CN113816678A - 利用除尘灰固废的泡沫轻质材料及其制备方法与应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种利用除尘灰固废的泡沫轻质材料及其制备方法与应用，由以下重量份的组分组成：除尘灰154～466份、粒化钢渣微粉84～202份、粉煤灰22～53份、水泥113～270份、发泡剂0.4～0.8份、水128～307份。该泡沫轻质材料的制备使得钢铁冶炼带来的副产品除尘灰得到了充分利用，减小了炼钢造成的环境负担，并大幅降低了泡沫轻质土的生产成本。且制备的泡沫轻质土的抗压强度指标达到了路堤强度要求，耐久性能良好。

Description

利用除尘灰固废的泡沫轻质材料及其制备方法与应用
技术领域
本发明属于建筑材料领域，具体涉及一种利用除尘灰固废的泡沫轻质材料及其制备方法与应用。
背景技术
这里的陈述仅提供与本发明相关的背景技术，而不必然地构成现有技术。
泡沫轻质材料是将由发泡剂发泡得到的泡沫群加入到胶凝材料中，经过养护得到的具有大量密闭气孔的轻质工程材料。其具有质量轻、整体性好、强度与密度可调节、高流动性、良好的隔热、隔音、防水性能、凝固后自立性等优点，用作道路加宽时的路基填土，可减小新老路基沉降差异，节省道路用地，并且缩短工期，用于桥台背填土时可大幅度缓解桥头跳车的问题，同时减小对桥台结构物的水平力。现有的泡沫轻质材料大都以水泥、粉煤灰作为胶凝材料，生产成本高，对环境保护压力大，不适合大规模推行。
除尘灰主要来自烧结和高炉除尘系统，现代钢铁厂生产过程(如焦化、烧结、高炉冶炼、转炉冶炼等)均产生大量粉尘，产生量一般为钢产量的8％～12％。除尘灰成分复杂，主要含有Fe、Ca、Mg、C、Zn、K、Na等元素。研究表明，除尘灰中含有丰富的过渡金属Fe的化合物，含量可高达70％左右，具有较高的回收利用价值。目前，对于除尘灰中重金属的回收再利用是处理除尘灰的主要方法之一，但发明人发现，这些方法存在回收效率低下、成本较高等弊端。除此之外，对于除尘灰的处置方式主要为填埋或堆存，但除尘灰大量堆积不仅会污染环境，造成的扬尘还对周围人员的身体产生不利影响。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种利用除尘灰固废的泡沫轻质材料及其制备方法与应用。该泡沫轻质材料的制备使得钢铁冶炼带来的副产品除尘灰得到了充分利用，减小了炼钢造成的环境负担，并大幅降低了泡沫轻质土的生产成本。且制备的泡沫轻质土的抗压强度指标达到了路堤强度要求，耐久性能良好。
为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：
第一方面，本发明提供了一种利用除尘灰固废的泡沫轻质材料，其中包括除尘灰组分。
在一些实施例中，所述泡沫轻质材料中还包括粒化钢渣微粉、粉煤灰和水泥。
进一步的，所述粒化钢渣微粉选自S75、S95和S105级中的一种。
进一步的，所述粉煤灰为Ⅰ级粉煤灰。
进一步的，所述水泥为42.5普通硅酸盐水泥，符合标准《通用硅酸盐水泥》GB175-2007。
进一步的，所述泡沫轻质材料，由以下重量份的组分组成：除尘灰154～466份、粒化钢渣微粉84～202份、粉煤灰22～53份、水泥113～270份、发泡剂0.4～0.8份、水128～307份。
更进一步的，所述泡沫轻质材料，由以下重量份的组分组成：除尘灰245～310份、粒化钢渣微粉90～135份、粉煤灰30～35份、水泥135～180份、发泡剂0.63份、水190～204份。
该配比是通过高效利用除尘灰固废的新型绿色泡沫轻质材料的密度计算而得，经大量试验表明，上述重量分混合制备的泡沫轻质土效果最佳。
再进一步的，所述泡沫轻质材料，由以下重量份的组分组成：除尘灰310份、粒化钢渣微粉135份、粉煤灰30份、水泥135份、发泡剂0.63份和水190份。
在一些实施例中，所述除尘灰中CaO的含量为2.27％～22.3％，SiO2含量为3％～7％，Al2O3含量为2.5％～7％，TFe含量为37.8％～69.3％。
在一些实施例中，所述除尘灰的细度要求为过0.1mm方孔筛。该细度的除尘灰易于搅拌，有利于使得泡沫轻质材料混合均匀，提高泡沫轻质材料的质量。
第二方面，本发明提供所述泡沫轻质材料的制备方法，包括如下步骤：
将除尘灰与其他原料粉末按比例混合干拌，混合均匀；
加水后搅拌均匀；
加入泡沫，缓慢搅拌至均匀，形成浆液；
将浆液进行浇注、养护、脱模，得到泡沫轻质材料。
根据试验经验，在加水前干拌可以让各种原材料更充分混合，各种原材料分布均匀。在此基础上进行后续步骤，可以充分保证同一批次轻质土试件力学性能一致性良好，各试件无侧限抗压强度离散型较小。
根据试验经验，加入泡沫后应当以较低速率充分搅拌至均匀，这是因为高速搅拌极易消泡，导致泡沫减少过快，无法达到目标湿密度。在较低速率搅拌条件下则可避免此问题。
在一些实施例中，所述干拌为于600～800rpm的转速下搅拌5～7min。
在一些实施例中，所述湿拌为于1200～1300rpm的转速下搅拌7～9min。
在一些实施例中，加入泡沫后，搅拌速度为500～700rpm，搅拌时间为5～6min。
通过多次搅拌混合，有效地提高物料的混合效率，使形成的泡沫轻质土具有良好的性能。
在一些实施例中，制备泡沫时，发泡剂的稀释倍数为30～40倍，发泡倍数为18～25倍，泡沫密度为40g～55g/L，消泡率不大于7％。所述泡沫由发泡剂稀释后经高压空气法发泡制得。
在一些实施例中，所述浆液的密度为设计湿密度±30g/L。
第三方面，本发明提供所述泡沫轻质材料在建筑领域、耐火保温领域、过滤领域、抗渗水领域和机场跑道阻力带材料领域中的应用。
本发明以水泥、除尘灰、粒化钢渣微粉、粉煤灰等作为基本原料，强度来源主要有以下几个部分：
(1)水泥中的C3S、C4S、C3A和C4AF水化产生C-S-H和Ca(OH)2；
(2)除尘灰中富含Fe和C的化合物，其形成的C2F和C4AF等铁相矿物经过水化作用后的水化产物有利于泡沫轻质材料早期强度的形成；
(3)粒化钢渣微粉颗粒促进早期水化产物结构的形成，提高早期强度；其初期水化过程是其中的Ca2+等网络改变体阳离子与水中H+之间的置换
(4)粉煤灰中的SiO2和Al2O3等硅酸盐玻璃体，与水泥拌水后产生碱性激发剂Ca(OH)2发生化学反应，生成水化硅酸钙等凝胶，起到增加泡沫轻质土强度的作用。
本发明的以上一种或多种实施方式取得的有益效果如下：
(1)本发明首次将钢铁冶炼厂固体废物除尘灰应用于泡沫轻质材料中，为解决除尘灰的堆存问题提供了一种可行的方法，提高了除尘灰固废资源化利用效率。
(2)本发明采用除尘灰、粒化钢渣微粉与粉煤灰混掺，制备得到的泡沫轻质土具有较高的早期强度、较低的水化热和较高的整体力学性能，是由于以下原因：1.除尘灰中富含Fe和C的化合物，其形成的C2F和C4AF等铁相矿物经过水化作用后的水化产物有利于泡沫轻质材料早期强度的形成。2.粒化钢渣微粉与粉煤灰具有火山活性，可以改善除尘灰单掺时泡沫轻质土强度较低的问题，提高泡沫轻质土的整体力学性能；3.粒化钢渣微粉可以促进早期水化产物结构的形成，提高早期强度，并且能够显著降低水泥的水化热，显著提高泡沫轻质土的力学性能。
(3)常规泡沫轻质土采用水泥、粉煤灰等作为胶凝材料，其生产成本较高，不适合大规模推行。本发明采用工业固废除尘灰、粒化钢渣微粉、粉煤灰替代部分胶凝材料，在强度满足路堤填筑强度要求(《公路路基设计规范》(JTGD30-2015)中采用泡沫轻质土作为路堤材料的要求为28d无侧限抗压强度≥0.6Mpa)的前提下，大大降低了泡沫轻质土的造价，同时易于制备。绿色泡沫轻质材料湿密度为770～830g/L时，其28d抗压强度不低于2.0MPa。
(4)本发明的操作方法简单、成本低、具有普适性，易于规模化生产。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本发明使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
以下实施例中，发泡剂为复合发泡剂，购自烟台驰龙建筑节能科技有限公司。
除尘灰CaO含量为18％，SiO2含量为5％，Al2O3含量为2.5％，Fe2O3含量为48％；粒化钢渣微粉CaO含量为43％，SiO2含量为30％，Al2O3含量为15％；粉煤灰为Ⅰ级粉煤灰；水泥为42.5普通硅酸盐水泥。
实施例1
一种高效利用除尘灰固废的新型绿色泡沫轻质材料的制备方法，包括以下步骤：
1)称取原料，包括除尘灰245份、粒化钢渣微粉135份、粉煤灰35份、水泥180份、发泡剂0.63份、水204份。
2)将步骤(1)中除尘灰、粒化钢渣微粉、粉煤灰、水泥以700rpm的转速下搅拌6min；
3)将水加入步骤(2)预先搅拌的干料中，以1300rpm的转速下搅拌8min；
4)将称量好的发泡剂稀释倍数为35倍后经高压空气法发泡制得泡沫，然后，将泡沫加入步骤(3)所得混合浆液中，700rpm的转速下搅拌6min。
5)调节混合浆液密度至830g/L并测试流值，直至流值达到180mm。
6)将所得浆液浇入准备好的试模中，常温覆盖养护，48h后脱模，密封常温养护，即可得到所述高效利用除尘灰固废的新型绿色泡沫轻质材料。
将本实施例制得高效利用除尘灰固废的新型绿色泡沫轻质材料试件进行抗压强度量测试，得出其28d抗压强度为2.5MPa。
实施例2
一种高效利用除尘灰固废的新型绿色泡沫轻质材料的制备方法，包括以下步骤：
1)称取原料，包括除尘灰310份、粒化钢渣微粉135份、粉煤灰30份、水泥135份、发泡剂0.63份、水190份。
2)将步骤(1)中除尘灰、粒化钢渣微粉、粉煤灰、水泥以600rpm的转速下搅拌7min；
3)将水加入步骤(2)预先搅拌的干料中，以1200rpm的转速下搅拌7min；
4)将称量好的发泡剂稀释倍数为35倍后经高压空气法发泡制得泡沫，然后，将泡沫加入步骤(3)所得混合浆液中，600rpm的转速下搅拌6min。
5)调节混合浆液密度至830g/L并测试流值，直至流值达到200mm。
6)将所得浆液浇入准备好的试模中，常温覆盖养护，48h后脱模，密封常温养护，即可得到所述高效利用除尘灰固废的新型绿色泡沫轻质材料。
将本实施例制得高效利用除尘灰固废的新型绿色泡沫轻质材料试件进行抗压强度量测试，得出其28d抗压强度为2.1MPa。
对比例1(水泥含量固定，粒化钢渣微粉掺量低时)
与实施例1的区别在于，原料组分及重量份为除尘灰372份、粒化钢渣微粉45份、粉煤灰25份、水泥180份、发泡剂0.63份、水178份。
将本实施例得高效利用除尘灰固废的新型绿色泡沫轻质材料浇入试模，进行强度测试，得出早期强度提高较小，28d抗压强度为1.3MPa，强度远小于实施例1。
对比例2(水泥与粒化钢渣微粉总量不变，质量比变大时)
与实施例2的区别在于，原料组分及重量份为：除尘灰310份、粒化钢渣微粉45份、粉煤灰30份、水泥225份、发泡剂0.63份、水190份。
将本实施例制得的高效利用除尘灰固废的绿色泡沫轻质材料浇入试模，进行强度测试，得出早期强度增加较缓慢，28d抗压强度为1.7MPa，强度小于实施例2。
对比例3
与实施例1的区别为：将实施例1中的“粒化钢渣微粉135份”替换为“除尘灰135份”，其他均与实施例1相同。
将本实施例制得泡沫轻质材料试件进行抗压强度量测试，得出其28d抗压强度仅为1.1MPa，强度与实施例1中泡沫轻质土相比降低56％。
对比例4
与实施例1的区别为：将实施例1中的“粉煤灰35份”替换为“除尘灰35份”，其他均与实施例1相同。
将本实施例制得泡沫轻质材料试件进行抗压强度量测试，得出其28d抗压强度为1.6MPa。强度与实施例1中泡沫轻质土相比降低36％。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种利用除尘灰固废的泡沫轻质材料，其特征在于：其中包括除尘灰组分。
2.根据权利要求1所述的利用除尘灰固废的泡沫轻质材料，其特征在于：所述泡沫轻质材料中还包括粒化钢渣微粉、粉煤灰和水泥；
进一步的，所述粒化钢渣微粉选自S75、S95和S105级中的一种；
进一步的，所述粉煤灰为Ⅰ级粉煤灰；
进一步的，所述水泥为42.5普通硅酸盐水泥，符合标准《通用硅酸盐水泥》GB175-2007。
3.根据权利要求1所述的利用除尘灰固废的泡沫轻质材料，其特征在于：所述泡沫轻质材料，由以下重量份的组分组成：除尘灰154～466份、粒化钢渣微粉84～202份、粉煤灰22～53份、水泥113～270份、发泡剂0.4～0.8份、水128～307份；
更进一步的，所述泡沫轻质材料，由以下重量份的组分组成：除尘灰245～310份、粒化钢渣微粉90～135份、粉煤灰30～35份、水泥135～180份、发泡剂0.63份、水190～204份；
再进一步的，所述泡沫轻质材料，由以下重量份的组分组成：除尘灰310份、粒化钢渣微粉135份、粉煤灰30份、水泥135份、发泡剂0.63份和水190份。
4.根据权利要求3所述的利用除尘灰固废的泡沫轻质材料，其特征在于：所述除尘灰中CaO的含量为2.27％～22.3％，SiO2含量为3％～7％，Al2O3含量为2.5％～7％，TFe含量为37.8％～69.3％。
5.根据权利要求1所述的利用除尘灰固废的泡沫轻质材料，其特征在于：所述除尘灰的细度要求为过0.1mm方孔筛。
6.权利要求1-5任一所述泡沫轻质材料的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：
将除尘灰与其他原料粉末按比例混合干拌，混合均匀；
加水后搅拌均匀；
加入泡沫，缓慢搅拌至均匀，形成浆液；
将浆液进行浇注、养护、脱模，得到泡沫轻质材料。
7.根据权利要求6所述的泡沫轻质材料的制备方法，其特征在于：所述干拌为于600～800rpm的转速下搅拌5～7min；
在一些实施例中，所述湿拌为于1200～1300rpm的转速下搅拌7～9min；
在一些实施例中，加入泡沫后，搅拌速度为500～700rpm，搅拌时间为5～6min。
8.根据权利要求6所述的泡沫轻质材料的制备方法，其特征在于：制备泡沫时，发泡剂的稀释倍数为30～40倍，发泡倍数为18～25倍，泡沫密度为40g～55g/L，消泡率不大于7％。
9.根据权利要求6所述的泡沫轻质材料的制备方法，其特征在于：所述浆液的密度为设计湿密度±30g/L。
10.权利要求1-5任一所述泡沫轻质材料在建筑领域、耐火保温领域、过滤领域、抗渗水领域和机场跑道阻力带材料领域中的应用。
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