建筑廢棄黏土磚資源化綜合利用綜述

劉榮濤，朱建輝,2，朱瑋杰，張 偉，吳文瀚

(1.西安建筑科技大學材料科學與工程學院，西安 710055；2.陜西循環經濟工程技術院，西安 710055)

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建筑廢棄黏土磚資源化綜合利用綜述

劉榮濤1，朱建輝1,2，朱瑋杰1，張 偉1，吳文瀚1

(1.西安建筑科技大學材料科學與工程學院，西安 710055；2.陜西循環經濟工程技術院，西安 710055)

我國建筑垃圾年產量巨大，其中廢棄黏土磚占建筑垃圾總量的大部分，但有效利用率卻很低。從廢棄黏土磚自身屬性出發，綜述了廢棄黏土磚用作粗細骨料和活性材料資源化利用的研究現狀。廢棄黏土磚通過合理途徑改善滿足使用要求，提高了廢棄粘土磚的綜合利用率，對解決目前建筑垃圾圍城的窘境具有非常重要意義。

建筑垃圾； 廢棄黏土磚； 資源化利用

1 引 言

近些年來，隨著國民經濟穩步發展以及城鎮化進程加快，各項基礎設施建設和舊房改造工程隨處可見，帶來建筑行業高速發展。目前建筑垃圾來源于三個方面：舊城改造、建筑施工以及地質災害。據國家發改委發布的《中國資源綜合利用年度報告》指出：目前我國每年產生的建筑垃圾約10億噸，而其利用率卻不足5%[1]。在這些建筑垃圾中，廢棄黏土磚、混凝土和砂的總量占到98%，這三種組分皆具有再生資源化利用的屬性，可再生利用。其中，廢棄黏土磚產生量占到建筑垃圾總量的50%以上[2,3]。因此，進行建筑垃圾中廢棄黏土的資源化利用研究具有非常重要的現實意義和長遠的社會意義。由于黏土磚自身的物理和化學屬性，決定了其具有吸水率大、壓碎指標大[4]，具有潛在活性[5]等特點。因此，目前國內外主要研究方向集中于兩方面：一方面是將黏土磚破碎篩分作為混凝土粗細骨料，另一方面是通過激發提高黏土磚粉活性，將其作為活性材料使用。

2 廢棄黏土磚作為混凝土粗骨料

骨料強化方面。劉軍等[6]分別利用水泥凈漿和水泥砂漿對磚骨料進行表面預處理，認為用涂漿預處理法來改善磚粗骨料的性能是可行的，處理后再生磚骨料的吸水率和壓碎指標均有所降低，通過對比認為水泥砂漿預處理方法優于水泥凈漿預處理方法。此外，馬欣等[7]通過有機漿液浸漬改性磚骨料的研究表明磚骨料經有機漿液浸漬處理后所配制的混凝土抗壓強度并無明顯提高，但骨料吸水率明顯降低，進而改善再生混凝土的收縮性。

力學性能方面。大量研究表明，通過優化配合比設計以及骨料預濕或附加用水量等手段，利用廢棄黏土磚全部或部分替代天然粗骨料制備混凝土是可行的，其力學性能可以滿足設計要求[8]。研究認為影響廢棄黏土磚再生混凝土力學性能的主要因素是再生粗骨料的級配、取代率、水灰比、砂率、附加用水量等，多數學者一致認為[9,10]影響廢棄黏土磚骨料再生混凝土抗壓強度的首要因素是再生骨料取代率，隨著取代率的增大，廢棄黏土磚再生骨料混凝土抗壓強度逐漸降低，這一點與天然骨料混凝土水膠比是主要因素不同。廢棄磚骨料配制的高強度等級混凝土不能完全達到強度要求[11]，主要是因為廢棄黏土磚骨料強度低、彈性模量小所致，廢棄黏土磚再生粗骨料混凝土破壞過程中，水泥石往往是從骨料劈裂開始，而與天然骨料混凝土從界面開始破壞不同。因此多數學者認為廢棄黏土磚骨料適宜配制低強度等級(C40以下)的再生混凝土。

此外，由于黏土磚吸水率大且表面粗糙等原因導致配制的再生骨料混凝土和易性欠佳，還有很多研究集中在通過附加用水量、摻加粉煤灰或硅灰等骨料表面改性改善其工作性能。研究發現摻入部分粉煤灰對改善再生骨料混凝土的流動性是有幫助的。通過附加用水量的辦法在一定程度上改善混凝土和易性，但總體來說效果不甚理想，這主要是因為黏土磚骨料拌合時的吸水率小于自身吸水率導致混凝土流動性不好，增大附加用水量又會導致混凝土離析泌水等現象的發生。

與普通混凝土相比，廢棄黏土磚骨料再生混凝土對抗凍性能沒有較大影響。混凝土的凍害是以水泥漿體的剝落為主，而不是磚骨料的破壞[12]，這是因為廢棄磚骨料混凝土遭遇凍害時磚骨料表面的空隙可以緩解因水結冰產生的體積膨脹壓力。當凍融循環次數達到一定限值后，混凝土表面水泥漿體脫落，黏土磚骨料開始裸露[13]。

黏土磚骨料表面的缺陷為離子的擴散提供了通道，這使得再生磚骨料混凝土抗氯離子滲透性能下降，因此可以通過降低骨料孔隙并減少裂紋，以提高抗氯離子滲透性能。趙書峰[14]采用砂漿裹覆再生磚骨料處理后骨料的孔隙率明顯降低，骨料與水泥漿體之間界面過渡區黏結性能增強，提高了骨料與漿體之間的密實性，減少了氯離子進入的通道，增強了廢棄磚骨料混凝土抗氯離子滲透性能。水泥中活性混合材的摻入能夠填充磚骨料的空隙，活性混合材中含有的活性氧化硅(SiO2)和氧化鋁(Al2O3)能與水泥熟料水化反應生成的氫氧化鈣(CH)二次水化反應生成水化硅酸鈣(C-S-H)凝膠,使得天然粗骨料與再生骨料之間黏結緊密，改善了磚骨料表面的空隙和裂紋結構，同樣使得再生磚骨料混凝土抗氯離子滲透的性能得到提高。粉煤灰和硅灰單摻時，硅灰效果優于粉煤灰，而兩者的復摻可以發揮“疊加效應”對界面過渡區的強化和致密效果更佳。

目前尚無專門針對廢磚骨料混凝土抗滲性的相關報道，Levy S M[15]的研究表明，再生磚骨料混凝土的滲透性高于普通混凝土，這可能與磚骨料表面的缺陷有關。Dhir R K[16]認為，粗集料取代率小于30%時，再生混凝土抗滲性能降低不大。

Levy S M[15]等觀察到破碎磚取代相同體積的天然粗骨料時，可以發揮自養護作用：在拌合初期，磚骨料可以將拌合的水保留在自身的孔結構中，隨著養護時間的延長，逐漸釋放出其中的水分。由于這種內部水分的存在，在水泥水化的過程中，會延緩干縮現象的出現。

綜上所述，筆者認為，雖然廢棄黏土磚骨料在強度、工作性能和耐久性等方面均存在一些不足，但通過合理的配合比設計以及摻入礦物摻合料、引入外加劑、改變混凝土攪拌工藝等手段，可以配制低強度等級混凝土。

3 廢棄黏土磚作為混凝土及砂漿用再生細骨料

目前對廢棄黏土磚再生細骨料的研究多集中于力學性能方面。國內外學者研究表明[17-20]，在一定范圍內摻入廢棄黏土磚再生細骨料對砂漿或低強度等級混凝土強度的影響不大，可以滿足力學性能要求。甚至還有學者在利用廢棄黏土磚再生細骨料取代部分天然細骨料研制低強度等級混凝土、砂漿以及輕質墻體材料后發現了力學性能有所提高的現象[21-23]。這主要是因為，一方面，廢棄黏土磚細骨料具有不規則的多棱角形貌，相對于天然細骨料更容易搭接交聯形成穩固的空間網絡結構，同時天然砂可以很好地進入廢磚顆粒間的孔隙中，提高了體系的致密度。另一方面，在水泥漿體水化初期，廢棄黏土磚再生細骨料的摻入，能夠較多地吸收體系中的水分，產生的真空吸壓效應有效減小了水泥漿體與集料之間的距離，提高了水泥漿體與集料之間的黏結強度，在水泥水化過程中廢棄黏土磚細骨料又將水分緩慢釋放，起到自養護作用有利于水泥水化，同時廢棄黏土磚細骨料具有火山灰活性，水泥水化產物中的Ca(OH)2可作為激發劑與磚中的SiO2、Al2O3發生二次水化反應，生成新的水硬性產物，進一步提高了廢棄黏土磚細骨料與水泥漿體之間的界面強度。

在砂漿和易性方面，廢棄黏土磚再生細骨料的摻入導致砂漿流動性下降，這是由于磚粉與天然砂相比孔隙率高，吸水性強所致；另一方面廢棄黏土磚再生細骨料比表面積較大，需水量增大，減少了砂漿中的有效水，使得再生砂漿的流動性下降，但取代率在30%以下時，砂漿仍具有一定的工作性。研究還發現，廢棄黏土磚再生細骨料的摻入有利于提高砂漿保水性，但須控制取代率以免發生干縮開裂[24,25]。

由于黏土磚輕質、多孔等特點將其應用于墻體材料也成為研究熱點。程海麗等[26,27]對廢棄黏土磚細骨料制備墻體材料進行了大量研究，認為廢棄黏土磚再生細骨料可替代天然砂應用于墻體材料中，所研制的墻體材料強度、密度、抗凍性及導熱系數均滿足國家相關標準要求，同時廢棄黏土磚細骨料的摻入有利于改善墻體材料耐久性。此外，Alibdo A A等[28]研究還發現隨著廢棄黏土磚再生細骨料摻量的增加，混凝土孔隙率增大，聲音傳播速度減小。

綜上所述，筆者認為廢棄黏土磚作為再生細骨料雖然對砂漿流動性有所影響，但在一定摻量范圍內其工作性能和力學性能仍然滿足要求，也可以摻入合適外加劑改變砂漿工作性能。將黏土磚應用于墻體材料時，其各項性能指標也符合國家標準要求。

4 廢棄黏土磚粉作為活性材料

廢棄黏土磚粉具有潛在活性，可以通過物理和化學途徑激發。廢棄黏土磚經過機械粉磨這種最常用的物理激發方式，使磚粉中的存在活性氧化硅(SiO2)和氧化鋁(Al2O3)，同時提高了磚粉的填充效應和堆積效應，從宏觀上提高了磚粉活性[29]。韓濤等[30]的研究也證明了上述觀點，但同時指出廢棄黏土磚粉的活性并不是很高，認為是由于廢棄黏土磚的燒結溫度與燒黏土接近，其礦物組成主要為無定形SiO2、Al2O3和鋁硅酸鹽玻璃體，其中的活性SiO2含量不高所致。此外，不少學者通過化學激發途徑提高磚粉活性，蘆靜等[31]的研究表明利用Ca(OH)2對磚粉改性可以彌補磚粉少鈣的缺陷，還可以增加體系的堿度，促進水泥漿的強度發展。劉香等[32]的研究則說明石膏可以激發磚粉的活性，同時適量石膏可使鈣礬石的生成量增大，有利于提高混凝土強度。曹素改等[33]認為磚粉中摻入礦粉可以增強復合粉中的鈣含量，改善缺陷，礦粉自身的高活性和顆粒填充效應，使得激發后的磚粉活性更高。

Naceri A等[34]認為磚粉的加入降低了早期強度，但引入的Al2O3和SiO2，改變了CaO/SiO2的比值，可以在養護后期與水泥水化產生的Ca(OH)2繼續水化，由此改善了膠砂的后期強度。韓濤等[30]的研究發現，磚粉作為混合材摻入對水泥的漿體的標準稠度需水量和凝結時間產生影響。葛智[35]認為磚粉用作混合材取代水泥可以降低混凝土的自收縮。

磚粉能夠改善水泥基材料孔結構，有利于提高耐久性。Farrell M O等[36]研究了砂漿中摻入磚粉后孔的體積和尺寸分布的情況：隨著磚粉摻量的增加，砂漿早期的孔徑較大，細孔較少，隨著養護時間的增加，90 d以后孔徑減小，細孔增多。這是由于磚粉與水泥水化產生的氫氧化鈣(CH)發生反應引起的火山灰質效應形成了多余的水化硅酸鈣(C-S-H)凝膠，這些凝膠就會進入孔中，細化孔結構，打斷了毛細孔之間的連通，降低了砂漿的孔隙率。Wild S等[36]研究了磚粉在30%摻量的范圍內，隨著摻量的增加，抗硫酸鹽侵蝕能力也隨之增強，這是由磚粉中的化學組成和相組成決定的。磚粉中少量的SO3含量可以提高砂漿抵抗硫酸鹽侵蝕的能力。并且玻璃相中的CaO的含量是抗硫酸鹽侵蝕的關鍵因素，這是因為玻璃相中低的CaO經常長時間的火山灰質反應會產生水化硅酸鈣(C-S-H)凝膠和少量的水化鋁酸鈣，而高含量的氧化鈣(約10%左右)在反應過程中會生成大量的鋁酸鈣，在硫酸鹽的作用下會形成大量的膨脹體硫鋁酸鈣。馮杰等[37]認為磚粉有利于改善混凝土抗氯離子滲透和抗碳化方面的性能。鄭麗等[38]的研究表明磚粉有利于改善混凝土的抗凍性，300次凍融循環后，混凝土質量損失率很小，抗折強度變化不大。

磚粉能夠抑制堿骨料反應的發生。Fatih B[39]使用磚粉取代部分水泥制備混凝土研究摻入磚粉的堿骨料反應，結果表明磚粉的摻入有效的減少了堿骨料反應引起的膨脹。這是因為黏土磚粉的加入改變混凝土和膠砂體系中的堿骨料反應化學過程，產生了高堿性的和低鈣的凝膠，這些凝膠的膨脹率較低，因此磚粉可以作為堿骨料反應的抑制成分有效的降低混凝土中的堿骨料反應引起的體系膨脹。Turanli L等[40]認為堿硅反應減少膨脹的原因在于磚粉的火山灰質活性，磚粉的水化可以改善孔的結構，減少離子的移動，并且磚粉的水化可以消耗掉氫氧化鈣(CH)，而且阻斷了富硅區的堿的進入。

5 結 論

綜合目前國內外對廢棄粘土磚的研究進展，廢棄黏土磚作為粗細骨料和活性材料使用中仍然存在較多不足，但通過合理改善途徑仍可滿足使用要求，提高了廢棄粘土磚的綜合利用率，從而對解決目前建筑垃圾圍城的窘境，具有十分重要的意義。

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Comprehensive Research on Utilizing the Wasted Building Clay Brick

LIURong-tao1,ZHUJian-hui1,2,ZHUWei-jie1,ZHANGWei1,WUWen-han1

(1.School of Material Science and Engineering,Xi'an University of Architecture and Technology,Xi'an 710055，China；2.Shaanxi Techno-Institute of Recycling Economy，Xi'an 710055，China)

The building waste production is huge in China, the waste clay brick accounted for most of the total construction waste,but the effective utilization rate is lower. Starting from the waste clay brick own properties, summarizes the research status of the waste clay brick is used as coarse/fine aggregate and active material. Waste clay brick will be meet the requirement by reasonable way, improving the comprehensive utilization of the waste clay brick. It is very important significance to solve the dilemma in the construction waste.

building waste;waste clay brick;resource utilization

陜西省2016年社會發展科技攻關項目(2016SF-416)

劉榮濤(1990-)，男，碩士研究生.主要從事建筑垃圾資源化利用與研究.

朱建輝，講師.

TU528.45

A

1001-1625(2016)10-3191-05