CN115432962A - 一种焚烧垃圾底灰混凝土及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种焚烧垃圾底灰混凝土及其制备方法，涉及工业固废利用技术领域。所述焚烧垃圾底灰混凝土，包括焚烧垃圾底灰粉料5‑20％，焚烧垃圾底灰骨料65‑75％，固废基微粉5‑15％，激发剂1‑3％，废弃纤维0.1‑0.5％及水8‑12％。本发明利用固体废料及不同粒径的焚烧垃圾底灰制备混凝土材料，无需添加水泥，既降低了生产的成本，又实现了固废的再利用。所制备的混凝土，在常温养护下，试件的抗压强度为15～50MPa，且各重金属离子浸出结果均合格，具有绿色环保、高强等优点，实现了废弃物的再生利用，同时产生了资源节约和环境保护的功效。

Description

一种焚烧垃圾底灰混凝土及其制备方法
技术领域
本发明属于工业固废利用技术领域，尤其涉一种焚烧垃圾底灰混凝土及其制备方法。
背景技术
随着城市化和工业化进程的不断加快，城市生活垃圾的年产量不断增加，全球每年约产生超过20亿吨。目前，焚烧被认为是处理生活垃圾最有效的方法，它可以同时实现能源回收和污染最小化的目的。但是，焚烧1吨生活垃圾会产生0.2-0.25吨的固体残渣。其中，焚烧垃圾底灰占固体残渣总质量的80％。在全球范围内，由于缺乏先进的焚烧垃圾底灰利用技术，仍主要以填埋为主，并且其填埋消纳速率远远低于产生速率，导致土地资源浪费。同时，焚烧垃圾底灰中的重金属（如铬、镍、铅、锌、铜等）会影响生态环境的治理质量和效率。因此，如何无害化和资源化地利用焚烧垃圾底灰已成为亟待解决的问题。
城市焚烧垃圾底灰可作为混凝土原料或掺合料甚至充当混凝土骨料，但是，预处理后的焚烧垃圾底灰与水泥基材料的兼容性仍然较差，同时无法有效地将焚烧垃圾底灰中的重金属稳定固化。选取符合要求的不同粒径的焚烧垃圾底灰用于制备混凝土，可实现焚烧垃圾底灰的最大资源化利用。
水泥生产能源消耗占全国能源总消耗的7%，水泥生产会导致大量CO2以及其他污染物排放。利用焚烧垃圾底灰制备胶凝材料的方法在实现焚烧垃圾底灰资源化利用的同时，降低了对水泥的依赖。因此利用焚烧垃圾底灰制备混凝土，具有重要的生态、经济和社会效益。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明拟解决的技术问题是，提供一种利用焚烧垃圾底灰制备混凝土的方法，将不同粒径的焚烧垃圾底灰进行规模化利用，该制备方法的生产过程不使用水泥，所需原材料种类少，制备工艺简单，所制备的产品力学性能优异，在建筑节能领域与工程领域具有广泛的应用前景。
为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：
一种焚烧垃圾底灰混凝土，其特征在于，以重量分数计，包括以下组分：焚烧垃圾底灰粉料5-20％，焚烧垃圾底灰骨料65-75％，固废基微粉5-15％，激发剂1-3％，废弃纤维0.1-0.5％及水8-12％；
所述焚烧垃圾底灰粉料和焚烧垃圾底灰骨料中的CaO的质量含量大于35％，SiO2、Al2O3和Fe2O3三者的质量含量之和大于36％，有色金属与黑色金属的总质量低于0.5％；压碎指标应小于25％，表观密度为2100-2500kg/m³，堆积密度为1000-1500kg/m³。
所述焚烧垃圾底灰粉料的粒径为1-200μm，中值粒径为30-50μm；所述焚烧垃圾底灰骨料包括焚烧垃圾底灰细骨料和焚烧垃圾底灰粗骨料，焚烧垃圾底灰细骨料的粒径不小于0.15mm，且小于4.75mm，细度模数1.6-2.5；所述焚烧垃圾底灰粗骨料的粒径为不小于4.75mm且小于31.5mm。
所述焚烧垃圾底灰粉料由焚烧垃圾底灰骨料经过球磨和煅烧处理获得，具体处理过程是：对骨料进行球磨，采用球磨机球磨15-25min后，球磨至1-200μm，并在700-800℃下煅烧2-3h，煅烧后不需要自然冷却，直接取出，使其骤冷，防止重结晶，获得焚烧垃圾底灰粉料，所述焚烧垃圾底灰粉料的烧失量低于8.5％。
所述焚烧垃圾底灰骨料需要对焚烧垃圾底灰经过预处理获得，预处理的具体过程包括：首先，将焚烧垃圾底灰放于水中浸泡3-5天，pH=11-12，再自然风干3-6个月，按需求初步分挑出体积较大的金属制品和粒径较大的石块，对挑完的石块和金属制品的物料中明显大或团聚的部分进行敲击，完成破碎处理；随后，完成破碎处理后对固体进行磁选以分离金属杂质，再对磁选后的残渣进行水洗，进一步降低材料中的重金属杂质，获得焚烧垃圾底灰骨料；所述焚烧垃圾底灰骨料的烧失量低于10％，焚烧垃圾底灰骨料中的CaO的质量含量大于35％，SiO2、Al2O3和Fe2O3三者的质量含量之和大于36％，有色金属与黑色金属的总质量低于0.5％；压碎指标应小于25％，表观密度为2100-2500kg/m³，堆积密度为1000-1500kg/m³。
所述激发剂包括零水硅酸钾、五水硅酸钠、液体硅酸钠或氢氧化钠中的至少一种；
所述固废基微粉为粉煤灰、矿渣、赤泥、镍渣或钢渣中的至少一种；
所述废弃纤维由矿渣、赤泥及粉煤灰等固体废弃物制备而成，长度为5-25mm，密度为1.8-2.4g/cm³。
上述焚烧垃圾底灰混凝土的制备方法，包括以下步骤：
S1，将激发剂和水混合得到液体物料，慢速搅拌1-2分钟；
S2，将焚烧垃圾底灰粉料、焚烧垃圾底骨料及固废基微粉混合，得到混合干料，慢速搅拌3-5分钟；
S3，将液体物料倒入混合干料中，在搅拌机中快慢速交替搅拌3-5分钟；
S4，加入用废弃纤维，充分混合均匀后装入模具中并振实；
S5，在自然条件下养护1天后拆模，置于标准养护室中密封养护。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1.本发明利用焚烧垃圾底灰制备混凝土，对焚烧垃圾底灰的各项基本特性（烧失量、化学成分、粒径组成、有色金属含量及黑色金属含量）进行限制，利用符合标准的不同粒径的焚烧垃圾底灰制备混凝土，能够消除焚烧垃圾底灰的发泡膨胀现象并提高底灰的品质，且配方中焚烧垃圾底灰的质量占比可达70%-90%，实现底灰的最大资源化利用，减少对水泥的依赖，生产能耗和成本低于现有水泥混凝土，可广泛应用于建筑工程领域。
2.本发明配方中焚烧垃圾底灰需要经过物理/化学活化后获得，选择高钙焚烧垃圾底灰粉料可以作为碱激发胶凝材料的反应相，生成了更多具有碱化学活性的非晶态相。高钙含量的焚烧垃圾底灰，在碱性环境下具有更高的活性钙溶出量，生成了更多C-S-H凝胶和C-A-S-H凝胶，对重金属离子进行固封，这为焚烧垃圾底灰重金属离子高效固化提供技术方案，焚烧垃圾底灰中的活性硅和活性钙含量都会影响碱激发底灰胶凝材料的产物组成和强度发展，本发明提供的焚烧垃圾底灰混凝土，具有强度高、早期强度发展速率快、碱掺量低等优点，所制备的混凝土28天强度为15-50MPa，耐久性能和重金属浸出毒性符合规范要求。
3.本发明中对焚烧垃圾底灰骨料的筛选符合标准，利用符合标准的不同粒径的焚烧垃圾底灰制备混凝土，实现底灰的最大资源化利用。本申请中耐碱玻璃纤维也由废弃物制备而成，整体成本较低，具有巨大的经济效益和环境效益。
附图说明
图1为焚烧垃圾底灰粉料的热重分析结果图；
图2为焚烧垃圾底灰粉料煅烧前后的XRD结果图。
具体实施方式
下面通过实施例对本发明作进一步说明。应该理解的是，本发明实施例所属配方仅仅是用于说明本发明，而不是对本发明的限制，在本发明的构思前提下对本发明配方的简单改进都属于本发明要求保护的范围。
一般地，对于碱激发材料，前驱体中的钙含量很大程度地影响着碱激发反应程度、产物种类和试样性能。现有研究均采用含钙量为15-20%左右的焚烧垃圾底灰，一般作为细集料使用，添加量较少。本申请中选择更高钙含量的焚烧垃圾底灰作为原料，具备较高的活性钙离子溶出量，通过粒径分配，不仅能替代混凝土的骨料，还能用于替代混凝土的胶凝材料和砂石，因此，本申请中不使用水泥也能制备出高性能的混凝土材料。本申请所选择的焚烧垃圾底灰粉料和骨料性能稳定，在碱性环境下也不会发生严重的发泡膨胀现象，所制备的混凝土试件不易膨胀开裂。
下面实施例焚烧垃圾底灰的化学组分如下表所示
Figure 424893DEST_PATH_IMAGE001
实施例1
本实施例为焚烧垃圾底灰混凝土，以重量份计，包括以下组分：
焚烧垃圾底灰粗骨料235份
焚烧垃圾底灰细骨料132份
焚烧垃圾底灰粉料68份
固废基微粉34份；（S95矿渣：一级粉煤灰=1：1）
碱激发剂14份（无水偏硅酸钠，模数为1.0）
废弃纤维6份
水52份。
所述焚烧垃圾底灰粉料的粒径为1-200μm，中值粒径为30-50μm；所述焚烧垃圾底灰骨料包括焚烧垃圾底灰细骨料和焚烧垃圾底灰粗骨料，焚烧垃圾底灰细骨料的粒径不小于0.15mm，且小于4.75mm，细度模数1.6-2.5；所述焚烧垃圾底灰粗骨料的粒径为不小于4.75mm且小于31.5mm。
所述焚烧垃圾底灰粉料由焚烧垃圾底灰骨料经过球磨和煅烧处理获得，具体处理过程是：对骨料进行球磨，采用球磨机球磨至1-200μm，并在750℃下煅烧2h，煅烧后不需要自然冷却，直接取出，使其骤冷，防止重结晶，获得焚烧垃圾底灰粉料，所述焚烧垃圾底灰粉料的烧失量低于8.5％。
按照最终满足要求的物料组成进行实际生产：
S1，将碱激发剂和水混合得到液体物料，慢速搅拌1-2分钟；
S2，将焚烧垃圾底灰粉料、细骨料、粗骨料及固废基微粉混合，得到混合干料，慢速搅拌3-5分钟；
S3，将液体物料倒入混合干料中，在搅拌机中快慢速交替搅拌3-5分钟；
S4，加入用工业固废制备的耐碱玻璃纤维，充分混合均匀后装入模具中并振实；
S5，在自然条件下养护1天后拆模，置于标准养护室中密封养护。
热重分析是判断非金属材料最佳热活化温度的依据，可通过TGA/DSCI同步热分析仪表征。图1为焚烧垃圾底灰骨料粉碎后的粉料在Ar气条件下的升温煅烧过程（20℃-1000℃），升温速率为10℃/min。从图中可以看出，DTG曲线上的三个吸热峰对应的温度范围分别为20℃-140℃、550℃-750℃和750℃-1000℃，试验后粉料的残余质量为原质量的91.40％。首先，对于20℃-140℃的吸热峰，SBA的质量损失为1.11％，这可能与粉料中自由水和弱结合水的蒸发有关。同时，在140 ℃-550 ℃间DTG曲线的微弱波动伴随着粉料中化学结合水的分解。其次，当温度上升至706.8℃时，底灰粉料的质量损失率达到峰值，可能是有机质与未燃尽物质在该温度范围内发生了迅速分解。最后，906 ℃的吸热峰可能归因于SBA中方解石的分解扩散。一般地，方解石的分解温度为830-900℃。因此，本实施例中对焚烧垃圾底灰骨料粉碎后的粉料在750 ℃下进行2 h的热活化，获得焚烧垃圾底灰粉料。
图2为煅烧前后焚烧垃圾底灰粉料的XRD衍射图，图中Q表示石英（Quartz），C表示方解石（Calcite），M表示钙铝石（Mayenite），G表示钙铝黄长石（Gehlenite），K表示微斜长石（Microcline），W表示硅灰石（Wollastonite）、N表示磁铁矿（Magnetite）、A表示刚玉（Corundum），从图中可以看出，在2θ=20°-40°范围内，煅烧前后的底灰都伴有驼峰，并且煅烧后底灰的驼峰更加明显，表明底灰中具有潜在激发活性的玻璃态物质。与煅烧前的底灰相比，煅烧后底灰中石英相和方解石相的峰值强度有所降低，说明生成了更多非晶态相，提高碱化学活性。
实施例2
本实施例焚烧垃圾底灰混凝土，以重量份计，包括以下组分：
焚烧垃圾底灰粗骨料235份
焚烧垃圾底灰细骨料132份
焚烧垃圾底灰粉料47份
固废基微粉62份；
碱激发剂14份
废弃纤维9份
水48份
制备方法同实施例1。
实施例3
本实施例焚烧垃圾底灰混凝土，以重量份计，包括以下组分：
焚烧垃圾底灰粗骨料239份
焚烧垃圾底灰细骨料135份
焚烧垃圾底灰粉料32份
固废基微粉70份；
碱激发剂15份
废弃纤维12份
水47份。
制备方法同实施例1。
测试上述实施例1～3所制备混凝土进行相关性能测试：干密度、抗压强度、抗碳化性能、软化系数、开裂性能等。
具体测试结果如下表所示：
Figure 997825DEST_PATH_IMAGE002
本发明实施例所制备的混凝土，经开裂测试发现在自然环境下半年内无开裂现象，在常温养护下，试件的抗压强度为15～50MPa，且各重金属离子浸出结果均合格，具有绿色环保、高强等优点，实现了废弃物的再生利用，同时产生了资源节约和环境保护的功效。
本发明未述及之处适用于现有技术。

Claims (7)

1.一种焚烧垃圾底灰混凝土，其特征在于，以重量分数计，包括以下组分：焚烧垃圾底灰粉料5-20％，焚烧垃圾底灰骨料65-75％，固废基微粉5-15％，激发剂1-3％，废弃纤维0.1-0.5％及水8-12％；
所述焚烧垃圾底灰粉料和焚烧垃圾底灰骨料中的CaO的质量含量大于35％，SiO2、Al2O3和Fe2O3三者的质量含量之和大于36％，有色金属与黑色金属的总质量低于0.5％；压碎指标小于25％。
2.根据权利要求1所述的焚烧垃圾底灰混凝土，其特征在于，所述焚烧垃圾底灰粉料的粒径为1-200μm，中值粒径为30-50μm；所述焚烧垃圾底灰骨料包括焚烧垃圾底灰细骨料和焚烧垃圾底灰粗骨料，焚烧垃圾底灰细骨料的粒径不小于0.15mm，且小于4.75mm，细度模数1.6-2.5；所述焚烧垃圾底灰粗骨料的粒径为不小于4.75mm且小于31.5mm。
3.根据权利要求1所述的焚烧垃圾底灰混凝土，其特征在于，所述激发剂包括零水硅酸钾、五水硅酸钠、液体硅酸钠或氢氧化钠中的至少一种；
所述固废基微粉为粉煤灰、矿渣、赤泥、镍渣或钢渣中的至少一种；
所述废弃纤维由固体废弃物制成，包括矿渣、赤泥或粉煤灰中的至少一种，长度为5-25mm，密度为1.8-2.4g/cm³。
4.根据权利要求1所述的焚烧垃圾底灰混凝土，其特征在于，所述焚烧垃圾底灰粉料由焚烧垃圾底灰骨料经过球磨和煅烧处理获得，具体处理过程是：对骨料进行球磨，采用球磨机球磨15-25min后，球磨至1-200μm，并在700-800℃下煅烧2-3h，煅烧后不需要自然冷却，直接取出，使其骤冷，获得焚烧垃圾底灰粉料，所述焚烧垃圾底灰粉料的烧失量低于8.5％。
5.根据权利要求1所述的焚烧垃圾底灰混凝土，其特征在于，所述焚烧垃圾底灰骨料需要对焚烧垃圾底灰经过预处理获得，预处理的具体过程包括：首先，将焚烧垃圾底灰放于水中浸泡3-5天，再自然风干3-6个月，按需求初步分挑出大体积的金属制品和大粒径的石块，对挑完的石块和金属制品的物料中明显大或团聚的部分进行敲击，完成破碎处理；完成破碎处理后对固体进行磁选以分离金属杂质，再对磁选后的残渣进行水洗，获得焚烧垃圾底灰骨料；所述焚烧垃圾底灰骨料的烧失量低于10％，焚烧垃圾底灰骨料中的CaO的质量含量为35-45％，SiO2、Al2O3和Fe2O3三者的质量含量之和为36-45％，有色金属与黑色金属的总质量低于0.5％；压碎指标小于25％，表观密度为2100-2500kg/m³，堆积密度为1000-1500kg/m³。
6.根据权利要求1所述的焚烧垃圾底灰混凝土，其特征在于，所述焚烧垃圾底灰粉料和焚烧垃圾底灰骨料中含有的晶相为：石英，方解石，钙铝石，钙铝黄长石，微斜长石，硅灰石、磁铁矿和刚玉。
7.一种权利要求1-6任一所述的焚烧垃圾底灰混凝土的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：
S1，将激发剂和水混合得到液体物料，慢速搅拌1-2分钟；
S2，将焚烧垃圾底灰粉料、骨料及固废基微粉混合，得到混合干料，慢速搅拌3-5分钟；
S3，将液体物料倒入混合干料中，在搅拌机中快慢速交替搅拌3-5分钟；
S4，加入用工业固废制备的废弃纤维，充分混合均匀后装入模具中并振实；
S5，在自然条件下养护1天后拆模，置于标准养护室中密封养护。
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