利用建筑垃圾、弃土、尾矿废渣研制烧结清水墙砖
边华英 刘永川 乔一佳 李桂 张昊
摘 要：文章介绍了清水墙砖的特性和清水砖墙砌体施工的技术要点。对采集的建筑垃圾、弃土、尾矿废渣进行了放射性和化学成分检测，这些废渣均属于放射性安全的原材料。因試验设备的局限性，采用底基层和面层化妆土二次布料、压制成型、于马弗炉中在1000 ～ 1200℃温度下保温焙烧1 ～ 2 h的方法制备了薄片借以模拟清水墙砖。并以弃土、瓷石泥配方结构二元配方干压法制备了清水装饰砖薄片，烧结温度950 ～ 1000℃，保温1 ～ 2 h。
关键词：建筑垃圾;弃土;尾矿废渣;清水墙砖;清水砖墙
1 前 言
目前我国的建筑多为框架结构，而框架结构又分为混凝土框架结构和钢结构等，但凡建筑的重量由梁和柱而不是墙体承载的建筑体系，都可以归为框架结构。之前，我国框架结构建筑的墙体材料主要有烧结空心砌块、水泥砌块、陶粒砌块、夹气混凝土砌块、隔墙板等;为了保温节能，围护结构一般采用外墙外保温节能体系，辅以饰面砖或涂料装饰。这种保温材料的问题在于使用寿命短、饰面砖容易脱落、火灾隐患大（如曾经发生的乌鲁木齐大火、北京大学乒乓球馆火灾、温州温富大厦火灾、南京青少年科技活动中心火灾、沈阳铁西区红盛小区火灾等等）等不可逆转的缺陷。[1]而清水砖墙既可做成单层砖体外墙也可做成复合层外墙，清水砖还可用于除卧室外的室内装饰墙，特别是可以做成一种将承重和保温性能融为一体的双层复合外墙体系的砌体结构形式（double-leaf brick masonry）[2]。因此，在经过了历史演变之后，融入了创新元素的清水砖复合墙体系更加赢得了世人的青睐。
2 清水砖及其墙体特点
（1）具有装饰、保温、承重一体化的特性[3]，可以砖雕的形式砌筑立体图案，可用于装景观。产品能够抵御腐蚀性恶劣环境，历久更有韵味。
（2）可利用各种天然黏土类矿物的色泽制成多种色调的清水砖，砌筑时不同色调的砖随机搭配呈现出一定的效果，给人一种回归自然的感觉。
（3）清水砖主要采用天然黏土类矿物原料经成型、干燥、烧制而成，与大自然的土壤和环境相容性好。
（4）清水砖墙建筑耐久性好，[4]比如长城和西安的城墙都属于清水墙，法国的巴黎圣母院、上海的石库门、厦门的红墙建筑等都是清水砖墙建筑精品。
3 清水砖墙施工砌筑技术要点
（1）清水砖的吸水率一般只有普通砖的50%左右。故不可将清水砖泡在水里，只有在气候异常炎热干燥时，可在砌筑前稍微喷水润湿，但不得以浇水法润湿，以防止砂浆在干燥时渗透到砖的装饰面造成泛霜，影响装饰效果。
（2）砌筑摞底砖时应使拉结件在灰缝高度正中位置，做到错缝搭接要求，合理排出灰缝的宽度。
（3）砂浆应采用强度等级不小于M7.5的水泥混合砂浆或不小于M10的水泥砂浆。使用的砂浆外加剂不得含有可溶性盐，以免出现较严重的盐析现象。砂浆宜为稠度60 ～ 80 mm的半干、低碱性砂浆，砌筑砂浆的拌和应随搅拌随使用。[5]
（4）清水砖砌筑过程中要严格施工管理，千万不要把砂浆洒在砖的外表上，如不慎洒上，需在3 ～ 4 h后用刷子清理，否则会影响砖表面的美观。
（5）每日砌筑结束后防止下雨、漏水造成砖孔洞内积水引起泛霜或砂浆被冲刷到砖的外表，应采用防雨布将砖墙上口盖住，以免影响装饰效果。
（6）砌筑最底层砖或顶层砖时，最好使用防水砂浆施工。
（7）墙体宜涂刷有机硅涂料，防止墙面受潮和泛碱，提高其防水、防尘、耐久性能。
（8）勾缝宜采用吸水率低的黑色干粉砂浆等专用勾缝剂，确保墙体防水、耐久，灰缝应横平竖直、丰满、密实，这样能提高建筑物的视觉效果。
（9）清水砖有一个条面和两个丁面作为装饰面，使用时注意区分装饰面和非装饰面。
4 试 验
4.1 试验原料与设备
4.1.1 主要原材料
以收集到的弃土、膨胀珍珠岩、膨胀珍珠岩尾矿粉、永城瓷石尾矿泥、棕刚玉冶炼烟尘、废弃红黏土砖破碎颗粒料等进行了黏土质烧结制品研究。膨胀珍珠岩尾矿粉、永城瓷石尾矿泥都是良好的陶瓷原材料，膨胀珍珠岩尾矿粉、永城瓷石尾矿泥具有较低的软化温度，可以在较低的温度下玻化，所以，以其为面料、以弃土、弃土掺加膨胀珍珠岩、弃土掺加废弃红黏土砖破碎颗粒为底料进行布料，以压制法成型清水墙砖。
部分原材料的外观图片如下图1～图4，部分原材料的主要化学成分见下表1。
4.1.2 主要试验仪器设备
主要设备有：①行星式研磨机或多辊罐式球磨机;②手动压片机，YPJ-40T;③电热恒温鼓风干燥箱，101-1;④金属模具;⑤电子天平，NBD-YP001;⑥坯体抗折试验仪，DPK-3000;⑦程控箱式高温炉，KSL-1400。
4.2 试验过程
4.2.1 工艺流程
清水砖的最大特点是要求强度高，尺寸规整、公差小，砌筑施工时对建筑师傅的技术要求高。参考高铝质、黏土质耐火砖生产时普遍采用压制成型的做法，本研究采用压制薄片的方法模拟清水墙砖的制备。常见的普通烧结砖一般采用挤压成型的方法，但是挤压成型的泥料常需要含有较高的水分以及相应比例的可塑性粘土类粘结性成分，自动式挤压成型机将泥料挤压成坯段然后切割成一块块的生坯，加上自动化的传递、码坯系统，效率较高，但是干燥时需要排出湿坯中的水分，耗能量较大。而压制成型也要求生坯混合料具有适当的粘结性，一般坯料的含水率不超过3%，成型效率高，干燥能耗小。实验采用建筑垃圾和尾矿废渣为主要原料，制备清水墙砖时组成坯料的塑性指数较低，更适合采用压制成型的方法。成型压力5 MPa，烧成温度950～1200℃、保温1～2 h。
清水墙砖的制备工艺流程如下所示：
建筑垃圾、城市建设弃土等原料+结合剂 → 底料、面料分别进行配料称量 → 分别混合研磨 → 投底基层坯料+投面层化妆土 → 干压成型 → 干燥 → 烧成 → 成品
4.2.2 原材料及混合料性能測试
对采用的原材料进行了化学成分和放射性检测，部分主要原材料的化学组成见表1。并对采用的废弃红黏土砖粉、瓷石尾矿泥、珍珠岩尾矿微粉、棕刚玉冶炼烟尘、弃土、压制成型混合料等测试了放射性，其放射性比活度指数均符合GB 6566 中A类建筑材料限值的规定。
4.2.3 试验方案
（1）底基层料配比：弃土70%，瓷石泥30%;面层化妆土： 瓷石泥100%。两种配合料分别加入成型增强剂糊精粉20 g/kg，加入拌和用水60 ml/kg，混合之后先后以二次布料法投底基层180 g和面层料40 g，施加5 MPa的压力半干压成型，坯体尺寸130×70 mm。干燥后以程控马弗炉焙烧，较理想温度制度为1200℃保温1～2 h。
（2）在方案（1）的基础上，改变为于底基层料配比中加入珍珠岩30 g/kg。
（3）在方案（1）的基础上，改变为通体采用一致的底基层料配比：弃土70%，瓷石泥30%，投料220 g，温度制度为1050℃保温1～2 h。
方案（1）、（2）获得的薄片制品表面光滑平整，抗折强度分别为1099 MPa、754 MPa;方案（3）获得的薄片制品表面平整，抗折强度分别为1007 MPa。
4.3 结果与讨论
（1）城市建设弃土包括地铁巷道开挖弃土、河湖疏浚弃土、商住楼盘人防工程弃土，根据土质可分为砂质土和粘性土，由于粘性土成型时收缩率大，强度偏低，故采用砂质弃土和其他废渣相结合制坯料。
（2）考虑到宜使清水墙砖外立面具有一定的憎水、防水性能，使其不易吸脏、表面易洁，设计采用底基层和面层化妆土层不同配方结构二次布料的方法进行压制，将拟在砌筑时外露的丁面或顺面的面层采用一致烧成时玻璃相含量较高、颗粒细腻、开口气孔较少的配合料，比如在经过一系列的试验选择之后选定一种以瓷石尾矿泥料和珍珠岩尾矿粉为主的细粒度粉料，底层采用城市建设弃土、配入膨胀珍珠岩或珍珠岩尾矿微粉、废弃红黏土砖粉料、造孔剂、结合剂等进行成型。面层约占砖厚度的1/10 ～ 1/20，以1000 ～ 1200℃高温烧结，结果较理想。
（3）对棕刚玉冶炼烟尘等主要原材料进行了压片试烧以了解其烧结温度范围，见图5 ～图8。图5、图6显示的是将烟尘压制成薄片分别在1100℃和1200℃焙烧1h后的情况。棕刚玉冶炼烟尘颗粒细，具有微粉的特性和活性，由图5可见压制成型时如果压力较大、排气不畅时易分层，由图6可见烟尘烧结温度较低，1200℃烧结1 h已经过烧，块体内部发泡。图7和图8分别是以烟尘配入50%CA70和配入20%氟化工含硅废渣压制成薄片在1100℃烧结1 h后的情况，由图7可见配入CA70于1100℃焙烧1 h烧结程度低，基本没有收缩，而图8为配入20%氟化工含硅废渣后于1100℃焙烧1 h的状态，已过烧玻化，呈橘皮现象。
（4）二次布料法压制成型薄片试件，底基层和面层结构以及探索过程中的部分焙烧件如下图9～图11所示。图9、图10可显见底基层和面层结构，图11显示了不合适温度焙烧后的试件情况。因为面层粉料粒度更细、玻化温度较低，其经过一定温度（低于烧结温度）若干时间的处理后颗粒相互靠拢，颗粒间距离收缩，其收缩大于底基层颗粒的间距收缩，所以，冷却后的样品呈现出上翘的情况。
（5）二次布料法干压成型后的样品经过1200℃左右的高温焙烧后呈现玻化现象，面层光滑呈蜡质光泽，见图12。
底基层配方采用弃土体系，面层采用瓷石尾矿泥，干压成型后的坯体经干燥后于1200℃保温1 h烧结后，达到底基层致密面层光滑的巧克力色泽。底基层采用弃土掺加珍珠岩、面层采用瓷石尾矿泥。经1200℃保温1 h烧结后，底基层内有珍珠岩留下的气孔、基质致密，面层光滑，试片呈巧克力色。还可在底基层配料体系中掺加破碎的红黏土砖颗粒料，坯片经同样的温度处理后面层光滑，底基层中的黏土砖颗粒呈黑色斑点状，坯件致密，亦呈巧克力色。
（6）利用永城瓷石尾矿泥和城市建设弃土简单二元配方混合料压制成型的薄片样品，于950 ～ 1050℃低温保温1 ～ 2 h焙烧后呈砖红色见图13，这种经典的颜色给人一种回归自然赏心悦目的亲切感。
5 结论与展望
清水墙砖比普通烧结砖[6]抗压强度高，均在40 MPa以上;清水砖比瓷质砖、玻璃、金属饰面板具有较高的气孔率，其隔音性能好，导热系数低;比普通烧结砖烧结程度高，冻融损失小，耐久性好;其色泽可根据使用的黏土类尾矿、废渣的情况做到丰富多彩，而且同一配方和物料系统产品的均一性好。清水砖墙体材料具有呼吸功能，可自然调节温湿度，能给居住人群带来独特舒适的感觉。清水砖建筑独特的结构墙体居所体系，在欧美国家深受欢迎。清水砖复合墙体系具有保温和防火性能，不需进行后续的保温或墙面装饰装修，施工效率高，工程进度快，综合效益明显，而且产品耐酸碱耐雨水霜冻侵蚀，具有历久弥新的效果。
北京钓鱼台七号院的建筑，采用了经典的红色清水砖作为核心建筑材料，见图14，这是一种来自荷兰南部颂恩小镇的红色“Gravita”手工清水砖，尺寸为215×102×65 mm，沿用了欧洲的尺寸标准，易于满足建筑全顺丁砌筑方式及构造需求，每块砖开有3孔，孔径35 mm，间距30 mm，便于穿钢筋等构造链接。
清水砖的手工法生产以及清水砖墙的砌筑都需要弘扬工匠精神，清水砖精品工程能为灰色的混凝土森林增加一抹亮色。考虑到禁止破坏耕地取土的要求和永城地方资源的特点，因在芒山镇现堆存有资源稀缺的瓷石泥尾矿，可采用易于操作的弃土和瓷石泥二元配方制作高档饰面用清水砖，以清洁环保的电热辊道窑烧结，用于当地特色小镇、旅游设施楼宇、馆所等建筑的砌筑或装饰，将为芒砀山景区和芒山特色小镇的打造增添更加富有地方特色的文化气息，形成一个地方特色产业并带动部分人群的就业，培养从业人员的工匠精神并形成示范带动效应。
參考文献
[1] 宋长友，陈丹林，季广其等.外墙保温典型火灾案例选编[J].建筑科学.2008.2（2）：12-20.
[2] 湛轩业. 清水墙装饰砖的发展及应用[J]. 新型墙材， 2009.8： 33-36.
[3] 李国忠.浅议烧结清水墙装饰砖[J].砖瓦世界.2007.3：10-12.
[4] 朱志国. 浅议清水砖的推广[J]. 砖瓦世界， 2006.7： 9-11.
[5] 朱洪亮，金晓东.清水墙施工工艺[J]. 浙江建筑， 2002.5（116）： 28-30.
[6] 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局. 烧结普通砖： 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
