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建筑垃圾再生微粉制备与基本性能研究

2024-08-27 37 上传者：管理员

摘要：文中研究了使用废弃砖瓦、废弃混凝土两类建筑垃圾制备不同细度再生微粉材料，在对再生微粉材料的化学成分、比表面积、颗粒粒度分布等进行测试分析的基础上，严格按照现行规范标准，检测了微粉材料的基本性能。结果表明，单纯通过机械粉磨的方式，再生微粉的相关指标可达到II级粉煤灰甚至S95矿粉的技术要求。

关键词：
再生微粉
废弃混凝土
废弃砖瓦
建筑垃圾
资源化利用率
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近年来，我国经济发展迅速，在大力提升城市建设、改善居住环境和生活条件的同时，也制造了数十亿吨建筑垃圾。如何资源化利用建筑垃圾，变废为宝，是政府以及学术界、企业界十分关注的问题[1-2]。

据相关部门统计，我国建筑垃圾的数量占到城市垃圾总量的30%～40%,但资源化利用率不到10%,且资源化利用又是以再生骨料、水稳料、砌块与砖等低附加值产品为主。随着天然矿产资源的匮乏及建筑垃圾资源化研究工作的深入，特别是建筑垃圾资源化产业同质化的竞争加剧，在提升资源化率的同时，如何提升建筑垃圾资源化的附加值成为研究的热点。在生产高附加值产品方面，建筑垃圾再生微粉是研究的热点，但研究重点、研究结果各有不同[3-6]。作者基于多年来从业建筑垃圾资源化的研究，计划用建筑垃圾制备再生微粉，以成分相对单一的微粉的制备、分析、测试为出发点，逐步开展系统性研究工作，本文为系列研究的最基础部分。

1、试验部分

1.1 建筑垃圾来源与种类

本研究选用的建筑垃圾来自北京某建筑垃圾资源化处置中心，为砖混垃圾，红砖比例约60%,混凝土比例约30%,其他杂质约10%。

图1 建筑垃圾原料特征图

1.2 入磨物料制备

我们对进场的建筑垃圾进行分选，挑选出砖垃圾与混凝土垃圾。把砖垃圾破碎至10 mm以下，经烘干(含水率≤0.5%)后密封备用。混凝土垃圾通过机械破碎及热处理(加热至280 ℃左右)的方式进行加工，分选出不可见粗骨料的胶砂料，密封备用。

1.3 再生微分制备

控制废弃砖瓦再生微粉的比表面积为350、400、450、500、550 m2/kg, 废弃胶砂废弃物再生微粉制备种类同上。

1.4 主要试验仪器与设备

本研究选用的粉磨装备是青岛某公司生产的JC-QM-4立式行星式球磨机，电机功率为7.5 kW,采用干式粉磨，可同时研磨四种样品，出料粒径可达0.1 μm; 采用X 射线荧光光谱(XRF)分析样品的化学成分，仪器为日本某企业生产的 EDX1800XRF 测试仪；采用英国某公司生产的 Master-sizer2000 激光粒度仪测定粒度；采用某公司生产的 SSA-4000 比表面积分析仪测定其比表面积；采用比重瓶法测试样品的密度。

1.5 材料化学分析结果

本研究使用再生微粉为试验室自制微粉，粉煤灰选用天津某公司生产的Ⅰ级、Ⅱ级、Ⅲ级粉煤灰，矿粉选用唐山某公司生产的S75、S95、S105级矿粉，石粉由试验室自制，水泥选用北京某公司生产的P·O 42.5水泥。各材料化学成分分析结果见表1。

2、结果与分析

2.1 不同研磨时间的再生微粉粒径分布与比表面积

研磨时间分别为20、35、50、65、80 min的再生微粉粒度分布、平均粒径及比表面积测定结果见表2。

表1 材料化学成分分析结果

表2 不同研磨时间的再生微粉粒径分布与比表面积

从研磨时间与粒径分布数据可以看出，无论是废弃砖瓦类还是废弃胶砂类建筑垃圾，随着研磨时间的延长，细颗粒体积占比不断增大。其中，以废弃砖瓦为主的建筑垃圾，粉磨时间为50 min时，颗粒粒径低于30 μm的体积占比高达77%,低于10 μm的颗粒体积占比达42%,颗粒平均粒径为12.5 μm, 粉磨时间继续延长，低于10 μm的颗粒体积占比增加；以废弃胶砂为主的建筑垃圾，粉磨时间为65 min时，颗粒粒径均低于30 μm的体积占比达71%,低于10 μm的颗粒体积占比达42%,颗粒平均粒径为8.1 μm, 粉磨时间继续延长，低于10 μm的颗粒体积占比继续增加，10～30 μm范围的颗粒继续减少。

图2 比表面积与研磨时间关系

由表2可以看出，再生微粉的比表面积随着研磨时间的延长不断增加，废弃砖瓦研磨时间每延长15 min的增长幅度依次为20.75%、9.82%、10.77%、6.06%,继续延长研磨时间，比表面增长幅度有限。废弃胶砂研磨时间每延长15 min的增长幅度依次为16.85%、10.40%、10.92%、8.30%,继续延长研磨时间，比表面增长速率也呈下降趋势。由此可见，在不采取其他助磨措施的情况下，建筑垃圾微粉的经济粉磨时间为50～70 min。

另外，粒径分布及比表面积数据显示，废弃胶砂的易磨性较废弃砖瓦的易磨性差。

2.2 不同粉磨时间的再生微粉相关性能指标

按照GB/T 1596—2017《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》、GB/T 18046—2017《用于水泥、砂浆和混凝土中的粒化高炉矿渣粉》、JG/T 573—2020《混凝土和砂浆用再生微粉》、GBT 176—2017《水泥化学分析方法》,测定编号①至⑩的再生微粉的密度、烧失量、45 μm方孔筛筛余、比表面积、需水量比、流动度比、7 d与28 d活性指数等性能指标，试验结果见表3、表4。

表3 再生微粉基本性能测定结果

表4 粉磨65 min再生微粉粒径分布与平均粒径

从表3可以看出，建筑垃圾制备的微粉的安定性、烧失量、密度、粉磨时间超过65 min的砖瓦类垃圾强度活性指数、粉磨时间超过20 min的胶砂类建筑垃圾强度活性指数等相关指标均满足GB/T 1596—2017《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》要求，且粉磨时间超过35 min的两类再生微粉的细度可以满足Ⅱ级粉煤灰的要求，粉磨时间超过50 min的两类再生微粉的需水量比接近Ⅱ级粉煤灰的要求。粉磨时间为80 min的砖瓦类再生微粉以及粉磨时间超过50 min的胶砂类再生微粉的活性指数均满足GB/T 18046—2017《用于水泥、砂浆和混凝土中的粒化高炉矿渣粉》的要求。另外，粉磨时间超过65 min的砖瓦类再生微粉及粉磨时间超过50 min的胶砂类再生微粉的流动度比均满足GB/T 35164—2017《用于水泥、砂浆和混凝土中的石灰石粉》的相关要求，且从活性指数测定数据与抗压强度对比数据分析，建筑垃圾再生微粉的火山灰性能优于石灰石粉。

2.3 粉磨60 min再生微粉性能指标

依据前期研究结果，把粉磨时间限定为60 min, 测定制备的再生微粉的相关性能指标。

表5 研磨60 min再生微粉基本性能

按照GB/T 1596—2017《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》要求，Ⅰ级、Ⅱ级、Ⅲ级粉煤灰的需水量比上限分别为95%、105%、115%;烧失量上限分别为5.0%、8.0%、10.0%;强度活性指数下限为70.0%,编号为(11)、(12)的相关指标对比见图3、图4。按照GB/T 18046—2017《用于水泥、砂浆和混凝土中的粒化高炉矿渣粉》要求，S105、S95、S75粒化高炉矿渣粉的比表面积下限分别为500、400、300 m2/kg, 7 d活性指数下限分别为95%、70%、55%,28 d活性指数下限分别为105%、95%、75%,流动度比的下限为95%,编号为(11)、(12)的相关指标对比见图5、图6。

图3 与GB/T 1596要求对比图

图4 与GB/T 1596要求对比图

图5 与GB/T 18046要求对比图

图6 与GB/T 18046要求对比图

试验结果表明，粉磨60 min的两类建筑垃圾再生微粉，强度活性指数、需水量比、烧失量等性能指标均满足GB/T 1596—2017《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》的要求，其中烧失量、筛余、需水量比均达到Ⅰ级粉煤灰的技术要求。同时，粉磨时间为60 min的胶砂类再生微粉的活性指数、流动度比满足S75级用于水泥、砂浆和混凝土中的粒化高炉矿渣粉的技术要求。

3、结论

(1)以废弃砖瓦为主的建筑垃圾的易磨性优于以水泥胶砂为主的建筑垃圾。

(2)建筑垃圾再生微粉的细度随粉磨时间的延长呈增大趋势，采用机械方式提升细度的经济研磨时间为50～70 min。

(3)粉磨时间为60 min的砖瓦类建筑垃圾再生微粉平均粒径降至10 μm以下，不超过10 μm的颗粒体积占比为78%,50 μm以下颗粒总体积占比高达95%;胶砂类建筑垃圾再生微粉不超过10 μm的颗粒体积占比超过60%,50 μm以下颗粒总体积占比高达90%。

(4)粉磨时间为60 min的两类建筑垃圾再生微粉，筛余、需水量比、烧失量、强度活性指数等指标均优于II级粉煤灰的相关要求。粉磨时间为60 min的胶砂类建筑垃圾再生微粉的活性指数级流动度比满足S75级矿粉的技术要求。性能测试结果表明，建筑垃圾磨制到一定细度后具备可比拟粉煤灰与矿粉的相关性能。

参考文献:

[1]刘梅.发达国家垃圾分类经验及其对中国的启示[J].西南民族大学学报(人文社会科学版),2011,32(10):98-101.

[2]曹元辉,王胜杰,王勇,等.我国建筑垃圾综合利用现状及未来发展趋势[J].中国建材,2021(9):118-121.

[3]冯庆革,张小利,李浩璇.废弃混凝土磨细粉对水泥性能的影响[J].硅酸盐通报,2016,35(5) :1475-1480.

[4]毛新奇,屈文俊,朱鹏.建筑垃圾再生微粉的研究现状[J].混凝土与水泥制品,2015(8):89-93.

[5]张修勤.再生微粉资源化利用试验研究[D].青岛:青岛理工大学.2009.

[6]吕雪源.再生微粉的基本性能及应用[D].青岛:青岛理工大学.2009.