CN115819002B - 一种生活垃圾焚烧炉渣细集料及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明属于土木工程和固废资源综合利用技术领域，公开了一种生活垃圾焚烧炉渣细集料及其制备方法和应用。本发明所述技术方案包括：对回收的生活垃圾焚烧炉渣经化学溶液浸泡、球磨整形等工艺处理分别制得轻质原料和重质原料，然后将二者分别重构级配后，以质量比1：1～1：2复配制得细集料。本发明通过对生活垃圾焚烧炉渣中不同组成物质分别处置后进行复配，提供了一种高强、高内养护效果且性能可控的新型环保细集料的制备方法，在能够处理固废的同时，显著降低混凝土生产成本。
Description
技术领域
本发明涉及土木工程和固废资源综合利用技术领域，尤其涉及一种生活垃圾焚烧炉渣细集料及其制备方法和应用。
背景技术
随着经济发展，城市化进程不断加快，城市中生活垃圾产生量及堆存量急剧增加，焚烧法因具备减容化和无害化的优势受到较多关注。但焚烧过程中产生大量炉渣堆积，如何妥善处置利用炉渣已成为固废、环保领域的研究重点。与此同时，砂石资源作为各类基础设施建设过程中用量最大且不可或缺的材料，在当前市场仍然有较大的需求，但总体产能偏紧。砂石资源的过分开产严重破坏生态环境，背离可持续发展理念。开发利用新集料不仅能节省处置费用，减少因填埋而引起的占用耕地，还可以缓解天然砂资源匮乏的压力，促进建筑行业可持续发展。
生活垃圾焚烧炉渣资源化利用途径较多，可用于道路建设、水泥生料和矿物掺合料的生产。基于炉渣中包含较多金属单质，如铜、锌、铁和铝等，金属资源回收在实际生活生产中得到广泛应用。随着垃圾焚烧厂在国内进一步推广建设，相应的金属回收工厂也配套建设，经处理后的炉渣粒径在10mm以下，表现出疏松多孔、组分复杂、粒径分布不均匀的特点，直接使用与水泥基材料的兼容性较差。
发明内容
本发明的目的在于提供一种生活垃圾焚烧炉渣细集料及其制备方法和应用，以解决现有技术中生活垃圾焚烧炉渣与水泥基材料兼容性差的技术问题。
为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：
本发明提供了一种生活垃圾焚烧炉渣细集料，所述细集料由轻质原料与重质原料组成，所述轻质原料与重质原料的质量比为1：1～1：2；
所述轻质原料的制备原料为生活垃圾焚烧炉渣A，所述生活垃圾焚烧炉渣A的堆积密度≤900kg/m3；
所述重质原料的制备原料为生活垃圾焚烧炉渣B，所述生活垃圾焚烧炉渣B的堆积密度>900kg/m3。
优选的，在上述一种生活垃圾焚烧炉渣细集料中，所述轻质原料的制备过程，包括以下步骤：
将生活垃圾焚烧炉渣A浸泡于碳酸钠溶液中，将浸泡后的生活垃圾焚烧炉渣A再浸泡于氢氧化钠溶液中，浸泡完成后得到轻质原料。
优选的，在上述一种生活垃圾焚烧炉渣细集料中，所述生活垃圾焚烧炉渣A与碳酸钠溶液的固液比为0.5～3kg：8～12L，所述浸泡于碳酸钠溶液中的时间为0.5～3d，所述碳酸钠溶液的浓度为0.25～3mol/L。
优选的，在上述一种生活垃圾焚烧炉渣细集料中，所述浸泡后的生活垃圾焚烧炉渣A与氢氧化钠溶液的固液比为0.5～3kg：8～12L，所述浸泡于氢氧化钠溶液中的时间为0.5～3d，所述氢氧化钠溶液的浓度为0.5～3mol/L。
优选的，在上述一种生活垃圾焚烧炉渣细集料中，所述重质原料的制备过程，包括以下步骤：
采用钢球对生活垃圾焚烧炉渣B进行球磨，然后采用筛网对球磨后的生活垃圾焚烧炉渣B进行筛分除料，得到重质原料。
优选的，在上述一种生活垃圾焚烧炉渣细集料中，所述钢球与生活垃圾焚烧炉渣B的质量比为0.5～1.5：1～2，所述钢球的直径为30～60mm，所述球磨的时间为0.5～3h，所述重质原料的粒径≥150μm。
本发明还提供了一种生活垃圾焚烧炉渣细集料的制备方法，包括以下步骤：
(1)分别对轻质原料、重质原料按照公称粒径150μm、300μm、600μm、1.18mm、2.36mm、4.75mm进行筛分分类；
(2)参照国家标准《建设用砂》设计级配和细度模数，分别配制出二区中砂级别的轻质原料和二区中砂级别的重质原料；
(3)将二区中砂级别的轻质原料和二区中砂级别的重质原料混合，得到生活垃圾焚烧炉渣细集料；所述二区中砂级别的轻质原料与二区中砂级别的重质原料混合的质量比与权利要求1中所述轻质原料与重质原料的质量比一致。
本发明还提供了一种生活垃圾焚烧炉渣细集料在混凝土内养护中的应用。
经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
(1)本发明中所述轻质原料以熔体质为主，以熔体质为主的轻质原料结构多孔，内比表面积大，会吸附部分微量物质，通过碳酸钠溶液浸泡处理炉渣，可以降低硫酸盐、氯化物和硫化物的含量，去除残余的小粒径金属铝，保证炉渣细集料在应用过程中的环境安全性。同时，熔体质物料水化活性高，利用碱性溶液浸泡可以与其中无定形态物质反应，强化骨架，增加骨料强度。
(2)本发明中所述重质原料以玻璃质、陶瓷质为主，利用球磨对该重质原料进行整形，增加其圆度，有利于提高配制混凝土的工作性能及力学性能。
(3)本发明对回收的生活垃圾焚烧炉渣经化学溶液浸泡、球磨整形工艺处理分别制得轻质原料和重质原料，然后将二者分别重构级配后，提供了一种高强、高内养护效果且性能可控的新型环保细集料的制备方法，能够在处理固废的同时，显著降低混凝土生产成本。另外，本发明可以通过对轻质原料及重质原料比例的调节，达到对内养护作用、混凝土力学性能可控调节的目的，可以满足不同工况需求。
具体实施方式
本发明提供了一种生活垃圾焚烧炉渣细集料，所述细集料由轻质原料与重质原料组成，所述轻质原料与重质原料的质量比优选为1：1～1：2，进一步优选为1：1.2～1：1.7，更优选为1：1.5；
所述轻质原料的制备原料为生活垃圾焚烧炉渣A，所述生活垃圾焚烧炉渣A的堆积密度优选为≤900kg/m3，进一步优选为200～900kg/m3，更优选为300、400或500kg/m3；
所述重质原料的制备原料为生活垃圾焚烧炉渣B，所述生活垃圾焚烧炉渣B的堆积密度优选为>900kg/m3，进一步优选为910～2000kg/m3，更优选为1000、1100或1200kg/m3。
在本发明中，所述生活垃圾焚烧炉渣A、生活垃圾焚烧炉渣B优选为环保科技公司回收的生活垃圾焚烧炉渣。
在本发明中，所述生活垃圾焚烧炉渣A、生活垃圾焚烧炉渣B优选为已经过破碎、筛分、磁选除金属铁和涡旋筛分除金属铝，不会影响水泥基材料的品质，也不会对环境造成不利影响。
在本发明中，所述生活垃圾焚烧炉渣A、B均为生活垃圾焚烧炉渣经平抛机抛洒，并依据抛洒距离由近至远逐次测量物料的堆积密度。
在本发明中，所述轻质原料的制备过程，包括以下步骤：
将生活垃圾焚烧炉渣A浸泡于碳酸钠溶液中，将浸泡后的生活垃圾焚烧炉渣A再浸泡于氢氧化钠溶液中，浸泡完成后得到轻质原料。
在本发明中，所述生活垃圾焚烧炉渣A浸泡于碳酸钠溶液过程中还包括间隔一定时间进行搅拌。
在本发明中，所述生活垃圾焚烧炉渣A与碳酸钠溶液的固液比优选为0.5～3kg：8～12L，进一步优选为0.7～2.8kg：8.5～11.5L，更优选为1.5kg：11L。
在本发明中，所述浸泡于碳酸钠溶液中的时间优选为0.5～3d，进一步优选为0.5、1、1.5、2、2.5或2d，更优选为1、1.5或2d。
在本发明中，所述碳酸钠溶液的浓度优选为0.25～3mol/L，进一步优选为0.25、0.5、0.75、1、1.25、1.5、1.75、2、2.25、2.5、2.75或3mol/L，更优选为0.25、0.5、0.75或1mol/L。
在本发明中，所述生活垃圾焚烧炉渣A浸泡于碳酸钠溶液后还包括：使用水对生活垃圾焚烧炉渣A进行清洗，然后自然晾干。
在本发明中，所述生活垃圾焚烧炉渣A浸泡于氢氧化钠溶液过程中还包括间隔一定时间进行搅拌。
在本发明中，所述浸泡后的生活垃圾焚烧炉渣A与氢氧化钠溶液的固液比优选为0.5～3kg：8～12L，进一步优选为0.8～2.5kg：9～11.5L，更优选为1kg：10L。
在本发明中，所述浸泡于氢氧化钠溶液中的时间优选为0.5～3d，进一步优选为0.5、1、1.5、2、2.5或3d，更优选为0.5、1或1.5d。
在本发明中，所述氢氧化钠溶液的浓度优选为0.5～3mol/L，进一步优选为0.5、1、1.5、2、2.5或3mol/L，更优选为0.5、1或1.5mol/L。
在本发明中，所述生活垃圾焚烧炉渣A浸泡于氢氧化钠溶液后还包括：使用水对生活垃圾焚烧炉渣A进行清洗，然后自然晾干。
在本发明中，所述重质原料的制备过程，包括以下步骤：
采用钢球对生活垃圾焚烧炉渣B进行球磨，然后采用筛网对球磨后的生活垃圾焚烧炉渣B进行筛分除料，得到重质原料。
在本发明中，所述生活垃圾焚烧炉渣B进行球磨前还包括：将生活垃圾焚烧炉渣B置于搅拌机或混料机中混合均匀。
在本发明中，所述钢球与生活垃圾焚烧炉渣B的质量比优选为0.5～1.5：1～2，进一步优选为0.7～1.3：1.2～2.8，更优选为1～1.5。
在本发明中，所述钢球的直径优选为30～60mm，进一步优选为30、35、40、45、50、55或60mm，更优选为40、45或50mm。
在本发明中，所述球磨的时间优选为0.5～3h，进一步优选为0.5、1、1.5、2、2.5或3h，更优选为0.5、1或1.5h。
在本发明中，所述重质原料的粒径优选为≥150μm，进一步优选为150μm～～4.75mm，更优选为300μm～2.36mm。
本发明还提供了一种生活垃圾焚烧炉渣细集料的制备方法，包括以下步骤：
(1)分别对轻质原料、重质原料按照公称粒径150μm、300μm、600μm、1.18mm、2.36mm、4.75mm进行筛分分类；
(2)参照国家标准《建设用砂》设计级配和细度模数，分别配制出二区中砂级别的轻质原料和二区中砂级别的重质原料；
(3)将二区中砂级别的轻质原料和二区中砂级别的重质原料混合，得到生活炉渣焚烧细集料；所述二区中砂级别的轻质原料与二区中砂级别的重质原料混合的质量比与权利要求1中所述轻质原料与重质原料的质量比一致。
本发明还提供了一种生活垃圾焚烧炉渣细集料在混凝土内养护中的应用。
下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
生活垃圾焚烧炉渣细集料由轻质原料与重质原料组成，其中轻质原料与重质原料的质量比为1：1。
所述轻质原料由堆积密度为800kg/m3的生活垃圾焚烧炉渣A制备得到，具体的制备过程，包括以下步骤：
将生活垃圾焚烧炉渣A浸泡于0.25mol/L的碳酸钠溶液中，浸泡1d，其中生活垃圾焚烧炉渣A与碳酸钠溶液的固液比为1kg：10L，浸泡期间间隔2h在搅拌速度为140r/min下搅拌20min，浸泡完成后采用水对生活垃圾焚烧炉渣进行清洗并晾干得到浸泡后的生活垃圾焚烧炉渣A；将浸泡后的生活垃圾焚烧炉渣A浸泡于1mol/L的氢氧化钠溶液中，浸泡1d，其中浸泡后的生活垃圾焚烧炉渣A与氢氧化钠溶液的固液比为1kg：10L，浸泡期间间隔2h在搅拌速度为140r/min下搅拌20min，浸泡完成后采用水对生活垃圾焚烧炉渣进行清洗并晾干得轻质物料。
所述重质原料由堆积密度为950kg/m3的生活垃圾焚烧炉渣B制备得到，具体的制备过程，包括以下步骤：
将生活垃圾焚烧炉渣B在搅拌机中混合均匀后，采用直径为40mm的钢球对生活垃圾焚烧炉渣B进行球磨，其中钢球与生活垃圾焚烧炉渣B的质量比为1：1.2，球磨1h后，采用筛网对球磨后的生活垃圾焚烧炉渣B进行筛分除料，得到重质原料，所述重质原料的粒径≥150μm。
所述生活垃圾焚烧炉渣细集料的制备方法，包括以下步骤：
(1)分别对轻质原料、重质原料按照公称粒径150μm、300μm、600μm、1.18mm、2.36mm、4.75mm进行筛分分类；
(2)参照国家标准《建设用砂》设计级配和细度模数，分别配制出二区中砂级别的轻质原料和二区中砂级别的重质原料，所述二区中砂级别的轻质原料和二区中砂级别的重质原料中150μm、300μm、600μm、1.18mm、2.36mm、4.75mm各公称粒径对应的累计筛余分别为95％、80％、60％、30％、13％及5％；
(3)将二区中砂级别的轻质原料和二区中砂级别的重质原料混合，得到生活垃圾焚烧炉渣细集料。
所述生活垃圾焚烧炉渣细集料在混凝土养护中的应用，具体方法为：
分别称取水泥35kg、粉煤灰4kg、矿粉4.5kg、硅灰6.5kg、生活垃圾焚烧炉渣细集料43kg、水9kg、钢纤维8kg、外加剂1.15kg分开放置；将生活垃圾焚烧炉渣细集料置于水中浸泡24h后取出，自然风干至饱和面干状态，得到预湿细集料；将预湿细集料与其他材料混合均匀后成型养护至指定龄期测定其性能。
实施例2
生活垃圾焚烧炉渣细集料由轻质原料与重质原料组成，其中轻质原料与重质原料的质量比为1：1.5。
所述轻质原料由堆积密度为800kg/m3的生活垃圾焚烧炉渣A制备得到，具体的制备过程，包括以下步骤：
将生活垃圾焚烧炉渣A浸泡于0.25mol/L的碳酸钠溶液中，浸泡1d，其中生活垃圾焚烧炉渣A与碳酸钠溶液的固液比为1kg：10L，浸泡期间间隔2h在搅拌速度为140r/min下搅拌20min，浸泡完成后采用水对生活垃圾焚烧炉渣进行清洗并晾干得到浸泡后的生活垃圾焚烧炉渣A；将浸泡后的生活垃圾焚烧炉渣A浸泡于1mol/L的氢氧化钠溶液中，浸泡1d，其中浸泡后的生活垃圾焚烧炉渣A与氢氧化钠溶液的固液比为1kg：10L，浸泡期间间隔2h在搅拌速度为140r/min下搅拌20min，浸泡完成后采用水对生活垃圾焚烧炉渣进行清洗并晾干得轻质物料。
所述重质原料由堆积密度为950kg/m3的生活垃圾焚烧炉渣B制备得到，具体的制备过程，包括以下步骤：
将生活垃圾焚烧炉渣B在搅拌机中混合均匀后，采用直径为40mm的钢球对生活垃圾焚烧炉渣B进行球磨，其中钢球与生活垃圾焚烧炉渣B的质量比为1：1.2，球磨1h后，采用筛网对球磨后的生活垃圾焚烧炉渣B进行筛分除料，得到重质原料，所述重质原料的粒径≥150μm。
所述生活垃圾焚烧炉渣细集料的制备方法，包括以下步骤：
(1)分别对轻质原料、重质原料按照公称粒径150μm、300μm、600μm、1.18mm、2.36mm、4.75mm进行筛分分类；
(2)参照国家标准《建设用砂》设计级配和细度模数，分别配制出二区中砂级别的轻质原料和二区中砂级别的重质原料，所述二区中砂级别的轻质原料和二区中砂级别的重质原料中150μm、300μm、600μm、1.18mm、2.36mm、4.75mm各公称粒径对应的累计筛余分别为95％、80％、60％、30％、13％及5％；
(3)将二区中砂级别的轻质原料和二区中砂级别的重质原料混合，得到生活垃圾焚烧炉渣细集料。
所述生活垃圾焚烧炉渣细集料在混凝土内养护中的应用为，具体方法：
分别称取水泥35kg、粉煤灰4kg、矿粉4.5kg、硅灰6.5kg、生活垃圾焚烧炉渣细集料43kg、水9kg、钢纤维8kg、外加剂1.15kg分开放置；将生活垃圾焚烧炉渣细集料置于水中浸泡24h后取出，自然风干至饱和面干状态，得到预湿细集料；将预湿细集料与其他材料混合均匀后成型养护至指定龄期测定其性能。
对比例1
细集料的选择：选取0.15～4.75mm连续级配陶砂作为对比例中所用细集料，陶砂为市售页岩陶粒破碎制成，陶砂150μm、300μm、600μm、1.18mm、2.36mm、4.75mm各公称粒径对应的累计筛余分别是90％、75％、52％、45％、24％及7％；陶粒表观密度为850kg/m3，筒压强度为6.2MPa；
细集料在混凝土内养护中的应用，具体方法：分别称取水泥35kg、粉煤灰4kg、矿粉4.5kg、硅灰6.5kg、陶砂43kg、水9kg、钢纤维8kg、外加剂1.15kg分开放置；将陶砂置于水中浸泡24h后取出，自然风干至饱和面干状态，得到预湿细集料；将预湿细集料与其他材料置于混凝土搅拌锅中混合均匀后成型养护至指定龄期测定其性能。
实施例1、2以及对比例1中所述的外加剂均为聚羧酸系高性能减水剂，生产厂家为大连博诺生物化学试剂厂。
实施效果验证
按本发明实施例1-2和对比例1中试验组配方进行试验，测其7d、28d的抗压强度值和收缩率。其中，扩展度参照GB/T50080进行测试，抗压强度测试方法参照GB/T50010相关规定进行，收缩率测试参照GB/T50082相关规定进行。试验结果如表1所示。
表1实施例及对比例测试结果
由表1可知，对比实施例1与对比例1，由实施例1中所述生活垃圾焚烧炉渣细集料制备得到的混凝土抗压强度略低于对比例，但扩展度及28d收缩率均低于对比例。说明本发明所述生活垃圾焚烧炉渣细集料组成成分中轻质原料含量占比为50％时，相较于当前主流的高标准多孔陶粒做内养护集料，能够起到更加优良的内养护作用，同时对混凝土力学性能也不会产生明显不利影响。
由表1可知，对比实施例2与对比例1，由实施例2中所述生活垃圾焚烧炉渣细集料制备得到的混凝土抗压强度高于对比例，扩展度二者相当，但28d收缩率略大于对比例。说明本发明所述生活垃圾焚烧炉渣细集料组成成分中重质原料含量较高时，细集料整体对于混凝土力学性能的影响是优于前主流的高标准多孔陶粒，同时的内养护效果良好。
由表1可知，对比实施例1与实施例2，采用本发明制备的生活垃圾焚烧炉渣细集料作为混凝土的内养护集料时，混凝土的工作性能、力学性能及耐久性能表现良好。另外，本发明可以通过对轻质原料及重质原料比例的调节，达到对内养护作用、混凝土力学性能可控调节的目的，可以满足不同工况需求。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种生活垃圾焚烧炉渣细集料，其特征在于，所述细集料由轻质原料与重质原料组成，所述轻质原料与重质原料的质量比为1：1～1：2；
所述轻质原料的制备原料为生活垃圾焚烧炉渣A，所述生活垃圾焚烧炉渣A的堆积密度≤900kg/m3；
所述重质原料的制备原料为生活垃圾焚烧炉渣B，所述生活垃圾焚烧炉渣B的堆积密度>900kg/m3；
所述轻质原料的制备过程，包括以下步骤：
将生活垃圾焚烧炉渣A浸泡于碳酸钠溶液中，将浸泡后的生活垃圾焚烧炉渣A再浸泡于氢氧化钠溶液中，浸泡完成后得到轻质原料；
所述重质原料的制备过程，包括以下步骤：
采用钢球对生活垃圾焚烧炉渣B进行球磨，然后采用筛网对球磨后的生活垃圾焚烧炉渣B进行筛分除料，得到重质原料。
2.根据权利要求1所述的生活垃圾焚烧炉渣细集料，其特征在于，所述生活垃圾焚烧炉渣A与碳酸钠溶液的固液比为0.5～3kg：8～12L，所述浸泡于碳酸钠溶液中的时间为0.5～3d，所述碳酸钠溶液的浓度为0.25～3mol/L。
3.根据权利要求2所述的生活垃圾焚烧炉渣细集料，其特征在于，所述浸泡后的生活垃圾焚烧炉渣A与氢氧化钠溶液的固液比为0.5～3kg：8～12L，所述浸泡于氢氧化钠溶液中的时间为0.5～3d，所述氢氧化钠溶液的浓度为0.5～3mol/L。
4.根据权利要求1所述的生活垃圾焚烧炉渣细集料，其特征在于，所述钢球与生活垃圾焚烧炉渣B的质量比为0.5～1.5：1～2，所述钢球的直径为30～60mm，所述球磨的时间为0.5～3h，所述重质原料的粒径≥150μm。
5.权利要求1～4任一项所述的生活垃圾焚烧炉渣细集料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)分别对轻质原料、重质原料按照公称粒径150μm、300μm、600μm、1.18mm、2.36mm、4.75mm进行筛分分类；
(2)参照国家标准《建设用砂》设计级配和细度模数，分别配制出二区中砂级别的轻质原料和二区中砂级别的重质原料；
(3)将二区中砂级别的轻质原料和二区中砂级别的重质原料混合，得到生活垃圾焚烧炉渣细集料；所述二区中砂级别的轻质原料与二区中砂级别的重质原料混合的质量比与权利要求1中所述轻质原料与重质原料的质量比一致。
6.权利要求1～4任一项所述的生活垃圾焚烧炉渣细集料在混凝土内养护中的应用。
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2022
- 2022-11-10 CN CN202211405758.4A patent/CN115819002B/zh active Active
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|---|
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
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