CN111943535A - 一种由建筑垃圾和污染土生产通用硅酸盐水泥的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种由建筑垃圾和污染土生产通用硅酸盐水泥的方法，涉及工业废弃物资源化利用和环保能源技术领域。本发明所公开的生产方法主要包括生料粉的磨制、建筑垃圾及污染土的煅烧分解和水泥的磨制。本发明所生产的通用硅酸盐水泥包括以下重量份数的原料：通用硅酸盐熟料42‑50份、脱硫石膏5‑8份、石灰石3‑8份、生态烧结料3‑10份、粉煤灰2‑5份、助磨剂三乙醇胺掺加量0.015％，其余部分为矿渣或矿渣粉。本发明可提高建筑垃圾和污染土的处置率，生态烧结料的掺加量可达3‑10％，同时维持水泥的等级强度；降低生产成本，同时解决建筑垃圾和污染土的无害化、资源化问题，减少了填埋负荷，具有突出的环境效益。

Description

一种由建筑垃圾和污染土生产通用硅酸盐水泥的方法

技术领域

本发明涉及工业废弃物资源化利用和环保能源技术领域，尤其涉及一种由建筑垃圾和污染土生产通用硅酸盐水泥的方法。

背景技术

水泥是一种粉末水硬性无机胶凝材料，与水拌和后既能在空气中硬化又能在水中硬化，并能把砂、石等材料牢固地胶结在一起。水泥作为一种重要的胶凝材料，不但强度较高，而且还能抵抗淡水或含盐水的侵蚀，广泛应用于土木建筑、水利、国防等工程。

建筑垃圾属于垃圾的一种，是指在建筑物、构筑物拆除、新建、重建、维修、装修及自然灾害等过程中产生的各类废弃物，据前瞻产业研究院发布的《中国建筑垃圾处理行业发展前景与投资战略规划分析报告》统计数据显示，近几年，我国每年建筑垃圾排放总量约为15.5亿吨至24亿吨之间，占城市垃圾的比例约为40％，造成了严重的生态危机。污染土是指受外界人为因素造成的有毒有害污染物滞留在土壤中，使土壤受到污染。目前，全国受污染的土地至少为1.5亿亩，对周围的环境和人们的身心健康造成极大的威胁。我国现阶段对建筑垃圾和污染土的处理方式仍然以简单填埋为主，由此造成固体填埋量持续增加，资源化效率极低，严重损害生态环境。

目前，以建筑垃圾经过筛选破碎后，再经过深加工处理制得各类水泥的应用研究较为广泛。

王俊云等利用建筑垃圾中的页岩砖烧结后制成的页岩砖粉末生产生态型水泥，页岩砖粉末的加入没有影响水泥胶砂的强度，但是此研究中页岩砖粉末的掺加量较低，仅为1％。(参见文献：王俊云.利用废弃烧结页岩砖粉末生产生态型水泥的研发.广西科技大学,2019.)

专利公告号为CN105060754B的中国专利提出了一种废瓷砖粉水泥混合材，它的合成方法是将作为建筑垃圾的废瓷砖经预处理、机械活化和热活化后制成活化废瓷砖，再将活化废瓷砖与生石灰搅拌制得。但是此合成方法中对废瓷砖的处理步骤较为繁琐。

根据以上所述，目前虽然有将建筑垃圾或污染土用于生产通用性水泥的方法，但对建筑垃圾和污染土的处理方式繁琐，并且建筑垃圾的掺加量较低。目前，矿石资源的大量消耗和人居环境质量的不断下降，迫切需要实现有效的对工业固体废弃物的循环利用。因此，将建筑垃圾和污染土经水泥窑协同处置后的生态烧结料作为水泥混合材，实现大掺量混合材水泥的生产是解决上述问题的有效途径。

发明内容

本发明的目的是提供一种由建筑垃圾和污染土生产通用硅酸盐水泥的方法，保证制成的通用硅酸盐水泥性能的同时，提高对建筑垃圾和污染土的掺加量，具有方法简便的特点。

本发明是通过以下技术方案得以实现的：

一种由建筑垃圾和污染土生产通用硅酸盐水泥的方法，该通用硅酸盐水泥由以下重量份数的原料组成：通用硅酸盐熟料42-50份；脱硫石膏5-8份；石灰石3-8份；生态烧结料3-10份；粉煤灰2-5份；助磨剂质量分数为0.015％；其余部分为矿渣或矿渣粉；其生产方法包括以下步骤：a.磨制生料粉：利用球磨机将石灰石85-95份、硅质校正料8-15份、铝质校正料5-8份、铁质校正料2-5份加入球磨机中进行粉磨，粉磨细度要求0.08mm筛余量不大于12％，得到用于对建筑垃圾和污染土煅烧分解产生的尾气进行脱硫处理的生料粉；b.建筑垃圾和污染土的煅烧分解：建筑垃圾和污染土经筛分、除铁后，经破碎机破碎、均化，得到均化混合料，取均化混合料80-90份、步骤a所得生料粉10-20份加入水泥回转窑中，控制窑内温度900～1000℃，得到生态烧结料；c.磨制水泥：将准备好的通用硅酸盐熟料、脱硫石膏、石灰石、粉煤灰、矿渣或矿渣粉、助磨剂以及步骤b所得的生态烧结料按照重量份数比例粉磨制备通用硅酸盐水泥，粉磨细度要求为比表面积420～450m²/kg，0.045mm细度筛余量不大于7％。

进一步的，所述通用硅酸盐熟料为满足GB/T21372-2008《硅酸盐水泥熟料》要求的通用硅酸盐水泥熟料。

进一步的：所述脱硫石膏为以煤为燃料的火力发电厂烟气脱硫后产生的工业废渣脱硫石膏。

进一步的：所述石灰石中氧化钙的质量分数大于48％。

进一步的：所述粉煤灰为以煤为燃料的火力发电厂排放的Ⅲ级及以下的粉煤灰。

进一步的：所述矿渣为钢铁厂高炉冶炼生铁所产生的以硅酸盐与硫铝酸盐为主要成分的熔融物，经淬冷成粒后的粒化高炉矿渣。

进一步的：所述矿渣粉为所述粒化高炉矿渣利用立磨粉磨比表面积大于等于400m²/kg制备而成。

进一步的：所述助磨剂为液体助磨剂三乙醇胺。

本发明中各原材料的作用为：通用硅酸盐熟料，起主要的胶凝作用，与水反应，生成C-S-H、钙矾石和氢氧化钙等，提高体系强度；脱硫石膏，可以调节凝结时间，提高早期强度，改善耐久性，抗渗性等性能，可对矿渣、矿渣粉和粉煤灰起到活性激发的作用；石灰石，可以提高通用硅酸盐水泥产量，减少水化热；建筑垃圾与污染土煅烧分解形成的生态烧结料，生态烧结料中含有未水化的胶凝料、活性二氧化硅和氧化铝，具有潜在的活性，对其进行活性激发后，可以使生态烧结料进行水化，提高体系的强度；粉煤灰，可以改善耐久性，提高后期强度，降低水化热；矿渣或矿渣粉，有潜在的水硬胶凝性能，在水泥熟料、石膏等激发剂作用下，显示出水硬胶凝性能；助磨剂，可改善物料的易磨性，减轻颗粒之间的粘聚结团作用，提高能量利用率。

综上所述，本发明的有益技术效果为：

(1)提高建筑垃圾及污染土的处置率，生态烧结料掺加量可达到3-10％，同时水泥强度等级不降低；

(2)材料制备工艺简单，生态烧结料只需按一定比例称量后，使用常规水泥粉磨工艺粉磨至一定细度即可制得，无需特殊工艺；

(3)原材料成本低廉，采用建筑垃圾和污染土替代原矿石，降低生产成本；

(4)具有显著的环境效益和社会效益，能够缓解水泥生产中对石灰石等不可再生资源的过快消耗，将建筑垃圾及污染土变废为宝，逐步消除每年工业废渣带来的环境污染和处置难题。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面对本发明进行更为详细的描述。

由建筑垃圾和污染土生产通用硅酸盐水泥的方法为：

首先，磨制生料粉，以重量份数计，将石灰石85-95份、硅质矫正料8-15份、铝质矫正料5-8份、铁质矫正料2-5份利用球磨机进行粉磨，粉磨后制得的生料粉0.08mm筛余量不大于12％。生料粉可对建筑垃圾及污染土在水泥回转窑内煅烧分解产生的尾气进行脱硫，从而确保系统尾气排放达到环保要求；

然后，进行建筑垃圾及污染土的煅烧分解步骤，建筑垃圾及污染土经过筛分、除铁等预处理后，在破碎机中进行破碎，并进行均化后得到均化后混合料；将均化后混合料80-90份、生料粉10-20份置于水泥回转窑中进行煅烧，控制窑内温度为900～1000℃，均化后混合料和生料粉在回转窑内与窑头热风进行逆流换热，将氰化物蒸发分离，含氰废气在窑尾二次加温，由窑尾高温进行热解析后去除氰化物，实现安全无害化处置；

最后，利用球磨机磨制水泥，以重量份数计，将通用硅酸盐熟料42-50份、脱硫石膏5-8份、石灰石3-8份、生态烧结料3-10份、粉煤灰2-5份、液体助磨剂三乙醇胺掺加量0.015％、其余部分为矿渣或矿渣粉，加入球磨机中进行粉磨，粉磨细度要求是比面积420-450m²/kg，0.045mm细度筛余量不大于7％。

本方法生产的通用硅酸盐水泥的组成中，通用硅酸盐熟料为满足GB/T21372-2008《硅酸盐熟料》要求的通用硅酸盐水泥熟料，通用硅酸盐熟料在通用硅酸盐水泥中起主要的胶凝作用，与水反应后，生成C-S-H、钙矾石和氢氧化钙等，可提高体系强度；脱硫石膏为以煤为燃料的火力发电厂烟气脱硫后产生的工业废渣脱硫石膏，脱硫石膏可以调节通用硅酸盐水泥的凝结时间，有利于混凝土的搅拌、运输和施工，脱硫石膏还可以提高通用硅酸盐水泥的早期强度，改善耐久性，抗渗性等性能，并对矿渣、矿渣粉和粉煤灰起到活性激发的作用；石灰石为市售氧化钙的质量分数大于48％的石灰石，石灰石的添加可以提高通用硅酸盐水泥的产量，减少水化热，激发粉煤灰的活性；建筑垃圾与污染土煅烧分解形成的生态烧结料，生态烧结料中含有未水化的胶凝料、活性二氧化硅和氧化铝，具有潜在的活性，对其进行活性激发后，可以使生态烧结料进行水化，提高体系的强度；粉煤灰为以煤为燃料的火力发电厂排放的Ⅲ级及以下的粉煤灰，粉煤灰可以降低通用硅酸盐水泥的水化热，提高其耐久性和抗渗性，同时提高通用硅酸盐水泥的耐磨性从而降低养护成本；矿渣为钢铁厂高炉冶炼生铁所产生的以硅酸盐与硫铝酸盐为主要成分的熔融物，经淬冷成粒后的粒化高炉矿渣，矿渣粉为粒化高炉矿渣利用立磨粉磨比表面积大于等于400m²/kg制备而成，矿渣和矿渣粉有潜在的水硬胶凝性能，在水泥熟料、石膏等激发剂作用下，显示出水硬胶凝性能，可提高通用硅酸盐水泥的强度，有效抑制碱骨料反应，提高通用硅酸盐水泥的耐久性，同时可以提高通用硅酸盐水泥的抗渗性和抗侵蚀性；助磨剂，可改善物料的易磨性，减轻颗粒之间的粘聚结团作用，提高能量利用率。

建筑垃圾及污染土种类繁多、化学成分不稳定。对三种不同批次的建筑垃圾及污染土制成的生态烧结料分别取试样，编号为试样一、试样二和试样三，对三份试样进行化学成分分析及物理力学性能测试，结果如表1所示。

表1：

实验结果表明，生态烧结料的化学成分波动较大，且含有可对水泥品质造成不良影响的氧化镁、氯离子和一些碱。氧化镁的含量过高时，会引起水泥安定性不良，从而降低建筑物的质量；氯离子会降低水泥的抗化学侵蚀性和耐磨性，并且加速建筑中钢筋的锈蚀反应；碱虽然可提高水泥的水化速度和早期强度，但是碱易于使水泥在储存过程中结块，造成水泥快凝。生态烧结料中氧化镁的含量波动区间范围在6.0-16.0％之间，氯离子含量波动区间范围在0.06-0.3％之间，碱含量波动区间范围在0.8-1.5％之间。

活性指数的测定是将生态烧结料和水泥按1:1的质量比掺加，按水泥胶砂成型方法制作标准试件，按标准方法进行养护，同时也制作所用水泥的标准试件。由标准养护掺加生态烧结料的试件和水泥试件同龄期强度的比值得到活性指数。由表1计算可知，7天活性指数的平均值为72.13，28天活性指数的平均值约为71.07。生态烧结料的添加会使水泥的强度有所降低。

为保障制得的通用硅酸盐水泥符合国家各项标准，在水泥粉磨制备前，应先对每批次生态烧结料进行检验、测算掺加比例、制定技术指标，然后再加以使用。

以下结合具体实施例对由建筑垃圾和污染土生产通用硅酸盐水泥的方法进行详细说明。

实施例一：

以质量分数计，选用通用硅酸盐熟料45％、脱硫石膏5％、石灰石3％、生态烧结料3％、粉煤灰8％、三乙醇胺0.015％，其余部分为矿渣或矿渣粉，入球磨机粉磨，其粉磨细度要求是比面积420-450m²/kg，0.045mm细度筛余量不大于7％。

实施例二：

以质量分数计，选用通用硅酸盐熟料45％、脱硫石膏5％、石灰石3％、生态烧结料5％、粉煤灰8％、三乙醇胺0.015％，其余部分为矿渣或矿渣粉，入球磨机球磨，其粉磨细度要求是比面积420-450m²/kg，0.045mm细度筛余量不大于7％。

实施例三：

以质量分数计，选用通用硅酸盐熟料45％、脱硫石膏5％、生态烧结料8％、粉煤灰8％、三乙醇胺0.015％，其余部分为矿渣或矿渣粉，入球磨机球磨，其粉磨细度要求是比面积420-450m²/kg，0.045mm细度筛余量不大于7％。

实施例四：

以质量分数计，选用通用硅酸盐熟料48％、脱硫石膏5％、生态烧结料8％、粉煤灰8％、三乙醇胺0.015％，其余部分为矿渣或矿渣粉，入球磨机球磨，其粉磨细度要求是比面积420-450m²/kg，0.045mm细度筛余量不大于7％。

实施例五：

以质量分数计，选用通用硅酸盐熟料45％、脱硫石膏5％、石灰石3％，生态烧结料10％、粉煤灰8％、三乙醇胺0.015％，其余部分为矿渣或矿渣粉，入球磨机球磨，其粉磨细度要求是比面积420-450m²/kg，0.045mm细度筛余量不大于7％。

对比例一：

以质量分数计，选用通用硅酸盐熟料45％、脱硫石膏5％、石灰石8％、粉煤灰8％、三乙醇胺0.015％，其余部分为矿渣或矿渣粉，入球磨机球磨，其粉磨细度要求是比面积420-450m²/kg，0.045mm细度筛余量不大于7％。

对比例二：

以质量分数计，选用通用硅酸盐熟料48％、脱硫石膏5％、石灰石8％、粉煤灰8％、三乙醇胺0.015％，其余部分为矿渣或矿渣粉，入球磨机球磨，其粉磨细度要求是比面积420-450m²/kg，0.045mm细度筛余量不大于7％。

实施例一、二、三、四、五及对比例一、二中通用硅酸盐水泥的组成如表2所示。

表2

对实施例一、二、三、四、五及对比例一、二生产的通用硅酸盐水泥的烧失量及化学成分进行分析，测试结果如表3所示。

表3

表3中各实施例及对比例的品质指标均符合国家GB175-2007通用硅酸盐水泥标准。在实施例三和实施例四中，使用生态烧结料替代了石灰石，石灰石中的主要成分是碳酸钙，而通过表1可知，生态烧结料中大部分为氧化钙，除此之外还含有一些氧化物和少量的氯离子，石灰石中碳元素的含量高于生态烧结料中碳元素的含量，因而生产出的通用硅酸盐水泥的烧失量较小。同样由于生态烧结料中含有少量氯离子，使得实施例三和实施例四生产的通用硅酸盐水泥中氯离子含量稍有升高，由此说明生态烧结料的掺加量不宜过多，应以保证氧化镁和氯离子的含量不超标的前提下，进行掺加。

对实施例一、二、三、四、五及对比例一、二生产的通用硅酸盐水泥分别进行物理力学测试和性能测试。性能测试的主要内容有抗压强度及抗折强度、标准稠度及凝结时间、安定性测试。

抗压强度及抗折强度的测试方法是，按质量份数计的一份水泥、三份中国ISO标准砂，用0.5的水灰比拌制,用行星搅拌机搅拌，在振实台上放入制成标准试块的模具内成型，养护，分别在第3天、28天龄期，先进行抗折强度试验，折断后每截再进行抗压强度。

标准稠度及凝结时间是按国家标准规定的检验仪器及操作方法进行水泥标准稠度、凝结时间的检验。

安定性测试采用沸煮箱沸煮法测试水泥安定性指标。

各实施例及对比例的通用硅酸盐水泥的物理力学性能测试结果如表4所示。

表4

以上各实施例及对比例的通用硅酸盐水泥的安定性检验全部合格。

参照表2和表4，各实施例及对比例中，标准稠度需水量和凝结时间差别不大。随着生态烧结料质量分数的增大，通用硅酸盐水泥3天、28天强度波动不大。结合表3，这说明在氯离子和氧化镁含量不超标的前提下，可适当提高生态烧结料比例，从而进一步降低生产成本；由实施例三和实施例四可知，根据通用硅酸盐熟料的品质，适当提高通用硅酸盐熟料的掺入量，通用硅酸盐水泥3天、28天强度波动不大，由此，可通过适当调节通用硅酸盐熟料的量，调控氯离子、氧化镁的含量不超标；由实施例四和对比例二可知，在通用硅酸盐熟料的量适当增大的情况下，以生态烧结料替代石灰石，通用硅酸盐水泥3天、28天强度波动不大，这说明根据通用硅酸盐熟料的品质，以生态烧结料替代石灰石具有可行性，由此可缓解水泥生产中对石灰石等不可再生资源的过快消耗，将建筑垃圾及污染土变废为宝。

本发明的原理及有益效果为：

按照一定重量份数磨制生料粉，生料粉用于脱除后续建筑垃圾和污染土煅烧过程中产生的尾气中的硫，将建筑垃圾和生料粉经筛分、除铁、粉碎、均化后，按照一定重量份数与生料粉分混合，入水泥回转窑中进行煅烧，得到生态烧结料，将通用硅酸盐熟料、脱硫石膏、石灰石、生态烧结料、矿渣或矿渣粉按配料方案及技术指标粉磨制备而成通用硅酸盐水泥。本发明可以提高建筑垃圾和污染土的处理率，生态烧结料的掺加量可达3-10％；材料制备工艺简单，只需使用常规水泥粉磨工艺进行粉磨即可；使用建筑垃圾和污染土替代原矿石，降低生产成本，同时对建筑垃圾和污染土进行无害化、资源化利用，减少了填埋负荷，具有突出的环境效益和社会效益。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，并非依此限制本发明的保护范围，故：凡依本发明的结构、形状、原理所做的等效变化，均应涵盖于本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种由建筑垃圾和污染土生产通用硅酸盐水泥的方法，其特征在于：该通用硅酸盐水泥由以下重量份数的原料组成：通用硅酸盐熟料42-50份；脱硫石膏5-8份；石灰石3-8份；生态烧结料3-10份；粉煤灰2-5份；助磨剂质量分数为0.015％；其余部分为矿渣或矿渣粉；

其生产方法包括以下步骤：

a.磨制生料粉：将石灰石85-95份、硅质校正料8-15份、铝质校正料5-8份、铁质校正料2-5份加入球磨机中进行粉磨，粉磨细度要求0.08mm筛余量不大于12％，得到用于对建筑垃圾和污染土煅烧分解产生的尾气进行脱硫处理的生料粉；

b.建筑垃圾和污染土的煅烧分解：建筑垃圾和污染土经筛分、除铁后，经破碎、均化，得到均化混合料，取均化混合料80-90份、步骤a所得生料粉10-20份加入水泥回转窑中，控制窑内温度900～1000℃，得到生态烧结料；

c.磨制水泥：将准备好的通用硅酸盐熟料、脱硫石膏、石灰石、粉煤灰、矿渣或矿渣粉、助磨剂以及步骤b所得生态烧结料按照重量份数比例粉磨制备通用硅酸盐水泥，粉磨细度要求为比表面积420～450m²/kg，0.045mm细度筛余量不大于7％。

2.根据权利要求1所述的一种由建筑垃圾和污染土生产通用硅酸盐水泥的方法，其特征在于：所述通用硅酸盐熟料为满足GB/T21372-2008《硅酸盐水泥熟料》要求的通用硅酸盐水泥熟料。

3.根据权利要求1所述的一种由建筑垃圾和污染土生产通用硅酸盐水泥的方法，其特征在于：所述脱硫石膏为以煤为燃料的火力发电厂烟气脱硫后产生的工业废渣脱硫石膏。

4.根据权利要求1所述的一种由建筑垃圾和污染土生产通用硅酸盐水泥的方法，其特征在于：所述石灰石中氧化钙的质量分数大于48％。

5.根据权利要求1所述的一种由建筑垃圾和污染土生产通用硅酸盐水泥的方法，其特征在于：所述粉煤灰为以煤为燃料的火力发电厂排放的Ⅲ级及以下的粉煤灰。

6.根据权利要求1所述的一种由建筑垃圾和污染土生产通用硅酸盐水泥的方法，其特征在于：所述矿渣为钢铁厂高炉冶炼生铁所产生的以硅酸盐与硫铝酸盐为主要成分的熔融物，经淬冷成粒后的粒化高炉矿渣。

7.根据权利要求6所述的一种由建筑垃圾和污染土生产通用硅酸盐水泥的方法，其特征在于：所述矿渣粉为所述粒化高炉矿渣利用立磨粉磨比表面积大于等于400m²/kg制备而成。

8.根据权利要求1所述的一种由建筑垃圾和污染土生产通用硅酸盐水泥的方法，其特征在于：所述助磨剂为液体助磨剂三乙醇胺。