CN112142395A - 一种掺入垃圾焚烧炉渣的水泥稳定碎石混合料 - Google Patents

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CN112142395A CN202010876428.8A CN202010876428A CN112142395A CN 112142395 A CN112142395 A CN 112142395A CN 202010876428 A CN202010876428 A CN 202010876428A CN 112142395 A CN112142395 A CN 112142395A
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Abstract

本发明公开了一种掺入垃圾焚烧炉渣的水泥稳定碎石混合料，以质量百分比计，将0~2.36mm垃圾焚烧炉渣:水泥:粉煤灰:激发剂:水按照32.6%:6.5%:32.5%:7.8%:20.6%进行备料、拌和、成球和养生，制成4.75mm~13.2mm炉渣球团，再与0~4.75mm垃圾焚烧炉渣、水泥、集料、水一起拌合均匀，得到所述的混合料。本发明制得的炉渣球团满足现行公路路面基层规范对粗集料的技术要求，从而改变垃圾焚烧炉渣因压碎值不达标而无法用作粗集料的状况，使得垃圾焚烧炉渣在公路基层中的资源化利用率大幅提高，符合绿色生态特色，适用于二级及二级以下等级公路重、中等和轻交通路面的基层材料，同时，本发明以炉渣球团替代水泥稳定碎石混合料的部分粗集料，有利于减少天然集料的使用和促进环境保护。

Description

一种掺入垃圾焚烧炉渣的水泥稳定碎石混合料
技术领域
本发明属于公路建筑材料研究领域，具体涉及一种掺入垃圾焚烧炉渣的水泥稳定碎石混合料。
背景技术
近年来，随着垃圾焚烧法的推广，我国每年都会产生较多的垃圾焚烧炉渣废弃物。所谓垃圾焚烧炉渣是指生活垃圾在850℃～1100℃高温燃烧后残留在焚烧炉床上的产物，其质量约占垃圾焚烧总残留物的80％。垃圾焚烧炉渣具有良好的物理化学特性且重金属等有害物质含量较少，具备基本的资源化利用条件，若仍采用填埋处理，不仅占用不少土地，而且造成资源浪费。因此，如何对垃圾焚烧炉渣进行资源化利用已经成为人们关注的热点问题之一。
目前将垃圾焚烧炉渣应用于道路路面水泥稳定碎石基层的主要方法是将粒径>4.75mm的垃圾焚烧炉渣和粒径≤4.75mm的垃圾焚烧炉渣分别替代部分天然粗、细集料掺入到水泥稳定碎石混合料中。徐斌等人在2014年8月20日公开的发明专利“一种垃圾焚烧炉渣的资源化利用方法”(CN103992053A)和王乔坎等人在2016年8月24日公开的发明专利“一种城市垃圾焚烧炉渣的资源化利用方法”(CN105884226A)中提出的方法都属于这种方法。
上述方法步骤简单，而且水泥稳定碎石/垃圾焚烧炉渣产生强度的同时对垃圾焚烧炉渣也有着很好的固化作用，可以有效减少垃圾焚烧炉渣中残留重金属的浸出量，因而对环境可能造成的危害极小。但是粒径>4.75mm的垃圾焚烧炉渣在用作粗集料时，其压碎值必须满足现行行业标准《公路路面基层施工技术细则》JTG/T F20的技术要求，例如二级及以下等级公路路面基层所用粗集料的压碎值要求≤35％。由于垃圾焚烧炉渣的内部疏松多孔，强度比天然集料低得多，故垃圾焚烧炉渣通常都难以满足该项技术要求，若用作粗集料会严重影响水泥稳定碎石混合料的路用性能。因此，粒径≤4.75mm的垃圾焚烧炉渣可以作为细集料使用，但粒径>4.75mm的垃圾焚烧炉渣却不能用作粗集料，这使得垃圾焚烧炉渣在水泥稳定碎石混合料基层中的资源化利用率受到很大限制。
发明内容
本发明的目的是提出一种掺入垃圾焚烧炉渣的水泥稳定碎石混合料，以垃圾焚烧炉渣为主要原材料制备满足现行行业标准《公路路面基层施工技术细则》JTG/T F20对粗集料技术要求的炉渣球团用作粗集料，再以粒径≤4.75mm的垃圾焚烧炉渣用作细集料，掺入到水泥稳定碎石混合料中，从而大幅度提高垃圾焚烧炉渣在道路路面基层水泥稳定碎石混合料中的资源化利用率。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种掺入垃圾焚烧炉渣的水泥稳定碎石混合料，以质量百分比计，所述混合料包括以下组分：炉渣球团29.6％～31.5％、炉渣29.8％～31.6％、水泥4.1％～4.6％、集料25.6％～26.9％、水8.2％～8.9％。
进一步的，以质量百分比计，炉渣球团粒径范围为4.75mm～13.2mm，包括如下组分：0～2.36mm垃圾焚烧炉渣32.6％、水泥6.5％、粉煤灰32.5％、激发剂7.8％、水20.6％。
具体的，0～2.36mm垃圾焚烧炉渣为经过磁选除铁、风选、涡电流分选预处理的垃圾焚烧炉渣，粒径范围为0～2.36mm。
进一步的，炉渣为0～4.75mm垃圾焚烧炉渣。
具体的，0～4.75mm垃圾焚烧炉渣为经过磁选除铁、风选、涡电流分选预处理的垃圾焚烧炉渣，粒径范围为0～4.75mm。
进一步的，集料为石灰岩、石英岩、石英砂岩、花岗岩、玄武岩中的一种或几种。
进一步的，炉渣球团、炉渣、集料的粒径配比符合级配型式C-C-1、C-C-2、C-C-3中的任意一种。
进一步的，粉煤灰为粒径为0.075mm以下磨细的粉煤灰。
进一步的，水泥采用强度等级为42.5的普通硅酸盐水泥。
进一步的，激发剂为质量比为5:1的氢氧化钙和无水硫酸钠的混合物。
上述一种掺入垃圾焚烧炉渣的水泥稳定碎石混合料的制备方法，包括如下步骤：
(1)将0～2.36mm垃圾焚烧炉渣、水泥、粉煤灰、激发剂、水按照质量百分比32.6％、6.5％、32.5％、7.8％、20.6％备料；
(2)将0～2.36mm垃圾焚烧炉渣、水泥、粉煤灰和激发剂一起加入搅拌机内搅拌，再加入一定量水后继续搅拌混合物；
(3)将拌合后的混合物加入成球机内转动，同时以喷淋的方式均匀添加剩余量的水，制得炉渣球团；
(4)将步骤(3)制得的炉渣球团放入养护室内养护28d后进行筛分，取4.75mm～13.2mm炉渣球团备用；
(5)将步骤(4)中得到的4.75mm～13.2mm炉渣球团与0～4.75mm垃圾焚烧炉渣、水泥、集料、水按照质量百分比29.6％～31.5％、29.8％～31.6％、4.1％～4.6％、25.6％～26.9％、8.2％～8.9％拌合均匀，得到掺入垃圾焚烧炉渣的水泥稳定碎石混合料。
进一步的，步骤(2)中，将0～2.36mm垃圾焚烧炉渣、水泥、粉煤灰和激发剂一起加入搅拌机内搅拌2min～3min，再加入一定量水后继续搅拌混合物1min～2min，所述一定量水为步骤(1)备料的水质量的10％。
进一步的，步骤(3)中，将拌合后的混合物加入成球机内转动3min～5min，转速为25r/min～30r/min，转动角度为60°～65°；同时以喷淋的方式均匀添加剩余量的水，所述剩余量的水为步骤(1)中备料的水质量的90％。
进一步的，步骤(4)中，所述养护室的温度为20℃±2℃、相对湿度≥95％。
与现有技术相比，本发明的显著优点在于：
(1)本发明以垃圾焚烧炉渣为主要原材料制备的粒径炉渣球团能够满足现行行业标准《公路路面基层施工技术细则》JTG/T F20对粗集料的技术要求，4.75mm～13.2mm炉渣球团用作水泥稳定碎石混合料的粗集料，可以大幅度提高垃圾焚烧炉渣在道路基层水泥稳定碎石混合料中的资源化利用率，有利于减少垃圾焚烧炉渣的填埋量、节省土地资源；
(2)本发明制得的4.75mm～13.2mm炉渣球团替代水泥稳定碎石混合料的部分粗集料，有利于减少天然集料的使用，对于建设资源节约型、环境友好型社会具有很好的促进作用。
(3)虽然炉渣球团的制作增加了成本，但是从整个水泥稳定碎石混合料的生产费用来看，由于提高了垃圾焚烧炉渣的资源化利用率以替代价格高的天然集料，实际上总建设成本未有增加。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅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：
本实施例制备的水泥稳定碎石混合料，以质量百分比计，包括以下组分：4.75mm～13.2mm炉渣球团31.5％、炉渣29.8％、水泥4.5％、集料25.8％、水8.4％。
炉渣球团以质量百分比计，包括如下组分：0～2.36mm垃圾焚烧炉渣32.6％、水泥6.5％、粉煤灰32.5％、激发剂7.8％、水20.6％。其中，激发剂为质量比为5:1的氢氧化钙和无水硫酸钠的混合物。
炉渣为0～4.75mm垃圾焚烧炉渣，0～4.75mm垃圾焚烧炉渣为经过磁选除铁、风选、涡电流分选等工序进行预处理的垃圾焚烧炉渣，通过筛分，粒径范围采用0～4.75mm。其性能检测结果为：表观密度为2.32g/cm3，吸水率为11.7％。
水泥采用强度等级为42.5的普通硅酸盐水泥，其性能检测结果如表1所示，均满足《通用硅酸盐水泥》(GB175-2007)的技术要求。
表1水泥的性能检测结果
指标 检测结果 技术要求 试验方法
细度(8μm方孔筛筛余)/％ 7 ≤10 GB/T1345
标准稠度需水量/％ 26.7 24～30 GB/T1346
初凝时间/min 130 ≥45 GB/T1346
终凝时间/min 300 ≤390 GB/T1346
安定性 合格 必须合格 GB/T1346
3d抗压强度/MPa 19.1 ≥17 GB/T17671
28d抗压强度/MPa 45 ≥42.5 GB/T17671
3d抗折强度/MPa 5.6 ≥3.5 GB/T17671
28d抗折强度/MPa 8.1 ≥6.5 GB/T17671
粉煤灰采用I级粉煤灰，其性能检测结果如表2所示，均满足《粉煤灰混凝土应用技术规范》(GB/T 50146-2014)的技术要求。
表2粉煤灰的性能检测结果
指标 检测结果 技术要求 试验方法
细度(45μm方孔筛筛余)/％ 5.0 ≤12.0 GB/T 1345
需水量比/％ 52.5 ≤95 GB/T 1596
烧失量/％ 2.3 ≤5.0 GB/T 176
含水量/％ 0.4 ≤1.0 GB/T 1596
三氧化硫含量/％ 2.0 ≤3.0 GB/T 176
集料采用石灰岩，按照粒径范围共分为四档：1#料(20mm～30mm)、2#料(10mm～20mm)、3#料(5mm～10mm)和4#料(0～5mm)，其性能检测结果如表3所示，满足《公路路面基层施工技术细则》(JTG/T F20-2015)的技术要求。
表3石灰岩集料的性能检测结果
Figure BDA0002652746570000041
Figure BDA0002652746570000051
氢氧化钙的性能检测结果为：外观为白色粉末状固体，细度为300目，表观密度为2.24g/cm3，纯度大于95％。
无水硫酸钠的性能检测结果为：外观为无色、透明的小结晶体，细度为200目，表观密度为2.68g/cm3，纯度大于99％。
水为饮用水。
基于上述原料，本实施例制备的水泥稳定碎石混合料的制备方法，包括以下步骤：
(1)将0～2.36mm垃圾焚烧炉渣、水泥、粉煤灰、激发剂、水按照质量百分比32.6％、6.5％、32.5％、7.8％、20.6％备料；
(2)将0～2.36mm垃圾焚烧炉渣、水泥、粉煤灰和激发剂一起加入搅拌机内搅拌2min，再加入步骤(1)中备料的水质量的10％后继续搅拌混合物1.5min；
(3)将拌合后的混合物加入成球机内转动4min，转速为25r/min，转动角度为60°；同时以喷淋的方式均匀添加步骤(1)中备料的水质量的90％，制得炉渣球团；
(4)将步骤(3)制得的炉渣球团放入温度为20℃、相对湿度≥95％的养护室内养护28d后进行筛分，取4.75mm～13.2mm炉渣球团备用；
(5)将步骤(4)中得到的4.75mm～13.2mm炉渣球团与0～4.75mm垃圾焚烧炉渣、水泥、集料、水按照质量百分比31.5％、29.8％、4.5％、25.8％、8.4％拌合均匀，得到掺入垃圾焚烧炉渣的水泥稳定碎石混合料。
本实施例制备的水泥稳定碎石混合料的级配型式采用C-C-2，其级配组成如表4所示。
表4本实施例的级配组成
Figure BDA0002652746570000052
对步骤(4)中备用的4.75mm～13.2mm炉渣球团重新进行筛分，取9.5mm～13.2mm炉渣球团进行压碎值检测，其结果如表5所示。为了对比，表5中同时列出了同样粒径的9.5mm～13.2mm垃圾焚烧炉渣在相同试验条件下测得的压碎值。
表5炉渣球团和垃圾焚烧炉渣的压碎值检测结果
Figure BDA0002652746570000053
Figure BDA0002652746570000061
由表5可知，炉渣球团的压碎值为29.6％，虽无法满足《公路路面基层施工技术细则》(JTG/T F20-2015)中高速公路和一级公路路面基层粗集料“压碎值≤26％”的技术要求，但已达到二级及二级以下等级公路路面基层粗集料“压碎值≤35％”的技术要求，而垃圾焚烧炉渣的压碎值则不满足所有等级公路路面基层混合料对粗集料的技术要求。
本实施例制备的水泥稳定碎石混合料7d无侧限抗压强度的检测结果如表6所示。为了对比，表6中同时列出了以相同粒径即4.75mm～13.2mm垃圾焚烧炉渣替换等质量炉渣球团制备的水泥稳定碎石混合料在相同试验条件下测得的7d无侧限抗压强度，见表6中的对比例。
表6两种掺入垃圾焚烧炉渣的水泥稳定碎石混合料7d无侧限抗压强度检测结果
Figure BDA0002652746570000062
由表6可知，本实施例制备的水泥稳定碎石混合料的7d无侧限抗压强度为4.2MPa，可满足二级及二级以下等级公路重、中等和轻交通路面基层的技术要求，而对比例制备的水泥稳定碎石混合料7d无侧限抗压强度只有2.2MPa，考虑到实际施工时材料存在的变异性，其很难满足二级及二级以下等级公路7d无侧限抗压强度标准的要求。因此，本实施例制备的水泥稳定碎石混合料适用于二级及二级以下等级公路重、中等和轻交通路面的基层材料，而对比例却不适用。
本实施例制备的水泥稳定碎石混合料中同时掺入4.75mm～13.2mm炉渣球团和0～4.75mm垃圾焚烧炉渣，其中，包括炉渣球团里的垃圾焚烧炉渣的总掺量为混合料质量的40.0％；而仅仅掺入与本实施例相同质量的0～4.75mm垃圾焚烧炉渣，未掺入炉渣球团制备的水泥稳定碎石混合料中，由于未掺入炉渣球团，其垃圾焚烧炉渣的掺量为混合料质量的29.8％。本实施例的垃圾焚烧炉渣掺量相比提高了34.2％，因此大幅提高了垃圾焚烧炉渣在水泥稳定碎石混合料中的资源化利用率。
实施例2：
本实施例掺入垃圾焚烧炉渣的水泥稳定碎石混合料，以质量百分比计，包括以下组分：4.75mm～13.2mm炉渣球团31.2％、炉渣30.3％、水泥4.1％％、集料26.1％、水8.3％。
炉渣球团以质量百分比计，包括如下组分：0～2.36mm垃圾焚烧炉渣32.6％、水泥6.5％、粉煤灰32.5％、激发剂7.8％、水20.6％。其中，激发剂为质量比为5:1的氢氧化钙和无水硫酸钠的混合物。
炉渣为0～4.75mm垃圾焚烧炉渣，0～4.75mm垃圾焚烧炉渣为经过磁选除铁、风选、涡电流分选等工序进行预处理的垃圾焚烧炉渣，水泥采用强度等级为42.5的普通硅酸盐水泥，粉煤灰采用I级粉煤灰，集料采用石灰岩，氢氧化钙为纯度大于95％的氢氧化钙，无水硫酸钠为纯度大于99％的无水硫酸钠，水为饮用水。
本实施例掺入垃圾焚烧炉渣的水泥稳定碎石混合料的制备方法包括以下步骤：
(1)将0～2.36mm垃圾焚烧炉渣、水泥、粉煤灰、激发剂、水按照质量百分比32.6％、6.5％、32.5％、7.8％、20.6％备料；
(2)将0～2.36mm垃圾焚烧炉渣、水泥、粉煤灰和激发剂一起加入搅拌机内搅拌3min，再加入步骤(1)中备料的水质量的10％后继续搅拌混合物1min；
(3)将拌合后的混合物加入成球机内转动3.5min，转速为28r/min，转动角度为60°；同时以喷淋的方式均匀添加步骤(1)中备料的水质量的90％，制得炉渣球团；
(4)将步骤(3)制得的炉渣球团放入温度为20℃、相对湿度≥95％的养护室内养护28d后进行筛分，取4.75mm～13.2mm炉渣球团备用；
(5)将步骤(4)中得到的4.75mm～13.2mm炉渣球团与0～4.75mm垃圾焚烧炉渣、水泥、集料、水按照质量百分比31.2％、30.3％、4.1％％、26.1％、8.3％拌合均匀，得到掺入垃圾焚烧炉渣的水泥稳定碎石混合料。
经过与实施例1同样的检测，各项指标达到与实施例1相同的要求。
实施例3：
本实施例掺入垃圾焚烧炉渣的水泥稳定碎石混合料，以质量百分比计，包括以下组分：4.75mm～13.2mm炉渣球团30.0％、炉渣30.1％、水泥4.4％％、集料26.9％、水8.6％。
炉渣球团以质量百分比计，包括如下组分：0～2.36mm垃圾焚烧炉渣32.6％、水泥6.5％、粉煤灰32.5％、激发剂7.8％、水20.6％。其中，激发剂为质量比为5:1的氢氧化钙和无水硫酸钠的混合物。
炉渣为0～4.75mm垃圾焚烧炉渣，0～4.75mm垃圾焚烧炉渣为经过磁选除铁、风选、涡电流分选等工序进行预处理的垃圾焚烧炉渣，水泥采用强度等级为42.5的普通硅酸盐水泥，粉煤灰采用I级粉煤灰，集料采用石灰岩，氢氧化钙为纯度大于95％的氢氧化钙，无水硫酸钠为纯度大于99％的无水硫酸钠，水为饮用水。
本实施例掺入垃圾焚烧炉渣的水泥稳定碎石混合料的制备方法包括以下步骤：
(1)将0～2.36mm垃圾焚烧炉渣、水泥、粉煤灰、激发剂、水按照质量百分比32.6％、6.5％、32.5％、7.8％、20.6％备料；
(2)将0～2.36mm垃圾焚烧炉渣、水泥、粉煤灰和激发剂一起加入搅拌机内搅拌2min，再加入步骤(1)中备料的水质量的10％后继续搅拌混合物2min；
(3)将拌合后的混合物加入成球机内转动5min，转速为30r/min，转动角度为65°；同时以喷淋的方式均匀添加步骤(1)中备料的水质量的90％，制得炉渣球团；
(4)将步骤(3)制得的炉渣球团放入温度为20℃、相对湿度≥95％的养护室内养护28d后进行筛分，取4.75mm～13.2mm炉渣球团备用；
(5)将步骤(4)中得到的4.75mm～13.2mm炉渣球团与0～4.75mm垃圾焚烧炉渣、水泥、集料、水按照质量百分比30.0％、30.1％、4.4％％、26.9％、8.6％拌合均匀，得到掺入垃圾焚烧炉渣的水泥稳定碎石混合料。
经过与实施例1同样的检测，各项指标达到与实施例1相同的要求。
由所述实施例及其实验可以看出，本发明掺入垃圾焚烧炉渣的水泥稳定碎石混合料采用的炉渣球团满足现行公路路面基层规范对粗集料的技术要求，可以用作水泥稳定碎石混合料的粗集料，从而改变垃圾焚烧炉渣因压碎值不达标而无法用作粗集料的状况，使得垃圾焚烧炉渣在公路路面基层水泥稳定碎石混合料中的资源化利用率大幅提高。

Claims (10)

1.一种掺入垃圾焚烧炉渣的水泥稳定碎石混合料，其特征在于，以质量百分比计，所述混合料包括以下组分：炉渣球团29.6%~31.5%、炉渣29.8%~31.6%、水泥4.1%~4.6%、集料25.6%~26.9%、水8.2%~8.9%。
2.如权利要求1所述的水泥稳定碎石混合料，其特征在于，以质量百分比计，炉渣球团粒径范围为4.75mm~13.2mm，包括如下组分：0~2.36mm垃圾焚烧炉渣32.6%、水泥6.5%、粉煤灰32.5%、激发剂7.8%、水20.6%。
3.如权利要求1所述的水泥稳定碎石混合料，其特征在于，炉渣球团通过如下步骤制备：将0~2.36mm垃圾焚烧炉渣:水泥:粉煤灰:激发剂:水按照32.6%:6.5%:32.5%:7.8%:20.6%进行备料，通过拌和、成球和养生，制成4.75mm~13.2mm炉渣球团。
4.如权利要求1所述的水泥稳定碎石混合料，其特征在于，炉渣为0~4.75mm垃圾焚烧炉渣。
5.如权利要求1所述的水泥稳定碎石混合料，其特征在于，集料为石灰岩、石英岩、石英砂岩、花岗岩、玄武岩中的一种或几种。
6.如权利要求1所述的水泥稳定碎石混合料，其特征在于，炉渣球团、炉渣、集料的粒径配比符合级配型式C-C-1、C-C-2、C-C-3中的任意一种。
7.如权利要求2或3所述的水泥稳定碎石混合料，其特征在于，粉煤灰为粒径为0.075mm以下磨细的粉煤灰。
8.如权利要求1或2或3所述的水泥稳定碎石混合料，其特征在于，水泥采用强度等级为42.5的普通硅酸盐水泥。
9.如权利要求2或3所述的水泥稳定碎石混合料，其特征在于，激发剂为质量比为5:1的氢氧化钙和无水硫酸钠的混合物。
10.一种掺入垃圾焚烧炉渣的水泥稳定碎石混合料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
（1）将0~2.36mm垃圾焚烧炉渣、水泥、粉煤灰、激发剂、水按照质量百分比32.6%、6.5%、32.5%、7.8%、20.6%备料；
（2）将0~2.36mm垃圾焚烧炉渣、水泥、粉煤灰和激发剂一起加入搅拌机内搅拌，再加入一定量水后继续搅拌混合物；
（3）将拌合后的混合物加入成球机内转动，同时以喷淋的方式均匀添加剩余量的水，制得炉渣球团；
（4）将步骤（3）制得的炉渣球团放入养护室内养护28d后进行筛分，取4.75mm~13.2mm炉渣球团备用；
（5）将步骤（4）中得到的4.75mm~13.2mm炉渣球团与0~4.75mm垃圾焚烧炉渣、水泥、集料、水按照质量百分比29.6%~31.5%、29.8%~31.6%、4.1%~4.6%、25.6%~26.9%、8.2%~8.9%拌合均匀，得到掺入垃圾焚烧炉渣的水泥稳定碎石混合料。
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