利用建築垃圾、棄土、尾礦廢渣研制燒結清水牆磚

2019-08-07 07:34:46 佛山陶瓷2019年6期

邊華英 劉永川 喬一佳 李桂 張昊

摘 要:文章介紹了清水牆磚的特性和清水磚牆砌體施工的技術要點。對采集的建築垃圾、棄土、尾礦廢渣進行了放射性和化學成分檢測,這些廢渣均屬于放射性安全的原材料。因試驗設備的局限性,采用底基層和面層化妝土二次布料、壓制成型、于馬弗爐中在1000 ~ 1200℃溫度下保溫焙燒1 ~ 2 h的方法制備了薄片借以模擬清水牆磚。並以棄土、瓷石泥配方結構二元配方幹壓法制備了清水裝飾磚薄片,燒結溫度950 ~ 1000℃,保溫1 ~ 2 h。

關鍵詞:建築垃圾;棄土;尾礦廢渣;清水牆磚;清水磚牆

1 前 言

目前我國的建築多爲框架結構,而框架結構又分爲混凝土框架結構和鋼結構等,但凡建築的重量由梁和柱而不是牆體承載的建築體系,都可以歸爲框架結構。之前,我國框架結構建築的牆體材料主要有燒結空心砌塊、水泥砌塊、陶粒砌塊、夾氣混凝土砌塊、隔牆板等;爲了保溫節能,圍護結構一般采用外牆外保溫節能體系,輔以飾面磚或塗料裝飾。這種保溫材料的問題在于使用壽命短、飾面磚容易脫落、火災隱患大(如曾經發生的烏魯木齊大火、北京大學乒乓球館火災、溫州溫富大廈火災、南京青少年科技活動中心火災、沈陽鐵西區紅盛小區火災等等)等不可逆轉的缺陷。[1]而清水磚牆既可做成單層磚體外牆也可做成複合層外牆,清水磚還可用于除臥室外的室內裝飾牆,特別是可以做成一種將承重和保溫性能融爲一體的雙層複合外牆體系的砌體結構形式(double-leaf brick masonry)[2]。因此,在經過了曆史演變之後,融入了創新元素的清水磚複合牆體系更加贏得了世人的青睐。

2 清水磚及其牆體特點

(1)具有裝飾、保溫、承重一體化的特性[3],可以磚雕的形式砌築立體圖案,可用于裝景觀。産品能夠抵禦腐蝕性惡劣環境,曆久更有韻味。

(2)可利用各種天然黏土類礦物的色澤制成多種色調的清水磚,砌築時不同色調的磚隨機搭配呈現出一定的效果,給人一種回歸自然的感覺。

(3)清水磚主要采用天然黏土類礦物原料經成型、幹燥、燒制而成,與大自然的土壤和環境相容性好。

(4)清水磚牆建築耐久性好,[4]比如長城和西安的城牆都屬于清水牆,法國的巴黎聖母院、上海的石庫門、廈門的紅牆建築等都是清水磚牆建築精品。

3 清水磚牆施工砌築技術要點

(1)清水磚的吸水率一般只有普通磚的50%左右。故不可將清水磚泡在水裏,只有在氣候異常炎熱幹燥時,可在砌築前稍微噴水潤濕,但不得以澆水法潤濕,以防止砂漿在幹燥時滲透到磚的裝飾面造成泛霜,影響裝飾效果。

(2)砌築摞底磚時應使拉結件在灰縫高度正中位置,做到錯縫搭接要求,合理排出灰縫的寬度。

(3)砂漿應采用強度等級不小于M7.5的水泥混合砂漿或不小于M10的水泥砂漿。使用的砂漿外加劑不得含有可溶性鹽,以免出現較嚴重的鹽析現象。砂漿宜爲稠度60 ~ 80 mm的半幹、低堿性砂漿,砌築砂漿的拌和應隨攪拌隨使用。[5]

(4)清水磚砌築過程中要嚴格施工管理,千萬不要把砂漿灑在磚的外表上,如不慎灑上,需在3 ~ 4 h後用刷子清理,否則會影響磚表面的美觀。

(5)每日砌築結束後防止下雨、漏水造成磚孔洞內積水引起泛霜或砂漿被沖刷到磚的外表,應采用防雨布將磚牆上口蓋住,以免影響裝飾效果。

(6)砌築最底層磚或頂層磚時,最好使用防水砂漿施工。

(7)牆體宜塗刷有機硅塗料,防止牆面受潮和泛堿,提高其防水、防塵、耐久性能。

(8)勾縫宜采用吸水率低的黑色幹粉砂漿等專用勾縫劑,確保牆體防水、耐久,灰縫應橫平豎直、豐滿、密實,這樣能提高建築物的視覺效果。

(9)清水磚有一個條面和兩個丁面作爲裝飾面,使用時注意區分裝飾面和非裝飾面。

4 試 驗

4.1 試驗原料與設備

4.1.1 主要原材料

以收集到的棄土、膨脹珍珠岩、膨脹珍珠岩尾礦粉、永城瓷石尾礦泥、棕剛玉冶煉煙塵、廢棄紅黏土磚破碎顆粒料等進行了黏土質燒結制品研究。膨脹珍珠岩尾礦粉、永城瓷石尾礦泥都是良好的陶瓷原材料,膨脹珍珠岩尾礦粉、永城瓷石尾礦泥具有較低的軟化溫度,可以在較低的溫度下玻化,所以,以其爲面料、以棄土、棄土摻加膨脹珍珠岩、棄土摻加廢棄紅黏土磚破碎顆粒爲底料進行布料,以壓制法成型清水牆磚。

部分原材料的外觀圖片如下圖1~圖4,部分原材料的主要化學成分見下表1。

4.1.2 主要試驗儀器設備

主要設備有:①行星式研磨機或多輥罐式球磨機;②手動壓片機,YPJ-40T;③電熱恒溫鼓風幹燥箱,101-1;④金屬模具;⑤電子天平,NBD-YP001;⑥坯體抗折試驗儀,DPK-3000;⑦程控箱式高溫爐,KSL-1400。

4.2 試驗過程

4.2.1 工藝流程

清水磚的最大特點是要求強度高,尺寸規整、公差小,砌築施工時對建築師傅的技術要求高。參考高鋁質、黏土質耐火磚生産時普遍采用壓制成型的做法,本研究采用壓制薄片的方法模擬清水牆磚的制備。常見的普通燒結磚一般采用擠壓成型的方法,但是擠壓成型的泥料常需要含有較高的水分以及相應比例的可塑性粘土類粘結性成分,自動式擠壓成型機將泥料擠壓成坯段然後切割成一塊塊的生坯,加上自動化的傳遞、碼坯系統,效率較高,但是幹燥時需要排出濕坯中的水分,耗能量較大。而壓制成型也要求生坯混合料具有適當的粘結性,一般坯料的含水率不超過3%,成型效率高,幹燥能耗小。實驗采用建築垃圾和尾礦廢渣爲主要原料,制備清水牆磚時組成坯料的塑性指數較低,更適合采用壓制成型的方法。成型壓力5 MPa,燒成溫度950~1200℃、保溫1~2 h。

清水牆磚的制備工藝流程如下所示:

建築垃圾、城市建設棄土等原料+結合劑 → 底料、面料分別進行配料稱量 → 分別混合研磨 → 投底基層坯料+投面層化妝土 → 幹壓成型 → 幹燥 → 燒成 → 成品

4.2.2 原材料及混合料性能測試

對采用的原材料進行了化學成分和放射性檢測,部分主要原材料的化學組成見表1。並對采用的廢棄紅黏土磚粉、瓷石尾礦泥、珍珠岩尾礦微粉、棕剛玉冶煉煙塵、棄土、壓制成型混合料等測試了放射性,其放射性比活度指數均符合GB 6566 中A類建築材料限值的規定。

4.2.3 試驗方案

(1)底基層料配比:棄土70%,瓷石泥30%;面層化妝土: 瓷石泥100%。兩種配合料分別加入成型增強劑糊精粉20 g/kg,加入拌和用水60 ml/kg,混合之後先後以二次布料法投底基層180 g和面層料40 g,施加5 MPa的壓力半幹壓成型,坯體尺寸130×70 mm。幹燥後以程控馬弗爐焙燒,較理想溫度制度爲1200℃保溫1~2 h。

(2)在方案(1)的基礎上,改變爲于底基層料配比中加入珍珠岩30 g/kg。

(3)在方案(1)的基礎上,改變爲通體采用一致的底基層料配比:棄土70%,瓷石泥30%,投料220 g,溫度制度爲1050℃保溫1~2 h。

方案(1)、(2)獲得的薄片制品表面光滑平整,抗折強度分別爲1099 MPa、754 MPa;方案(3)獲得的薄片制品表面平整,抗折強度分別爲1007 MPa。

4.3 結果與討論

(1)城市建設棄土包括地鐵巷道開挖棄土、河湖疏浚棄土、商住樓盤人防工程棄土,根據土質可分爲砂質土和粘性土,由于粘性土成型時收縮率大,強度偏低,故采用砂質棄土和其他廢渣相結合制坯料。

(2)考慮到宜使清水牆磚外立面具有一定的憎水、防水性能,使其不易吸髒、表面易潔,設計采用底基層和面層化妝土層不同配方結構二次布料的方法進行壓制,將擬在砌築時外露的丁面或順面的面層采用一致燒成時玻璃相含量較高、顆粒細膩、開口氣孔較少的配合料,比如在經過一系列的試驗選擇之後選定一種以瓷石尾礦泥料和珍珠岩尾礦粉爲主的細粒度粉料,底層采用城市建設棄土、配入膨脹珍珠岩或珍珠岩尾礦微粉、廢棄紅黏土磚粉料、造孔劑、結合劑等進行成型。面層約占磚厚度的1/10 ~ 1/20,以1000 ~ 1200℃高溫燒結,結果較理想。

(3)對棕剛玉冶煉煙塵等主要原材料進行了壓片試燒以了解其燒結溫度範圍,見圖5 ~圖8。圖5、圖6顯示的是將煙塵壓制成薄片分別在1100℃和1200℃焙燒1h後的情況。棕剛玉冶煉煙塵顆粒細,具有微粉的特性和活性,由圖5可見壓制成型時如果壓力較大、排氣不暢時易分層,由圖6可見煙塵燒結溫度較低,1200℃燒結1 h已經過燒,塊體內部發泡。圖7和圖8分別是以煙塵配入50%CA70和配入20%氟化工含硅廢渣壓制成薄片在1100℃燒結1 h後的情況,由圖7可見配入CA70于1100℃焙燒1 h燒結程度低,基本沒有收縮,而圖8爲配入20%氟化工含硅廢渣後于1100℃焙燒1 h的狀態,已過燒玻化,呈橘皮現象。

(4)二次布料法壓制成型薄片試件,底基層和面層結構以及探索過程中的部分焙燒件如下圖9~圖11所示。圖9、圖10可顯見底基層和面層結構,圖11顯示了不合適溫度焙燒後的試件情況。因爲面層粉料粒度更細、玻化溫度較低,其經過一定溫度(低于燒結溫度)若幹時間的處理後顆粒相互靠攏,顆粒間距離收縮,其收縮大于底基層顆粒的間距收縮,所以,冷卻後的樣品呈現出上翹的情況。

(5)二次布料法幹壓成型後的樣品經過1200℃左右的高溫焙燒後呈現玻化現象,面層光滑呈蠟質光澤,見圖12。

底基層配方采用棄土體系,面層采用瓷石尾礦泥,幹壓成型後的坯體經幹燥後于1200℃保溫1 h燒結後,達到底基層致密面層光滑的巧克力色澤。底基層采用棄土摻加珍珠岩、面層采用瓷石尾礦泥。經1200℃保溫1 h燒結後,底基層內有珍珠岩留下的氣孔、基質致密,面層光滑,試片呈巧克力色。還可在底基層配料體系中摻加破碎的紅黏土磚顆粒料,坯片經同樣的溫度處理後面層光滑,底基層中的黏土磚顆粒呈黑色斑點狀,坯件致密,亦呈巧克力色。

(6)利用永城瓷石尾礦泥和城市建設棄土簡單二元配方混合料壓制成型的薄片樣品,于950 ~ 1050℃低溫保溫1 ~ 2 h焙燒後呈磚紅色見圖13,這種經典的顔色給人一種回歸自然賞心悅目的親切感。

5 結論與展望

清水牆磚比普通燒結磚[6]抗壓強度高,均在40 MPa以上;清水磚比瓷質磚、玻璃、金屬飾面板具有較高的氣孔率,其隔音性能好,導熱系數低;比普通燒結磚燒結程度高,凍融損失小,耐久性好;其色澤可根據使用的黏土類尾礦、廢渣的情況做到豐富多彩,而且同一配方和物料系統産品的均一性好。清水磚牆體材料具有呼吸功能,可自然調節溫濕度,能給居住人群帶來獨特舒適的感覺。清水磚建築獨特的結構牆體居所體系,在歐美國家深受歡迎。清水磚複合牆體系具有保溫和防火性能,不需進行後續的保溫或牆面裝飾裝修,施工效率高,工程進度快,綜合效益明顯,而且産品耐酸堿耐雨水霜凍侵蝕,具有曆久彌新的效果。

北京釣魚台七號院的建築,采用了經典的紅色清水磚作爲核心建築材料,見圖14,這是一種來自荷蘭南部頌恩小鎮的紅色“Gravita”手工清水磚,尺寸爲215×102×65 mm,沿用了歐洲的尺寸標准,易于滿足建築全順丁砌築方式及構造需求,每塊磚開有3孔,孔徑35 mm,間距30 mm,便于穿鋼筋等構造鏈接。

清水磚的手工法生産以及清水磚牆的砌築都需要弘揚工匠精神,清水磚精品工程能爲灰色的混凝土森林增加一抹亮色。考慮到禁止破壞耕地取土的要求和永城地方資源的特點,因在芒山鎮現堆存有資源稀缺的瓷石泥尾礦,可采用易于操作的棄土和瓷石泥二元配方制作高檔飾面用清水磚,以清潔環保的電熱輥道窯燒結,用于當地特色小鎮、旅遊設施樓宇、館所等建築的砌築或裝飾,將爲芒砀山景區和芒山特色小鎮的打造增添更加富有地方特色的文化氣息,形成一個地方特色産業並帶動部分人群的就業,培養從業人員的工匠精神並形成示範帶動效應。

參考文獻

[1] 宋長友,陳丹林,季廣其等.外牆保溫典型火災案例選編[J].建築科學.2008.2(2):12-20.

[2] 湛軒業. 清水牆裝飾磚的發展及應用[J]. 新型牆材, 2009.8: 33-36.

[3] 李國忠.淺議燒結清水牆裝飾磚[J].磚瓦世界.2007.3:10-12.

[4] 朱志國. 淺議清水磚的推廣[J]. 磚瓦世界, 2006.7: 9-11.

[5] 朱洪亮,金曉東.清水牆施工工藝[J]. 浙江建築, 2002.5(116): 28-30.

[6] 中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局. 燒結普通磚: GB 5101-2003[S].

Abstract: This paper introduces the characteristics of facing wall bricks and the technical points of brick masonry construction. We tested the radioactive and chemical components of the collected waste residue, construction waste, urban construction waste soil, tailings, all of which belong to safe radioactive raw materials. Due to the limitations of the test equipment, thin sections were prepared by simulating the facing wall bricks, feeding the mixed matching materials into dies separately of the body matrix layer and the surface layer of the makeup soil at two times, pressing , and calcining 1 ~ 2h in the muffle furnace at 1000 ~ 1200 centigrade degree temperature. It is also possible to prepare thin undecorated wall tiles with only two ingredients of urban construction waste soil and Kaolin stone beneficiation tailings by pressing molding and firing 1 ~ 2h at 950 ~ 1000 centigrade degree temperature.

Keywords: Construction waste; Urban construction waste soil; Tailings waste slag; Facing bricks; Undecorated wall of bricks