CN101508533A - 利用垃圾焚烧飞灰、脱硫石膏制备混凝土膨胀剂的方法 - Google Patents

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Abstract

一种利用垃圾焚烧飞灰、脱硫石膏制备混凝土膨胀剂的方法：包括以下两个步骤：(1)采用垃圾焚烧飞灰、脱硫石膏、石灰石、铝矾土为原料，在电炉中以升温、保温得到硫铝酸盐熟料；(2)将上述硫铝酸盐熟料与脱硫石膏共同粉磨制得混凝土膨胀剂。步骤(1)中是将原料在电炉中以20～30℃/min的升温速度至1200～1250℃，然后保温1～2h得到硫铝酸盐熟料；步骤(2)中是将硫铝酸盐熟料与脱硫石膏共同粉磨至比表面积大于250m2/kg。综合利用垃圾焚烧飞灰、脱硫石膏等固体废弃物完全替代天然石膏，部分替代石灰石、铝矾土等不可再生矿产资源；在保证产品性能的同时，能够减轻飞灰、脱硫石膏等由于未被利用对环境造成的严重负担以及处理费用，具有很好的经济和社会效益。

Description

利用垃圾焚烧飞灰、脱硫石膏制备混凝土膨胀剂的方法
技术领域
本发明属于新材料技术、环保技术领域，涉及垃圾焚烧飞灰和脱硫石膏等固体废弃物的利用以及生产混凝土膨胀剂的技术。
背景技术
混凝土膨胀剂是指掺入混凝土后，能使混凝土在硬化过程中因化学作用产生一定体积膨胀的外加剂。混凝土的裂缝防治是混凝土工程界长期以来致力解决的一大技术问题，而利用膨胀剂的收缩补偿作用是目前工程中应用最为普遍的控制混凝土裂缝的方法。
混凝土膨胀剂的用途十分广泛，主要用在补偿收缩混凝土、填充用膨胀混凝土、灌浆材料和自应力混凝土中。混凝土膨胀剂还常被作为防水剂的原材料，膨胀剂与减水剂、缓凝剂等复配使用可以同时满足混凝土在减水、缓凝和防水、膨胀等方面的技术要求。
目前，硫铝酸钙类(C4A3S)膨胀剂是应用非常普遍的一种膨胀剂，其产生膨胀能的原因是由于硫铝酸钙水化物(钙矾石)的生成。
1958年，美国人A.克莱因(A.Klein)研制成功了一种硫铝酸盐型水泥，取名K型水泥，并取得了膨胀水泥的专利。该水泥在1963年开始用于收缩补偿混凝土，并大量生产，在多种结构中推广应用。
1965年到1972年间，日本购买了美国K型膨胀水泥专利，并在此技术基础上，研制成功了硫铝酸钙膨胀剂(Calcium Sulfo-Aluminate，_简称CSA)。这种膨胀剂是用石灰石、矾土和石膏配制生料，经电融烧制成的一种含有C4A3S、CaO和CaSO4的熟料，然后将其粉磨成粉状产品，这种产品应用于收缩补偿混凝土和自应力混凝土，取得很大成功。
我国从20世纪70年代开始进行混凝土膨胀剂的研究，中国建筑材料科学研究院研制成功了类似于日本CSA的硫铝酸钙膨胀剂，与日本电融法的区别是，他们采用回转窑烧结法制备CSA熟料，粉磨至比表面积为(200-300)m2/kg而制成膨胀剂。
我国膨胀剂虽开发较晚，但由于推广应用工作开展得较好，1990年销量达到1.8万吨。随着掺膨胀剂的补偿收缩混凝土结构自防水、超长无缝设计和施工方法以及大体积混凝土裂渗控制三大应用技术的推广，膨胀剂的销量逐年递增，1994年达到18万吨，1998年达到30万吨，2003年达到60万吨，2007年更是达到100万吨，居世界同类产品之首。然而目前市售的硫铝酸盐膨胀剂主要是以煅烧矾土，石灰石，天然二水石膏为主要生产原料。
由于当前资源能源的有效利用和环境问题引起了人们的高度重视，提倡可持续发展的战略。由于使用的矾土、石灰石、石膏等是天然矿物，天然资源是不可再生资源，这对日益紧张的资源构成了威胁，所以寻求天然资源的替代品是当前建材行业发展的一个趋势。
城市垃圾焚烧飞灰中因含有总二噁英(PCDDs)和总呋喃(PCDFs)、较高浸出浓度的重金属而属于危险废弃物，而同时焚烧飞灰中的主要化学成分属CaO—SiO2—Al2O3(Fe2O3)体系，所以焚烧飞灰既有污染性，又有资源利用性。2008年我国飞灰产量突破50万吨，焚烧飞灰进入危险废弃物填埋场的年处理费用将超过140亿元。除了费用问题，危险废弃物填埋场还存在一些其它问题。目前我国的生活垃圾焚烧厂的建设要远远超过危险废弃物填埋场的建设步伐，每天都会产生大量的垃圾焚烧飞灰急需寻找合适的出路，因此如何安全有效地处置利用垃圾焚烧飞灰已成为急需解决的环境和社会问题。国内外对焚烧飞灰的处置着重于无害化处理，如熔融固化、水泥沥青固化等，而对其所具有的资源性却未能得到利用。
我国烟气脱硫技术的主要有湿法脱硫工艺、干法脱硫和半干法脱硫等，其中，湿法脱硫工艺的应用比例高达85％。但是，这种石灰石—石膏法湿法脱硫工艺产生的后果就是脱硫石膏大量堆放、分解造成二次污染，对气候、土壤、植物和人类健康带来危害。另外，许多化工企业生产过程中的副产石膏早已积弊为患。预计到2010年，脱硫石膏和化工副产品石膏将超过1亿吨。如何处置这些工业废弃物，已成为各国政府迫切需要解决的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种利用垃圾焚烧飞灰、脱硫石膏制备混凝土膨胀剂的方法。
为达到上述目的，本发明的解决方案是：本发明中，新型混凝土膨胀剂的生产包括硫铝酸盐熟料的煅烧和硫铝酸盐熟料与石膏的粉磨两个过程。
本发明中，硫铝酸盐熟料是采用垃圾焚烧飞灰、脱硫石膏、石灰石、铝矾土为原料，在电炉中以20～30℃/min的升温速度至1200～1250℃，然后保温1～2h而成。熟料的主要矿物是C4A3S、C2S和C4AF，这通过以下的方法(配方)即可控制实现。
硫铝酸盐熟料质量应该符合《硫铝酸盐水泥》(GB20472-2006)中有关规定：即熟料中Al2O3％≥30.0％；SiO2％≤10.5％，硫铝酸盐水泥熟料3d的抗压强度≥55MPa。这样的质量通过以下的方法(配方)即可控制实现。
硫铝酸盐熟料的生料配方如下(质量比)：
垃圾焚烧飞灰：10％～18％；石灰石：30％～40％；脱硫石膏：15％～25％；铝矾土：25％～32％。
硫铝酸盐熟料的主要矿物组成如下(质量比)：
C4A3S：55％～75％；C2S：15％～40％；C4AF：1％～3％；C12A7：1％～7％。
新型混凝土膨胀剂中，硫铝酸盐熟料的质量比控制在：45％～55％，脱硫石膏的质量比控制在45％～55％。生产中，可将原料按照上述比例混合后放入球磨机中共同粉磨至比表面积大于250m2/kg，例如(300～400)m2/kg。
膨胀剂的作用原理是C4A3S和石膏反应生成钙矾石(C3A·CaSO4·32H2O)，使混凝土产生微膨胀。在上述比例条件下，膨胀的效果能够得到最大程度的发挥。如果石膏掺量大于55％，有可能会造成凝结时间过短，膨胀不足；而如果石膏掺量低于45％，可能会造成石膏不足，C4A3S不能完全参与反应，不能最大程度地生成钙矾石，从而造成熟料的浪费。在上述比例范围内，一般而言，石膏掺量越大，凝结时间越短，详细可见表4和表5。
由于采用上述方案，本发明的有益效果是：
本发明综合利用了垃圾焚烧飞灰、脱硫石膏等固体废弃物完全替代天然石膏，部分替代石灰石、铝矾土等不可再生矿产资源，在生产的新型混凝土膨胀剂中，废弃物总替代率达到50％以上。在保证产品性能的同时，能够减轻了飞灰、脱硫石膏等由于未被利用对环境造成的严重负担以及处理费用，具有很好的经济和社会效益。
具体实施方式
以下结合实施例对本发明作进一步的说明。
试验用主要原材料有脱硫石膏、垃圾焚烧飞灰、石灰石、矾土。原料的主要化学成分如表1所示
表1 原材料的化学成分/％
根据设计的矿物熟料组成进行配料计算得：垃圾灰：15％；石灰石：36％；脱硫石膏：19％；矾土：30％。将上述比例的原料以30℃/min的升温速度在1200℃的电炉中煅烧1小时后取出急冷。硫铝酸盐熟料的化学成分如表2所示，硫铝酸盐熟料物理性能如表3所示。
表2 硫铝酸盐熟料的主要化学成分/％
Figure A200910048409D00051
将上述煅烧的硫铝酸盐熟料与脱硫石膏共同粉磨至比表面积至(320～360)m2/kg即可制得新型膨胀剂，选取配制膨胀剂的两个配方(质量比)：
①硫铝酸盐熟料：45％；脱硫石膏：55％；
②硫铝酸盐熟料：50％；脱硫石膏：50％。
③硫铝酸盐熟料：55％；脱硫石膏：45％
在P.O42.5普通硅酸盐水泥中掺入10％、12％的新型膨胀剂，按照《混凝土膨胀剂》(JC/T476-2001)进行检测，结果如表4和表5所示。
表4 掺量为10％时新型膨胀剂的物理性能
Figure A200910048409D00052
表5 掺量为12％时新型膨胀剂的物理性能
Figure A200910048409D00061
本发明中的新型膨胀剂在掺量为10％和12％的时候，可以完全满足《混凝土膨胀剂》(JC/T476-2001)标准的各项指标要求，达到抗渗防裂的目的。
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1、一种混凝土膨胀剂的制备方法，其特征在于：包括以下两个步骤：
(1)采用垃圾焚烧飞灰、脱硫石膏、石灰石、铝矾土为原料，在电炉中以升温、保温得到硫铝酸盐熟料；
(2)将上述硫铝酸盐熟料与脱硫石膏共同粉磨制得混凝土膨胀剂。
2、根据权利要求1所述的混凝土膨胀剂的制备方法，其特征在于：步骤(1)中是将原料在电炉中以20～30℃/min的升温速度至1200～1250℃，然后保温1～2h得到硫铝酸盐熟料；
步骤(2)中是将硫铝酸盐熟料与脱硫石膏共同粉磨至比表面积大于250m2/kg。
3、根据权利要求1所述的混凝土膨胀剂的制备方法，其特征在于：步骤(1)中硫铝酸盐熟料的生料配方如下(质量比)：
垃圾焚烧飞灰：10％～18％；石灰石：30％～40％；脱硫石膏：15％～25％；铝矾土：25％～32％；
步骤(2)中硫铝酸盐熟料的质量比控制在：45％～55％，脱硫石膏的质量比控制在45％～55％，将原料按照上述比例混合后共同粉磨。
4、根据权利要求1所述的混凝土膨胀剂的制备方法，其特征在于：通过步骤(1)所得到的硫铝酸盐熟料质量要求为：其中质量比：Al2O3％≥30.0％；SiO2％≤10.5％，硫铝酸盐水泥熟料3d的抗压强度≥55MPa。
5、根据权利要求1所述的混凝土膨胀剂的制备方法，其特征在于：
通过步骤(1)所得到硫铝酸盐熟料的主要矿物组成如下(质量比)：
C4A3S：55％～75％；C2S：15％～40％；C4AF：1％～3％；C12A7：1％～7％。
6、根据权利要求3所述的混凝土膨胀剂的制备方法，其特征在于：
步骤(2)中是将原料按照所述比例混合后放入球磨机中共同粉磨至比表面积300～400m2/kg。
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