CN110776298A - 含垃圾焚烧飞灰和矿渣水泥的胶凝材料及制备方法和应用 - Google Patents

含垃圾焚烧飞灰和矿渣水泥的胶凝材料及制备方法和应用 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种含垃圾焚烧飞灰和矿渣水泥的胶凝材料及其制备方法和应用。含垃圾焚烧飞灰和矿渣水泥的胶凝材料主要由以下成分组成：按重量份计，S95矿渣2‑75份，P.I42.5基准水泥2‑70份，垃圾焚烧飞灰10～30份，脱硫石膏7～13份。本发明掺杂了大量的垃圾焚烧飞灰，并且无需添加激发剂、早强剂等外加剂即可显示出良好的可工业应用的抗压强度，既可用作混凝土的胶结料，又可用于采矿充填料，是水泥的良好替代品。

Description

含垃圾焚烧飞灰和矿渣水泥的胶凝材料及制备方法和应用
技术领域
本发明涉及建筑材料领域，特别涉及一种含垃圾焚烧飞灰和矿渣水泥的胶 凝材料及其制备方法和应用。
背景技术
我国垃圾焚烧行业迅猛发展，垃圾焚烧项目激增，据E20研究院统计，2015 年全国建成运行的垃圾焚烧发电厂近257座，我国垃圾焚烧总量为6811万吨， 根据《国家危险废物名录》，垃圾焚烧过程中产生垃圾焚烧飞灰(后简称飞灰) 属于危险废物，约为焚烧垃圾量的3％～5％，飞灰产生量达395万吨，2016年 垃圾焚烧发电厂已建近300座，至2020年末，飞灰将达到1000万吨/年以上。 面对垃圾焚烧飞灰如此巨大的年产量，寻找合理绿色的处置方法已迫在眉睫， 而且如何最大化的利用飞灰这种危险废弃物成为当今危废处理领域研究的热点 内容。利用矿渣、脱硫石膏协同利用垃圾焚烧飞灰制备全固废胶凝材料，不仅 能够解决工业固废(钢铁渣)和城市危废(垃圾焚烧飞灰)减量化、无害化和 资源化的难题，推进固废和危废协同利用和环境保护，为大规模替代水泥固化 稳定化安全填埋或初步结合胶结充填采矿技术提供胶凝材料，奠定工程应用基 础。然而现有的含垃圾焚烧飞灰胶凝材料存在如下问题：需要添加过多的激发 剂、早强剂等外加剂，才能具备有实用价值的强度。
发明内容
本发明的目的在于提供一种含垃圾焚烧飞灰和矿渣水泥的胶凝材料，该胶 凝材料掺杂了大量的垃圾焚烧飞灰，并且无需添加激发剂、早强剂等外加剂即 可显示出良好的可工业应用的抗压强度，既可用作混凝土的胶结料，又可用于 采矿充填料，是水泥的良好替代品。
为了实现以上目的，本发明提供了以下技术方案：
一种含垃圾焚烧飞灰和矿渣水泥的胶凝材料，主要由以下成分组成：
按重量份计，S95矿渣2-75份，P.I42.5基准水泥2-75份，垃圾焚烧飞灰 10～30份，脱硫石膏7～13份。
该胶凝材料至少具有以下特点：
首先，与现有的含垃圾焚烧飞灰和矿渣水泥的胶凝材料相比，本发明的胶 凝材料组成更简单，无需添加激发剂、早强剂等外加剂，由S95矿渣、P.I42.5 基准水泥、垃圾焚烧飞灰和脱硫石膏四种成分组成，这极大的降低了原料成本， 并且对垃圾焚烧飞灰的利用率更高。
其次，组成简化的同时由于协同作用的发挥仍能显示出良好的胶结性能， 包括抗压强度和对飞灰中多种重金属的有效固化。采用水胶比为0.3:1，根据 GB17671-1999《水泥胶砂强度检验方法》，将本发明的胶凝材料制备净浆试块， 试块尺寸30mm×30mm×50mm，在温度为35℃，湿度99.5％以上进行养护， 显示出良好的抗压强度和对飞灰中多种重金属的有效固化。
第三，安全性高：采用的垃圾焚烧飞灰具有良好的安全性，重金属离子(Cr、 Cu、Zn、Cd、Sb、Hg、Pb等)长期(360d)浸出浓度全部低于饮用水标准；另 外，矿渣和脱硫石膏对飞灰中的氯离子有一定的固化作用，避免对钢筋等其它 建筑材料的腐蚀。
综上，本发明的胶凝材料利用矿渣代替传统胶结剂水泥，利用垃圾焚烧飞 灰与其它成分的协同制备全固废胶凝材料，使垃圾焚烧飞灰得到了最大限度的 资源化利用，提供了垃圾焚烧飞灰在全固废胶凝体系的较佳掺量，使体系中重 金属离子的浸出浓度在短期和长期浸出毒性(水平振荡法)仍低于饮用水标准， 从而能够解决工业固废(矿渣)和城市危废(垃圾焚烧飞灰)减量化、无害化 和资源化的难题，推进固废和危废协同利用和环境保护，为大规模替代水泥固 化稳定化安全填埋、初步结合胶结充填采矿技术或制备建筑用混凝土提供胶凝 材料，奠定工程应用基础。
本发明所述的S95矿渣指28d活性指数不小于95％的任意的矿渣。
本发明所述的P.I42.5基准水泥指强度等级为42.5的P.I水泥。
本发明所述的垃圾焚烧飞灰指生活垃圾或工业垃圾焚烧处置过程中生成的 底灰，并不限定垃圾的来源或类型。
本发明所述的脱硫石膏主要成分和天然石膏类似，为二水硫酸钙CaSO4·2H2O。
本发明还在以上配方基础上优化了配比及每个成分的化学组成，以更大程 度改善胶凝性能，或降低工业成本。
优选地，所述含垃圾焚烧飞灰和矿渣水泥的胶凝材料仅由S95矿渣、P.I42.5 基准水泥、垃圾焚烧飞灰和脱硫石膏四种成分组成，配比如上所述，每种成分 可取上述范围内的任意值。例如，垃圾焚烧飞灰可取15份、17份、20份、23 份、25份等。S95矿渣可取10份、20份、30份、35份、40份、45份、50份、 55份、60份、65份或70份等。脱硫石膏可取9份、10份、11份等。P.I42.5 基准水泥可取10份、20份、30份、35份、40份、45份、50份、55份、60份、 65份或70份等。P.I42.5基准水泥可取2份、5份、9份、10份、11份15份、 17份、20份、23份、25份、30份、35份、40份、45份、50份、55份、60 份、65份、70份或75份等。
优选地，所述含垃圾焚烧飞灰和矿渣水泥的胶凝材料主要由以下成分组成：
按重量百分比计，S95矿渣0-70％，P.I42.5基准水泥2-70％，垃圾焚烧飞 灰10～30％，脱硫石膏7～13％。
优选地，所述含垃圾焚烧飞灰和矿渣水泥的胶凝材料主要由以下成分组成：
按重量百分比计，S95矿渣0-70％，P.I42.5基准水泥2-70％，垃圾焚烧飞 灰15～25％，脱硫石膏9～11％。
优选地，所述含垃圾焚烧飞灰和矿渣水泥的胶凝材料主要由以下成分组成：
按重量份计，S95矿渣14-70份，P.I42.5基准水泥28-70份，垃圾焚烧飞灰 30～40份，脱硫石膏9～11份。
优选地，所述含垃圾焚烧飞灰和矿渣水泥的胶凝材料主要由以下成分组成：
按重量百分比计，S95矿渣14-70％，P.I42.5基准水泥28-70％，垃圾焚烧 飞灰30～40％，脱硫石膏9～11％。
优选地，所述含垃圾焚烧飞灰和矿渣水泥的胶凝材料主要由以下成分组成：
按重量百分比计，S95矿渣14-70％，P.I42.5基准水泥28-70％，垃圾焚烧 飞灰30～40％，脱硫石膏10％。
优选地，所述垃圾焚烧飞灰主要由以下成分组成：按重量份计，CaO 32-42 份，Cl15-28份，SiO2 2-6份，Al2O3 1-4份，K2O 3-7份，MgO 3-7份，Na2O 3-7 份，Fe2O3 1-3份。
优选地，所述P.I42.5基准水泥主要由以下成分组成：按重量份计，CaO 65-68 份，SiO2 20-25份，Al2O3 4-6份，MgO 2-4份，SO30-1份。
优选地，所述S95矿渣主要由以下成分组成：按重量份计，CaO 45-50份， SiO2 28-32份，Al2O3 10-14份，MgO 5-7份，Fe2O3 1-2份，SO3 0-1份。
优选地，所述脱硫石膏主要由以下成分组成：按重量份计，CaO 45-50份， SiO2 2-3份，Al2O3 0-1份，MgO 1-2份，SO3 40-46份，Cl 0-1份。
本发明所述的垃圾焚烧飞、水泥、S95矿渣和脱硫石膏的化学组成指将各 种金属或矿物元素以氧化物计的含量，并非指其在垃圾焚烧飞、S95矿渣或脱 硫石膏矿渣中以氧化物存在的化合物含量。另外，可以通过本领域现有的常规 检测方法获得以上化学组成结果，例如典型的烧失后或未烧失的荧光检测方法。
优选地，所述S95矿渣的比表面积为500m2/kg以上；
优选地，所述脱硫石膏的比表面积为400m2/kg以上。
通过粉磨提高原料的比表面积，一方面激发矿渣的活性，降低水化难度， 另一方面提高材料均匀性。
本发明所用的S95矿渣、垃圾焚烧飞灰和脱硫石膏可以市购，或者自制， 只要满足化学组成要求即可。
目前我国的焚烧处理技术主要分为三类：炉排炉技术、流化床技术及其它 焚烧技术。通过焚烧技术产生的垃圾焚烧飞灰包括两部分，一部分为烟气净化 系统之前热回收利用系统得到的灰，包括(锅炉灰，省煤器灰，过热器灰)，一 部分为烟气净化系统(APC)灰，包括湿法或半干法除尘器灰、旋风除尘器灰 以及布袋除尘器灰。本发明使用的飞灰采用炉排炉焚烧技术，通过炉排炉技术 焚烧产生地飞灰中含有的重金属、二噁英及氯盐都远远高于其他焚烧技术产生 的飞灰。然而本发明在使用危害如此大的飞灰制成胶凝材料后，仍然显示出较 低的金属浸出率，说明本发明飞灰与水泥、S95矿渣和脱硫石膏之间具有良好 的协同作用，该协同作用可以高效固化飞灰中的重金属，从而减少浸出率，提 高胶凝材料安全性。
本发明所述的胶凝材料在使用时，通常按水胶比0.2～0.4:1与水混合，利用 该水胶比也可以制成混凝土。
综上，与现有技术相比，本发明达到了以下技术效果：
(1)提高了垃圾焚烧飞灰的回收利用率；
(2)简化了含垃圾焚烧飞灰和矿渣水泥的胶凝材料的原料组成；
(3)垃圾焚烧飞灰与矿渣、P.I42.5基准水泥和脱硫石膏协同作用显示出较 高的抗压强度和对飞灰中多种重金属的有效固化。
(4)胶凝材料的安全性高，无重金属浸出风险；
(5)制备方法简单。
具体实施方式
下面将结合实施例对本发明的实施方案进行详细描述，但是本领域技术人 员将会理解，下列实施例仅用于说明本发明，而不应视为限制本发明的范围。 实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试 剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
实施例1
本实施例的一种水泥-矿渣-飞灰-脱硫石膏固化重金属胶凝材料主要由以下 成分按质量百分比组成：P·I42.5基准水泥70％，垃圾焚烧飞灰20％，脱硫石膏 10％。
其中，飞灰、S95矿渣粉和脱硫石膏的化学组成如表1，P·I42.5基准水泥 的化学组成如表2，检测方法为：X射线荧光光谱分析(XRF)，采用XRF-1800 型X射线荧光光谱仪测定次级X射线进行物质成分分析。
经浇筑成型后养护至不同龄期进行抗压强度测试和浸出毒性测试，测试方 法为：
将原料按实施例1所述比例分别称量，脱硫石膏需粉磨至比表为400m2/kg， S95粉需粉磨至比表为500m2/kg，水胶比为0.4：1，根据GB17671-1999《水泥 胶砂强度检验方法》制备充填料试样，试样尺寸30mm×30mm×50mm，在温 度为35℃，湿度99.5％以上进行养护。
实施例2
本实施例的一种水泥-矿渣-飞灰-脱硫石膏固化重金属胶凝材料的制备方 法，其主要由以下成分按质量百分比组成：P·I42.5基准水泥56％，S95矿渣14％， 垃圾焚烧飞灰20％，脱硫石膏10％。原料来源及组成同实施例1。
经浇筑成型后养护至不同龄期进行抗压强度测试和浸出毒性测试，测试方 法为与实施例1相同，测试结果如表3和4。
实施例3
本实施例的一种水泥-矿渣-飞灰-脱硫石膏固化重金属胶凝材料的制备方法，其主要由以下成分按质量百分比组成：P·I42.5基准水泥42％，S95矿渣28％，垃 圾焚烧飞灰20％，脱硫石膏10％。原料来源及组成同实施例1。
经浇筑成型后养护至不同龄期进行抗压强度测试和浸出毒性测试，测试方 法为与实施例1相同，测试结果如表3和4。
实施例4
本实施例的一种水泥-矿渣-飞灰-脱硫石膏固化重金属胶凝材料的制备方 法，其主要由以下成分按质量百分比组成：P·I42.5基准水泥28％，S95矿渣42％， 垃圾焚烧飞灰20％，脱硫石膏10％。原料来源及组成同实施例1。
经浇筑成型后养护至不同龄期进行抗压强度测试和浸出毒性测试，测试方 法为与实施例1相同，测试结果如表3和4。原料来源及组成同实施例1。
对比例1
本实施例的一种矿渣-飞灰-脱硫石膏固化重金属胶凝材料的制备方法，其 主要由以下成分按质量百分比组成：S95矿渣70％，垃圾焚烧飞灰20％，脱硫 石膏10％。原料来源及组成同实施例1。
表1原料化学成分分析
Figure BDA0002250722110000061
表2基准水泥熟料化学分析结果及矿物组成/％
Figure BDA0002250722110000071
表3不同龄期净浆试块抗压强度
Figure BDA0002250722110000072
表4不同龄期净浆试块重金属离子浸出浓度(μg/L)
Figure BDA0002250722110000073
实施例5
本实施例的一种水泥-矿渣-飞灰-脱硫石膏固化重金属胶凝材料的制备方 法，其主要由以下成分按质量百分比组成：P·I42.5基准水19％，S95矿渣56％， 垃圾焚烧飞灰15％，脱硫石膏10％。
经浇筑成型后养护至不同龄期进行抗压强度测试和浸出毒性测试，测试方 法为与实施例1相同，测试结果如表5。
表5净浆试块抗压强度
Figure BDA0002250722110000091
实施例6
本实施例的一种水泥-矿渣-飞灰-脱硫石膏固化重金属胶凝材料的制备方 法，其主要由以下成分按质量百分比组成：P·I42.5基准水泥9％，S95矿渣56％， 垃圾焚烧飞灰25％，脱硫石膏10％。
经浇筑成型后养护至不同龄期进行抗压强度测试和浸出毒性测试，测试方 法为与实施例1相同，测试结果如表6。
表6净浆试块抗压强度
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局 限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易 想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护 范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种含垃圾焚烧飞灰和矿渣水泥的胶凝材料，其特征在于，主要由以下成分组成：
按重量份计，S95矿渣2-75份，P.I42.5基准水泥2-75份，垃圾焚烧飞灰10～30份，脱硫石膏7～13份。
2.根据权利要求1所述的胶凝材料，其特征在于，按重量份计，S95矿渣14-70份，P.I42.5基准水泥28-70份，垃圾焚烧飞灰30～40份，脱硫石膏9～11份。
3.根据权利要求1所述的胶凝材料，其特征在于，所述垃圾焚烧飞灰主要由以下成分组成：按重量份计，CaO 32-42份，Cl 15-28份，SiO2 2-6份，Al2O31-4份，K2O 3-7份，MgO 3-7份，Na2O 3-7份，Fe2O3 1-3份。
4.根据权利要求1所述的胶凝材料，其特征在于，所述P.I42.5基准水泥主要由以下成分组成：按重量份计，CaO 65-68份，SiO2 20-25份，Al2O3 4-6份，MgO 2-4份，SO30-1份。
5.根据权利要求1所述的胶凝材料，其特征在于，所述S95矿渣主要由以下成分组成：按重量份计，CaO 45-50份，SiO2 28-32份，Al2O3 10-14份，MgO 5-7份，Fe2O3 1-2份，SO3 0-1份。
6.根据权利要求1所述的胶凝材料，其特征在于，所述脱硫石膏主要由以下成分组成：按重量份计，CaO 45-50份，SiO2 2-3份，Al2O3 0-1份，MgO 1-2份，SO3 40-46份，Cl 0-1份。
7.根据权利要求1所述的胶凝材料，其特征在于，所述S95矿渣的比表面积为500m2/kg以上；
优选地，所述脱硫石膏的比表面积为400m2/kg以上。
8.权利要求1-7任一项所述的胶凝材料的制备方法，其特征在于，包括下列步骤：
按照水胶比0.3～0.5:1，将所有原料与水混匀；
优选地，所述垃圾焚烧飞灰采用炉排炉焚烧技术制得。
9.权利要求1-7任一项所述的胶凝材料用于制作混凝土或采矿充填料。
10.一种混凝土，其特征在于，包括权利要求1-7任一项所述的胶凝材料，并且所述混凝土的水胶比为0.2～0.4:1。
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