多因素對工程渣土免燒磚性能影響研究

馮志遠，黃遠洋，羅霄，羅剛，黃啟林

（深圳市建筑科學研究院股份有限公司，廣東 深圳 518000）

0 引言

近年來，我國城市發展很快，拆除大量既有建筑，開挖地下空間，產生了大量的建筑垃圾。按CJJ/T 134—2019《建筑垃圾處理技術標準》將建筑垃圾分為五大類：拆除垃圾、工程渣土、工程泥漿、工程垃圾、裝修垃圾。根據中國建筑垃圾管理與資源化工作委員會副主任陳家隴教授統計，住房和城鄉建設部在全國開展建筑垃圾治理試點工作的35個城市（區），2018年建筑垃圾的產生量為13.15億t、2019年產生量為13.69億t，以此推算2020年全國建筑垃圾年產生量已超過35億t。

據深圳市住房和建設局測算，2017~2020年深圳市建筑垃圾產生總量約3.97億m3。年均產生量約9920萬m3，其中政府投資項目工程渣土約6450萬m3，社會投資項目工程渣土約2700萬m3，拆除垃圾約770萬m3。單是工程渣土一項，僅統計到的建設項目，深圳市每年產生量就達到了9150萬m3，這一數量是很驚人的[1]。

城市的飛速發展帶來巨量的工程渣土，目前處置方式主要是空地堆填。深圳市2015年12月20日發生的“光明滑坡事件”，充分暴露了這種處置方式不但占用寶貴的土地資源，還存在極大的安全隱患。按照無廢城市建設理念，固體廢棄物應實現無害化、資源化處置。工程渣土必須改變堆填處置現狀，走向資源化利用的道路。

水亮亮等[2]針對南京南部新城市政基礎設施建設過程中工程渣土產生量巨大、特性差異大、強度低及外運成本高等特點，結合新城內道路工程建設對筑路填料的巨大需求，提出了工程渣土廠拌固化改良后用于道路工程的成套技術方案。經前期調研、室內試驗、試驗段實施及檢測，結果表明：利用工程渣土制備的固化渣土混合料是一種性能良好的筑路材料，所鋪筑路基的水穩定性及整體性良好，固化渣土在道路工程中資源化利用技術方案可行。

周永祥等[3]研究了工程渣土中加入水泥或固化劑作為膠凝材料，按照混凝土的生產工藝加工成流態固化土，測試7、28、56 d無側限抗壓強度顯示，有3種固化劑固化土強度明顯高于摻水泥成型的固化土強度，性能指標滿足工程施工要求。

本研究采用工程渣土、水泥和固化劑通過特定的設備拌和、壓制、自然養護，加工成免燒標準實心磚，按相關標準測試其3、28 d抗壓強度以及軟化系數，探索適宜的膠凝材料種類及摻量。

1 原材料與試驗方法

1.1 原材料

1.1.1 工程渣土

工程渣土成分各地區差異很大，本試驗工程渣土為南方地區典型工程渣土，取自深圳建科院未來大廈項目基坑2 m深土層，主要成分為紅色黏性土，含砂率（公稱粒徑0.63~5.00 mm的顆粒）49%，基本無人類活動雜質。

采用螺旋洗砂機將工程渣土進行泥砂分離，泥漿通過板框式壓濾機濾水，得到的泥餅中含有少量0.6 mm以下細砂顆粒；再通過回添分離出來的水洗砂配成不同含砂率的工程渣土作為試驗原料樣品。

1.1.2 水泥

試驗采用羅浮山P·O42.5、P·O52.5兩個型號水泥進行試配，經檢測安定性合格，技術性能見表1。

表1 水泥的主要技術性能

1.1.3 固化劑

現有的固化劑大體分為4大類：石灰水泥類固化劑、礦渣硅酸鹽類固化劑、高聚物類固化劑、電離子溶液類固化劑。本試驗選用2種固化劑作對比，分別是：泉州某公司高聚物型固化劑、深圳某高校研制的水泥基固化劑。

1.1.4 水

成型機對混合料干濕度要求較高，太濕會導致粘模、癱軟不易成型，太干時會散掉，且后期水泥難以充分水化反應。混合料須為干硬性。經試驗，混合料維勃稠度為45~65 s時，效果較好。因此本實驗只控制物料干濕度，不分析水灰比。試驗用水為市政自來水。

1.2 試驗設備及成型工藝

采用行星式碾輪攪拌機，該攪拌機可以將土顆粒碾碎；同時與攪拌葉片配合將注水后粘結成團的物料攪散拌勻。

采用泉州某公司靜壓式液壓固化成型機，型號300T-1×6，實際作用力約為額定的80%。制備標準尺寸磚（240 mm×115 mm×53 mm）時1次成型6塊，作用在橫截面（橫截面為條形面：240 mm×53 mm）的壓強約180 MPa，成型后放置在實驗室內，4、24 h后表面分別灑水養護1次。實驗室溫度為（25±3）℃、相對濕度為（50±15）%。

1.3 試驗方法

抗壓強度、軟化系數及浸泡海水軟化系數均參照GB/T 4111—2013《混凝土砌塊和磚試驗方法》進行。軟化系數及浸泡海水軟化系數除按標準規定測試浸泡4 d數據外；再分別測試浸泡28 d數據進行對比分析。海水取自深圳市紅樹林公園海岸，氯離子濃度為1.12%。

2 多因素影響試驗與結果分析

2.1 初選試配

2.1.1 不同固化劑試配對比

固化劑按廠家建議的摻量進行試配，對比分析產品性能，從而確定較優固化劑。G1-泉州某公司高聚物型固化劑、G2-深圳某高校研制的水泥基固化劑。

人工篩分、配制成含砂率25%的工程渣土100 kg、羅浮山P·O42.5水泥15 kg，對2種固化劑進行工程渣土免燒磚試配對比，其中G1固化劑2.0 kg（按照推薦摻量為工程渣土的2%）、G2固化劑15 kg（推薦摻量與水泥摻量相等）。測試3 d（自然養護）抗壓強度、對比試件（自然養護7 d）抗壓強度、4 d浸泡試件（自然養護3 d后再于25℃水中浸泡4 d）抗壓強度，試驗結果見表2。

表2 不同固化劑試配對比試驗結果

由表2可見，G2固化劑試件整體抗壓強度較高，主要原因是該固化劑成分是水泥基，摻量較大，相當于大幅提高了水泥摻量。但其軟化系數較低，因此選用G1固化劑作進一步試驗研究。

2.1.2 不同水泥試配對比

采用人工篩分、配制成含砂率25%的工程渣土100 kg、G1固化劑2.0 kg，對羅浮山P·O42.5、P·O52.5兩種水泥采用12%、15%、18%三種不同摻量進行試配，對比工程渣土免燒磚3 d抗壓強度，試驗結果見表3。

表3 不同水泥試配工程渣土免燒磚3 d抗壓強度MPa

由表3可見，采用P·O52.5水泥的樣品抗壓強度略高，但相同配合比下兩組樣品整體相差并不明顯。市場上P·O52.5水泥價格高于P·O42.5水泥，從節省成本考慮，建議采用P·O42.5水泥生產。

2.2 正交試驗

2.2.1 正交試驗設計及結果

試驗采用羅浮山P·O42.5水泥，泉州某公司高聚物型固化劑，工程渣土采用人工篩選、配制成20%、25%、30%三種含砂率。本軟化系數試驗方法為：從成型28 d后樣品中選3組試件，每組10個。第1組放入淡水中浸泡，第2組放入海水中浸泡，第3組為對比試件，放置于實驗室自然環境中。4 d后每組測試5個試件的抗壓強度，結果取算術平均值，計算4 d淡水環境軟化系數、4 d海水環境軟化系數；28 d后測試剩下5個試件的抗壓強度，結果取算術平均值，計算28 d淡水環境軟化系數、28 d海水環境軟化系數。

正交試驗因素水平設計見表4，正交試驗結果見表5。

表4 正交試驗因素水平

表5 正交試驗結果

2.2.2 正交試驗結果分析（見表6）

表6 正交試驗極差分析

由表6可以看出，在試驗摻量范圍內，試件抗壓強度隨著含砂率（A）、水泥摻量（B）、固化劑摻量（C）的增加而提高，影響因素主次順序為：水泥摻量（B）＞含砂率（A）＞固化劑摻量（C）。工程渣土免燒磚作為水泥制品，強度主要來自水泥水化反應形成的凝膠，將渣土中的砂顆粒與微小泥粉顆粒包裹起來，形成致密的固化結構，隨著水泥摻量的增加，形成的固化結構增多，抗壓強度提高。

影響4 d軟化系數（淡水）的因素主次順序為：固化劑摻量（C）＞含砂率（A）＞水泥摻量（B），影響28 d軟化系數的因素主次順序變為：固化劑摻量（C）＞水泥摻量（B）＞含砂率（A）。固化劑可以降低渣土顆粒間的排斥力，破壞顆粒吸附水膜，提高顆粒間的吸附力，減少渣土顆粒間隙含水量，有利于水泥水化后將渣土顆粒充分包裹形成致密結構。

2.3 長期浸泡抗壓強度測試

正交試驗2#的樣品，成型28 d后另外選3組試件，第1組放入淡水中浸泡，第2組放入海水中浸泡，第3組為對比試件放置在實驗室自然環境中。180、360 d后分別測試抗壓強度，并計算對應的軟化系數。

本次測試結果與前述正交實驗中4、28 d軟化系數試驗數據一起列于表7。

表7 長期浸泡性能測試結果

由表7可知，3種環境下試件的抗壓強度隨著齡期延長均有所提高，浸泡在海水中的試件強度增長最多。因為海水中有較高濃度的氯化鈉、氯化鎂等氯化物，這是電離子溶液類土壤固化劑的重要組成成分。試件浸泡時，氯化物起到了固化劑作用，破壞了渣土顆粒附水膜，降低顆粒間隙水，起到了提高試件強度的作用。

3 結語

（1）水泥摻量對工程渣土免燒磚抗壓強度的影響最大；固化劑摻量對軟化系數影響較大；宜采用含砂率25%的工程渣土，摻入15%~18%P·O42.5水泥、2%高分子聚合物類固化劑生產工程渣土免燒磚。

（2）浸泡4 d后試件抗壓強度下降幅度較大，軟化系數小于0.80；持續浸泡到28 d，強度會有所回升，軟化系數達到0.8以上；隨著浸泡時間延長，抗壓強度持續增長，尤其是在海水中強度增長更明顯；工程渣土免燒磚適用于海邊、低洼潮濕環境。

（3）本試驗采用行星式碾輪攪拌機和靜壓式液壓成型機專用設備，試件制備過程與實際生產一致，具有指導生產的實際意義。