CN113354313B - 一种利用混凝土废渣制备免烧水泥的方法 - Google Patents

一种利用混凝土废渣制备免烧水泥的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种利用混凝土废渣制备免烧水泥的方法,包括以下步骤:将磷石膏、干燥的垃圾焚烧炉渣和干燥的混凝土废渣混合,粉碎,筛分,得到机械活化渣粉;再将机械活化渣粉进行低温等离子体照射处理和曝气处理,得到免烧水泥。本发明制备过程简单,结合垃圾焚烧炉渣与混凝土废渣成分特征,通过机械活化与低温等离子体活化联用,实现垃圾焚烧炉渣与混凝土废渣高效资源化,制备出高活性水泥,水泥强度等级可达55.27MPa。

Description

一种利用混凝土废渣制备免烧水泥的方法
技术领域
本发明涉及固体废弃物的资源化再利用,尤其涉及一种利用混凝土废渣制备免烧水泥的方法。
背景技术
混凝土具有成本较低、性能稳定、施工方便等特点,是当今全球用量最大且资源消耗最多的一种建筑材料。当前,全球混凝土年耗约为110亿立方米,混凝土搅拌行业仍未形成闭环,混凝土生产过程会产生巨量的粉尘、废水、废渣等固液污染物。若处置不当,这些固液污染物不仅侵占大量土地资源而且还会在一定程度上危害周边生态环境。在混凝土搅拌站,每生产1立方混凝土就会产生0.04吨混凝土废渣。目前,中国每年仅混凝土搅拌站就会产生逾9000万吨的混凝土废渣。因此,若能研发出合适的技术实现混凝土废渣的高效资源化不仅有利于建筑行业可持续发展,也有利于资源节约,提升社会效益和生态效益。
混凝土废渣主要由细骨料、水化产物及残余胶凝材料三个部分组成。当前混泥土废渣利用途径较少,主要用于替代部分天然细骨料,掺到水泥或重新回到混凝土搅拌站中,制备水泥砖或混凝土砖。这种直接替代的方式虽然可以消纳一部分混凝土废渣,然而却易降低水泥砖或混凝土砖品质和性能。相比而言,对于混凝土废渣自身胶凝特性的研究和利用相对较少。有部分研究人员通过研磨和筛分的方式分离出残余胶凝材料,然后加以利用。但这种方式存在筛分工艺要求高、残余胶凝材料筛分量少、残余胶凝材料无法有效利用等问题。
发明内容
发明目的:针对以上问题,本发明提出一种利用混凝土废渣制备免烧水泥的方法,制备方法简单,在实现资源化利用同时制备出高强度等级水泥。
技术方案:本发明所述的一种利用混凝土废渣制备免烧水泥的方法,包括以下步骤:
将垃圾焚烧炉渣和混凝土废渣在50~150℃下烘干,然后将磷石膏、干燥的垃圾焚烧炉渣和干燥的混凝土废渣混合,粉碎,筛分,得到机械活化渣粉;再将机械活化渣粉进行低温等离子体照射处理,同时从底部对机械活化渣粉进行曝气。
其中,所述磷石膏、干燥的垃圾焚烧炉渣和干燥的混凝土废渣的质量比为0.01~0.05:0.2~0.6:1。
所述粉碎时间为0.5~1.5h,粉碎后过100~400目分子筛。
所述低温等离子体照射的作用时间为0.45~6h,进一步优选为0.5~4.5h;作用电压为5~75kV。
所述曝气速率为180~2400mL/min,进一步优选为200~2000mL/min。
反应机理:对干燥混凝土和垃圾焚烧炉渣进行研磨和过筛可去除干燥混凝土和垃圾焚烧炉渣中的低活性部分,并对粉末部分进行初步机械活化。低温等离子体照射可诱发空气中的氧气和水分子发生电离和解离,生成氧自由基和氢氧根自由基。同时低温等离子体照射过程中还伴随着发生高能粒子冲击、微波辐射、冲击波及表面加热等现象。在高能粒子冲击、微波辐射、冲击波及表面加热作用下,干燥混凝土渣粉末中水化硅酸钙和磷石膏中的二水硫酸钙失去结晶水转化为硅酸钙和硫酸钙,同时混凝土渣粉末和垃圾焚烧炉渣粉末颗粒表面活性得到显著增强,混凝土渣粉末和垃圾焚烧炉渣粉末中硅酸盐和硅铝酸盐的胶凝活性得到强化。同时,低温等离子体照射过程产生的氧自由基和氢氧根自由基还可通过强氧化作用将磷石膏和炉渣粉末中的钙基物质向具有碱激发效果的活性氢氧化钙转变。将本发明所制备的水泥与水混合后,水泥中的活性氢氧化钙表现出较强的碱激发作用,同时水泥中的硅酸钙可快速重新转化为水化硅酸钙。在碱激发作用下,水泥中的硅酸盐、硅铝酸盐和活性氢氧化钙反应生成具有三维结构且钙矾石填充的地质聚合物。
有益效果:与现有技术相比,本发明的显著优点是:本发明制备过程简单,结合垃圾焚烧炉渣与混凝土废渣成分特征,通过机械活化与低温等离子体活化联用,实现垃圾焚烧炉渣与混凝土废渣高效资源化,制备出高活性水泥,水泥强度等级可达55.27MPa。
附图说明
图1是本发明的流程图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。
混凝土废渣由江苏常熟某住宅工业有限公司提供,主要检测成分包括:41.3%SiO2、40.6%CaO、8.03%Al2O3、3.76%Fe2O3、1.56%MgO、1.46%K2O、0.358%Na2O及2.932%杂质。
垃圾焚烧炉渣来源来自江苏常熟某垃圾焚烧热电厂,主要检测成分包括:23.75%SiO2、37.12%CaO、7.88%Al2O3、9.28%Fe2O3、2.68%MgO、1.44%K2O、1.95%Na2O、4.47%P2O5、5.89%SO3、1.39%TiO2及4.15%杂质。
实施例1
磷石膏、干燥后的垃圾焚烧炉渣和干燥后的混凝土废渣质量比对所制备水泥性能影响
免烧水泥的制备:如图1所示,在50℃下将混凝土废渣和垃圾焚烧炉渣烘干,得到干燥的混凝土废渣和垃圾焚烧炉渣,按照磷石膏、干燥后的垃圾焚烧炉渣和干燥后的混凝土废渣的质量比为0.01:0.1:1、0.01:0.15:1、0.01:0.18:1、0.005:0.2:1、0.007:0.2:1、0.009:0.2:1、0.01:0.2:1、0.03:0.2:1、0.05:0.2:1、0.01:0.4:1、0.03:0.4:1、0.05:0.4:1、0.01:0.6:1、0.03:0.4:1、0.05:0.6:1、0.06:0.6:1、0.08:0.6:1、0.1:0.6:1、0.05:0.7:1、0.05:0.8:1、0.05:1:1分别将三者混合,随后置于粉碎机粉碎,再对粉碎体进行筛分,得到的过筛部分为机械活化渣粉,其中粉碎时间0.5小时,筛子孔径为100目;对机械活化渣粉进行低温等离子体照射,同时从底部对机械活化渣粉进行曝气,照射0.5小时后停止低温等离子体照射和曝气,得到免烧水泥,其中等温等离子体作用电压为5kV,曝气速率为2000mL/min。
性能测试:将上述制备的免烧结水泥材料制成受检胶砂,其中所掺沙选取《水泥胶砂强度检验方法(ISO法)》GB/T 17671-1999规定的ISO标准沙,水选取采用自来水。胶砂的制备、试件的制备、试件的养护、3d试件抗压强度及28d试件抗压强度的测量均依据《水泥胶砂强度检验方法(ISO法)》GB/T 17671-1999标准执行。试验结果见表1。
表1磷石膏、干燥后的垃圾焚烧炉渣和干燥后的混凝土废渣质量比对所制备水泥性能影响
Figure BDA0003147410590000041
由表1可知,当磷石膏、干燥后的垃圾焚烧炉渣和干燥后的混凝土废渣质量比小于0.01:0.2:1(如表1中,磷石膏、干燥后的垃圾焚烧炉渣和干燥后的混凝土废渣质量比=0.01:0.18:1、0.01:0.15:1、0.01:0.1:1、0.009:0.2:1、0.007:0.2:1、0.005:0.2:1以及表1中未列举的更低比值),磷石膏和干燥后的垃圾焚烧炉渣添加量较少,低温等离子体照射作用下生成的活性氢氧化钙较少,使得所制备水泥与水混合后碱激发作用较弱,导致本发明所制备水泥胶砂试件的3d抗压强度和28d抗压强度均随着磷石膏、干燥后的垃圾焚烧炉渣和干燥后的混凝土废渣质量比减小显著降低。当磷石膏、干燥后的垃圾焚烧炉渣和干燥后的混凝土废渣质量比等于0.01~0.05:0.2~0.6:1(如表1中,磷石膏、干燥后的垃圾焚烧炉渣和干燥后的混凝土废渣质量比=0.01:0.2:1、0.03:0.2:1、0.05:0.2:1、0.01:0.4:1、0.03:0.4:1、0.05:0.4:1、0.01:0.6:1、0.03:0.4:1、0.05:0.6:1),在高能粒子冲击、微波辐射、冲击波及表面加热作用下,炉渣粉末颗粒表面活性得到显著增强,混凝土渣粉末中硅酸盐和硅铝酸盐的胶凝活性得到强化。同时,低温等离子体照射过程产生的氧自由基和氢氧根自由基还可通过强氧化作用将磷石膏和炉渣粉末中的钙基物质向具有碱激发效果的活性氢氧化钙转变。将本发明所制备的水泥与水混合后,水泥中的活性氢氧化钙表现出较强的碱激发作用,同时水泥中的硅酸钙可快重新速转化为水化硅酸钙。在碱激发作用下,水泥中的硅酸盐、硅铝酸盐和活性氢氧化钙反应生成具有三维结构且钙矾石填充的地质聚合物。最终,本发明所制备水泥胶砂试件的3d抗压强度均高于19MPa和28d抗压强度均高于42MPa。当磷石膏、干燥后的垃圾焚烧炉渣和干燥后的混凝土废渣质量比大于0.05:0.6:1(如表1中,磷石膏、干燥后的垃圾焚烧炉渣和干燥后的混凝土废渣质量比=0.06:0.6:1、0.08:0.6:1、0.1:0.6:1、0.05:0.7:1、0.05:0.8:1、0.05:1:1以及表1中未列举的更高比值),磷石膏和干燥后的垃圾焚烧炉渣添加过量,钙剂物质引入过多,使得本发明所制备水泥与水混合后生成的水化硅酸钙和地质聚合物较少,导致本发明所制备水泥胶砂试件的3d抗压强度和28d抗压强度均随着磷石膏、干燥后的垃圾焚烧炉渣和干燥后的混凝土废渣质量比进一步增加而显著降低。因此,总体而言,结合效益与成本,当磷石膏、干燥后的垃圾焚烧炉渣和干燥后的混凝土废渣质量比等于0.01~0.05:0.2~0.6:1,最有利于提高制备的水泥性能。
实施例2
低温等离子体照射时间对所制备水泥性能影响
免烧水泥的制备:在100℃下将混凝土废渣和垃圾焚烧炉渣烘干,得到干燥的混凝土废渣和垃圾焚烧炉渣,按照取磷石膏、干燥后的垃圾焚烧炉渣和干燥后的混凝土废渣的质量比为0.05:0.6:1将三者混合,随后置于粉碎机粉碎,再对粉碎体进行筛分,得到的过筛部分为机械活化渣粉,其中粉碎时间1小时,筛子孔径为250目;对机械活化渣粉进行低温等离子体照射,同时从底部对机械活化渣粉进行曝气,分别照射0.25小时、0.35小时、0.45小时、0.5小时、2.5小时、4.5小时、5小时、5.5小时、6小时后停止低温等离子体照射和曝气,得到免烧水泥,其中等温等离子体作用电压为40kV,曝气速率为1100mL/min。
性能测试同实施例1。试验结果见表2。
表2低温等离子体照射时间对所制备水泥性能影响
Figure BDA0003147410590000061
由表2可知,当低温等离子体照射时间小于0.5小时(如表2中,低温等离子体照射时间=0.45小时、0.35小时、0.25小时以及表2中未列举的更低值),低温等离子体照射时间较短,干燥混凝土渣粉末中硅酸钙和硫酸钙转化减少,混凝土渣粉末和炉渣粉末中硅酸盐和硅铝酸盐的胶凝活性没有得到充分强化,磷石膏和炉渣粉末中活性氢氧化钙转化减少,导致本发明所制备水泥胶砂试件的3d抗压强度和28d抗压强度均随着低温等离子体照射时间减小显著降低。当低温等离子体照射时间等于0.5~4.5小时(如表2中,低温等离子体照射时间=0.5小时、2.5小时、4.5小时),低温等离子体照射可诱发空气中的氧气和水分子发生电离和解离,生成氧自由基和氢氧根自由基。同时低温等离子体照射过程中还伴随着发生高能粒子冲击、微波辐射、冲击波及表面加热等现象。在高能粒子冲击、微波辐射、冲击波及表面加热作用下,干燥混凝土渣粉末中水化硅酸钙和磷石膏中的二水硫酸钙失去结晶水转化为硅酸钙和硫酸钙,同时混凝土渣粉末和炉渣粉末颗粒表面活性得到显著增强,混凝土渣粉末和炉渣粉末中硅酸盐和硅铝酸盐的胶凝活性得到强化。同时,低温等离子体照射过程产生的氧自由基和氢氧根自由基还可通过强氧化作用将磷石膏和炉渣粉末中的钙基物质向具有碱激发效果的活性氢氧化钙转变。最终,本发明所制备水泥胶砂试件的3d抗压强度均高于22MPa和28d抗压强度均高于46MPa。当低温等离子体照射时间大于4.5小时(如表2中,低温等离子体照射时间=5小时、5.5小时、6小时以及表2中未列举的更高值),本发明所制备水泥胶砂试件的3d抗压强度和28d抗压强度均随着低温等离子体照射时间进一步增加变化不显著。因此,总体而言,结合效益与成本,当低温等离子体照射时间等于0.5~4.5小时,最有利于提高制备的水泥性能。
实施例3
曝气速率对所制备水泥性能影响
免烧水泥的制备:在150℃下将混凝土废渣和垃圾焚烧炉渣烘干,得到干燥的混凝土废渣和垃圾焚烧炉渣,按照磷石膏、干燥后的垃圾焚烧炉渣和干燥后的混凝土废渣的质量比为0.05:0.6:1将三者混合,随后置于粉碎机粉碎,再对粉碎体进行筛分,得到的过筛部分为机械活化渣粉,其中粉碎时间1.5小时,筛子孔径为400目。对机械活化渣粉进行低温等离子体照射,同时从底部对机械活化渣粉进行曝气,照射4.5小时后停止低温等离子体照射和曝气,得到免烧水泥,其中等温等离子体作用电压为75kV,曝气速率分别为100mL/min、150mL/min、180mL/min、200mL/min、1100mL/min、2000mL/min、2200mL/min、2400mL/min、2500mL/min。
性能测试同实施例1。试验结果见表3。
表3曝气速率对所制备水泥性能影响
Figure BDA0003147410590000071
由表3可知,当曝气速率小于200mL/min(如表3中,曝气速率=180mL/min、150mL/min、100mL/min以及表3中未列举的更低值),低温等离子体照射过程中生成的氧自由基和氢氧根自由基减少,磷石膏和炉渣粉末中的钙基物质向具有碱激发效果的活性氢氧化钙转化减少,导致本发明所制备水泥胶砂试件的3d抗压强度和28d抗压强度均随着曝气速率减小显著降低。当曝气速率等于200~2000mL/min(如表3中,曝气速率=200mL/min、1100mL/min、2000mL/min),低温等离子体照射可诱发空气中的氧气和水分子发生电离和解离,生成氧自由基和氢氧根自由基。低温等离子体照射过程产生的氧自由基和氢氧根自由基还可通过强氧化作用将磷石膏和炉渣粉末中的钙基物质向具有碱激发效果的活性氢氧化钙转变。最终,本发明所制备水泥胶砂试件的3d抗压强度均高于28MPa和28d抗压强度均高于52MPa。当曝气速率大于2000mL/min(如表3中,曝气速率=180mL/min、150mL/min、100mL/min以及表3中未列举的更低值),曝气速率过大,粉末被顶推到低温等离子体介质板上,使得放电通道局部短路,低温等离子体放射效能降低,导致本发明所制备水泥胶砂试件的3d抗压强度和28d抗压强度均随着曝气速率进一步增加而显著降低。因此,总体而言,结合效益与成本,当曝气速率等于200~2000mL/min,最有利于提高制备的水泥性能。
不同对比工艺所制备水泥性能对比
实施例4(本发明工艺)
在150℃下将混凝土废渣和垃圾焚烧炉渣烘干,得到干燥的混凝土废渣和垃圾焚烧炉渣,按照磷石膏、干燥后的垃圾焚烧炉渣和干燥后的混凝土废渣的质量比为0.05:0.6:1将三者混合,随后置于粉碎机粉碎,再对粉碎体进行筛分,得到的过筛部分为机械活化渣粉,其中粉碎时间1.5小时,筛子孔径为400目;对机械活化渣粉进行低温等离子体照射,同时从底部对机械活化渣粉进行曝气,照射4.5小时后停止低温等离子体照射和曝气,得到免烧水泥,其中等温等离子体作用电压为75kV,曝气速率为2000mL/min。
对比例1(不进行低温等离子体处理)
在150℃下将混凝土废渣和垃圾焚烧炉渣烘干,得到干燥的混凝土废渣和垃圾焚烧炉渣,按照磷石膏、干燥后的垃圾焚烧炉渣和干燥后的混凝土废渣的质量比为0.05:0.6:1将三者混合,随后置于粉碎机粉碎,随后对粉碎体进行筛分,得到的过筛部分为制备的免烧水泥,其中粉碎时间1.5小时,筛子孔径为400目。
对比例2(不含垃圾焚烧炉渣)
在150℃下将混凝土废渣烘干,得到干燥的混凝土废渣,按照磷石膏和干燥后的混凝土废渣的质量比为0.05:1将二者混合,随后置于粉碎机粉碎,再对粉碎体进行筛分,得到的过筛部分为机械活化渣粉,其中粉碎时间1.5小时,筛子孔径为400目;对机械活化渣粉进行低温等离子体照射,同时从底部对机械活化渣粉进行曝气,照射4.5小时后停止低温等离子体照射和曝气,得到免烧水泥,其中等温等离子体作用电压为75kV,曝气速率为2000mL/min。
对比例3(将垃圾焚烧炉渣替换为高炉矿渣)
在150℃下将混凝土废渣和高炉矿渣烘干,得到干燥的混凝土废渣和高炉矿渣,按照磷石膏、干燥后的高炉矿渣和干燥后的混凝土废渣的质量比为0.05:0.6:1将三者混合,随后置于粉碎机粉碎,再对粉碎体进行筛分,得到的过筛部分为机械活化渣粉,其中粉碎时间1.5小时,筛子孔径为400目;对机械活化渣粉进行低温等离子体照射,同时从底部对机械活化渣粉进行曝气,照射4.5小时后停止低温等离子体照射和曝气,得到免烧水泥,其中等温等离子体作用电压为75kV,曝气速率为2000mL/min。
性能测试同实施例1。试验结果见表4。
表4不同对比工艺所制备水泥性能对比
Figure BDA0003147410590000091
由表4可知,本发明工艺所制备水泥胶砂试件的3d抗压强度和28d抗压强度均高于对比例1-3,且高于对比例1和对比例2相应检测指标之和。可见,本发明结合垃圾焚烧炉渣与混凝土废渣成分特征,通过机械活化与低温等离子体活化联用,使得制备的水泥具有较高抗压强度。同时,本发明工艺所制备水泥胶砂试件的3d抗压强度和28d抗压强度均高于对比例3,说明本发明原料中选择垃圾焚烧炉渣是基于反应机理而非含硅酸盐材料的简单替换。

Claims (4)

1.一种利用混凝土废渣制备免烧水泥的方法,其特征在于,包括以下步骤:
将磷石膏、干燥的垃圾焚烧炉渣和干燥的混凝土废渣混合,粉碎,筛分,得到机械活化渣粉;再将机械活化渣粉进行低温等离子体照射处理和曝气处理,得到免烧水泥;
所述磷石膏、干燥的垃圾焚烧炉渣和干燥的混凝土废渣的质量比为0.01~0.05:0.2~0.6:1;
所述低温等离子体照射的作用时间为0.45~6h;
所述曝气速率为180~2400mL/min;
所述粉碎时间为0.5~1.5h,粉碎后过100~400目分子筛。
2.根据权利要求1所述利用混凝土废渣制备免烧水泥的方法,其特征在于,所述低温等离子体照射的作用时间为0.5~4.5h。
3.根据权利要求1所述利用混凝土废渣制备免烧水泥的方法,其特征在于,所述曝气速率为200~2000mL/min。
4.根据权利要求1所述利用混凝土废渣制备免烧水泥的方法,其特征在于,所述低温等离子体照射的作用电压为5~75kV。
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