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工业和建筑固体废弃物再生研究 * 薛丽洋谢娜张明泉龚琪张小余 兰州大学资源环境学院，兰州 730000 摘要 为了减轻我国的工业 /建筑固体废弃物的污染压力， 通过对工业和建筑固体废物、 粉煤灰、 水泥以及外加剂的组 合配比实验， 优化制作具有轻质高性能的混凝土建筑砌块的方法， 并对所研制的混凝土砌块的强度和导热性能进行了 测试， 最终结果显示砌块性能良好。预计此类复合建筑材料可以在未来的市政建筑中发挥应有的作用。 关键词 固体废弃物; 再生; 混凝土; 保温 STUDY ON REGENERATION OF SOLID WASTES FROM INDUSTRY AND BUILDINGS Xue LiyangXie NaZhang MingquanGong QiZhang Xiaoyu College of Resources and Environment， Lanzhou University， Lanzhou 730000， China AbstractIn order to reduce the solid waste and pollution of industry and buildings，this research optimized and produced the lightweight concrete building blocks with high perance through the combination ratio tests of industry and buildings solid waste，fly ash，cement and admixture． The strength and thermal conductivity of the produced concrete blocks had also been tested，and the final results showed that the perance of the block was very good． This kind of composite building material can play an important role in buildings in the future． Keywordssolid waste; renew; concrete; heat preservation * 国家自然科学基金 50678075。 0引言 伴随着建筑工业的快速发展， 大量建筑废物所带 来的环境问题日益严重。据统计， 我国每年新建建筑 产生的建筑固体废弃物大约 l 亿 t 以上， 现有的 400 亿 m2老建筑［1］， 在未来几十年中大都因老化拆除而 转化为建筑固体废弃物。目前我国年拆除建筑产生 的建筑固体废弃物在 3 亿 t 以上。利用建筑固废和 一些无机工业废料研制新型建筑材料， 实现固体废弃 物的资源化， 成了现今社会不可回避的发展趋势。本 文以建筑固废 碎砖瓦、 混凝土碎块等 、 工业废料 煤渣、 火山渣 等 与电厂 粉 煤灰 等 工 业废渣 为原 料［2- 4］， 加入适量的水泥和混凝土外加剂， 通过实验找 出最优化配比， 并制作轻质、 保温、 隔热的复合型高性 能混凝土砌块， 通过省级检测部门检测， 达到了优质 混凝土砌块的要求。 1实验部分 1. 1实验原料及设备 1 原料 普通硅酸盐水泥 R425 、 粗骨料 碎砖 瓦、 煤渣和碎混凝土， 粒径为 0. 5 ～ 1. 5 cm 、 细骨料 粉煤 灰， 粒 径 ＜ 0. 5 cm， 为 电 厂 电 收 尘 的 二 级 细 灰 、 水 普通自来水 、 外加剂。 2 设备 搅 拌 器、 模 具 一 次 性 口 杯， 10 cm 10 cm 10 cm， 15 cm 15 cm 15 cm 、 电 子 秤 10 kg 、 恒温箱、 水槽、 微机控制电 子万能试验机 WE- 100 ， 导热系数测定仪。 1. 2实验原理及设置 混凝土砌块是由粗骨料、 细骨料、 粘合剂及外加 剂组成的人工石材［5］。本实验采用煤渣、 碎砖瓦、 混 凝土碎块等低导热性固废以及电厂电收尘作为原料， 并加以粘合剂 水泥 和外加剂来制作高性能混凝土 砌块。确定各物料以及外加剂的掺量成了研究重点。 1. 2. 1用水量 在确定每立方米流动性混凝土用水量时， 利用 式 1 计算混凝土用水量［6］。 W 10 3 T K 1 78 环境工程 2012 年 2 月第 30 卷第 1 期 式中 W 为每立方米混凝土用水量， kg 或 L; T 为 坍落度， cm; K 为常数。通过查表计算得到混凝土的 用水量。 1. 2. 2水泥用量 选择水泥用量时， 对于碎石混凝土 R 0. 52R0 C W － 0. 57 2 初步估计得混凝土配制强度与水灰比， 从而得到 水泥的用量。 1. 2. 3粗细骨料 利用以上两个定则算出单位体积混凝土的用水 量和水泥用量后， 即可应用绝对体积法 见式 3 或 假定密度法算出单位体积混凝土中集料总质量 绝 对体积或质量 。 W C γ0 X γ∞ Y γy 1 000 L 3 式中γ0 、 γ ∞ 和 γy分别表示水泥、 细骨料和粗骨料的 密度， 均为已知值; W 以 kg 或 L 计; C、 X 和 Y 均以 kg 计。 粗骨料通常占总骨料的 2 /3， 为了充分利用再生 骨料， 考虑在基准混凝土用量的基础上增减一定比 例， 进行最优测试。 1. 2. 4外加剂用量 实验中采用的建筑及工业固废都属于多孔高吸 水性物料， 所用的水量较大， 应选取减水剂降低混凝 土的坍落度， 并用早强剂加速混凝土的早期强度［7- 8］。 同时还应增大新拌混凝土的含气量， 减少其泌水和离 析， 降低水泥水化， 使混凝土初凝时间适当延迟。这 样， 既可以加速混凝土早期强度的发展， 又对后期强 度无明显影响。文中所选取的外加助剂为减水剂和 早强剂。由于外加剂对混凝土的影响显著， 所以在选 用早强剂和减水剂的掺量时应符合一定的标准［7］。 通常， 无机盐类早强剂掺量为水泥重量的 1 ～ 2 ， 普通减水剂 0. 2 ～ 0. 3 。因此， 分别取不同比例 的外加剂加入混凝土中制成混凝土试块， 进行最佳掺 量确定实验。 1. 3实验步骤 1 将收集的碎砖瓦、 煤渣和碎混凝土破碎成为 粒径 0. 5 ～ 1. 5 cm的粗骨料。 2 确定粗集料和细集料的最佳配比。经过配 料、 搅拌、 成型、 养护等程序， 制成标准混凝土试块进 行强度测试， 以此来确定混凝土的最佳配比。 3 利用最佳物料配比， 选取不同剂量的外加剂 进行平行实验， 得出在各种不同外加剂用量下的最佳 物料性能， 确定最佳外加剂用量。 4 使用物料以及各种外加剂的最佳配比， 制成 标准试块， 测定标准试块在标准养护条件下养护 28 d 的抗压强度， 以此验证设计的可行性。 2数据及分析 2. 1普通混凝土强度实验 2. 1. 1原料配比的选择 通过计算得到水灰比和粗细骨料的用量， 固定水 泥和水的用量 各组样品水泥用量为 20. 0 g， 水用量为 14. 4 g ， 对粗细骨料的掺量进行选取， 用量见表 1。 表 1未加助剂各原料用量 样品编号细骨料 /g粗骨料 /g 138. 025. 0 220. 032. 8 328. 424. 2 424. 623. 8 521. 423. 6 618. 623. 4 716. 223. 2 每组物料按指定量混合均匀后加水搅拌入模 使用一次性口杯作为模具 ， 并于25 ℃ 恒温箱中静 置24 h后脱模， 试样结块， 强度明显增强。脱模后浸 泡于水槽中， 25 ℃ 恒温箱中养护， 并分别在养护3 d 和7 d后取出; 在300 mm/min的测试条件下， 进行抗 压强度测试。 在不同配比下所得到的强度曲线如图 1 所示， 两 条曲线分别代表养护3 d和7 d的强度。两条曲线均 由较小值逐渐增大到峰值再回落。两曲线峰值都接 近于第 5 组， 因此选取第 5 组配比作为最优物料配 比， 即 m 水泥 ∶ m 细骨料 ∶ m 粗骨料 ∶ m 水 1. 00∶ 1. 07∶ 1. 18∶ 0. 72。 2. 1. 2外加剂用量的选取 各组实验分别采用水泥 20. 0 g， 细骨料21. 4 g， 粗骨料 23. 6 g， 水 14. 4 g， 进行不同添加剂用量的确 定实验。 1 减水剂 将混合均匀的固体物料中填加一定 量的水搅拌， 待均匀后加入不同比例的减水剂再搅拌 均匀后入模， 在 17 ～ 19 ℃ 室温下静置1 h后出现层析 和泌水现象， 试样表面出现水层。在25 ℃ 恒温箱中 静置24 h后脱模， 分别入水养护3 d及7 d取出， 将表面 88 环境工程 2012 年 2 月第 30 卷第 1 期 图 1不同配比下各组试块的平均强度 擦净， 再于压力测试仪下测定其抗压强度， 得到图 2。 图 2不同减水剂掺量的抗压强度 对比图 1， 图 2 可知 添加减水剂后试块强度比 图 1 中第 5 组实验测得的养护 3 d 和 7 d 的抗压强度 16. 623 kN和37. 525 kN有明显增强。抗压强度先迅 速增加到某点后趋于平缓， 出现的抗压强度峰值分别 为17. 393 kN和29. 648 kN。确定最佳减水剂的掺入 量为 0. 32 。 2 早强剂 原物料配比中加入 0. 32 的减水剂， 进行早强剂最佳掺量的选取实验， 在 1 ～ 2 的范 围内确定最佳用量， 测试方法同减水剂， 不同早强剂 含量下各试块的抗压强度如图 3 所示。 图 3不同早强剂掺量的抗压强度 由图 3 可知 添加早强剂的混凝土试块， 比没有 添加早强剂的混凝土试块养护3 d的抗压强度有明显 的增强; 可是在养护7 d后， 混凝土试块强度却出现了 减小的现象。说明加入早强剂可以增加混凝土较短 时间内的凝结强度， 但有可能影响其长期强度。故加 入 1. 43 左右的早强剂较为理想。 2. 1. 3验证实验 分别 以 物 料 配 比 为 m 水 泥∶ m 细骨料 ∶ m 粗骨料 ∶ m 水 1. 00∶ 1. 07∶ 1. 18∶ 0. 72， 减水剂 为 0. 3 ， 早强剂为 1. 43 ， 通过上述方法制成 10 cm 10 cm 10 cm 的试块进行强度实验， 结果见图 4。 图 4使用外加剂前后混凝土试块强度的对比 由图 4 可以看出 添加外加剂有效增强了混凝土 的强度和性能，养护28 d强度超过了最初的设计指 标， 通过调整混凝土砌块配比可以达到各种强度性能 要求。 2. 2轻质高性能混凝土砌块的导热系数和强度研究 通过同样的实验方法， 选取了煤渣、 火山渣和粉 煤灰等低导热性能［9］固废， 并适当调整了混凝土的 配比、 水泥及外加剂的用量， 制成了一系列既具有良 好的保温隔热性能， 又可以保证强度要求的混凝土砌 块。首先通过系统检测， 得到了各物料的导热系数如 表 2 所示。 表 2各物料导热系数一览表 原料粉煤灰碎砖瓦煤渣火山渣碎混凝土 导热系数/ W m －1 K－1 0. 146 ～ 0. 1900. 810. 22 ～ 0. 290. 18 ～ 0. 230. 80 ～ 0. 84 通过一系列配比实验制得的轻质高性能建筑砌 块， 交由省级检验、 检测部门检测所得到的砌块抗压 强度和导热性能如表 3 所示。 表 3轻质高性能砌块的导热性及抗压强度表 组别1 组2 组3 组4 组5 组6 组7 组 抗压强度 /kN9. 210. 415. 0215. 612. 015. 410. 3 导热系数/ W m －1 K－1 0. 102 0. 153 1. 189 0. 228 0. 2480. 250. 27 由表 3 可看出 砌块强度越大， 密实度越高， 其保 温性能越小。这是由于密实性差的砌块空隙较高， 不 98 环境工程 2012 年 2 月第 30 卷第 1 期 利于热传导， 保温性能较好， 但强度相对越差。制得 的 7 组砌块的平均抗压强度及导热系数， 均达到了国 家轻质复合混凝土砌块的最高强度和最小导热系数 的技术标准。经检测， 实验砌块性能完全可以达到我 国墙材节能 50 的国家规定标准， 经组合及进一步 处理， 还将满足国家墙体材料节能 65 的最新标准。 3结论 1 说明采用制造新型复合混凝土的方法来处理 工业和建筑固废， 获得的混凝土可达到要求的强度和 性能。 2 实验完成了各物料的最佳配比， 以及各种助 剂的最优掺合量的确定， 可以用来优化普通混凝土的 性能， 使制得的混凝土石材达到强度要求。 3 鉴于此方法推广研发了新型保温材料。利用 本身具有轻质、 保温性能的固废进行探索性实验， 并 改进了保温建筑材料的工艺设计， 此专利方法可推广 至今后废物回用以及高性能建材的研发。 参考文献 ［1］杨德志， 张雄． 建筑固废资源化利用战略研究［C］/ / 中国硅酸 盐学会房建材料分会 2006 年学术年会． 海口， 2006 105- 107． ［2］王健， 李懿． 建筑垃圾的处理及再生利用研究［J］． 环境工程， 2003， 21 6 49- 52． ［3］鞠春华． 某些工业固体废弃物的资源化［J］． 国土与自然资源 研究， 1998 1 76- 79． ［4］Sun J， Liao H F． The sustainable development of the technology of highperanceconcrete ［C］/ /InternationalSymposiumon Innovation and Sustainability of Structures in Civil Engineering． Guangzhou， 2009144- 147． ［5］顾林祥． 混凝土结构基本原理［M］． 上海 同济大学出版社， 2004 1 21- 22． ［6］重庆建筑工程学院，南京工学院． 混凝土学［M］． 北京 中国 建筑工业出版社， 1981 206- 210． ［7］张伟， 侯鹏宇． 混凝土外加剂掺量试验［J］． 河南水利与南水北 调， 2008 5 55- 60． ［8］李永前． 混凝土外加剂技术及其应用［J］． 技术园地， 2008 1 56- 58． ［9］颜承越． 粉煤灰类保温材料的导热系数［J］． 粉煤灰综合利用， 1994 4 69- 70． 作者通信处薛丽洋730000兰州市兰州大学 1 号研究生公寓 E- mailxuely10 lzu． edu． cn 2011 － 07 － 07 櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅 收稿 上接第 86 页 参考文献 ［1］赖兰萍， 周李蕾， 韩磊， 等． 赤泥综合回收与利用现状及进展 ［J］． 四川有色金属， 2008 1 43- 48． ［2］何伯泉， 周国华， 薜玉兰． 赤泥在环境保护中的应用［J］． 轻金 属， 2001 2 24- 26． ［3］Mishra B，Staley A， Kirkpatrick D． Recovery and utilization of iron from red mud ［J］． Light Metal， 2000， 15149- 156． ［4］A Ihsan Cakici， Jale Yanik，Suat Uar， et al．Utilization of red mud as catalyst in conversion of waste oil and waste plastics to fuel ［J］．Journal of Material Cycles and Waste Management，2004 6 20- 26． ［5］杨家宽， 候健， 齐波， 等． 铝业赤泥免烧砖中试生产及产业化 ［J］． 环境工程， 2006， 24 4 52- 55． ［6］孙体昌， 解建伟， 李发生． 用赤泥制备复合混凝剂的研究［J］． 环境工程， 2003， 21 5 71- 73． ［7］侯永顺． 赤泥性质判别与赤泥堆场防渗要求［J］． 轻金属， 2005 2 16- 18． ［8］ZhangYongshuang，QuYongxin， WuShuren．Engineering geological properties and comprehensive utilization of the solid waste red mud in aluminium industry［J］．Environmental Geology，2001， 41 249- 256． ［9］曲永新， 关文章， 张永双， 等． 炼铝工业固体废料 赤泥 的物质 组成与工程特性及其防治利用研究［J］． 工程地质学报， 2000， 8 3 296- 305． ［ 10］南京水利科学研究院． 土工合成材料测试手册［M］． 北京 水利 电力出版社， 1991 48- 64． ［ 11］陈崇希， 林敏． 地下水动力学［M］． 武汉 中国地质大学出版社， 1999 7- 10． ［ 12］陈南． 铝工业废渣堆场防渗材料研究［J］． 广州师院学报 自然 科学版 ，2000， 21 5 12- 17． 作者通信处常向阳510006广州番禺区大学城外环西路 230 号 A129 信箱环境科学与工程学院 E- mailnancychen 126. com 2011 － 07 － 06 收稿 09 环境工程 2012 年 2 月第 30 卷第 1 期