項斌峰 張利俊 王靈秀 張瑞 邱洪華 蔡素燕

（1中國建材檢驗認證集團股份有限公司，北京 100024；2中國建材檢驗認證集團北京天譽有限公司，北京 100113）

0 前言

根據(jù)中國環(huán)聯(lián)數(shù)據(jù)[1]，中國每年建筑垃圾的排放總量約為14～24億噸，占城市垃圾的比例約為30%～40%，2020年中國建筑固廢產(chǎn)生量預計達到26億噸（峰值）。建筑垃圾按組成可分為渣土、混凝土塊、碎石塊、磚瓦塊、廢砂漿等。在我國，城鎮(zhèn)化進程需要將老舊建筑拆除以重建或新建，由于前期的老舊建筑物多為磚混結構，如今已經(jīng)達到使用年限，在拆除過程中會產(chǎn)生大量的廢磚。根據(jù)研究可知[2-4]，廢磚在拆除過程中本身破損嚴重，其多孔結構導致吸水率大（可達15%），壓碎值大（可達30%），資源化利用率受限。

建筑垃圾廢磚經(jīng)過破碎加工可制成廢磚再生骨料（顆粒尺寸75μm～25mm），再經(jīng)過進一步的粉磨加工可以制成廢磚粉（顆粒尺寸≤75μm），廢磚再生骨料具有多孔、強度低、吸水率大的缺陷，而物理研磨成粉末可以減少廢磚多孔結構對其性能的不利影響。研究表明[5]，當廢磚比表面積達到500m2/kg以上時，廢磚中較大的孔隙全部被打開。磨細處理后的磚粉可用作水泥混合材或混凝土礦物摻合料[6-8]、地聚物水泥[9-10]、堿激發(fā)膠凝材料[11-12]、建筑砂漿[13,24]、保溫墻體材料[14-16]等，還可作為硅質原料或矯正料燒制硅酸鹽水泥熟料[17]。

目前，國內外對于建筑垃圾廢磚粉的研究集中在其作為水泥混合材的應用，并對其火山灰活性機理和活性激發(fā)機理進行了研究。本文結合國內外對建筑垃圾廢磚粉活性的研究，綜述廢磚粉對于材料工作性、強度的影響規(guī)律和活性激發(fā)機理研究進展，討論建筑垃圾廢磚粉的性能特征，為進一步拓展建筑垃圾廢磚粉應用和研究提供建議，促進建筑垃圾廢磚的資源化應用。

1 建筑垃圾廢磚粉活性研究進展

1.1 工作性能

將建筑垃圾廢磚粉作為水泥混合材通常替代5%～30%的水泥或水泥熟料，當取代摻量超過30%，會對水泥的各性能指標造成大幅度劣化影響[5,18-19]。廢磚粉對水泥工作性的影響主要是標準稠度用水量和凝結時間，隨著廢磚粉替代率的增加，水泥的標準稠度用水量和凝結時間都隨之增大。但是當建筑垃圾廢磚粉的比表面積增大，即磚粉和顆粒尺寸變小時，新拌水泥漿體的凝結時間會縮短，這是因為雖然通過粉磨加工減少并打開磚粉顆粒的孔隙，但仍會有小孔/微孔存在于磚粉顆粒上[19]，磚粉的孔隙會吸收大量的水（20%左右），造成新拌水泥料漿的需水量增大，且同時測試磚粉的經(jīng)時吸水率可知，隨著時間的延長，磚粉的吸水率逐漸增大，24h較1h的吸水率可增大3%～4%，在凝結時間測試中，廢磚粉吸走水泥漿體中的自由水，使?jié){體失水失去流動性而凝結，而初凝與終凝間隔基本不變，一般在50～70min以內[19]。從各個研究來看，磚粉的取代摻量、顆粒尺寸會影響水泥漿體的工作性，后期對砂漿、混凝土的工作性造成影響。

1.2 力學性能

建筑垃圾廢磚粉會對水泥早期（3/7/28天）抗折強度和抗壓強度造成不利影響[19-20]，隨著磚粉取代水泥量的增大，抗壓強度和抗折強度隨之降低，磚粉摻量5%～10%時，28天抗壓強度損失率在0～10%；磚粉摻量10%～20%時，28天抗壓強度損失率在10%～20%；磚粉摻量30%時，28天抗壓強度損失在25%～35%；當磚粉摻量40%時，28天抗壓強度損失率在40%～50%；磚粉摻量超過50%時，28天抗壓強度損失率超過50%，即不到純水泥膠砂28 天抗壓強度的一半。但是隨著養(yǎng)護齡期的延長，水泥60、90、120天等后期強度隨著磚粉取代率的增加先增大后減小[21]，最優(yōu)取代率在15%～20%。廢磚粉的顆粒尺寸大小對強度的影響較大，當磚粉的比表面積由500～600m2/kg提高到700～800m2/kg，30%廢磚粉取代的水泥膠砂抗壓強度相比空白對照的抗壓強度的比率由70%左右提升至80%左右，但是磚粉的粉磨時間也會大大延長，不利于能源節(jié)約。一般情況將磚粉的顆粒尺寸粉磨至與水泥相當，比表面積在350～500m2/kg，在滿足性能要求的情況下磚粉取代率在5%～15%之間，在10%取代情況下，水泥膠砂強度達到普通硅酸鹽水泥P.O42.5等級，在20%取代情況下，水泥膠砂強度達到普通硅酸鹽水泥P.O32.5等級[8]。

1.3 活性激發(fā)

建筑垃圾廢磚粉的活性一般指其火山灰活性，即在常溫和有水的情況下可與石灰（CaO）反應生成具有水硬性膠凝能力的水化物。通過分析廢磚化學成分可知，廢磚含有60%～80%的SiO2，10%～20%的Al2O3，2%～5%的Fe2O3，少量的CaO、MgO、Na2O、K2O、TiO2、SO3，燒失量一般在1.0%以下。結合XRD物相分析，廢磚的礦物相含有石英相（Quartz）、長石相（Feldspar）、赤鐵礦（Hematite）、白云母（Muscovite）、沸石（Gismondine）和非晶相（Amorphas phase）。國內外研究認為，廢磚中的無定形SiO2、Al2O3是其火山灰活性的來源[22-23]，將廢磚粉作為混合材或摻合料取代部分水泥應用，水泥與水反應生成CSH凝膠和Ca(OH)2，CSH凝膠可以將骨料膠結形成具有一定力學強度的致密結構，而Ca(OH)2則可以與廢磚中無定形SiO2、Al2O3反應生成CSH、CAH或CASH，具體反應如式（1）～式（3）所示[24]。

上述生成的CSH、CAH、CASH可以起到膠結填充作用，在一定程度上取代水泥作為輔助膠凝材料（Supplementary Cementitious Materials,SCMs）。但近年來的研究表明，磚粉的火山灰活性在水化后期（28天～60天后）才有明顯的顯現(xiàn)，表現(xiàn)為抗壓強度的增加[21]，在60天～90天水化齡期，10%～20%磚粉取代的水泥膠砂強度與空白組純水泥膠砂強度相當（抗壓強度比率95%～100%），甚至有所增強（抗壓強度比率100%～105%）。José Marcos Ortega[25]采用壓汞法（Mercury Intrusion Porosimetry,MIP）研究了磚粉取代率10%、20%與純水泥膠砂的孔隙率/孔徑分布對比，從100天、200天和400天齡期的孔結構分析可發(fā)現(xiàn)，純水泥膠砂各個孔徑的孔體積變化不大，而加入10%或20%磚粉的膠砂孔結構則隨著齡期增長逐漸致密，小于10nm的無害孔孔體積增加，10～100nm孔的孔體積減少，整體孔隙率由16%降低至12%左右。Martin O’Farrell[26]認為磚粉可以與水泥水化產(chǎn)生的Ca(OH)2發(fā)生火山灰質效應形成CSH凝膠，而凝膠可以填充孔結構，打斷連接的毛細孔，降低體系孔隙率?？捉Y構的改善不僅可以提升力學強度，還可以優(yōu)化材料耐久性，加入廢磚粉的水泥基材料可以降低自收縮[20,27]，增強抗硫酸鹽侵蝕能力，改善抗氯離子滲透、抗碳化和抗凍性能，抑制堿骨料反應，以上性能[28-31]的改善均來自廢磚粉的火山灰活性，參與水化消耗體系中的堿生成水化硅酸鈣（CSH）和水化鋁酸鈣（CAH），改善孔結構，減少離子移動，阻斷富硅區(qū)堿的進入，從而改善水泥材料的耐久性能。

以上廢磚粉活性研究都是在廢磚粉研磨到一定顆粒尺寸（比表面積400～600m2/kg）的基礎上開展的，而研磨是一種基礎的物理激發(fā)活性的手段，通過物理研磨縮小顆粒尺寸，也增大了廢磚粉中的潛在活性礦物與水化液相中Ca2+、OH-接觸的反應面積，激發(fā)活性；同時，當顆粒尺寸在微米級甚至納米級時，磚粉還可促進水化產(chǎn)物成核生長，填充孔隙，起到微集料填充和堆積效應，從宏觀上提高磚粉的活性。除了物理研磨激發(fā)活性的方法外，還有化學激發(fā)[32-35]的方法，Ca(OH)2、NaOH、Na2CO3、Na2SiO3·9H2O等均可以激發(fā)廢磚粉活性，其中以Ca(OH)2效果最佳。

1.4 討論

國內外研究進展[36-42]中對建筑垃圾廢磚粉火山灰活性機理的研究較多，且都可以得到磚粉具有火山灰活性的結論。但是，如果涉及促進磚粉的大規(guī)模應用，對磚粉火山灰活性的大小評價方法研究仍然是空白。目前，機械磨細的磚粉活性一般依據(jù)GB/T1596-2017《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》標準[43]中的強度活性指數(shù)進行表征，根據(jù)達到的強度百分比確定廢磚粉的適宜摻量，并以此代表磚粉的活性大小。但此種方法無法區(qū)分微集料效應和火山灰效應，且28天的強度齡期測試耗時間長，最關鍵的是通過前面的研究已得知磚粉的火山灰活性一般在28天水化后期才有所顯現(xiàn)，所以用強度活性指數(shù)法評估廢磚粉的火山灰活性并不能真實體現(xiàn)廢磚粉的活性。

此外，目前研究的廢磚粉基本都是建筑物拆除的廢舊紅磚，而采用不同燒成氣氛制備的青磚基本沒有研究。同時，不同地域的廢磚粉活性也有所差異，其原因與廢磚的組成成分、制備工藝或有關。綜上所述，應對建筑垃圾廢磚粉進行進一步研究，找到適用于廢磚粉活性評價的可靠方法，才能更好促進建筑垃圾廢磚的資源化利用。

2 結論

本文分析了建筑垃圾廢磚粉的活性研究進展，包括火山灰活性和微集料填充效應，通過已有研究對比得出了廢磚粉的活性機理、影響因素、活性激發(fā)手段和現(xiàn)有研究存在的不足，對下一步磚粉的研究方向提出建議和研究依據(jù)，得到如下結論：

1）建筑垃圾廢磚的活性源自其中的活性SiO2和Al2O3，而兩種活性氧化物在礦物相中以長石（Feldspar）、云母（Muscovite）、非晶相（Amorphas）等形式存在；

2）建筑垃圾廢磚的活性評價以強度活性指數(shù)方法為主要研究手段，但是摻加廢磚粉的水泥膠砂強度增加一般在28天水化齡期后，在60天水化齡期強度活性才有所顯現(xiàn)；

3）激發(fā)建筑垃圾廢磚粉的活性一般采用物理磨細機械激發(fā)方式，粉磨比表面積在500m2/kg以上，化學激發(fā)采用Ca(OH)2效果最佳，取代水泥熟料可直接與熟料礦物水化產(chǎn)生的Ca(OH)2反應激發(fā)其火山灰活性；

4）目前對于廢磚的研究并未考量原料地域，組成成分、制備工藝等前期制磚因素的影響，對于適用于廢磚粉活性評價的研究和推廣應用的研究較少，亟需進一步研究解決。