CN115215594A - 一种秸秆灰-混凝土废浆料全固废冷粘结轻骨料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种秸秆灰‑混凝土废浆料全固废冷粘结轻骨料及其制备方法，轻骨料原料包括玉米秸秆灰、混凝土废浆料和水，所述玉米秸秆灰为0％～30wt％，混凝土废浆料为70％～100wt％，以及适量的水。玉米秸秆灰是玉米秸秆经过破碎、洗涤、烘干、燃烧、冷却和研磨所得到的，作为火山灰材料应用于骨料的制备中。将玉米秸秆灰与混凝土废浆料混合制备轻骨料，适量添加玉米秸秆灰的骨料具有堆积密度低，吸水率低，筒压强度高等特点，使其应用范围大幅度增加，不仅可以大大减轻固体废弃物处理所带来的环境问题，而且有助于节约能源、保护自然资源和降低建筑材料成本。
Description
技术领域
本发明涉及建筑材料以及固体废弃物资源回收再利用技术领域，尤其是涉及一种秸秆灰-混凝土废浆料全固废冷粘结轻骨料及其制备方法。
背景技术
随着科技的进步和人类文明的高度发展，各种固体废弃物的迅速增加以及自然资源的快速枯竭已经成为世界范围内的主要问题。工农业固体废弃物的产量急剧上升，该废弃物数量巨大，处理成本高，对环境污染较为严重，所以将其处理后重新应用于实践是绿色发展下所面临的必要挑战。而混凝土发展过程中，对河砂、卵石等自然资源的过度开采，造成了自然资源的浪费，同时破坏了生态环境，导致天然砂石的供给量已无法满足市场的需求。针对上述问题，研究人员将研究重点转向由固体废弃物生产人工骨料替代天然骨料，因此人工骨料的生产技术和固化技术正在蓬勃发展。人工骨料的应用不仅可以节约资源，实现固体废弃物的循环再利用，同时可以减少对自然资源的开采，保护生态环境，满足世界环境组织提倡的“绿色”要求。
目前，将生物质灰分应用于建筑材料领域的例子屡见不鲜，尤其是将稻壳灰、稻草灰、甘蔗渣灰以及棕榈油燃料灰作为火山灰材料应用于混凝土中的研究在国外已经趋于成熟并逐步应用于实践。中国作为农业大国，每年产生大量的农业废弃物，传统上被农民焚烧会导致空气质量急剧恶化、营养物质大量损失以及对人体健康危害严重。我国北方农作物尤以玉米为主，由于近年来全国禁止焚烧秸秆的规定被严格执行，北方兴起大量以玉米秸秆为原料的发电厂，因此产生大量玉米秸秆灰(corn straw ash，CSA)，该产物与高炉矿渣、粉煤灰等工业副产物相似，具有比表面积大、孔隙多，密度低等特点，是一种富含硅和铝具有火山灰活性的环境友好材料，可以应用于建筑材料领域。
在使用商业混凝土的过程中会产生大量的剩余废弃混凝土，其中绝大部分来自所需量和实际使用量的差值，少部分来自于混凝土放置时间过长不能使用(超过2.5h)或者产品不符合混凝土规范要求，再加之清洗搅拌站、搅拌车等浆液，其数量可达总商品混凝土常量的1.5％。大部分混凝土厂对于此种废弃物的处理则是将天然砂石分离出来重新再利用，并通过压滤机将水滤出再次使用，而剩余的混凝土废浆料(concrete slurry waste,CSW)一般做填埋处理，而直接填埋不仅浪费资源，而且对土壤环境产生巨大影响，该废浆料中含有部分未水化的水泥，可以作为胶凝材料用于制备人工骨料，同时还可以添加火山灰材料起辅助胶凝材料的作用来进行强度的补充。
发明内容
本发明的目的是提供一种秸秆灰-混凝土废浆料全固废冷粘结轻骨料及其制备方法，将玉米秸秆灰和混凝土废浆料变废为宝回收再利用生产全固废冷粘结轻骨料，不仅可以大大减轻固体废弃物处理所带来的环境问题，而且有助于节约能源、保护自然资源和降低建筑材料成本。
为实现上述目的，本发明提供了一种秸秆灰-混凝土废浆料全固废冷粘结轻骨料，包括轻骨料原料，所述轻骨料原料包括玉米秸秆灰、混凝土废浆料和水，所述玉米秸秆灰为0％～30wt％，混凝土废浆料为70％～100wt％，以及适量的水。
优选的，所述玉米秸秆灰占所述轻骨料原料总量的10wt％。
优选的，所述混凝土废浆料占所述轻骨料原料总量的90wt％。
一种秸秆灰-混凝土废浆料全固废冷粘结轻骨料的制备方法，包括以下步骤：
S1、将混凝土废浆料压滤饼置入强制搅拌机中高速搅拌2min～3min，搅拌至其松散得到混凝土废浆料；
S2、将玉米秸秆灰加入混凝土废浆料中，再高速混合2min～3min，使其充分混合均匀得到混合物；
S3、将混合物移入圆盘造粒机中，在造粒前2min，根据物料的含水率喷洒适量的水使颗粒的总含水率控制在15％～25％之间，以免过高的含水率影响颗粒的总体强度性能，并且将总的造粒时间控制在15min以内，得到新鲜骨料；
S4、将新鲜骨料在45％～55％相对湿度下预干燥8h～12h以获得初始强度，然后再将其转移进行二氧化碳加压固化；
S5、将预干燥后的骨料放入密封的钢制容器中，将其抽真空至-0.5bar～-1bar，然后注入纯二氧化碳气体，通过使用饱和硝酸镁溶液控制固化容器中的相对湿度，并使用气体调节器保持固化室中二氧化碳的压力，固化后得到轻骨料。
由此得到的全固废冷粘结轻骨料有一定颗粒级配，可根据具体需求进行筛分，也可通过控制喷洒水的量来控制粒径，水分越高，颗粒之间碰撞融合越彻底，粒径也就越大；相反，粒径越小，但水分过少会出现不成粒现象。水分控制在20％左右时，骨料中4.75～16mm的部分可占总质量的80％以上；优选的，可占总质量的90％以上。且所制备的全固废冷粘结轻骨料可达到中华人民共和国国家标准GB/T 17431.1-2010《轻集料及其试验方法第1部分：轻集料》中对于轻骨料颗粒级配、密度等级、吸水率以及筒压强度的规定。
优选的，所述步骤S2中的玉米秸秆是经过一系列预处理得到的，具体步骤如下：
S1、先将玉米秸秆切割成1-2mm长的碎片，再将这些秸秆碎片粉碎成100-150μm大小的细颗粒，先在室温下干燥，然后在105±5℃的空气烘箱中干燥12h～24h，去除水分；
S2、配制浓度为0.5mol/m3的盐酸溶液，将步骤S1所得的玉米秸秆置于盛有盐酸溶液的烧杯中，玉米秸秆与盐酸溶液的固液比＝1:20，在室温下通过磁力搅拌器均匀连续搅拌4h，使生物质中的碱金属与杂质溶解在溶液中；
S3、将步骤S2所得的溶液静置再过滤，并用蒸馏水对过滤后的玉米秸秆进行不断地冲洗，洗去酸溶液，直至溶液的PH测试值显示为中性，将用盐酸浸出的玉米秸秆在自然环境下放置12h～24h淋干水分，并置于空气烘干箱中进行干燥处理，干燥温度为105±5℃，干燥时间为12h～24h，待到干燥后的样品冷却；
S4、将步骤S3所得的玉米秸秆置于陶瓷坩埚中，保持厚度为2cm～3cm，防止底部秸秆不能燃烧完全，将陶瓷坩埚放置在马弗炉中，设置马弗炉以5℃/min～10℃/min升温速度升温至600℃～700℃，在马弗炉中燃烧2h～3h，得到玉米秸秆灰。
S5、将步骤S4燃烧得到的灰分取出摊开使其快速冷却，因为灰烬堆积时缓慢冷却会使表面温度下降快速内部温度下降缓慢，可能会发生缩合反应降低秸秆灰活性；
S6、研究表明经过研磨后的灰分更加致密、均匀并且反应性更好，但较长时间的研磨可能会发生颗粒聚集的情况，因此使用球磨机对步骤S5所得的玉米秸秆灰研磨30min，得到成品玉米秸秆灰。
由此得到的玉米秸秆灰主要氧化物成分包括SiO2、CaO、Al2O3、Fe2O3、P2O5等，碱金属与氯离子含量很少，其中SiO2的含量可达75％以上且主要呈现为非晶相，粒径D50小于12μm，D90小于30μm。
优选的，所述步骤S3中圆盘造粒机以35rpm～45rpm的速度和40～50°的圆盘角度造粒5min～7min。
优选的，所述步骤S5中二氧化碳加压固化技术，固化容器中的相对湿度保持在50％±5％，二氧化碳的压力控制在0.1bar～0.5bar，固化7d。
优选的，所述步骤S5中纯二氧化碳气体的浓度大于99％。
优选的，所述步骤S5中得到的轻骨料的含水率为20％。
优选的，所述轻骨料的堆积密度为800～1000kg/m3，吸水率为8～10％，筒压强度为7～10MPa。
因此，本发明采用上述一种秸秆灰-混凝土废浆料全固废冷粘结轻骨料及其制备方法，具备以下有益效果：
本发明利用玉米秸秆灰(火山灰材料)与混凝土废浆料(胶凝材料)为原材料通过冷粘结造粒技术与二氧化碳加压固化技术生产新型全固废冷粘结轻骨料，旨在将工农业固体废弃物作为二次资源材料进行整体回收再利用，且利用率可达100％，且可以得到性能良好的全固废冷粘结轻骨料。对于工农业固体废弃物的回收利用不仅可以变废为宝，节约资源，充分发挥其作用价值，而且减轻了垃圾处理时带来的能源消耗以及对于环境的破坏，更加绿色环保可持续，具有良好的经济效益和社会效益。与传统烧结法制备骨料相比，冷粘结造粒技术除了可以将多种废物和副产物材料有效回收外，还具有能耗最小、污染物排放低和工艺简单、投资要求低等特点；二氧化碳加压固化技术不仅可以快速加强骨料的物理与力学性能，节约养护时间，而且具有安全、永久利用和吸附二氧化碳的能力，进一步减轻环境负担。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为本发明一种秸秆灰-混凝土废浆料全固废冷粘结轻骨料及其制备方法实施例的流程图。
具体实施方式
本发明提供了一种秸秆灰-混凝土废浆料全固废冷粘结轻骨料，包括轻骨料原料，所述轻骨料原料包括玉米秸秆灰、混凝土废浆料和水，所述玉米秸秆灰为0％～30wt％，混凝土废浆料为70％～100wt％，以及适量的水。所述玉米秸秆灰占所述轻骨料原料总量的10wt％。所述混凝土废浆料占所述轻骨料原料总量的90wt％。
一种秸秆灰-混凝土废浆料全固废冷粘结轻骨料的制备方法，包括以下步骤：
S1、将混凝土废浆料压滤饼置入强制搅拌机中高速搅拌2min～3min，搅拌至其松散得到混凝土废浆料；
S2、将玉米秸秆灰加入混凝土废浆料中，再高速混合2min～3min，使其充分混合均匀得到混合物；
S3、将混合物移入圆盘造粒机中，以35rpm～45rpm的速度和40～50°的圆盘角度造粒5min～7min，在造粒前2min，根据物料的含水率喷洒适量的水使颗粒的总含水率控制在15％～25％之间，以免过高的含水率影响颗粒的总体强度性能，并且将总的造粒时间控制在15min以内，得到新鲜骨料；
S4、将新鲜骨料在45％～55％相对湿度下预干燥8h～12h以获得初始强度，然后再将其转移进行二氧化碳加压固化；
S5、将预干燥后的骨料放入密封的钢制容器中，将其抽真空至-0.5bar～-1bar，然后注入纯二氧化碳气体，浓度大于99％，通过使用饱和硝酸镁溶液控制固化容器中的相对湿度保持在50％±5％，二氧化碳的压力控制在0.1bar～0.5bar，固化7d，并使用气体调节器保持固化室中二氧化碳的压力，固化后得到轻骨料，含水率为20％，堆积密度为800～1000kg/m3，吸水率为8～10％，筒压强度为7～10MPa。
由此得到的全固废冷粘结轻骨料有一定颗粒级配，可根据具体需求进行筛分，也可通过控制喷洒水的量来控制粒径，水分越高，颗粒之间碰撞融合越彻底，粒径也就越大；相反，粒径越小，但水分过少会出现不成粒现象。水分控制在20％左右时，骨料中4.75～16mm的部分可占总质量的80％以上；优选的，可占总质量的90％以上。且所制备的全固废冷粘结轻骨料可达到中华人民共和国国家标准GB/T 17431.1-2010《轻集料及其试验方法第1部分：轻集料》中对于轻骨料颗粒级配、密度等级、吸水率以及筒压强度的规定。
步骤S2中的玉米秸秆是经过一系列预处理得到的，具体步骤如下：
S1、先将玉米秸秆切割成1-2mm长的碎片，再将这些秸秆碎片粉碎成100-150μm大小的细颗粒，先在室温下干燥，然后在105±5℃的空气烘箱中干燥12h～24h，去除水分；
S2、配制浓度为0.5mol/m3的盐酸溶液，将步骤S1所得的玉米秸秆置于盛有盐酸溶液的烧杯中，玉米秸秆与盐酸溶液的固液比＝1:20，在室温下通过磁力搅拌器均匀连续搅拌4h，使生物质中的碱金属与杂质溶解在溶液中；
S3、将步骤S2所得的溶液静置再过滤，并用蒸馏水对过滤后的玉米秸秆进行不断地冲洗，洗去酸溶液，直至溶液的PH测试值显示为中性，将用盐酸浸出的玉米秸秆在自然环境下放置12h～24h淋干水分，并置于空气烘干箱中进行干燥处理，干燥温度为105±5℃，干燥时间为12h～24h，待到干燥后的样品冷却；
S4、将步骤S3所得的玉米秸秆置于陶瓷坩埚中，保持厚度为2cm～3cm，防止底部秸秆不能燃烧完全，将陶瓷坩埚放置在马弗炉中，设置马弗炉以5℃/min～10℃/min升温速度升温至600℃～700℃，在马弗炉中燃烧2h～3h，得到玉米秸秆灰。
S5、将步骤S4燃烧得到的灰分取出摊开使其快速冷却，因为灰烬堆积时缓慢冷却会使表面温度下降快速内部温度下降缓慢，可能会发生缩合反应降低秸秆灰活性；
S6、研究表明经过研磨后的灰分更加致密、均匀并且反应性更好，但较长时间的研磨可能会发生颗粒聚集的情况，因此使用球磨机对步骤S5所得的玉米秸秆灰研磨30min，得到成品玉米秸秆灰。
由此得到的玉米秸秆灰主要氧化物成分包括SiO2、CaO、Al2O3、Fe2O3、P2O5等，碱金属与氯离子含量很少，其中SiO2的含量可达75％以上且主要呈现为非晶相，粒径D50小于12μm，D90小于30μm。
以下通过附图和实施例对本发明的技术方案作进一步说明。
所述的秸秆灰-混凝土废浆料全固废冷粘结轻骨料各组分配合比如下：
玉米秸秆产自吉林市一家普通农户，其灰中SiO2的含量可达75％以上且主要呈现为非晶相，粒径D50小于12μm，D90小于30μm。
混凝土废浆料产自吉林市一家普通预拌混凝土厂，其主要化合物成分包括CaO、SiO2、Al2O3、Fe2O3等，其含水量在20％～30％之间。
水泥为P.O42.5普通硅酸盐水泥，强度等级为42.5。
水为吉林市普通自来水。
秸秆灰-混凝土废浆料全固废冷粘结轻骨料原材料化合物组成见表1，秸秆灰-混凝土废浆料全固废冷粘结轻骨料配合比见表2。
表1
表2
按上述实施例1-10中的配合比制备秸秆灰-混凝土废浆料全固废冷粘结轻骨料的制备方法，包括以下步骤：
S1、将混凝土废浆料压滤饼置入强制搅拌机中高速搅拌2min～3min，搅拌至其松散。
S2、将玉米秸秆灰(如需加入水泥，则在此步同玉米秸秆灰一同进行添加)加入步骤S1所得混凝土废浆料中，再高速混合2min～3min，使其充分混合均匀。
S3、将步骤S2所得的混合物移入圆盘造粒机中，以35rpm～45rpm的速度和40～50°的圆盘角度造粒5min～7min，在造粒前2min，可根据物料的含水率喷洒适量的水以促进骨料的形成，但使颗粒的总含水率控制在15％～25％之间，以免过高的含水率影响颗粒的总体强度性能，并且将总的造粒时间控制在15min以内。
S4、将步骤S3所得到的新鲜骨料在45％～55％相对湿度下将样品预干燥8h～12h以获得初始强度，然后再将其转移进行二氧化碳加压固化。
S5、将步骤S4所得预干燥后的骨料放入密封的钢制容器中，将其抽真空至-0.5bar～-1bar，然后注入纯二氧化碳气体。通过使用饱和硝酸镁溶液将固化容器中的相对湿度保持在50％±5％，并使用气体调节器将固化室中二氧化碳的压力控制在0.1bar～0.5bar，固化7d后取出。
实施例1至10制备得到的秸秆灰-混凝土废浆料全固废冷粘结轻骨料测试结果如下：
在轻骨料加压固化7d后取出，将制备得到的全固废冷粘结轻骨料进行基本性能测试，测试方法根据中华人民共和国国家标准GB/T 17431.1-2010《轻集料及其试验方法第2部分：轻集料试验方法》，测试结果见表3。
表3
由实施例1～10可见，由玉米秸秆灰、混凝土废浆料或者添加少量水泥制备的全固废冷粘结轻骨料的堆积密度为800～1000kg/m3，吸水率为8～10％，筒压强度为7～10MPa。由实施例1可见，回收的混凝土废浆料具有一定的残余活性，可以制备秸秆灰-混凝土废浆料全固废冷粘结轻骨料；由实施例2～7可见，混凝土废浆料可以作为胶凝材料与玉米秸秆灰协同作用生产全固废冷粘结轻骨料，具有良好的兼容性，且随着玉米秸秆灰的产量增加，骨料的密度逐渐降低，但吸水率呈现出先减后增的趋势，强度呈现出先增后减的趋势；由实施例3、5和实施例7～10可见，当胶凝材料被部分替换成水泥时，对骨料的物理与力学性能的增强效果明显。
因此，本发明采用上述一种秸秆灰-混凝土废浆料全固废冷粘结轻骨料及其制备方法，将玉米秸秆灰和混凝土废浆料变废为宝回收再利用生产全固废冷粘结轻骨料，不仅可以大大减轻固体废弃物处理所带来的环境问题，而且有助于节约能源、保护自然资源和降低建筑材料成本。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而这些修改或者等同替换亦不能使修改后的技术方案脱离本发明技术方案的精神和范围。
Claims (10)
1.一种秸秆灰-混凝土废浆料全固废冷粘结轻骨料，其特征在于：
包括轻骨料原料，所述轻骨料原料包括玉米秸秆灰、混凝土废浆料和水，所述玉米秸秆灰为0％～30wt％，混凝土废浆料为70％～100wt％，以及适量的水。
2.根据权利要求1所述的一种秸秆灰-混凝土废浆料全固废冷粘结轻骨料，其特征在于：所述玉米秸秆灰占所述轻骨料原料总量的10wt％。
3.根据权利要求1所述的一种秸秆灰-混凝土废浆料全固废冷粘结轻骨料，其特征在于：所述混凝土废浆料占所述轻骨料原料总量的90wt％。
4.一种如权利要求1-3任一项所述的秸秆灰-混凝土废浆料全固废冷粘结轻骨料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、将混凝土废浆料压滤饼置入强制搅拌机中高速搅拌2min～3min，搅拌至其松散得到混凝土废浆料；
S2、将玉米秸秆灰加入混凝土废浆料中，再高速混合2min～3min，使其充分混合均匀得到混合物；
S3、将混合物移入圆盘造粒机中，在造粒前2min，根据物料的含水率喷洒适量的水使颗粒的总含水率控制在15％～25％之间，并且将总的造粒时间控制在15min以内，得到新鲜骨料；
S4、将新鲜骨料在45％～55％相对湿度下预干燥8h～12h以获得初始强度，然后再将其转移进行二氧化碳加压固化；
S5、将预干燥后的骨料放入密封的钢制容器中，将其抽真空至-0.5bar～-1bar，然后注入纯二氧化碳气体，通过使用饱和硝酸镁溶液控制固化容器中的相对湿度，并使用气体调节器保持固化室中二氧化碳的压力，固化后得到轻骨料。
5.根据权利要求4所述的一种秸秆灰-混凝土废浆料全固废冷粘结轻骨料的制备方法，其特征在于，所述步骤S2中的玉米秸秆是经过一系列预处理得到的，具体步骤如下：
S1、先将玉米秸秆切割成1-2mm长的碎片，再将这些秸秆碎片粉碎成100-150μm大小的细颗粒，先在室温下干燥，然后在105±5℃的空气烘箱中干燥12h～24h，去除水分；
S2、配制浓度为0.5mol/m3的盐酸溶液，将步骤S1所得的玉米秸秆置于盛有盐酸溶液的烧杯中，玉米秸秆与盐酸溶液的固液比＝1:20，在室温下通过磁力搅拌器均匀连续搅拌4h，使生物质中的碱金属与杂质溶解在溶液中；
S3、将步骤S2所得的溶液静置再过滤，并用蒸馏水对过滤后的玉米秸秆进行不断地冲洗，洗去酸溶液，直至溶液的PH测试值显示为中性，将用盐酸浸出的玉米秸秆在自然环境下放置12h～24h淋干水分，并置于空气烘干箱中进行干燥处理，干燥温度为105±5℃，干燥时间为12h～24h，待到干燥后的样品冷却；
S4、将步骤S3所得的玉米秸秆置于陶瓷坩埚中，保持厚度为2cm～3cm，将陶瓷坩埚放置在马弗炉中，设置马弗炉以5℃/min～10℃/min升温速度升温至600℃～700℃，在马弗炉中燃烧2h～3h，得到玉米秸秆灰。
S5、将步骤S4燃烧得到的灰分取出摊开使其快速冷却；
S6、使用球磨机对步骤S5所得的玉米秸秆灰研磨30min，得到成品玉米秸秆灰。
6.根据权利要求4所述的一种秸秆灰-混凝土废浆料全固废冷粘结轻骨料的制备方法，其特征在于：所述步骤S3中圆盘造粒机以35rpm～45rpm的速度和40～50°的圆盘角度造粒5min～7min。
7.根据权利要求4所述的一种秸秆灰-混凝土废浆料全固废冷粘结轻骨料的制备方法，其特征在于：所述步骤S5中二氧化碳加压固化技术，固化容器中的相对湿度保持在50％±5％，二氧化碳的压力控制在0.1bar～0.5bar，固化7d。
8.根据权利要求4所述的一种秸秆灰-混凝土废浆料全固废冷粘结轻骨料的制备方法，其特征在于：所述步骤S5中纯二氧化碳气体的浓度大于99％。
9.根据权利要求4所述的一种秸秆灰-混凝土废浆料全固废冷粘结轻骨料的制备方法，其特征在于：所述步骤S5中得到的轻骨料的含水率为20％。
10.根据权利要求4所述的一种秸秆灰-混凝土废浆料全固废冷粘结轻骨料的制备方法，其特征在于：所述轻骨料的堆积密度为800～1000kg/m3，吸水率为8～10％，筒压强度为7～10MPa。
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