CN111574075A - 利用废弃混凝土和钢渣制备的高活性混合材及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种利用废弃混凝土和钢渣制备的高活性混合材及其制备方法和应用，该制备方法包括以下步骤：将废弃混凝土破碎至最大粒径15mm以下；将破碎后的混凝土进行铺设，使得其高度不超过最大粒径5mm，1min内将1500℃以上的高温熔融态钢渣倒入，通过熔体流动与混凝土颗粒充分接触混合，保温热闷5‑30min；将得到的物料进行速冷；将冷却的物料粉磨，磁力选铁，直至其最可几粒径达到100μm以下时，筛除125μm以上的粗颗粒，继续粉磨直至粉料细度为80μm筛余3％以下，即可得到所述高活性混合材。本发明以废弃混凝土和热态钢渣为原料，同时利用了两种工业固废，节约了资源能源，保护了环境，具有很高的环境效益和经济效益。
Description
技术领域
本发明涉及废弃混凝土和钢渣回收再利用的技术领域，特别是涉及一种利用废弃混凝土和钢渣制备的高活性混合材及其制备方法和应用。
背景技术
我国是世界上最大的水泥混凝土生产和使用国。随着社会发展，各种建筑物的拆除，废弃混凝土堆积量逐年增加。预计在不久的将来，我国很快将成为废弃混凝土量最多的国家。然而当前我国废弃混凝土大多填埋处理，环境压力日益凸显。与此同时，已有的少数针对废弃混凝土回收利用的应用方法或研究，大多停留在骨料的回收利用阶段，对混凝土中高附加值的胶凝组分未能高效利用。这是极大的资源或能源的浪费，同时也是当前废弃混凝土回收利用率低、成本高和推广应用受限的原因。
任何龄期的废弃混凝土中均含有一定量的未水化水泥矿物。此外，对混凝土中已水化的矿物水化产物进行再次处理，也可以实现其胶凝活性的部分恢复，加之，石灰石骨料通过物理化学反应后也能形成具有一定胶凝活性的矿物。当前我国水泥工业正面临空前的资源、能源与环境压力，通过一定的物理化学手段处理，形成新的有效的混凝土回收处理和再利用技术，必将极大地促进水泥工业的绿色低碳环保与可持续发展。
发明内容
有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种利用废弃混凝土和热态钢渣制备的高活性混合材及其制备方法和应用，其利用熔融态钢渣余热，重新活化废弃混凝土，以制备新型该高活性混合材。
本发明的目的及解决其技术问题是采用以下技术方案来实现的。
依据本发明提出的一种高活性混合材的制备方法，包括以下步骤：
1)将废弃混凝土破碎至最大粒径15mm以下；
2)将步骤1)破碎后的混凝土进行铺设，使得其高度不超过最大粒径5mm，1min内将1500℃以上的高温熔融态钢渣倒入，通过熔体流动与混凝土颗粒充分接触混合，保温热闷5-30min；
3)将步骤2)得到的物料进行速冷；
4)将步骤3)冷却的物料粉磨，磁力选铁，待其最可几粒径达到100μm以下时，筛除125μm以上的粗颗粒，继续粉磨直至粉料细度为80μm筛余3％以下，即可得到所述高活性混合材。
本发明的目的及解决其技术问题还可采用以下技术措施进一步实现。
优选的，前述的高活性混合材的制备方法中，其中所述废弃混凝土和熔融钢渣的重量比例为20％～80％。
优选的，前述的高活性混合材的制备方法中，其中所述废弃混凝土占废弃混凝土和高温熔融态钢渣总重量的20％～75％，更优选为20％-50％。
优选的，前述的高活性混合材的制备方法中，其中步骤2)中，所述混凝土铺设在圆柱形渣坑或耐火坩埚的底部。
优选的，前述的高活性混合材的制备方法中，其中步骤2)中，所述渣坑外围设有厚度为10mm以上的保温耐火砖。
优选的，前述的高活性混合材的制备方法中，其中步骤3)中，所述速冷的方式为电风扇风冷。
优选的，前述的高活性混合材的制备方法中，其中步骤3)中，所述电风扇的转速不低于500转/分钟。
优选的，前述的高活性混合材的制备方法中，其中步骤4)中，将步骤3)冷却的物料粉磨2～20min，磁力选铁，再继续粉磨2～30min，磁力选铁，待其最可几粒径达到100μm以下时，并筛除125μm以上颗粒的粗颗粒，继续粉磨直至粉料细度为80μm筛余3％以下，即可得到所述高活性混合材。之所以选择粉磨和磁力选铁的循环模式，是为了提高粉磨效率，节约能耗。
优选的，前述的高活性混合材的制备方法中，其中步骤4)中，在粉磨之前还包括将冷却的物料敲打成碎块的步骤。
本发明的目的及解决其技术问题还可采用以下技术方案来实现的。
依据本发明提出的一种高活性混合材，所述高活性混合材的活性指数在80％以上，金属铁含量小于1wt％。
优选的，前述的高活性混合材中，其中所述高活性混合材是通过任一所述的方法制备。
本发明的目的及解决其技术问题还可采用以下技术方案来实现的。
依据本发明提出的一种水泥，所述水泥包括上述的高活性混合材。
优选的，前述的水泥中，其中所述水泥按重量百分比计包括：水泥熟料60％-92％；天然二水石膏0.5％～5％；高活性混合材5％～38％。
优选的，前述的水泥中，其中所述水泥按重量百分比计包括：水泥熟料80％；天然二水石膏5％；高活性混合材15％。
借由上述技术方案，本发明的一种利用废弃混凝土和钢渣制备的高活性混合材及其制备方法和应用至少具有下列优点：
1、本发明所述的高活性混合材的制备方法和应用，其有效回收利用了废弃混凝土中高附加值的胶凝组分，减少了水泥用量，促进了水泥工业的低碳可持续发展。
2、本发明所述的高活性混合材的制备方法和应用，其有效发挥了钢渣余热，不需要额外热源，节能环保，经济成本低。
3、本发明所述的高活性混合材的制备方法和应用，其以废弃混凝土和热态钢渣为原料，同时利用了两种工业固废，节约了资源能源，保护了环境，具有很高的环境效益和经济效益。
4、本发明所述的高活性混合材的制备方法和应用，其借助钢铁工业尾端的钢渣处理过程，有效活化并利用废弃混凝土组分，不需要额外的装备及技术，简单，方便，快捷，应用性强，广泛适用于钢铁厂家。
5、本发明所述的高活性混合材的制备方法和应用，其同时为我国钢渣的资源化利用提供了新途径，扩大了钢渣的资源化及再回收利用率，可积极促进钢铁工业的可持续发展。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。
附图说明
图1为本发明的实施例1制备的高活性混合材M1的XRD图。
具体实施方式
为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合较佳实施例，对依据本发明提出的利用废弃混凝土和钢渣制备的高活性混合材及其制备方法和应用的具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如后。
以下材料或试剂，如未特别说明，均为市购。
本发明提供了一种高活性混合材的制备方法，包括以下步骤：
1)将废弃混凝土破碎至最大粒径15mm以下；
2)将步骤1)破碎后的混凝土进行铺设，使得其高度不超过最大粒径5mm，1min内将1500℃以上的高温熔融态钢渣倒入，通过熔体流动与混凝土颗粒充分接触混合，保温热闷5-30min；
3)将步骤2)得到的物料进行速冷；
4)将步骤3)冷却的物料粉磨，磁力选铁，待其最可几粒径达到100μm以下时，筛除125μm以上的粗颗粒，继续粉磨直至粉料细度为80μm筛余3％以下，即可得到所述高活性混合材。
具体实施时，所述废弃混凝土和熔融钢渣的重量比例可以为20％～80％。优选为20％～75％，更优选为20％-50％，更优选后可以使混合材获得更高的活性，活性指数达到90％以上。
具体实施时，步骤2)中，所述混凝土可以铺设在圆柱形渣坑或耐火坩埚的底部；使用渣坑时，所述渣坑外围可采用厚度10mm以上的保温耐火砖进行保温，以防止热量散失。
具体实施时，步骤3)中，所述速冷的方式可以为电风扇风冷；所述电风扇的转速设置为不低于500转/分钟，以使得混合后的物料快速冷却，保持矿物的高活性。
具体实施时，步骤4)中，将步骤3)冷却的物料粉磨2～20min，磁力选铁，再继续粉磨2～30min，磁力选铁，待其最可几粒径达到100μm以下时，并筛除125μm以上颗粒的粗颗粒，继续粉磨直至粉料细度为80μm筛余3％以下，即可得到所述高活性混合材。之所以选择粉磨和磁力选铁的循环模式，是为了提高粉磨效率，节约能耗，同时回收铁资源，并提高产品的质量稳定性。
具体实施时，步骤4)中，在粉磨之前还可以包括将冷却的物料敲打成碎块的步骤，以更好地入磨粉磨。
上述高活性混合材的活性指数在80％以上，金属铁含量小于1wt％。
本发明的实施方法利用了熔融态钢渣的余热，通过热活化和化学反应可有效活化废弃混凝土，高效、低碳和环保，且工艺过程简单易行。
实施例1
将从某工地收集的废弃混凝土试块A采用颚式破碎机破碎，通过调节破碎机档位循环破碎至废弃混凝土最大粒径10mm以下。废弃混凝土试块A的平均化学组成见表1-1。选取100g破碎后的混凝土均匀平铺在圆柱形的耐火坩埚底部，料层厚度不超过15mm。将100g钢渣S煅烧至1600℃，保温30min，以获得熔融态钢渣。将高温熔融态钢渣从高温炉取出，1min内，利用其高温流动性，均匀地将钢渣熔体倒入平铺有废弃混凝土物料的坩埚底部，使钢渣熔体与混凝土颗粒(钢渣熔体与混凝土颗粒的重量比例为1:1)充分接触混合。随后将坩埚转移回至高温炉(保温耐火砖的厚度约为15cm)中，热闷30min。随后取出坩埚，用电风扇风冷(电风扇的转速不低于500转/分钟)。将冷却物料敲打成碎块，加入振动磨(功率为1.5kw，转速为940r/min)粉磨5min钟后，磁力选铁，再继续粉磨4min后，再次磁力选铁，直至金属铁含量在1％以下，激光粒度测定样品的最可几粒径为86.73μm时，筛除125μm以上的颗粒，最后继续粉磨至物料细度为80μm筛余3％以下，即可得到所述高活性混合材M1。
对比例1
对比例1与实施例1的区别在于，对比例1的原料为废弃混凝土试块A，未与钢渣S混合；其余步骤(如破碎、粉磨、选铁和筛分)及其参数与实施例1相同，最终得到的对比样1为A0。
对比例2
对比例2与实施例1的区别在于，对比例2的原料为钢渣S，未与废弃混凝土试块A混合；其余步骤(如破碎、粉磨、选铁和筛分)及其参数与实施例1相同，最终得到的对比样2为S0。
表1-1废弃混凝土A的化学组成
采用GB8076的混凝土外加剂性能检验用基准水泥，将实施例1的高活性混合材M1、对比例1的A0和对比例2的S0分别和基准水泥按3:7的重量比混合，测定其28d活性指数。结果表明，A0和S0的活性指数分别为69％和58％，混合材M1的28d活性指数为94％。将M1按GB/T750压蒸法试验，其安定性合格。
将上述的高活性混合材M1进行XRD测定，其测定结果如图1所示。由图1可见，M1中存在一定量的非晶态，晶相组成中除含有未反应掉的混凝土砂石骨料的主要成分石英和方解石外，还生成了一定量具有活性的硅酸三钙、硅酸二钙、铁酸二钙和七铝酸十二钙矿物。同时，M1中还观测到了少量的氢氧化钙的存在，可以对自身活性起到一定的激发作用。由此可见，混凝土和热态钢渣混合过程中，二者反应形成了一定量的硅酸三钙、硅酸二钙、铁酸二钙和七铝酸十二钙等活性矿物，使得混合材M1具有较高的活性指数。
实施例2
将从某工地收集到的废弃混凝土试块A采用颚式破碎机破碎，通过调节破碎机档位循环破碎至废弃混凝土最大粒径10mm及以下。废弃混凝土试块A的平均化学组成见表1-1。选取100g破碎后的混凝土均匀平铺在圆柱形的耐火坩埚底部。将50g钢渣煅烧至1600℃，保温30min，以获得熔融态钢渣。将高温熔融态钢渣从高温炉迅速取出，1min内，利用其高温流动性，均匀地将钢渣熔体倒入平铺有废弃混凝土物料的坩埚底部，使钢渣熔体与混凝土颗粒充分接触混合(钢渣熔体与混凝土颗粒的重量比例为2:1)。随后将坩埚迅速转移回至高温炉(保温耐火砖厚度约15cm)中，随炉自然降温至600℃以上(热闷约30min)。随后取出坩埚，用电风扇风冷(电风扇的转速不低于500转/分钟)。将冷却物料敲打成碎块，加入振动磨(功率为1.5kw，转速为940r/min)粉磨4min钟后，磁力选铁，再继续粉磨2min后，再次磁力选铁，直至金属铁含量在1％以下，激光粒度测定样品的最可几粒径为77.80μm时，筛除125μm以上的颗粒，最后继续粉磨至物料80μm筛余3％及以下，即可得到所述高活性混合材M2。
采用GB8076的混凝土外加剂性能检验用基准水泥，将实施例1的高活性混合材M2和基准水泥按3:7的重量比混合，测定其28d活性指数。结果表明，该混合材M2的28d活性指数为83％，将M2按GB/T750压蒸法试验，其安定性合格。与实施例1类似，本实施例的混凝土与热态钢渣混合，二者发生了一定化学反应，生成了一定量的活性矿物，从而使得M2具备较高的活性。但由于热态钢渣用量少，提供的热量低，因此活化矿物量较实施例1有所降低，因此M2活性较M1活性偏低。
实施例3
将从某工地收集到的废弃混凝土试块B采用颚式破碎机破碎，通过调节破碎机档位循环破碎至废弃混凝土最大粒径15mm及以下。废弃混凝土试块B的平均化学组成见表1-2。选取100g破碎后的混凝土均匀平铺在圆柱形坩埚底部。将25g钢渣S煅烧至1600℃，保温30min，以获得熔融态钢渣。将高温熔融态钢渣从高温炉迅速取出，1min内，利用其高温流动性，均匀地将钢渣熔体倒入平铺有废弃混凝土物料的坩埚底部，使钢渣熔体与混凝土颗粒充分接触混合(钢渣熔体与废弃混凝土的重量比例为3:1)。随后将坩埚迅速转移回至高温炉(保温耐火砖厚度约15cm)中，热闷30min。随后取出坩埚，用电风扇风冷(电风扇的转速不低于500转/分钟)。将冷却物料敲打成碎块，加入振动磨(功率为1.5kw，转速为940r/min)粉磨5min钟后，磁力选铁，再继续粉磨2min后，再次磁力选铁，直至金属铁含量在1％以下，激光粒度测定样品的最可几粒径为55.36μm时，筛除125μm以上的颗粒，最后粉磨至物料80μm筛余3％及以下，即可得到所述高活性混合材M3。
对比例3
对比例3与实施例3的区别在于，对比例3的原料为废弃混凝土试块B，未与钢渣S混合；其余步骤(如破碎、粉磨、选铁和筛分)及其参数与实施例3相同，最终得到的对比样3为B0。
对比例4
对比例4与实施例3的区别在于，对比例4的原料为钢渣S，未与废弃混凝土试块B混合；其余步骤(如破碎、粉磨、选铁和筛分)及其参数与实施例3相同，最终得到的对比样4为S1。
表1-2废弃混凝土B的化学组成
采用GB8076的混凝土外加剂性能检验用基准水泥，将实施例1的高活性混合材M3、对比例3的B0和对比例4的S1分别和基准水泥按3:7的重量比混合，测定其28d活性指数。结果表明，该混合材M3的28d活性指数为85％，B0和S1的活性指数分别为71％和58％。将M3按GB/T750压蒸法试验，其安定性合格。与实施例1和2类似，本实施例的混凝土与热态钢渣混合，二者发生了一定化学反应，生成了一定量的活性矿物，从而使得M3具备较高的活性。
实施例4：
将从某工地收集到的废弃混凝土试块B采用颚式破碎机破碎，将废弃混凝土试块破碎至最大粒径8mm及以下。废弃混凝土试块B的平均化学组成见表1-2。选取50g破碎后的混凝土均匀平铺在圆柱形坩埚底部。将100g钢渣煅烧至1600℃，保温30min，以获得熔融态钢渣。将高温熔融态钢渣从高温炉迅速取出，1min内，利用其高温流动性，均匀地将钢渣熔体倒入平铺有废弃混凝土物料的坩埚底部，使钢渣熔体与混凝土颗粒充分接触混合(钢渣熔体与混凝土颗粒的重量比例为1:2)。随后将坩埚转移回至高温炉(保温耐火砖厚度约15cm)中，热闷30min。随后取出坩埚，用电风扇风冷(电风扇的转速不低于500转/分钟)。将冷却物料敲打成碎块，加入振动磨(功率为1.5kw，转速为940r/min)粉磨5min钟后，磁力选铁，再继续粉磨2min后，再次磁力选铁，直至金属铁含量在1％以下，激光粒度测定样品的最可己粒径为88.24μm时，筛除125μm以上的颗粒，最后粉磨至物料细度为80μm筛余3％及以下，即可得到所述高活性混合材M4。
采用GB8076的混凝土外加剂性能检验用基准水泥，将回收制备的混合材M4和基准水泥按3:7的重量比混合，测定其28d活性指数。结果表明，混合材M4的28d活性指数为91％。将M4按GB/T750压蒸法试验，其安定性合格。本实施例中由于热态钢渣用量较高，提供了足够的反应所需热量，可以促进废弃混凝土和热刚钢渣之间的化学反应，同时钢渣的组分得以进一步重构，所制备得的M4具备较高反应活性和良好的安定性，28d活性指数在90％以上。
应用实施例：
将某水泥厂的水泥熟料，加入5wt％的天然二水石膏，混合磨细至比表面积≥300m2/kg，之后分别加入15wt％的上述实施例1-4制备的混合材M1、M2、M3和M4，混合磨细至比表面积为350±5m2/kg，得到不同组的水泥样品。其中样品组的编号依次为C1、C2、C3和C4，且C0为对照组(未加入本发明的混合材)，对各样品组及对照组对应水泥样品的强度性能和压蒸安定性能进行了测试，测试结果见表1-3。
由表1-3的数据可见，采用本发明方法制备的混合材，与一定量水泥熟料和石膏混合，可以制备满足42.5强度等级的普通硅酸盐水泥的要求。当按GB/T750压蒸法试验对水泥样品安定性进行测定时，四组水泥的安定性均合格。
上述的“高活性”指的是所制备的混合材的活性指数在80％以上。
本发明的说明书中，说明了大量具体细节。然而，能够理解，本发明的实施例可以在没有这些具体细节的情况下实践。在一些实施例中，并未详细示出公知的方法、结构和技术，以便不模糊对本说明书的理解。
另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。
此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。
Claims (10)
1.一种高活性混合材的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)将废弃混凝土破碎至最大粒径15mm以下；
2)将步骤1)破碎后的混凝土进行铺设，使得其高度不超过最大粒径5mm，1min内将1500℃以上的高温熔融态钢渣倒入，通过熔体流动与混凝土颗粒充分接触混合，保温热闷5-30min；
3)将步骤2)得到的物料进行速冷；
4)将步骤3)冷却的物料粉磨，磁力选铁，直至其最可几粒径达到100μm以下时，筛除125μm以上的粗颗粒，继续粉磨直至粉料细度为80μm筛余3％以下，即可得到所述高活性混合材。
2.如权利要求1所述的高活性混合材的制备方法，其特征在于，所述废弃混凝土占废弃混凝土和高温熔融态钢渣总重量的20％～80％。
3.如权利要求1所述的高活性混合材的制备方法，其特征在于，步骤2)中，所述混凝土铺设在圆柱形的渣坑、渣盘或耐火坩埚的底部。
4.如权利要求3所述的高活性混合材的制备方法，其特征在于，步骤2)中，所述渣坑外围设有厚度为10mm以上的保温耐火砖。
5.如权利要求1所述的高活性混合材的制备方法，其特征在于，步骤3)中，所述速冷的方式为电风扇风冷；所述电风扇的转速不低于500转/分钟。
6.如权利要求1所述的高活性混合材的制备方法，其特征在于，步骤4)中，将步骤3)冷却的物料粉磨2～20min，磁力选铁，再继续粉磨2～30min，磁力选铁，直至其金属铁含量在1％以下及最可几粒径达到100μm以下时，筛除125μm以上的颗粒，继续粉磨直至粉料细度为80μm筛余3％以下，即可得到所述高活性混合材。
7.一种高活性混合材，其特征在于，所述高活性混合材的活性指数在80％以上，金属铁含量小于1wt％。
8.如权利要求7所述的高活性混合材，其特征在于，所述高活性混合材是通过权利要求1-6任一项所述的方法制备。
9.一种水泥，其特征在于，所述水泥包括权利要求8或9所述的高活性混合材。
10.如权利要求9所述的水泥，其特征在于，所述水泥按重量百分比计包括：水泥熟料60％-92％；天然二水石膏0.5％～5％；高活性混合材5％～38％。
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