0 引 言
随着我国城市建设的快速发展，各种建筑物和构筑物的拆除、改造、新建、扩建以及房屋装修装饰过程中产生了大量的建筑垃圾，建筑垃圾占城市垃圾总量的30%～40%[1]。建筑垃圾若不做处理，只是简单填埋或露天堆放，不仅占用土地、浪费资源，建筑垃圾中的重金属元素会带来严重的环境和安全隐患，故建筑垃圾的资源化受到广泛关注[2-3]。建筑垃圾中废砖瓦、废混凝土、废砂浆占绝大部分，并且再利用的技术难度较高，主要的利用途径是制备再生骨料[4-8]。近些年，建筑垃圾微粉的活性激发也有相关研究，所用的激发方式为化学激发和物理激发。化学激发是通过添加化学激发剂，破坏建筑垃圾微粉原有的网络结构，从而提高其活性[9]。李琴等[10]通过检测不同激发剂作用下建筑垃圾再生微粉砂浆的抗压强度，得到CaCl2对再生微粉有较好的激发效果。而物理激发是直接对建筑垃圾进行机械粉磨，通过增大其比表面积，提高活性[11]。吴姝娴等[12]通过研究发现，建筑垃圾的粒度越细，比表面积越大，其活性就越大。
本文首先对建筑垃圾进行筛分处理，粒径<0.15 mm的为建筑垃圾微粉，粒径0.15～4.75 mm为建筑垃圾再生砂，粒径>4.75 mm的部分用于其他建筑材料。然后对建筑垃圾微粉的物相组成、化学组分、细度和粒度分布、颗粒形貌等基本特性进行分析。添加一定量的Ca(OH)2、Na2SO4、CaCl2为激发剂以激发建筑垃圾微粉的活性，通过检测蒸养砖的强度来评价不同激发剂的激发效果，最后对所制备蒸养砖的强度、干燥收缩、抗冻、碳化等性能进行研究。
1 实验部分
1.1 原 料
实验所用水泥为河南大地水泥厂42.5普通硅酸盐水泥，所用Ca(OH)2、Na2SO4、CaCl2 3种激发剂均为分析纯。
1.2 蒸养砖的制备
按设定比例(表1)进行配料，加水量为微粉、再生砂和水泥总质量的14%，激发剂掺量为相对微粉含量的百分比。原料在强制式搅拌机中搅拌混合5 min，倒入模具中在压力机上压制成型，加荷速率为0.1 MPa/s，成型压力为20 MPa，成型尺寸为240 mm×115 mm×53 mm，保压3 min。成型之后的砖坯放入蒸压釜中180 ℃蒸养16 h，在自然条件下养护1 d，检测其强度、抗冻、收缩等性能指标，工艺流程如图1所示。
表1 蒸养砖的配比
Table 1 The proportion of the steam-curedautoclaved bricks
组号微粉-再生砂/%水泥/%激发剂激发剂掺量/%A060～40——0A160～40—Ca(OH)22.5A260～40—Ca(OH)23A360～40—Ca(OH)23.5A460～40—Na2SO42.5A560～40—Na2SO43A660～40—Na2SO43.5A760～40—CaCl22.5A860～40—CaCl23A960～40—CaCl23.5B050～4010—0B150～4010Ca(OH)23B250～4010Ca(OH)23.5B350～4010Ca(OH)24B450～4010Ca(OH)24.5
图1 蒸养砖的制备工艺流程
Fig.1 Autoclaved bricks
2 实验结果与分析
2.1 建筑垃圾基本特性
1)建筑垃圾微粉的细度和粒度分布：
参照GB/1345—2005《水泥细度检验方法 筛析法》对建筑垃圾微粉进行细度试验，80 μm方孔筛筛余百分率为12.5%。采用LS-900激光粒度分析仪对建筑垃圾微粉的粒度分布进行分析，结果如图2所示。建筑垃圾微粉粒径特征参数：D10=0.13 μm，D25=0.17 μm，D50=8.53 μm，D75=27.08 μm，D90=47.95 μm。
图2 建筑垃圾微粉的粒度分布
Fig.2 Particle size distribution of the construction waste powder
2)建筑垃圾微粉的化学成分：
采用PrimusⅡ X射线荧光光谱仪进行分析，检测结果如表 2 所示。建筑垃圾微粉主要含有Si、Ca、Al等元素。
表 2 建筑垃圾微粉的化学成分质量分数
Table 2 Chemical composition of theconstruction waste powder %
成分 w(SiO2)w(CaO)w(Al2O3)w(Fe2O3)w(MgO)含量48.1423.9013.845.323.17成分w(K2O)w(SO3)w(Na2O)w(TiO2)含量2.431.331.120.76
3)建筑垃圾微粉的物相组成：
采用X Pert PRO MPD X射线衍射仪 (电流40 mA，管电压40 kV，Cu靶)进行分析，结果如图3所示。可知：微粉中含有较多的SiO2、CaCO3和C-S-H物相，主要是混凝土中的砂石、水泥水化产物在破碎粉磨中产生的。
1—SiO2； 2—CSH； 3—CaCO3； 4—CAH。
图3 建筑垃圾微粉的XRD图谱
Fig.3 XRD pattern of the construction waste powder
4)建筑垃圾微粉的差热-热重分析：
采用STA449F3同步热分析仪进行，结果如图4所示。建筑垃圾微粉在1000 ℃下主要有2个失重过程：在145 ℃时的重量损失为0.99%；在720 ℃时重量损失已基本结束，约为10.85%。在145 ℃之前主要是建筑垃圾微粉含有的游离水逐渐蒸发；600～720 ℃区段内重量急剧降低，主要是废弃混凝土中水化产物的脱水以及碳酸盐的分解。
图4 建筑垃圾微粉差热-热重曲线
Fig.4 TG-DTA curves of the construction waste powder
5)建筑垃圾微粉的形貌分析：
采用FEI QUANTA 450扫面电子显微镜(电压25 kV)对建筑垃圾微粉的表面形貌进行观察，结果如图5所示。可知：建筑垃圾微粉粒度不均、形状各异、表面粗糙不平、疏松多孔，有利于其活性的激发。
图5 建筑垃圾微粉的SEM图
Fig.5 SEM patterns of the construction waste powder
6)建筑垃圾再生砂的细度模数：
参照GB/T 14684—2001《建筑用砂》对建筑垃圾再生砂进行筛分试验得知，再生砂的细度模数为2.6，级配良好。
2.2 建筑垃圾蒸养砖强度
采用建筑垃圾微粉、再生砂、水泥为原料，按照工艺流程制备蒸养标准砖，试样强度测试结果如表3所示。不添加水泥和激发剂的A0组试样蒸养后强度极低，易碎，无法检测强度。由表3可以看出：1)在掺量为0～3.5%时,Ca(OH)2、Na2SO4、CaCl2 3种激发剂均能提高蒸养砖的强度，蒸养砖的强度随着激发剂掺量的增加逐渐增大，这说明激发剂掺量不足时，建筑垃圾微粉的活性没有得到充分激发，蒸养砖内胶凝物质较少，强度较低；相对而言， Ca(OH)2是较优的激发剂。2)以Ca(OH)2为激发剂，掺入10%的水泥，按照本实验工艺流程，所有方案试样均能满足JC/T 239—2014《蒸压粉煤灰砖》中MU15等级要求，建筑垃圾利用率高达90%；蒸养砖的强度随着激发剂掺量的增加逐渐提高随后又略有下降, Ca(OH)2掺量为4%时，强度达到最大值19.3 MPa。这可能是因为水泥水化反应会产生Ca(OH)2，当体系中Ca(OH)2过量时，发生的碱骨料反应导致强度降低。
表3 蒸养砖的强度
Table 3 The strength of the steam-cured bricks
组号A0A1A2A3A4A5A6A7A8A9B0B1B2B3B4抗压强度/MPa—4.85.15.62.22.52.43.33.53.814.817.618.419.318.6抗折强度/MPa—1.51.71.80.50.60.60.80.71.13.23.84.14.14.2
2.3 强度来源机理
利用建筑垃圾、水泥等原料所制备蒸养砖的强度主要来自以下2个方面：
2.3.1 在模压成型过程中的物理作用
1)成型过程中, 在机械压力的作用下，不同粒径的建筑垃圾互相靠拢，空隙率减少，堆积密度增大，形成初期骨架结构，这是砖坯初期强度的来源。成型时保压3 min，有利于排出砖坯中的空气，提高其致密度，还可防止坯体在蒸养前出现体积反弹或层裂现象。2)混料时加入的水,真正参与水化反应的占比很小，多余的水分不利于蒸养砖的最终强度，所以在保证成型要求的情况下，加水量越低越好，以提高蒸养砖的强度。本实验成型时, 加荷速率为0.1 MPa/s，成型压力为20 MPa，加水量较低，仅为14%，有利于强度的提高。3)原料中配有一定量的建筑垃圾再生砂,这种再生骨料表面较天然砂粗糙，本身存在一定的裂纹，且具有较高的吸水率。掺入的水泥颗粒进入裂纹后发生水化反应，生成胶凝物质，弥补了再生砂本身强度不足的缺点。再生砂中较高的吸水率可以吸收浆体中多余的水分,减少了水分蒸发产生的孔隙，有利于蒸养砖强度的提高。
2.3.2 砖坯在蒸养过程中原料之间的化学反应
Ca(OH)2、Na2SO4、CaCl2均能提高蒸养砖的强度，说明3种激发剂对建筑垃圾均有一定的激发效果。
1)Ca(OH)2激发机理：加入Ca(OH)2，砖坯中液相的碱性提高，导致建筑垃圾微粉表面的Al2O3、SiO2键位断裂，原有网络聚合体结构被破坏，形成游离的不饱和活性键，聚合度降低，这种体系更容易与活性组分发生反应, 增加如水化硅酸铝和水化硅酸钙等胶凝物质的生成量[13-14]；另外，建筑垃圾微粉中的SiO2、CaCO3以及沸石类水化产物和Ca(OH)2反应生成CaCO3·Ca(OH)2、CaSiO3·CaCO3·Ca(OH)2·nH2O等络合物，这些复盐增加了固体之间的界面，同时也增加了蒸压砖中固相的含量，形成强度较高的骨架作用，有利于水泥石结构的形成[1,15]，从而有利于增大强度，达到激发效果。
2)Na2SO4激发机理：Na2SO4与砖坯中的Ca(OH)2(建筑垃圾本身含有Ca(OH)2，加入水泥后，水泥水化反应也会产生Ca(OH)2)反应，生成CaSO4分散在建筑垃圾中，进一步结合体系中的活性Al2O3，最终形成钙矾石[16]，针状钙矾石连结建筑垃圾颗粒，有利于蒸养砖强度发展；另外，Na2SO4水解后还可提高砖坯液相的碱度，从而有利于建筑垃圾微粉活性的激发。
3)CaCl2激发机理：CaCl2首先可以提供生成水化产物所需的Ca2+，另有研究表明[17]，CaCl2可与砖坯中的Ca(OH)2反应,形成不溶于水的复盐，进而提高体系的胶凝活性，达到激发效果。
2.4 干燥收缩、抗冻、碳化、吸水性能评价
按照JC/T239—2014对B0、B1、B2、B3、B4试样进行干燥收缩、抗冻性、碳化、吸水性能实验，结果如表4所示。
表4 蒸养砖的干燥收缩、抗冻、碳化、吸水性能
Table 4 The shrinkage,anti-freezing,carbonation and absorbency properties of the steam-cured autoclaved bricks
项目强度抗冻性抗压强度≥/MPa抗折强度≥/MPa平均值单块值平均值单块值抗压强度损失≤/%质量损失≤/%碳化系数Kc干燥收缩/(mm·m-1)吸水率/%国标值15.012.03.73.0255≥0.85≤0.5≤20B014.812.63.22.716.01.50.88≤0.4518B117.614.33.83.514.21.20.88≤0.4516B218.415.14.13.612.70.80.86≤0.4417B319.314.84.13.512.90.80.87≤0.4215B418.614.64.23.614.21.10.86≤0.4215
由表4可看出：B1、B2、B3、B4蒸养砖的干燥收缩、抗冻、碳化、吸水性能均满足JC/T239—2014中MU15等级的对应指标要求。
3 结 论
1)建筑垃圾微粉颗粒大小不均、表面粗糙不平，主要含有Si、Ca、Al等元素，并含有较多的SiO2、CaCO3和C-S-H物相。建筑垃圾再生砂的细度模数为2.6，级配良好。建筑垃圾本身活性很低，在不添加激发剂时，胶凝效果很差。Ca(OH)2、Na2SO4、CaCl2 3种激发剂对建筑垃圾均有一定的激发作用，添加激发剂后建筑垃圾蒸养砖强度均有提高，其中Ca(OH)2激发效果较好。
2)利用建筑垃圾微粉50%、建筑垃圾再生砂40%、水泥10%为原料，加水量为14%(相对建筑垃圾和水泥的总质量)，外掺4%(相对建筑垃圾微粉含量)的Ca(OH)2为激发剂，采用压制成型、蒸压养护工艺可以制备出MU15等级的蒸养砖，建筑垃圾的用量高达90%。
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