CN112979188A - 一种建筑渣土制备火山灰活性材料的方法 - Google Patents

一种建筑渣土制备火山灰活性材料的方法 Download PDF

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Abstract

本发明提出了一种建筑渣土制备火山灰活性材料的方法，该建筑渣土的主要成分为粒度小于100μm的粘土物质，主要矿物相为石英、云母及绿泥石，其步骤为：将建筑渣土烘干去除水分；再对建筑渣土掺入活化助剂后进行煅烧，并降至室温；球磨得到火山灰活性材料。活化处理后的建筑渣土中的主要矿物转化为无定形态，具有很好的水解能力和反应能力，对活化后的建筑渣土进行活性检验，数据表明，活化之后的建筑渣土具有火山灰质活性，28天抗压强度能达到标准水泥胶砂试块的100%左右，本发明解决了废弃建筑渣土资源化再利用的问题，拓展了废弃建筑渣土的应用方向。

Description

一种建筑渣土制备火山灰活性材料的方法
技术领域
本发明涉及无机固体废弃物资源化利用领域，具体涉及一种含有石英、云母、绿泥石矿物相的建筑渣土制备火山灰活性材料的方法。
背景技术
宁波软土地貌多为滨海相淤积平原，软土覆盖面积广阔，建筑工程场地基本分布于软土层之上。宁波城区建筑的主要软土层有两层：第一层由全新世海相淤积泥质土组成，厚度较大，含水量大，多为流塑状态，厚度为2-20米；第二层为上更新世海积层，厚度为28-45米，压缩性较第一层低，呈软流塑状态。宁波软土具有海绵结构和大型的层理构造，由于含有较多有机质和粘土矿物、粘粒多、结合水丰富、颗粒间粘结力弱，透水性差。由于需要挖掘地基，宁波建筑工地存在大量含有矿物成分的极细粘土废料——建筑渣土。
粘土广泛应用于制备陶瓷，制备水泥，制备陶粒等作用，但是宁波建筑工地的废弃粘土为建筑废料，含水率高，作为粘土回填固化强度不高，且无法回填，遗弃容易造成环境污染等问题，所以该建筑废料粘土的回收利用亟待解决。
发明内容
本发明的目的是提供一种含有石英、云母、绿泥石矿物相的建筑渣土制备火山灰活性材料的方法，利用本发明所述技术方案可以处理废弃的建筑渣土，活化处理后的建筑渣土具有火山灰质活性，可以将利用建筑渣土制备的火山灰活性材料用于制备水泥混合材、水热合成硅酸盐陶粒以及混凝土掺合料。
实现本发明目的的技术方案是：一种含有石英、云母、绿泥石矿物相的建筑渣土制备火山灰活性材料的方法，包括以下步骤：
(1)将含有石英、云母、绿泥石矿物相的建筑渣土干燥去水；
(2)放入搅拌机内，喷洒，边搅拌边喷洒活化助剂，搅拌1～2分钟，混合均匀；
(3)对上述混合料进行煅烧，煅烧温度400℃～825℃，保温时间1～4小时，然后降温至室温，球磨，获得所述的火山灰活性混合材。
进一步的，以质量百分比计，含有石英、云母、绿泥石矿物相的建筑渣土成分如下表所示：
Figure BDA0002316658360000021
其中，各成分质量百分比之和为100％，烧失量为9～11％。
进一步的，干燥温度不高于105℃。
进一步的，活化助剂为硫酸钠或碳酸钠的水溶液，建筑渣土与硫酸钠或碳酸钠的水溶液的质量比是100∶5～15，硫酸钠或碳酸钠的水溶液的质量浓度为10～20wt％。
进一步的，煅烧时的升温速度控制在5℃/min～10℃/min。
进一步的，球磨后控制200目筛余小于5％。
本发明与现有技术相比，其显著优点是：
(1)将含有云母及绿泥石化相的建筑渣土在400～825℃煅烧，并保温1～4小时，进行煅烧活化处理后，云母及绿泥石矿物相无定形化，具有很好的水解能力和反应能力；
(2)已活化的建筑渣土根据《GB/T 12957-2005用于水泥混合材工业废渣活性实验方法》规定的用于水泥混合材料的工业废渣活性的试验材料与要求，及其潜在水硬性、火山灰活性和水泥28天抗压强度比定量实验的方法，进行活性检验。检验数据表明，经过活化处理之后的建筑渣土具有火山灰质活性；
(3)有效的解决了废弃建筑渣土的资源化再利用的问题，且利用率高，既解决了废品堆放问题，又增加了附加产品的利益。
附图说明
图1是本发明采用的建筑渣土的XRD谱图。
图2是发明采用的建筑渣土的热重-差热分析(TG-DSC)曲线图。
图3是发明采用的建筑渣土中二氧化硅晶体结构热活化解体示意见图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细的阐述。
下面实施例中采用的是宁波建筑基坑施工挖掘的建筑渣土，本发明实例中称为宁波粘土，含水量在40％左右，对建筑渣土进行成分与矿物相分析，其主要矿物相是云母、绿泥石和石英(见图1)，建筑渣土化学成分(见表1)。
表1、宁波建筑渣土成分分析
Figure BDA0002316658360000031
*烧失量数据单独测试。成分分析采用X荧光分析的结果。
本发明的原理是：
(1)煅烧前将硫酸钠溶液和碳酸钠溶液混合入粘土中，通过喷洒方式使活化助剂均匀分布于粘土料中，由于粘土颗粒小于100μm，并具有较大的比表面积，吸水率较高，这两种溶液很快就被粘土吸收。
硫酸钠溶液和碳酸钠对石英结构破坏机制：石英中二氧化硅由硅氧四面体四个顶角的和其它硅氧四面体的项角相连，共有氧离子，共有氧离子称为桥氧，形成硅氧网络连接，因此石英结构稳定，常温下不具有火山灰活性。在高温下，钠离子破坏了共有氧离子。硫酸钠、碳酸钠加热反应式为：
Figure BDA0002316658360000032
Figure BDA0002316658360000033
二氧化硅网络公共氧在Na+作用下桥氧被切断出现的非桥氧，Na+离子位于被切断的桥氧附近与氧离子连接形成非桥氧离子。二氧化硅网络结构断裂，具有无定形结构，二氧化硅具有火山灰活性，二氧化硅活化反应过程如下：
Figure BDA0002316658360000034
具体的宁波粘土中二氧化硅晶体结构热活化解体示意见图3。
(2)DSC分析(活化温度选择原理)
建筑渣土的热分析(TG-DSC)曲线如图2所示，在400℃以下，没有发生脱羟基反应，主要脱除层间水和吸附水，此时粘土中的矿物晶体结构基本没有变化。在400-825℃之间，主要发生脱羟基反应，脱除结构水，此时矿物晶体结构发生变化，转变为无定形态。在825℃过后有一个很强的放热峰，说明高于825℃粘土中的矿物相产生了相变，转变为其他晶体结构稳定的物质。通过以上分析，选择400-825℃为煅烧活化温度，可以将粘土中的矿物结构解体，转变为无定形态，从而具有火山灰活性。
(3)经过高温煅烧会致使粘土中云母、绿泥石等矿物晶体结构中的羟基逸出，羟基的逸出会造成晶体结构中电价平衡破坏，原子间键连强度减弱，晶体结构转变为无定形态，此时粘土转变为活化状态。煅烧过程硫酸钠或碳酸钠活化助剂的加入，促进了粘土中石英、云母及绿泥石晶体结构的解体与无定形化，实现进一步的建筑渣土活化处理。
本发明所述的废弃建筑渣土活化的方法，包括以下步骤：
(1)将建筑渣土放入烘箱中在105℃烘干24h，去除水分；
(2)将无水硫酸钠或碳酸钠配置成10-20wt％的水溶液；
(3)将建筑渣土放入搅拌机，然后喷洒硫酸钠或碳酸钠水溶液，边搅拌边喷洒，搅拌1-2分钟，制成混合料，建筑渣土与硫酸钠水溶液的质量比是100∶5～15。
(4)对上述混合料进行煅烧，升温速度控制在5℃/min～10℃/min，煅烧温度400℃～825℃，保温时间1～4小时，然后降温至室温。
(5)将上述煅烧后物料放入球磨机内进行球磨，控制200目筛余小于5％获得火山灰活性材料。
(6)将所得的火山灰活性材料按照《GB/T 12957-2005用于水泥混合材工业废渣活性实验方法》规定的用于水泥混合材料的工业废渣活性的试验材料与要求，及其潜在水硬性、火山灰活性和水泥28天抗压强度比定量实验的方法，进行活性检验。检验数据表明，该火山灰活性材料具有火山灰质活性，掺有30％该火山灰活性材料的标准砂浆强度保持率98～102％。
实施例1：本发明所述的火山灰活性材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)将具有表1所示的成分的宁波粘土放入烘箱中在105℃烘干24h，去除水分；
(2)将无水硫酸钠配置成20wt％的水溶液；
(3)将宁波粘土放入搅拌机，然后喷洒硫酸钠水溶液，边搅拌边喷洒，搅拌1-2分钟，制成混合料，宁波粘土与硫酸钠水溶液的质量比是100∶10。
(4)对上述混合料进行煅烧，升温速度控制在10℃/min，煅烧温度400℃，保温时间4小时，然后自然降温至室温。
(5)将上述煅烧后物料放入球磨机内进行球磨，控制200目筛余小于5％获得活化宁波粘土即火山灰活性材料。
根据《GB/T 12957-2005用于水泥混合材工业废渣活性实验方法》规定的用于水泥混合材料的工业废渣活性的试验材料与要求，及其潜在水硬性、火山灰活性和水泥28天抗压强度比定量实验的方法，对在400℃煅烧活化的宁波粘土进行活性检验。检验数据如下表2。
表2
Figure BDA0002316658360000051
《GB/T 12957-2005用于水泥混合材工业废渣活性实验方法》规定，如果掺加30％火山灰质活性物质的试块的28天抗压强度大于未掺加火山灰活性物质的试块的抗压强度的65％，则认为该物质具有火山灰活性。检验数据表明，在400℃煅烧活化的宁波粘土具有火山灰质活性。
实施例2：本发明所述的火山灰活性材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)将宁波粘土放入烘箱中在105℃烘干24h，去除水分；
(2)将无水硫酸钠配置成20wt％的水溶液；
(3)将宁波粘土放入搅拌机，然后喷洒硫酸钠水溶液，边搅拌边喷洒，搅拌1-2分钟，制成混合料，宁波粘土与硫酸钠水溶液的质量比是100∶10。
(4)对上述混合料进行煅烧，升温速度控制在10℃/min，煅烧温度600℃，保温时间2小时，然后自然降温至室温。
(5)将上述煅烧后物料放入球磨机内进行球磨，控制200目筛余小于5％获得活化宁波粘土即火山灰活性材料。
根据《GB/T 12957-2005用于水泥混合材工业废渣活性实验方法》规定的用于水泥混合材料的工业废渣活性的试验材料与要求，及其潜在水硬性、火山灰活性和水泥28天抗压强度比定量实验的方法，对在600℃煅烧活化的宁波粘土进行活性检验。检验数据如下表3。
表3
Figure BDA0002316658360000052
《GB/T 12957-2005用于水泥混合材工业废渣活性实验方法》规定，如果掺加30％火山灰质活性物质的试块的28天抗压强度大于未掺加火山灰活性物质的试块的抗压强度的65％，则认为该物质具有火山灰活性。检验数据表明，在600℃煅烧活化的宁波粘土具有火山灰质活性。
实施例3：本发明所述的火山灰活性材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)将宁波粘土放入烘箱中在105℃烘干24h，去除水分；
(2)将无水硫酸钠配置成20wt％的水溶液；
(3)将宁波粘土放入搅拌机，然后喷洒硫酸钠水溶液，边搅拌边喷洒，搅拌1-2分钟，制成混合料，宁波粘土与硫酸钠水溶液的质量比是100∶5。
(4)对上述混合料进行煅烧，升温速度控制在5℃/min，煅烧温度800℃，保温时间1小时，然后自然降温至室温。
(5)将上述煅烧后物料放入球磨机内进行球磨，控制200目筛余小于5％获得活化宁波粘土即火山灰活性材料。
根据《GB/T 12957-2005用于水泥混合材工业废渣活性实验方法》规定的用于水泥混合材料的工业废渣活性的试验材料与要求，及其潜在水硬性、火山灰活性和水泥28天抗压强度比定量实验的方法，对在600℃煅烧活化的宁波粘土进行活性检验。检验数据如下表4。
表4
Figure BDA0002316658360000061
《GB/T 12957-2005用于水泥混合材工业废渣活性实验方法》规定，如果掺加30％火山灰质活性物质的试块的28天抗压强度大于未掺加火山灰活性物质的试块的抗压强度的65％，则认为该物质具有火山灰活性。检验数据表明，在800℃煅烧活化的宁波粘土具有火山灰质活性。
实施例4：本发明所述的火山灰活性材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)将宁波粘土放入烘箱中在105℃烘干24h，去除水分；
(2)将碳酸钠配置成20wt％的水溶液；
(3)将宁波粘土放入搅拌机，然后喷洒碳酸钠水溶液，边搅拌边喷洒，搅拌1-2分钟，制成混合料，宁波粘土与碳酸钠水溶液的质量比是100∶10。
(4)对上述混合料进行煅烧，升温速度控制在10℃/min，煅烧温度800℃，保温时间1小时，然后自然降温至室温。
(5)将上述煅烧后物料放入球磨机内进行球磨，控制200目筛余小于5％获得活化宁波粘土即火山灰活性材料。
根据《GB/T 12957-2005用于水泥混合材工业废渣活性实验方法》规定的用于水泥混合材料的工业废渣活性的试验材料与要求，及其潜在水硬性、火山灰活性和水泥28天抗压强度比定量实验的方法，对在600℃煅烧活化的宁波粘土进行活性检验。检验数据如下表5。
表5
Figure BDA0002316658360000071
《GB/T 12957-2005用于水泥混合材工业废渣活性实验方法》规定，如果掺加30％火山灰质活性物质的试块的28天抗压强度大于未掺加火山灰活性物质的试块的抗压强度的65％，则认为该物质具有火山灰活性。检验数据表明，在600℃煅烧活化的宁波粘土具有火山灰质活性。

Claims (7)

1.一种含有石英、云母、绿泥石矿物相的建筑渣土制备火山灰活性材料的方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）将含有石英、云母、绿泥石矿物相的建筑渣土干燥去水；
（2）放入搅拌机内，喷洒，边搅拌边喷洒活化助剂，搅拌1~2分钟，混合均匀；
（3）对上述混合料于400℃～825℃下煅烧 1～4小时，然后降温至室温，球磨，获得所述的火山灰活性混合材。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，以质量百分比计，含有石英、云母、绿泥石矿物相的建筑渣土成分如下表所示：
名称 SiO<sub>2</sub> Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub> Fe<sub>2</sub>O<sub>3</sub> CaO MgO Na<sub>2</sub>O K<sub>2</sub>O TiO<sub>2</sub> P<sub>2</sub>O<sub>5</sub> 粘土 62~68 12~15 9~11 3~4 2~3 0.9~1.2 3~4 1.0~1.5 0.1~0.2
其中，各成分质量百分比之和为100%，烧失量为9~11%。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，干燥温度不高于105℃。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，活化助剂为硫酸钠或碳酸钠的水溶液，其质量浓度为10~20wt%。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，建筑渣土与活化助剂的质量比是100：5~15。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，煅烧时的升温速度控制在5℃/min～10℃/min。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，球磨后控制200目筛余小于5%。
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