装修/拆房垃圾低品物料再生免烧砖研究

2022-05-05罗佳杰周德生郑奇腾冯世进

环境卫生工程 2022年2期

罗佳杰，周德生，唐佶，李津，郑奇腾，冯世进

（1. 上海老港废弃物处置有限公司，上海 201302；2. 同济大学土木工程学院地下建筑与工程系，上海 200092）

1 引言

随着我国城市化进程的加快，城市化率迅速增长，装修和拆房垃圾的产生量与日俱增。据相关部门统计，2018 年上海市装修和拆房垃圾的年平均产生量分别为5.3×106t 和6.6×106t［1］，且由于人们生活品质的提高，居民房屋装修频率达到平均15～20 a/次，导致装修垃圾产生量呈稳步增长态势。以上海为例，全市建筑垃圾组分逐渐由以废旧混凝土、桩孔泥浆等拆房垃圾为主，转变为装修垃圾和拆房垃圾并重的状态［2］。

堆放和填埋是建筑垃圾处置的主要途径［3］，不仅破坏生态环境，浪费大量资源，耗费土地征用费，还增加了额外的垃圾清理成本［4］。根据2018 年开始施行的《上海市建筑垃圾处理管理规定》，要求建筑垃圾处理遵循“减量化、资源化、无害化”理念，按照“全品种、全过程、全方位”的管理思路，完善建筑垃圾分类管理要求，重塑建筑垃圾管理流程和制度，重构建筑垃圾收运处置体系，促进建筑垃圾处理管理的法治化、规范化和精细化。

上海老港再生建材利用中心，配备有装修/拆房垃圾处理生产线，是全市建筑垃圾处理设施应急期的托底保障设施。该生产线处理流程如图1所示，经过“二次破碎+四次筛选”流程，最后可产出高品质混凝土骨料、不同粒径的再生骨料、各类金属和难以利用的低品废料（如除尘灰和灰渣）。设计建筑垃圾的处理规模为3 000 t/d（约合1.0×106t/a），其中装修垃圾为2 000 t/d，拆房垃圾为1 000 t/d；处理后可产生骨料2 166 t/d、灰渣375 t/d 和除尘灰180 t/d（低品废料占比18.5%）。

图1 上海老港再生建材利用中心处理线流程示意Figure 1 Process flow schematic of Shanghai Laogang recycled materials utilization center

装修/拆房垃圾的资源化处理是解决建筑垃圾处置问题的关键，目前其主要资源化途径是破碎后作为骨料生产混凝土普通砖、多孔砖、小型空心砌块、渗水地砖等建筑材料［5］。但是，装修和拆房垃圾成分复杂，其破碎过程中可能会产生超过15%的灰渣和除尘灰等低品废料。目前装修及拆房垃圾处理生产线产出的灰渣、除尘灰等低品质再生物料活性和强度较低，难以直接利用，一般直接进行填埋处理，导致装修/拆房垃圾资源化利用率较低。因此，本研究将对这些低品质物料的再利用可行性进行探究，通过碱激发改性低活性除尘灰替代部分水泥，再由灰渣替代部分标准砂制备免烧砖，研究再利用装修/拆房垃圾低品废料对免烧砖力学性能的影响，期望能提高建材垃圾生产线资源化利用率，最终实现资源化产业链闭环。

2 低品废料再生免烧砖试验材料和方法

2.1 试验材料

2.1.1 装修/拆房垃圾低品再生物料

本研究所探讨的装修/拆房垃圾低品废料主要为灰渣和除尘灰。其中，灰渣为生产线经初次破碎和二次筛选后直接排出的粒径小于5 mm 的低品废渣，成分复杂；除尘灰为装修/拆房垃圾破碎过程中除尘布袋收集的布袋除尘灰，属于环境除尘灰，是在常温下聚集的，其介质粉尘性质无大变化，对生产基本无危害。因此，为了探究这些低品废料的再利用可行性，首先测试除尘灰和灰渣的物理化学性质，见表1。

表1 灰渣和除尘灰颗粒级配参数Table 1 Particle gradation parameters of residue ash and dust powder

由表1 可以发现，灰渣颗粒级配良好，接近40%的颗粒大于1.18 mm，而0.15 mm 以下灰粉含量较少。灰渣粒径总体上大于标准砂，但差距不大。图2 为不同粒径的灰渣，可以看到灰渣小粒径（＜0.15 mm）较为均匀，主要为细砂；而大粒径（2.36～5.00 mm）成分较为复杂，包括碎石、碎玻璃、碎砖块、碎木屑、碎纸和金属等杂质，这些可能会影响灰渣再利用产品性能。总体上，可考虑将灰渣作为骨料。

图2 灰渣各粒径形态Figure 2 Morphology of residue ash particles with different sizes

对于除尘灰，表1 可以看到除尘灰粒度主要集中在1～100 μm，最大粒径为200 μm 以内。该除尘灰样品的比表面积为1 543 m2/kg，体积分布中10% 对应的粒度为1.52 μm，50% 对应的粒度为5.58 μm，90%对应的粒度为23.40 μm。除尘灰的粒度分布情况与水泥较为接近。通过采用X 射线荧光光谱法（X-Ray Fluorescence，XRF）检测除尘灰化学组成（表2），可以发现，除尘灰的主要化学成分有CaO（39.40%）、SiO2（28.61%）、SO3（12.35%）、Al2O3（8.28%），与水泥近似。此外，除尘灰中重金属含量较低，作为再利用材料的环境安全隐患低。因此，可以考虑将除尘灰替代部分水泥作为免烧砖的胶结料。

表2 除尘灰和水泥主要化学成分组成（质量分数）Table 2 Main chemical composition of dust power and cement(weight percentage)

2.1.2 其他试验材料

其他试验材料还包括42.5 硅酸盐水泥、标准砂、5～10 mm 再生粗骨料、水、Ca(OH)2碱激发剂等，其中再生粗骨料由上海老港再生建材利用中心提供，其余材料为市场购买。

2.2 试验流程

本研究试验免烧砖制备采用“振动成型+自然养护”方式，操作流程如图3 所示。

图3 免烧砖生产工艺流程示意Figure 3 Process schematic of baking-free brick production

1）骨料干混。称量试验所需原料，将砂、灰渣、再生粗骨料等倒入轮碾机中进行骨料干混，混合时间为5 min。

2）配料陈化。本次试验不涉及生石灰熟化过程，干混完成后静置5 min 即可。

3）配料湿混。在干混料中加入水泥、外加剂和适量的水一起混合搅拌，使配料和水充分混匀，搅拌时间为5 min。

4）填料成型。打开制砖机的上模，在模具中加入配料，铺料时注意平整严实；铺料完毕后，拉上回模，同时启动上下两个震动电机；振动10 s后关闭震动电机，将压杆压下，脱膜成型。

5）自然养护。为了降低生产成本，采用自然养护工艺。将免烧砖原地静置24 h 后，再移动至养护场地，前7 d 每天洒水1 次，然后自然存放至养护时间结束。

6）抗压强度测试。指定养护龄期的免烧砖抗压试验流程参照GB/T 2542—2012 砌墙砖试验方法中的非成型制样抗压，即将砖样锯成两块半截砖，按切断口方向相反叠放，叠合部分不小于100 mm；然后，测量每个连接面的长、宽尺寸各两次并取平均值，精确至1 mm；最后，将试样平放至加压板中央，垂直于受压面均匀平稳加荷，加荷速度为2～6 kN/s，直至试样破坏为止。最后，试样的抗压强度按下式计算：

式中：Rp为抗压强度，MPa；P为最大破坏荷载，N；L为连接面长度，mm；B为连接面宽度，mm。

2.3 试验方案

为了分析各种因素（水泥和灰渣掺量、粗骨料和除尘灰掺量）对再生免烧砖抗压强度的影响，设计了一系列不同配比的免烧砖试验，试验方案如表3 所示。根据文献调研和初步试验，首先确定对照组的基本配比为水泥∶砂=15%∶85% 和水灰比=0.5（组0）。然后研究水泥掺量和灰渣掺量对免烧砖抗压强度的影响，采用灰渣替代30% 的砂（即灰渣掺量为总量的25.5%），研究灰渣掺入量的影响（组1-1），并分别将水泥掺量提高至20%和25%（组1-2、1-3）；接着保持15%、20%和25% 的水泥掺量（组1-4、组1-5、组1-6），在组1-4、组1-5、组1-6 内将灰渣替代量调整为砂的20%（即灰渣掺量为总量的17%、16% 和15%）。组2（组2-1、组2-2）考虑加入粗骨料的变化，粗骨料分别替代25%和50%的灰渣（即粗骨料掺量为6% 和12%，粗骨料加灰渣总掺量为24%），研究粗骨料掺量对免烧砖抗压强度的影响；而组3（组3-1、组3-2、组3-3）采用激发除尘灰（原除尘灰加入占除尘灰质量10% 的Ca(OH)2进行碱激活）来替代10%～30% 的水泥（即激发除尘灰掺量为2%、4% 和6%），研究除尘灰掺量对免烧砖抗压强度的影响。每组试验重复进行3 次，免烧砖压制成型后养护至3、7、28 d 后测量砖体抗压强度，以优选符合资源化利用要求的免烧砖最佳配比，同时研究免烧砖的强度发展规律。

表3 免烧砖制备试验方案Table 3 Testing program for baking-free brick production

3 低品废料再生免烧砖试验结果分析

3.1 水泥和灰渣掺量的影响

水泥免烧砖主要依靠水泥的胶结作用形成一定强度，因此水泥掺量的选取十分关键。作为重点研究对象，在保证免烧砖强度的同时应尽可能利用低品质灰渣。已有研究表明，再生细骨料的掺量在30% 以内时对再生混凝土抗压强度的影响较小［6］。因此，试验首先研究不同水泥掺量（15%、20%、25%）和不同灰渣掺量（0%、替代20%砂、替代30%砂）的影响（表3 中组1）。

可以预见，免烧砖的抗压强度随着水泥掺量的提高而上升，但是掺入灰渣将显著降低免烧砖的抗压强度（表4 和图4）。

表4 水泥和灰渣掺量对免烧砖强度的影响Table 4 Effect of cement and residue ash contents on the strength of baking-free brick

图4 水泥掺量和灰渣掺量对免烧砖抗压强度的影响Figure 4 Effect of cement and residue ash contents on the compressive strength of baking-free brick

以水泥掺量为15%且不掺入灰渣的免烧砖28 d 强度为参考（20.10 MPa），当灰渣替代20%砂时免烧砖强度降低了40%，替代30% 砂时降低了70%。这可能是因为灰渣成分较为复杂，作为骨料使得试样内孔隙较多，而自然养护下（前7 d 保持每天洒水）水泥水化作用不完全，胶结料难以完全填充孔隙。由图4 可见，采用灰渣替代部分砂作为骨料，形成的砖样孔隙、裂隙较多，水化不充分，国外也有学者针对该现象提出了类似的结论，认为免烧砖养护方式的不同将显著影响最终结果［7］。

因此，若在免烧砖生产中采用灰渣替代部分骨料，需加入足够的胶结料填充孔隙。以图4 灰渣替代30% 砂为例，若水泥掺量从15% 提高至20%，免烧砖的强度得到大幅改善，但是继续提高至25% 时，效果并不明显。因此，建议掺灰渣免烧砖的水泥掺量为20% 左右，并优化免烧砖养护条件，如早期提高洒水频率或洒水后采用塑料薄膜覆盖砖样以保持水分等。

3.2 粗骨料的影响

免烧砖制备中通常加入粒径大于5 mm 的粗骨料，起骨架支撑作用，可以显著提升砖体的强度、稳定性和耐久性。因此，本节将不同含量的灰渣替换成粗骨料（粗骨料∶灰渣分别为0∶1、1∶3、1∶1），研究粗骨料掺量对免烧砖强度的影响，试验结果如表5 所示。

表5 粗骨料对免烧砖强度的影响Table 5 Effect of coarse aggregate on the strength of baking-free brick

由表5 可以发现，添加一定量的粗骨料可以显著提升免烧砖的抗压强度，粗骨料占总骨料的7.5%～15.0% 时（未加入除尘灰），免烧砖28 d 强度可满足MU15 砖的强度要求。一是因为粗骨料起到刚性骨架作用，承受荷载时砖体内部由粗骨料传递应力，大粒径骨料比小粒径骨料更难破碎；二是因为恰当的骨料配比可以有效填充孔隙（图5），且粗骨料表面更易于与砂浆基体黏结，水泥胶结能力更强；三是因为当砖块破坏时，裂缝难以贯穿粗骨料而是绕过它，使得粗骨料吸收更多能量。但是，粗骨料的比例不宜过大，可以看到粗骨料替代一半灰渣后，虽然28 d 的抗压强度有一定提升，但7 d 的抗压强度有所下降，因为过多的粗骨料将导致砖样孔隙变大，难以形成紧凑结构，降低胶凝材料的黏结能力。

图5 加入6%粗骨料时砖块断面Figure 5 Fracture surface of the brick with the addition of 6%coarse aggregate

3.3 除尘灰的影响

除尘灰作为另一个研究重点，应探讨其作为免烧砖制砖材料的可行性。已有研究表明，在混凝土制备中再生微粉对水泥的替代率应小于30%［8］。根据预备试验发现，采用Ca（OH）2可以一定程度上提高除尘灰的活性，起到激发作用。因此，本节采用Ca（OH）2作为激发剂（占除尘灰掺量的10%），研究不同替代比除尘灰（0、10%、20% 和30%）对免烧砖的影响。试验结果如表6所示，免烧砖28 d 抗压强度增长曲线见图6。

表6 除尘灰对免烧砖强度的影响Table 6 Effect of dust power on the strength of baking-free brick

图6 不同除尘灰掺量下免烧砖抗压强度成长曲线Figure 6 Compressive strength growth curve of baking-free bricks with different contents of dust power

当除尘灰替代10% 水泥时（除尘灰掺量为2%），免烧砖抗压强度基本保持不变；随着替代比增加至20%时，抗压强度略有下降，到30%替代比时免烧砖抗压强度下降了一半。值得注意的是，掺入除尘灰将降低免烧砖内胶凝材料的黏结力，更易发生脆性破坏，如图6 所示，除尘灰替代比30%的免烧砖样受压后，上半块被全部压碎，下半块砖被1 条主裂缝贯穿。总的来说，当除尘灰替代10% 的水泥时，养护7 d 的免烧砖即可满足MU10 砖的强度要求，当替代比上升至20% 时，养护28 d 的免烧砖也能满足MU10 砖的强度要求。

当前研究制备的免烧砖对除尘灰的利用率不高，若想继续提高除尘灰掺量，充分资源化利用低品物料，可在后续研究中寻找其他更合适的激发剂，有效激活除尘灰，特别是针对除尘灰中的主要成分硫酸钙；或者优化材料混合方法，在骨料干混后加入除尘灰、激发剂和适量的水，进行二次搅拌，然后陈化足够的时间，使激发剂充分发挥其对除尘灰的激活效果。