CN111439942A - 一种利用工程弃土制备水泥掺合料的方法、水泥掺合料和水泥组合物 - Google Patents

一种利用工程弃土制备水泥掺合料的方法、水泥掺合料和水泥组合物 Download PDF

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Abstract

本发明属于固体废弃物资源化利用技术领域，特别涉及一种利用工程弃土制备水泥掺合料的方法、水泥掺合料和水泥组合物。本发明提供的利用工程弃土制备水泥掺合料的方法，包括以下步骤：将工程弃土进行粉碎，得到弃土粉末；将所述弃土粉末进行煅烧，得到水泥掺合料；所述工程弃土中包括高岭土，所述高岭土的含量在30wt.％以上；所述煅烧的温度为650～700℃。本发明对工程弃土的处理方法简便、易操作，制备得到的水泥掺合料能够满足混凝土对胶凝材料的强度要求，可实现规模化利用。

Description

一种利用工程弃土制备水泥掺合料的方法、水泥掺合料和水 泥组合物
技术领域
本发明属于固体废弃物资源化利用技术领域，特别涉及一种利用工程弃土制备水泥掺合料的方法、水泥掺合料和水泥组合物。
背景技术
据《中国建筑垃圾资源化产业发展报告(2014年度)》统计，我国建筑弃土量平均以每年10％的速度增长，近几年中国每年建筑余泥渣土的排放总量约为15.5亿吨～24亿吨之间，占城市垃圾的比例约为40％，而余泥渣土中大部分为工程弃土。因此，资源化利用工程弃土具有重要的经济效益和社会效益。
现有技术中利用工程弃土进行开发和利用时，主要采用泥沙分离处理技术，分离后的砂石可作为骨料直接销售，分离出的泥主要进行填埋处理，或者将分离出的泥加工为陶瓷原料，或者将分离出的泥通过脱水、免烧结成型工艺生产实心砖、地面砖、空心砖和各种砌块等。但是上述方法对工程弃土的利用缺乏整体性，对工程弃土整体的利用率不够高，泥沙分离工艺流程相对复杂、繁琐，生产线的成本较高，且利用分离出的泥制备的砖和砌块整体强度都较低，28天抗压强度仅为10～15MPa，无法满足承重构件强度的要求，使其在承重构件的实际工程应用中受限。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种利用工程弃土制备水泥掺合料的方法，本发明对工程弃土的处理方法简便、易操作，能够高效利用工程弃土，制备得到的水泥掺合料能够满足混凝土对胶凝材料的强度要求，可实现规模化利用。
为了实现上述发明的目的，本发明提供以下技术方案：
本发明提供了一种利用工程弃土制备水泥掺合料的方法，包括以下步骤：
将工程弃土进行粉碎，得到弃土粉末；所述工程弃土中包括高岭土，所述高岭土的含量在30wt.％以上；
将所述弃土粉末进行煅烧，得到水泥掺合料；所述煅烧的温度为650～700℃。
优选地，所述工程弃土为花岗岩残积土。
优选地，所述弃土粉末的粒径在0.3mm以下。
优选地，所述煅烧的温度由室温升温得到，所述升温的速率为5～10℃/min。
优选地，所述煅烧的时间为2～3h。
本发明还提供了采用上述技术方案所述方法制备得到的水泥掺合料，所述水泥掺合料中含有偏高岭土。
本发明还提供了一种水泥组合物，包括水泥和上述技术方案所述的水泥掺合料。
优选地，所述水泥掺合料的质量为水泥和水泥掺合料总质量的30％以下。
本发明提供了一种利用工程弃土制备水泥掺合料的方法，包括以下步骤：将工程弃土进行粉碎，得到弃土粉末；将所述弃土粉末进行煅烧，得到水泥掺合料；所述工程弃土中包括高岭土，所述高岭土的含量在30wt.％以上；所述煅烧的温度为650～700℃。本发明将含有30wt.％以上高岭土的工程弃土在650～700℃条件下进行煅烧，高岭土的主要成分为氧化硅和氧化铝，经过煅烧后转变为亚稳状态的偏高岭土，偏高岭土中含有大量的活性Al2O3和SiO2，具有较强的火山灰效应以及填充效应，能与水泥一次水化反应生成的氢氧化钙反应生成硅酸钙凝胶，即火山灰反应，能够加快水泥水化速度，使混凝土内部结构更加致密，混凝土内部的平均孔隙大小和孔隙率降低，有害气孔减少，有效地提升了混凝土的抗渗性能和力学性能。
在本发明中，工程弃土中高岭土以外的组分经高温煅烧后作为填料，本发明对工程弃土的利用率接近100％，且处理工程弃土的过程较为简单，可操作性和可复制性强，可实现工程弃土的规模化利用，提高工程弃土的附加值，具有很好的经济效应和社会效应；而且，在处理工程弃土的过程中并未使用和产生对环境有害的物质，符合绿色环保的要求。
本发明还提供了一种水泥组合物，包括水泥和上述技术方案所述水泥掺合料，本发明提供的水泥组合物可作为制备混凝土的胶凝材料。根据GB/T17671-1999《水泥胶砂强度检验方法(ISO法)》，采用本发明提供的水泥组合物制备的水泥砂浆与纯水泥砂浆的28天抗压强度和抗折强度基本相同(差异小于正负5％)，满足了混凝土对胶凝材料的强度要求。
附图说明
图1为本发明实施例利用工程弃土制备水泥组合物的工艺示意图。
具体实施方式
本发明提供了一种利用工程弃土制备水泥掺合料的方法，包括以下步骤：
将工程弃土进行粉碎，得到弃土粉末；所述工程弃土中包括高岭土，所述高岭土的含量在30wt.％以上；
将所述弃土粉末进行煅烧，得到水泥掺合料；所述煅烧的温度为650～700℃。
本发明将工程弃土进行粉碎，得到弃土粉末。在本发明中，所述工程弃土中包括高岭土，所述高岭土的含量在30wt.％以上，优选为30～35wt.％。
在本发明的具体实施例中，所述工程弃土为花岗岩残积土，所述花岗岩残积土是指花岗岩经风化后未被搬运而残留于原地的碎屑物质组成的土体，主要由石英、长石、方解石等粗颗粒矿物和高岭土为主的粘性土矿物组成，在风化至残积土过程中，除石英以外的矿物大部分会转化为高岭土，故除杂质成分外，以石英砂和高岭土为主要组成。对花岗岩残积土(来源为工地基坑的工程弃土)取样并进行研磨，通过X射线衍射(XRD)分析所述花岗岩残积土中的矿物组成，分析结果得出：所述花岗岩残积土中包括50wt.％石英和30～35wt.％高岭土；其中石英本身并不具有活性，也无法被高温煅烧激活，故并不参与化学反应，起到物理填充作用，有利于提高水泥掺合料的强度；高岭土主要成分为氧化硅和氧化铝，经过煅烧后会转变为亚稳状态的偏高岭土，偏高岭土中含有大量的活性Al2O3和SiO2，具有较强的火山灰效应以及填充效应，能与水泥一次水化反应生成的氢氧化钙反应生成硅酸钙凝胶(火山灰反应)，能够加快水泥水化速度，使混凝土内部结构更加致密，混凝土内部的平均孔隙大小和孔隙率降低，有害气孔减少，有效地提升了混凝土的抗渗性能和力学性能。在本发明中，所述工程弃土中高岭土成分越高，用其制备出的水泥掺合料性能越好。
本发明对所述粉碎的方式没有特殊的限定，采用本领域技术人员所熟知的粉碎方式即可；本发明对所述粉碎的具体工艺没有特殊的要求，以得到符合粒径要求的弃土粉末为宜。本发明优选将粉碎后的工程弃土进行筛分，所得筛下物为弃土粉末，在本发明中，所述筛分用的筛网优选为0.3mm，所得弃土粉末的粒径在0.3mm以下。本发明将弃土粉末的粒径限定在上述范围，能够提高弃土粉末的比表面积，有利于促进火山灰反应，提高水泥砂浆的强度。
得到弃土粉末后，本发明将所述弃土粉末进行煅烧，得到水泥掺合料。在本发明中，所述煅烧的温度为650～700℃，优选为670～680℃；所述煅烧的温度由室温升温得到，所述升温的速率优选为5～10℃/min，更优选为10℃/min；所述煅烧的时间优选为2～3h。在本发明中，所述煅烧优选在马弗炉中进行。
本发明优选在所述煅烧后，将得到的煅烧产物自然冷却至室温，得到水泥掺合料。在本发明的具体实施例中，所述室温的温度为20～30℃，优选为25℃。
本发明还提供了采用上述技术方案所述方法制备得到的水泥掺合料，本发明提供的水泥掺合料中含有偏高岭土，所述偏高岭土的含量为30～35wt.％。本发明提供的水泥掺合料可以替代部分水泥，用于制备混凝土。
本发明还提供了一种水泥组合物，包括水泥和上述技术方案所述的水泥掺合料。在本发明中，所述水泥为本领域技术人员所熟知的水泥，具体为硅酸盐水泥。在本发明的具体实施例中，所述水泥为42.5R普通硅酸盐水泥，所述水泥的化学成分如表1所示；
表1水泥的化学成分表
化学成分 Na<sub>2</sub>O MgO Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub> SiO<sub>2</sub> CaO Fe<sub>2</sub>O<sub>3</sub> K<sub>2</sub>O SO<sub>3</sub> 其他
质量分数(％) 0.13 1.07 5.21 21.10 65.65 4.18 0.58 1.02 1.06
在本发明中，所述水泥掺合料的质量优选为水泥和水泥掺合料总质量的30％以下，更优选为30％。本发明将水泥掺合料的掺杂量限定在上述范围，能够在保证强度的前提下提高工程弃土的利用率。
在本发明中，水泥掺合料能够在温和条件和短时间内与水泥水化产物发生化学结合，得到力学性能优异的水泥石，减少水泥用量，提高水泥制品性能。
为了进一步说明本发明，下面结合实施例对本发明的技术方案进行详细地描述，但不能将它们理解为对本发明保护范围的限定。显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
将花岗岩残积土(含有50wt.％石英和30～35wt.％高岭土)进行粉碎、过0.3mm的筛网进行筛分，得到粒径在0.3mm以下的弃土粉末；
将所述弃土粉末置于马弗炉中，从室温(25℃)以10℃/min的升温速率加热至650℃进行煅烧，并在此温度下保温2h，保温结束后关闭马弗炉，待马弗炉炉腔内温度自然冷却至室温(25℃)，得到水泥掺合料。
实施例2
将花岗岩残积土(含有50wt.％石英和30～35wt.％高岭土)进行粉碎、过0.3mm的筛网进行筛分，得到粒径在0.3mm以下的弃土粉末；
将所述弃土粉末置于马弗炉中，从室温(25℃)以10℃/min的升温速率加热至700℃进行煅烧，并在此温度下保温2h，保温结束后关闭马弗炉，待马弗炉炉腔内温度自然冷却至室温(25℃)，得到水泥掺合料。
实施例3
将花岗岩残积土(含有50wt.％石英和30～35wt.％高岭土)进行粉碎、过0.3mm的筛网进行筛分，得到粒径在0.3mm以下的弃土粉末；
将所述弃土粉末置于马弗炉中，从室温(25℃)以10℃/min的升温速率加热至650℃进行煅烧，并在此温度下保温3h，保温结束后关闭马弗炉，待马弗炉炉腔内温度自然冷却至室温(25℃)，得到水泥掺合料。
实施例4
将花岗岩残积土(含有50wt.％石英和30～35wt.％高岭土)进行粉碎、过0.3mm的筛网进行筛分，得到粒径在0.3mm以下的弃土粉末；
将所述弃土粉末置于马弗炉中，从室温(25℃)以10℃/min的升温速率加热至700℃进行煅烧，并在此温度下保温3h，保温结束后关闭马弗炉，待马弗炉炉腔内温度自然冷却至室温(25℃)，得到水泥掺合料。
应用例1～4
分别将135g实施例1～4制备的水泥掺合料和315g 42.5R普通硅酸盐水泥混合，得到水泥组合物。
对比例1
以42.5R普通硅酸盐水泥为对比例1。
测试例
根据GB/T 17671-1999《水泥胶砂强度检验方法(ISO法)》，采用应用例1～4制备的水泥组合物制备掺弃土水泥砂浆，用对比例1的水泥制备纯水泥砂浆，掺弃土水泥砂浆和纯水泥砂浆均为40mm×40mm×160mm的棱柱体，具体制备流程如下：
分5组实验：将270g水加入搅拌锅中，再加入450g应用例1～4制备的水泥组合物或450g对比例1的42.5R普通硅酸盐水泥，将所述搅拌锅放在搅拌机的固定架上，上升至固定位置；启动搅拌机，低速搅拌(搅拌叶自转速度为140r/min，公转速度为62r/min)30s后，在第二个30s开始的同时均匀地加入1350g天然河砂；把机器转至高速(搅拌叶自转速度为285r/min，公转速度为125r/min)再拌30s；停拌90s，在第1个15s内用一胶皮刮具将叶片和锅璧上的砂浆，刮入锅中间，在高速(搅拌叶自转速度为285r/min，公转速度为125r/min)下继续搅拌60s；各个搅拌阶段，时间误差应在±1s以内；
然后用振动台成型：在搅拌砂浆的同时将试模和下料漏斗卡紧在振动台的中心；开动振动台，砂浆通过漏斗流入试模，振动120s±5s停止；振动完毕，取下试模，用刮平尺刮去其高出试模的砂浆并抹平；接着在试模上做标记或用字条表明试件编号；
在成型后24h脱模；
用湿布覆盖养护28天，得到掺弃土水泥砂浆或纯水泥砂浆。
根据GB/T 17671-1999《水泥胶砂强度检验方法(ISO法)》的要求测定应用例1～4制备的掺弃土水泥砂浆和对比例1制备的纯水泥砂浆的强度性能，结果如表2所示；
表2水泥砂浆的强度性能测试结果
Figure BDA0002419307200000071
由表2可以看出，掺弃土水泥砂浆与纯水泥砂浆的28天抗压强度和抗折强度基本相同(差异小于正负5％)，满足了混凝土对掺弃土水泥作为胶凝材料的强度要求。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种利用工程弃土制备水泥掺合料的方法，包括以下步骤：
将工程弃土进行粉碎，得到弃土粉末；所述工程弃土中包括高岭土，所述高岭土的含量在30wt.％以上；
将所述弃土粉末进行煅烧，得到水泥掺合料；所述煅烧的温度为650～700℃。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述工程弃土为花岗岩残积土。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述弃土粉末的粒径在0.3mm以下。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述煅烧的温度由室温升温得到，所述升温的速率为5～10℃/min。
5.根据权利要求1或4所述的方法，其特征在于，所述煅烧的时间为2～3h。
6.采用权利要求1～5任一项所述方法制备得到的水泥掺合料，所述水泥掺合料中含有偏高岭土。
7.一种水泥组合物，其特征在于，包括水泥和权利要求6所述的水泥掺合料。
8.根据权利要求7所述的水泥组合物，其特征在于，所述水泥掺合料的质量为水泥和水泥掺合料总质量的30％以下。
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