石尾礦制作墻體材料的應用技術是PCSB應用的一項研究，2009年10月16日通過中國冶金礦山協會鑒定。鑒定認為，利用石灰石、白云石尾礦生產新型墻體材料填補了國內空白，達到了國內領先水平。此外還完成了2項發明專利。

PCSB沙土固化劑從國外引進后，針對國內各類固化對象進行了優化。表2和圖2、圖3為3種劑型的沙土固化劑材料試驗性能參數試驗數據。Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ劑型材料增長趨勢見圖2、圖3。

PCSB的優越性能使得將建筑廢渣加工成為道路基層(底基層)的鋪路材料成為可能。根據固化劑的特點和固化性能，廢磚塊、石、砌筑砂漿塊、抹灰砂漿塊、混凝土塊甚至泥土塊等不用分選，直接破碎，破碎后的集料不需篩分、級配，直接配料攪拌攤鋪。制備工藝異常簡單，如圖4。

圖4和圖1對比，應用PCSB技術簡化了建筑廢渣處理環節、降低了回收費用。

表2 沙土固化劑材料性能參數Table 2 Properties of sand hardener material

圖2 PCSB材料抗壓強度增長趨勢Fig.2 Relations between the compressive strength of PCSB material and the curing days

圖3 PCSB材料抗折強度增長趨勢Fig.3 Relations between the flexural strength of PCSB material and the curing days

圖4 用建筑廢渣制備道路基層(底基層)材料的工藝Fig.4 Preparation of road base(subbase)material by construction waste

2.2 PCSB固化建筑廢渣的作用機理

2.2.1 建筑廢渣的性能分析

普通黏土磚在高溫煅燒、冷卻的過程中會形成一些具有潛在活性的不定形的SiO2，Al2O3，Fe2O3等物質，黏土礦物原有的晶體結構被破壞形成鋁硅酸鹽結構，具有了很好的火山灰性質。廢磚瓦細料與固化劑作用，不僅能產生足夠的強度，而且能減小堿－硅反應，降低由此引起的固化塊膨脹，同時還能增強抗化學腐蝕性。廢混凝土含有一定的水泥凝膠、Ca(HO)2、未水化的水泥顆粒和CaCO3，分別具有形成CSH，CAH，CFH，作為水泥水化晶坯和繼續水化形成膠凝產物的能力。

對比建筑廢渣化學分析(表3)和XRD(X-Ray Diffraction)圖譜［6－7］，XRD 分析結果與原料的化學成分分析基本吻合，廢混凝土的主要成分為CaCO3和SiO2。黏土磚的主要晶相為石英，另外還有一小部分方解石和生石灰。廢混凝土渣和廢磚渣都具有一定的反應活性，其中廢磚渣的活性來自經高溫煅燒的活性SiO2，Al2O3和CaCO3，可與PCSB固化劑水化物形成CSH，CAH凝膠及碳式鈣釩石;廢混凝土渣中一方面水化硅酸鈣等礦物可作為晶胚促進水化，其中可能存在的未水化的水泥熟料顆粒在PCSB作用下繼續水化，另一方面，Ca(HO)2會與 SiO2，Al2O3，Fe2O3等玻璃態反應，進一步促進PCSB固化劑顆粒的水化，并且再次形成CSH，CAH，CFH晶體，因此，建筑廢渣在本質上存在被繼續利用的價值。

表3 建筑廢渣化學成分分析Table 3 Chemical components of construction waste

磚瓦碎塊呈現多孔狀，其表觀密度1.9～2.2 g/cm3，壓碎指標高、吸水率高，但破碎后的磚渣壓碎值20% ～40%，破碎粒徑越小，壓碎值越小。在固化劑作用下可以達到一定的抗拉、抗壓強度，用大顆粒磚塊作骨料的固化試件斷裂破壞與普通混凝土有所區別，破壞通常是集中通過集料，而不是繞過集料，單獨由磚瓦碎塊骨料制成的固化試件的性能不高。不過，當磚塊破碎粒徑越小，同時當磚渣與砼渣摻合后，磚渣的不利特性大大減少。試驗研究表明:當砼塊在建筑廢渣中的比例＞20%時，壓碎值＜30%;當砼塊在建筑廢渣中的比例＞35%時，壓碎值＜26%。

廢砼碎塊表觀密度和堆積密度分別為2.6和1.35 g/cm3，其吸水率處于4.2% ～9.1% 之間，壓碎指標在11.2% ～22.6%之間，能夠用作再生骨料。瀝青與固化劑膠結料有比較好的黏結性，建筑廢渣固化塊中摻入瀝青后在抗壓強度上有所減低，但韌性提高了，瀝青廢料可以用于建筑廢渣的固化［8］。

2.2.2 PCSB與建筑廢渣的相互作用

PCSB在固化建筑廢渣的過程中產生了多種作用(混合作用、聚合作用、水化作用、化學作用)的綜合過程是PCSB固化建筑廢渣的特點。

PCSB與建筑廢渣均勻混合并加水拌和后，PCSB中含有的聚合物微粒分散在混合料中，隨著固化劑水解和水化反應，水化產物CSH和CAH逐漸結晶，聚合物微粒逐漸封存在毛細管孔隙中。隨著水化水的排出，聚合物顆粒凝聚、成模，在建筑廢渣固化塊中形成聚合物與水化物互相穿透的網絡結構，骨料被粘結在其中，形成一個復合體。

磚渣、砂漿粉料中的活性SiO2和Al2O3發生二次水化反應，生成不溶于水的穩定結晶礦物，并進一步填充建筑廢渣中的孔隙。這些重新結合的微晶化合物，依靠比較強的化學鍵結合，構成結晶網狀結構，改善固化體骨架結構，增加了固化體的強度和水穩性。

建筑廢渣中的渣土顆粒很細，表面積大，有很強的吸附作用。當固化劑水化反應時，土粒表面便吸附溶液中的離子，形成一層液膜，液膜中的高價離子較低價離子更能有效地平衡土粒表面的電荷，發生離子交換吸附，產生絮凝作用，膠體顆粒發生聚結使土顆粒團聚，形成凝聚結構。這種結構的牢固性還必須用外力將拌和好的建筑廢渣、固化劑及水的混合松散料在水化、結晶、凝聚、膜結構形成前壓實成為整體，在最優含水下加適當的功能壓實到最大干密度。這樣顆粒間的距離減少，范德華力增加，對固化體初期強度起到積極的作用，也為固化體內部物理化學作用提供了有利的條件。

PCSB固化劑增強了固化體的性能，其膜結構封閉毛細管，粘結微裂紋，提高水化產物與骨料顆粒的黏結強度，增加建筑廢渣固化塊的沖擊韌性，改善吸水性能，減少軟化現象，增強抗凍性能，提高抗碳化能力和化學穩定性。聚合物在固化體中產生了網模結構性、減水性和緩凝性，使得PCSB固化建筑廢渣的各項性能可控。

分析PCSB固化劑作用機理，可以發現，在對建筑廢渣固化塊養護時，濕養有利于水解水化，干養有利于聚合物固化成膜。由此，能夠指導設計合理的養護制度［9－10］。

3 建筑廢渣的篩分、擊實

3.1 建筑廢渣的粒徑分析

對取樣、加工所得建筑廢渣進行粒徑分析，結果如表4、圖5。按道路基層顆粒級配標準，基本可劃分為標準2區和3區，因而該取樣、加工方案所得建筑廢渣顆粒料級配良好。這是因為在破碎時，磚渣與砼渣一起破碎，破碎后磚渣顆粒普遍小于砼渣顆粒，同時，取樣中磚渣與砼渣的比例控制在1∶1，砼塊在建筑廢渣中的比例達到40%。從顆粒分析表可見，中值粒徑在7.44 mm，平均粒徑6.87 mm左右，因而其壓碎值＜26%，實測壓碎值見表5，建筑廢渣在標準壓力下的壓碎值為16.44% ～24.56%。

表4 建筑廢渣顆粒分析表Table 4 Particle analysis of construction waste

圖5 建筑廢渣顆粒分析圖Fig.5 Particle analysis of construction waste

表5 建筑廢渣在不同壓力下的壓碎值Table 5 Crushing values of construction waste at different pressures

3.2 擊 實

擊實試驗是研究不同配合比的固化劑、建筑廢渣和水混合料在外力作用下達到最緊密結合的實現條件，以此試驗作為建筑廢渣固化試件成型的依據。在建筑廢渣中摻不同比例的PCSB固化劑，做重型擊實試驗，最佳含水量及最大干密度的試驗結果見表6。

表6 不同PCSB劑量試件最佳含水量和最大干密度Table 6 Optimum moisture contents and maximum dry densities of specimens with different PCSB doses

4 無側限7 d抗壓強度試驗

4.1 試件制備、養護

根據建筑廢渣最大粒徑，選用?×h=150 mm×150 mm圓柱試件，按擊實試驗所得最佳含水量、最大干密度以及對路面基層材料壓實度的要求對5%，6%，7%，8%，9%等不同PCSB固化劑摻量的建筑廢渣混合料成型，脫模后試件立即用塑料薄膜包覆。其中對5%，7%，9%固化劑摻量的試件自然養護，將6%，8%固化劑摻量的試件送至(25±2)℃，相對濕度大于95%的養護室保溫保濕養護。養護6 d后浸水24 h，測其7 d無側限抗壓強度(以下簡稱為飽水強度或強度)。另對8%固化劑摻量的建筑廢渣混合料延遲成型(延遲4 h)，測定試件的延時強度，以確定延時成型對試件強度的影響。對5%，9%固化劑摻量的試件自然養護后不浸水，測未飽水強度，以確定PCSB固化建筑廢渣的水穩定性能。

4.2 混合料配合比

從技術、經濟角度考慮，擬定5%，7%，9%等3個固化劑摻量的配合比，然后根據規定用途的無側限抗壓強度標準，通過試驗選取合適的固化劑、建筑廢渣、水3者混合料的配合比。

從表7可知，雖然養護溫度不高，PCSB穩定建筑廢渣的強度隨PCSB摻加劑量的增加而增加，當劑量由5%增加到7%時，7 d無側限飽水抗壓強度增長41%，當劑量由7%到9%時，7 d無側限飽水抗壓強度增長52%。

表7 不同配合比的自然(＜10℃)養護7 d無側限飽水抗壓強度Table 7 Unconfined compressive strengths of water-saturated specimen with different mix ratios after natural(＜10°C)curing for 7 days

表7中壓實度的數據是在試件制備后，按實際裝料量成型的試件測算的。實測的壓實度為0.89～0.92，未達到設計壓實度0.97。一般而言，試件強度與壓實度(成型密度)正相關，若提高壓實度，試件強度將會大幅度提高。表8中第1，2組試驗測試了相同摻量、相同養護條件下不同壓實度試件的7 d無側限抗壓強度，測試結果表明，壓實度增加對強度的貢獻巨大。

表8 6%，8%PCSB摻量的標養試件強度Table 8 Strengths of specimens with 6%and 8%of PCSB after standard curing

按照表7中7 d無側限飽水抗壓強度的檢測數據，5%，7%的PCSB穩定建筑廢渣分別能達到《固化類路面基層和底基層技術規程》(CJJ/T80—98)中城市次干路和支路、城市快速路和城市主干路的路面基層和底基層的抗壓強度標準。

4.3 養護溫度對強度的影響

對6%，8%PCSB固化劑摻量的試件進行標準養護(濕度95%，溫度25℃)，測7d無側限飽水抗壓強度，如表8。對比表7，較高的養護溫度大大提高了試件強度。

4.4 PCSB固化建筑廢渣的水穩定性能

PCSB固化建筑廢渣的水穩定性能通過試件在水中浸泡一段時間后其強度的變化來表征。表9為5%，9%PCSB固化劑摻量試件的飽水與不飽水性能對比，2組試件軟化系數均＞0.8，說明具有較好的抗水性能，其中，5%PCSB摻量試件的水穩性能尤其突出。不過，9%PCSB摻量飽水試件因壓實度較小，強度較小，其抗水性能未得到應有的發揮。

表9 PCSB固化建筑廢渣的水穩定性能Table 9 Water stability of construction waste cured by PCSB

4.5 PCSB固化建筑廢渣延遲成型性能

對8%PCSB固化劑摻量的建筑廢渣混合料延遲4 h成型試件，測定PCSB延遲固化的性能，如表10。延遲成型試件強度較即時成型試件強度損失率為6.89%，滿足《土壤固化劑》(CJ/T3073—1998)中＜10%的要求。PCSB固化建筑廢渣延遲成型性能較水泥好，是因PCSB固化建筑廢渣的性能可控。

表10 PCSB固化建筑廢渣延遲成型性能Table 10 Formability of construction waste cured by PCSB in delayed formation

5 建筑廢渣路面基層材料與水泥穩定土的對比

利用建筑廢渣制備路面基層材料，并將其與水泥穩定土(碎石土)相比，有不同特點，如表11。

表11 建筑廢渣路面基層材料與水泥穩定土的對比Table 11 Comparison between construction waste road base material and cement stabilized soil

兩者原料來源不同，建筑廢渣只需一級破碎，不用篩分，碎石土雖然是建材生產中篩下物，但經過級配，其費用大體相當;兩者鋪筑工藝相似，鋪筑工藝成本相差不大;建筑廢渣路面基層材料的原料來自市內拆遷工地，運送費用略低于從市外到市內;固化劑成本大于水泥，但是建筑廢渣路面基層材料因消納利用了廢渣，而節省了廢渣的清運費。從對比中可看出建筑廢渣制備路面基層材料的總成本略小于碎石土作為水泥穩定土的總成本。

6 結論

通過以上分析可以看出:

(1)PCSB固化劑固化建筑廢渣具有較好的相容性。PCSB特有的固化機理使得PCSB固化建筑廢渣的性能(水穩性能、凝結時間等)可控;

(2)PCSB固化建筑廢渣強度隨PCSB固化劑劑量、PCSB建筑廢渣混合料的壓實度、齡期及養生溫度增加而增長;

(3)PCSB固化劑穩定建筑廢渣的飽水養生強度能滿足路面基層強度的基本要求，5%，7%的PCSB穩定建筑廢渣能達到《固化類路面基層和底基層技術規程》(CJJ/T80—98)中城市次干路和支路、城市快速路和城市主干路的路面基層和底基層的抗壓強度標準。

(4)利用PCSB固化建筑廢渣的技術開發建筑廢渣路面基層(底基層)材料，較建筑廢渣的其他應用(制磚、再生骨料等)工藝簡單，成本低廉。PCSB建筑廢渣路面基層(底基層)材料具有優異的性能，綜合成本略低于石屑(碎石)路面基層材料。

［1］唐 沛，楊 平.中國建筑垃圾處理產業化分析［J］.江蘇建筑，2007，(3):57 －60.(TANG Pei，YANG Ping.China Construction Waste Disposal Industry Analysis［J］.Jiangsu Construction，2007，(3):57 － 60.(in Chinese))

［2］吳賢國，李惠強，杜 婷.建筑施工廢料的數量、組成與產生原因分析［J］.華中理工大學學報，2000，(5):96 － 100.(WU Xian-guo，LI Hui-qiang，DU Ting.Construction Waste Quantity，Composition，and Cause Analysis［J］.Journal of Huazhong University of Science and Technology，2000，(5):96 －100.(in Chinese))

［3］GRUBI P，NEALEN A.Construction of an Office Building Using Concrete Made from Recycled Demolition Material［J］.Aus Darmstadt Concrete，1998，13:263 － 273.

［4］陸凱安.利用建筑垃圾減少環境污染［J］.北京節能，1999，(4):39 － 40.(LU Kai-an.Construction Waste to Reduce Environmental Pollution［J］.Beijing Energy Conservation，1999，(4):39 －40.(in Chinese))

［5］李色篆，毛靜民，涂勇剛，等.PCSB固化劑材料應用研究［J］.巖石力學與工程動態，2011，(2):56 －66.(LI Se-zhuan，MAO Jing-min，TU Yong-gang，et al.Hardener Material Applied Research［J］.Rock Mechanics and Engineering Trends，2011，(2):56 －66.(in Chinese))

［6］周秀苞，李昌勇.建筑垃圾作水泥替代原料的易磨性和易燒性研究［J］.環境科學與技術，2009，132(6):87－89.(ZHOU Xiu-bao，LI Chang-yong.Grindability and Easy Burning of Construction Waste as Cement Replacement Materials［J］，Environmental Science ＆ Technology，2009，132(6):87 －89.(in Chinese))

［7］楊久俊，張茂亮，張 磊，等.非蒸養建筑垃圾磚的制備研究［J］.混凝土與水泥制品，2007，(4):53－55.(YANG Jiu-jun，ZHANG Mao-liang，ZHANG Lei，et al.Non-steam Curing Preparation of Construction Waste Brick ［J］.China Concrete and Cement Products，2007，(2):53 －55.(in Chinese))

［8］魯 飛.建筑渣土作為路基填料的應用研究［J］.路基工程，2005，(3):50 － 54.(LU Fei.Applied Research of Construction Wastes Subgrade［J］.Subgrade Engineering，2005，(3):50 －54.(in Chinese))

［9］OHAMA Y.Polymer-Based Admixtures［J］.Cement Concrete Composites，1998，20:189 －212.

［10］OLLITRAULT-FICHET R，GAUTHIER C，CLAMEN G，et al.Microstructural Aspects in a Polymer-Modified Cement［J］.Cement and Concrete Research，1998，28(12):1687－1693.