劉 樂 付興華 陶文宏 楊春霞 馬孟超

(1 濟(jì)南大學(xué)材料學(xué)院；2 濟(jì)南大學(xué)化學(xué)學(xué)院；3 深圳港創(chuàng)建材股份有限公司）

0 引言

近年來，城市化建設(shè)不斷加快，由此產(chǎn)生的建筑渣土也越來越多，大量的建筑渣土被運(yùn)往郊區(qū)、受納場(chǎng)，占用了大量的人力、物力、土地資源。以深圳市為例，2017～2020 年建筑廢棄物產(chǎn)生總量預(yù)計(jì)達(dá)到3.97 億m3，年均產(chǎn)生量為9920 萬(wàn)m3，其中建筑渣土約9150 萬(wàn)m3，占比高達(dá)92.2%[1-2]。建筑渣土的回收利用一直是困擾各個(gè)國(guó)家的難題，世界各國(guó)處理建筑渣土的方式各異，發(fā)達(dá)國(guó)家采取源頭消減措施，在建筑渣土產(chǎn)生之前進(jìn)行減量化，并對(duì)建筑渣土進(jìn)行科學(xué)手段處理[3]。

如何在源頭上解決建筑渣土排量大、處理難的問題成為國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究的熱點(diǎn)。研究結(jié)果表明，建筑渣土得到有效利用的關(guān)鍵技術(shù)是提升它的力學(xué)性能，而土壤固化劑是提升建筑渣土力學(xué)性能必不可少的成分[4-7]。本研究對(duì)深圳蛇口渣土堆場(chǎng)的建筑渣土進(jìn)行了研究，利用建筑渣土配合固化劑、水泥、粉煤灰、廢石膏、石粉、聚苯顆粒等制備性能優(yōu)良的建筑渣土新型輕質(zhì)墻體材料，以解決建筑渣土消納困難的問題[8-12]。

1 原材料

1.1 干料

試驗(yàn)所用建筑渣土取自深圳蛇口渣土收納場(chǎng)，為中性砂土，含有建筑廢棄物、大顆粒石塊、少量有機(jī)垃圾等，經(jīng)過篩分取5mm 篩下的建筑渣土備用，其含砂量較高在50wt%～75wt%。

從圖1 中可以看出，建筑渣土中主要礦物為石英，此外還含有一些云母、長(zhǎng)石等礦物。

圖1 建筑渣土XRD 圖譜

試驗(yàn)所用水泥為海螺水泥有限公司生產(chǎn)的P·O 42.5R 級(jí)水泥，粉煤灰和石粉取自深圳蛇口混凝土攪拌站，所用廢石膏來自佛山法恩潔具有限公司的廢棄陶瓷模具，原材料的化學(xué)成分見表1。

表1 原材料的化學(xué)成分

聚苯顆粒：市售聚苯顆粒，粒徑1～2mm，堆積密度17.5kg/m3。

1.2 固化劑

試驗(yàn)所用的固化劑為自主研發(fā)的氨基磺酸鹽系固化劑，其主要成分有氨基磺酸鹽、氯化鈉、三乙醇胺、氯化鎂、氯化銨等。

2 成型工藝及測(cè)試方法

需水量測(cè)定：建筑渣土85wt%、水泥15wt%，固化劑為原材料總質(zhì)量的3wt%，以干料凈漿流動(dòng)度達(dá)到210±5mm 時(shí)的需水量來進(jìn)行換算得到其用水量。

輕質(zhì)砌塊成型方法：將原材料和聚苯顆粒(1.4L/㎏) 倒入攪拌機(jī)中，加入適量水和固化劑，攪拌5min(45r/min)，裝入100mm×100mm×100mm的模具中覆蓋塑料薄膜，自然養(yǎng)護(hù)1d 脫模，砌塊試樣覆膜包裹后，置于溫度為20±2℃的標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室中分別養(yǎng)護(hù)至3d、7d、28d。

參考GB/T23450-2009《建筑隔墻用保溫條板》分別測(cè)試砌塊試樣各齡期的抗壓強(qiáng)度、干密度等性能。

圖2 建筑渣土輕質(zhì)砌塊試樣

3 配合比初步探索

原材料為建筑渣土、水泥、粉煤灰、廢石膏、石粉等，采用L9(34)正交試驗(yàn)進(jìn)行初步探索，其因素與水平見表2。

表2 正交試驗(yàn)因素與水平

根據(jù)表2 的正交設(shè)計(jì)進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表3。

從表3 中可以看出，3d 抗壓強(qiáng)度最高為3.23MPa，7d 抗壓強(qiáng)度最高為3.40MPa，28d 抗壓強(qiáng)度最高為3.88MPa，即A9 試樣各齡期抗壓強(qiáng)度最高。為了檢驗(yàn)各因素水平對(duì)砌塊試樣強(qiáng)度的影響大小，以抗壓強(qiáng)度為考察指標(biāo)進(jìn)行了正交極差分析，分析結(jié)果如表4 所示。

從表4 可以看出：對(duì)砌塊試樣3d、28d 抗壓強(qiáng)度影響最大的因素是粉煤灰，其次是水泥、固化劑，廢石膏和石粉的影響最小，3d、28d 正交極差分析得到的較優(yōu)組合均為A3B3C2D1(編號(hào)A10)，這也與正交試驗(yàn)中的A9組合一致；對(duì)砌塊試樣7d 抗壓強(qiáng)度影響最大的因素是粉煤灰，其次是固化劑、水泥，廢石膏和石粉的影響也是最小，7d 正交極差分析得到的較優(yōu)組合為A3B3C1D1(編號(hào)A11)，正交試驗(yàn)組合中并沒有出現(xiàn)。因此進(jìn)行了驗(yàn)證試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表5 所示。

表3 正交試驗(yàn)結(jié)果

表4 3d、7d、28d 抗壓強(qiáng)度極差分析

表5 驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果

從表5 可以看出A10 砌塊試樣各齡期抗壓強(qiáng)度較高，但是其28d 抗壓強(qiáng)度為3.47MPa＜3.5MPa，不能滿足GB/T23450《建筑隔墻用保溫條板》的最低標(biāo)準(zhǔn)要求，因此該配合比還需進(jìn)一步調(diào)整。

4 配合比調(diào)整

在上述正交試驗(yàn)基礎(chǔ)上，適當(dāng)調(diào)整了各因素的水平，其正交試驗(yàn)因素與水平見表6。

根據(jù)表6 的正交設(shè)計(jì)進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表7。

表6 正交試驗(yàn)因素與水平

表7 正交試驗(yàn)結(jié)果

從表7 中可以看出：3d 抗壓強(qiáng)度最高為3.93MPa(B5)，7d 抗壓強(qiáng)度最高為4.02MPa (B9)，28d 抗壓強(qiáng)度最高為5.23MPa(B9)，即B9 組各齡期抗壓強(qiáng)度較高。為了檢驗(yàn)各因素水平對(duì)砌塊試樣強(qiáng)度的影響大小，以抗壓強(qiáng)度為考察指標(biāo)進(jìn)行了正交極差分析，分析結(jié)果如表8所示。

表8 3d、7d、28d 抗壓強(qiáng)度極差分析

從表8 中可以看出：對(duì)砌塊試樣3d、7d、28d 抗壓強(qiáng)度影響最大的因素均為粉煤灰，其次是水泥、固化劑，廢石膏和石粉的影響最小，3d 正交極差分析得到的較優(yōu)組合為A2B3C1D1(編號(hào)B10)，在正交試驗(yàn)組合中沒有出現(xiàn)，7d 正交極差分析得到的較優(yōu)組合為A1B3C2D1(編號(hào)B11)，在正交試驗(yàn)組合中沒有出現(xiàn)，28d 正交試驗(yàn)分析得到的較優(yōu)組合為A3B3C2D1(編號(hào)B12)，和正交試驗(yàn)中的B9 組合一致，因此進(jìn)行了驗(yàn)證試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表9所示。

表9 驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果

從表9 中可以看出，B10～B12 組砌塊試樣各齡期抗壓強(qiáng)度均高于3.5MPa，但其28d 強(qiáng)度較7d 強(qiáng)度均有不同程度的降低，且從試驗(yàn)現(xiàn)象中發(fā)現(xiàn)，砌塊試樣表面稍有膨脹，試樣的干密度也較高，因此在此基礎(chǔ)上還需要適當(dāng)優(yōu)化膠材的用量。

5 配合比優(yōu)化

在上述較優(yōu)配合比的基礎(chǔ)上，對(duì)膠材用量做了適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，聚苯顆粒也由原來的1.4L/㎏升高到1.6L/㎏，具體的配比如表10 所示，試驗(yàn)結(jié)果見表11。

表10 正交試驗(yàn)原材料配合(wt%)

表11 試驗(yàn)結(jié)果

從表11 及試驗(yàn)現(xiàn)象中可以得到：增加聚苯顆粒的用量，砌塊試樣干密度有所降低；調(diào)整膠材的用量后，砌塊試樣表面不再產(chǎn)生膨脹；且當(dāng)水泥摻量為15wt%、粉煤灰摻量為25wt%～30wt%，砌塊試樣7d 和28d 強(qiáng)度高于3.5MPa；水泥摻量為20wt%、粉煤灰摻量為20wt%～30wt%，砌塊試樣7d 和28d 強(qiáng)度高于3.5MPa，滿足了GB/T23450《建筑隔墻用保溫條板》抗壓強(qiáng)度的標(biāo)準(zhǔn)要求。

6 建筑渣土輕質(zhì)墻材

當(dāng)建筑渣土輕質(zhì)墻材用于建筑隔墻用保溫條板時(shí)，樣品除抗壓強(qiáng)度外其他各項(xiàng)性能指標(biāo)也要滿足GB/T23450-2009《建筑隔墻用保溫條板》的要求，因此按上述C4、C7、C8 的配比制備了幾組試樣進(jìn)行了相關(guān)性能的檢測(cè)，指標(biāo)要求及測(cè)試結(jié)果表12 所示。

圖3 輕質(zhì)隔墻板材樣品(板厚90mm)

表12 建筑渣土隔墻用保溫條板性能指標(biāo)及測(cè)試結(jié)果

從表12 可以看出，3 組試樣抗壓強(qiáng)度均顯著高于3.5MPa，達(dá)到了5MPa 以上，軟化系數(shù)在0.85 左右高于0.80，含水率較低，干燥收縮值在0.2mm/m，明顯小于0.6mm/m，經(jīng)過15 次凍融循環(huán)，試樣表面均正常無(wú)破損開裂，且試樣的傳熱系數(shù)均小于2.0W/m2·k，即各項(xiàng)性能指標(biāo)滿足了GB/T23450-2009《建筑隔墻用保溫條板》的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求，且其中條板的強(qiáng)度、保溫、干燥收縮性能突出。

7 結(jié)論

建筑渣土資源豐富、來源廣泛，本研究對(duì)深圳市的渣土堆場(chǎng)進(jìn)行了研究，以達(dá)到充分利用建筑渣土來制備新型輕質(zhì)墻體材料的目的，通過大量的試驗(yàn)，得到以下結(jié)論：

制備輕質(zhì)墻材的較優(yōu)配合比為：固化劑3wt%、廢石膏2wt%、石粉10wt%，當(dāng)水泥摻量為15wt%時(shí)，粉煤灰摻量應(yīng)在25wt%～30wt%，當(dāng)水泥摻量為20wt%，粉煤灰摻量應(yīng)在20wt%～30wt%，建筑渣土為余量，聚苯顆粒摻量均為1.6L/㎏。

建筑渣土輕質(zhì)墻材用于隔墻用保溫條板時(shí)，其抗壓強(qiáng)度高于5.0MPa，軟化系數(shù)大于0.8，含水率低于2%，干燥收縮性能優(yōu)異，經(jīng)過15 次凍融循環(huán)，試樣表面正常，無(wú)開裂剝皮，且試樣的傳熱系數(shù)低于2.0W/m2·k，即板材試樣的各項(xiàng)性能指標(biāo)滿足GB/T23450-2009《建筑隔墻用保溫條板》的標(biāo)準(zhǔn)要求，可以應(yīng)用于建筑隔墻用保溫條板。