CN115849835B - 一种生物质焚烧灰渣制备水泥稳定碎石材料的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于建筑材料领域。提供了一种生物质焚烧灰渣制备水泥稳定碎石材料的方法，将生物质焚烧灰渣加入提铜尾渣在750℃焙烧135min后，其大部分游离的Cl‑转化为FeCl3挥发出去，减少了游离的Cl‑对水泥稳定碎石材料的影响；将除游离Cl‑的生物质焚烧灰渣继续再1100℃煅烧120min，煅烧成长石结构，固定了游离的Na+和K+，保证了水泥稳定碎石材料的稳定性；将生物质焚烧灰渣和洗砂滤饼按照1:1比例混合，在水溶液中高压100℃温度下得到功能吸附剂，将其加入到水泥稳定碎石材料，进一步吸附材料和环境有害离子，解决了环境问题。本发明实现生物质焚烧灰渣大规模利用，其产品具有优良的抗收缩性能和力学性能。
Description
技术领域
本发明属于建筑材料领域，具体涉及公路工程建设用水泥稳定碎石半刚性基层材料。
技术背景
生物质能作为最具潜力的可再生能源，已成为仅次于煤炭、石油和天然气的第四大能源，开发潜力十分巨大。生物质发电的推广应用，将是实现“双碳”目标的有效技术途径。生物质能规模化应用最大的难点在于生物质电厂灰渣的无害化、规模化、资源化利用，当前生物质焚烧灰渣的主要处理和利用方式有填埋、土壤改良剂、肥料、吸附剂和催化剂、建筑材料等。然而生物质焚烧灰渣成分复杂，相比于其他处理方式，目前只有建材资源化综合处置能够实现灰渣的分级规模化、无害化利用，具有良好环境和经济效益，生物质焚烧灰渣的建材资源化利用或将是解决灰渣大量堆存的有效途径。
生物质灰渣的主要由SiO2、CaO、Al2O3、Fe2O3、MgO及钠、钾盐类矿物，部分微量元素Mn、Ti和重金属元素Cd、Pb、As、Hg等组成。由于产地不同、煅烧工艺不同，生物质灰的化学组成含量会有所波动。生物质灰渣经过磨细后具有与粉煤灰类似的火山灰活性，可作为掺合料添加到混凝土等建材中减少成本，但是生物质灰渣含碳量较高，且含有较多游离的Cl-、Na+和K+，降低了建筑材料的强度，减少了建筑材料的使用寿命。
目前生物质灰渣的建材资源化利用方式主要有3个方面，一是在水泥混凝土中替代水泥熟料或者作为矿物掺合料使用；二是在黏土砖和陶瓷中作为添加剂应用；三是作为水泥稳定碎石材料的掺合料和充填料。生物质灰渣具有较好的耐受能力和稳定性，能够吸收水分发生火山灰反应，形成致密的水化硅酸钙(C—S—H)等胶凝物质，是制备水泥稳定碎石材料良好的原材料。但是生物质电厂灰渣建材资源化利用中仍存在一些问题亟待解决：①生物质灰渣成分复杂，实现生物质灰渣高掺量利用，仍存在一定的技术难点；②目前的研究仅考虑了单一生物质电厂灰渣对建材性能的影响，与其他固废综合利用的研究水平仍然不足，例如，与粉煤灰、钢渣、赤泥、矿渣的联合应用。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种生物质焚烧灰渣制备水泥稳定碎石材料的方法。生物质焚烧灰渣经过预处理去除游离的Cl-、Na+和K+，可替代粉煤灰制备水泥稳定碎石材料，实现节能、节材、保护环境、减少污染和降低工程造价。
本发明采用如下技术方案：
为实现上述目的，本发明提供的利用生物质焚烧灰渣备水泥稳定碎石材料的方法，其特征在于，包含以下步骤：
(1)按重量份计，取20份生物质焚烧灰和80份生物质焚烧渣，在750℃加25份提铜尾渣焙烧135min，再1100℃煅烧120min；冷却后加入0.3份羧甲基纤维素，然后放入球磨机磨制，细度为5μm-10μm，得到生物质焚烧灰渣粉末；
(2)按重量份计，取生物质焚烧灰和洗砂滤饼按照1:1比例混合，在水溶液20-30MPa压力，100℃温度下得到功能吸附剂；
(3)按重量份计，取步骤(1)所得的生物质焚烧灰渣粉末15-25份，细骨料18-21份，粗骨料42-49份，硫铝酸钙0.6-1.2份，硅灰1-2份，步骤(2)所得的功能吸附剂5-7份，水3-4份搅拌充分混合，闷料120min；
(4)按重量份计，取水泥3-5份，水3-4份以及步骤(3)制备混合料搅拌得到水泥稳定碎石材料；
所述细骨料选自天然河砂、机制砂中的至少一种，应洁净、干燥、无风化、无杂质；
所述粗骨料宜采用各种硬质岩石或砾石加工成的碎石,也可直接采用天然砾石，压碎值应≤26％。
优选的，所述的生物质焚烧灰渣CaO含量≥30％。
优选的，所述的提铜尾渣氧化铁含量≥40％，且比表面积为380-450m2/kg。
优选的，所述的洗砂滤饼Al2O3含量≥35％。
优选的，细骨料的粒度范围是0.075-4.75mm。
优选的，所述粗骨料的粒度范围是4.75～31.5mm，优选骨架密实型级配的碎石混合料。
具体的，所述水泥为硅酸盐水泥、硫铝酸盐水泥、矿渣水泥中的一种或几种。
有益效果
本发明与现有技术相比主要优点是：
(1)采用本发明制备的水泥稳定碎石材料耐久性好。本发明将生物质焚烧灰渣加入提铜尾渣在750℃焙烧135min后，其大部分游离的Cl-转化为FeCl3挥发出去，减少了游离的Cl-对水泥稳定碎石材料的影响。
(2)采用本发明制备的水泥稳定碎石材料稳定性好。本发明将除游离Cl-的生物质焚烧灰渣继续再1100℃煅烧120min，煅烧成长石结构，固定了游离的Na+和K+，保证了水泥稳定碎石材料的稳定性。
(3)采用本发明制备的水泥稳定碎石材料环保性较好。本发明将生物质焚烧灰渣和洗砂滤饼按照1:1比例混合，在水溶液中高压100℃温度下得到功能吸附剂，将其加入到水泥稳定碎石材料，进一步吸附材料和环境的有害离子，解决了环境问题。
具体实施方式
为使本发明的目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合具体实施例对本发明的技术方案做详细的说明。在下面的描述中阐述具体细节以便于充分理解本发明，本领域技术人员可以在不违背本发明构思的情况下做类似改进，因此本发明的保护范围不受下面公开的具体实施例的限制。
本发明提供的利用生物质焚烧灰渣制备水泥稳定碎石基层的方法，由该方法制备的水泥稳定碎石材料，按照标准《公路工程无机结合料稳定材料试验规程JTG E51—2009》进行性能研究。
采用的水泥为P.O 42.5的普通硅酸盐水泥。
具体实施中，采用以下成分配比的方法均可实现本发明的目的，具体实施例选取较优实施例进行呈现。
(1)按重量份计，取20份生物质焚烧灰和80份生物质焚烧渣，在750℃加25份提铜尾渣焙烧135min，再1100℃煅烧120min；冷却后加入0.3份羧甲基纤维素，然后放入球磨机磨制，细度为5μm-10μm，得到生物质焚烧灰渣粉末；
(2)按重量份计，取生物质焚烧灰和洗砂滤饼按照1:1比例混合，在水溶液20-30MPa压力，100℃温度下得到功能吸附剂；
(3)将处理后的生物质焚烧灰渣粉15-25份，细骨料18-21份，粗骨料42-49份，硫铝酸钙0.6-1.2份，硅灰1-2份，功能吸附剂5-7份，水3-4份搅拌充分混合，闷料120min；
(4)再加入水泥3-5份，水3-4份得到水泥稳定碎石材料混合料；
所述细骨料选自天然河砂、机制砂中的至少一种，应洁净、干燥、无风化、无杂质。
所述粗骨料宜采用各种硬质岩石或砾石加工成的碎石,也可直接采用天然砾石，压碎值应≤26％。
为了得到更佳的效果，按以下标准进行调整：所述生物质焚烧灰渣CaO含量≥30％；所述的提铜尾渣氧化铁含量≥40％，且比表面积为380-450m2/kg；所述的洗砂滤饼Al2O3含量≥35％；细骨料的粒度范围0.075-4.75mm；粗骨料的粒度范围是4.75～31.5mm，优选骨架密实型级配的碎石混合料。
实施例一：
一种生物质焚烧灰渣制备水泥稳定碎石材料的方法，过程如下：
(1)按重量份计，取20份生物质焚烧灰和80份生物质焚烧渣，在750℃加25份提铜尾渣焙烧135min，再1100℃煅烧120min；冷却后加入0.3份羧甲基纤维素，然后放入球磨机磨制，细度为5μm-10μm，得到生物质焚烧灰渣粉末；
(2)按重量份计，取生物质焚烧灰和洗砂滤饼按照1:1比例混合，在水溶液20-30MPa压力，100℃温度下得到功能吸附剂；
(3)将处理后的生物质焚烧灰渣粉15份，细骨料20份，粗骨料45份，硫铝酸钙0.8份，硅灰1份，功能吸附剂5份，水3.5份搅拌充分混合，闷料120min；
(4)再加入水泥5份，水3.5份得到水泥稳定碎石材料混合料。
性能测试：将制备的水泥稳定碎石材料进行性能测试，包括最大干密度、最佳含水率的测定，抗压强度、干缩性能测试等；
测试结果如下表所示：
实施例二：
一种生物质焚烧灰渣制备水泥稳定碎石材料的方法，过程如下：
(1)按重量份计，取20份生物质焚烧灰和80份生物质焚烧渣，在750℃加25份提铜尾渣焙烧135min，再1100℃煅烧120min；冷却后加入0.3份羧甲基纤维素，然后放入球磨机磨制，细度为5μm-10μm，得到生物质焚烧灰渣粉末；
(2)按重量份计，取生物质焚烧灰和洗砂滤饼按照1:1比例混合，在水溶液20-30MPa压力，100℃温度下得到功能吸附剂；
(3)将处理后的生物质焚烧灰渣粉末18份，细骨料20份，粗骨料45份，硫铝酸钙0.8份，硅灰1份，功能吸附剂5份，水3.5份搅拌充分混合，闷料120min；
(4)再加入水泥4.5份，水3.5份得到水泥稳定碎石材料混合料。
性能测试：将制备的水泥稳定碎石材料进行性能测试，包括最大干密度、最佳含水率的测定，抗压强度、干缩性能测试等；
测试结果如下表所示：
实施例三：
一种生物质焚烧灰渣制备水泥稳定碎石材料的方法，过程如下：
(1)按重量份计，取20份生物质焚烧灰和80份生物质焚烧渣，在750℃加25份提铜尾渣焙烧135min，再1100℃煅烧120min；冷却后加入0.3份羧甲基纤维素，然后放入球磨机磨制，细度为5μm-10μm，得到生物质焚烧灰渣粉末；
(2)按重量份计，取生物质焚烧灰和洗砂滤饼按照1:1比例混合，在水溶液20-30MPa压力，100℃温度下得到功能吸附剂；
(3)将处理后的生物质焚烧灰渣粉末21份，细骨料20份，粗骨料45份，硫铝酸钙0.8份，硅灰1份，功能吸附剂5份，水3.5份搅拌充分混合，闷料120min；
(4)再加入水泥4份，水3.5份得到水泥稳定碎石材料混合料。
性能测试：将制备的水泥稳定碎石材料进行性能测试，包括最大干密度、最佳含水率的测定，抗压强度、干缩性能测试等；
测试结果如下表所示：
实施例四：
一种生物质焚烧灰渣制备水泥稳定碎石材料的方法，过程如下：
(1)按重量份计，取20份生物质焚烧灰和80份生物质焚烧渣，在750℃加25份提铜尾渣焙烧135min，再1100℃煅烧120min；冷却后加入0.3份羧甲基纤维素，然后放入球磨机磨制，细度为5μm-10μm，得到生物质焚烧灰渣粉末；
(2)按重量份计，取生物质焚烧灰和洗砂滤饼按照1:1比例混合，在水溶液20-30MPa压力，100℃温度下得到功能吸附剂；
(3)将处理后的生物质焚烧灰渣粉末22份，细骨料20份，粗骨料45份，硫铝酸钙0.8份，硅灰1份，功能吸附剂5份，水3.5份搅拌充分混合，闷料120min；
(4)再加入水泥3.5份，水3.5份得到水泥稳定碎石材料混合料。
性能测试：将制备的水泥稳定碎石材料进行性能测试，包括最大干密度、最佳含水率的测定，抗压强度、干缩性能测试等；
测试结果如下表所示：
实施例五：
一种生物质焚烧灰渣制备水泥稳定碎石材料的方法，过程如下：
(1)按重量份计，取20份生物质焚烧灰和80份生物质焚烧渣，在750℃加25份提铜尾渣焙烧135min，再1100℃煅烧120min；冷却后加入0.3份羧甲基纤维素，然后放入球磨机磨制，细度为5μm-10μm，得到生物质焚烧灰渣粉末；
(2)按重量份计，取生物质焚烧灰和洗砂滤饼按照1:1比例混合，在水溶液20-30MPa压力，100℃温度下得到功能吸附剂；
(3)将处理后的生物质焚烧灰渣粉末25份，细骨料20份，粗骨料45份，硫铝酸钙0.8份，硅灰1份，功能吸附剂5份，水3.5份搅拌充分混合，闷料120min；
(4)再加入水泥3份，水3.5份得到水泥稳定碎石材料混合料。
性能测试：将制备的水泥稳定碎石材料进行性能测试，包括最大干密度、最佳含水率的测定，抗压强度、干缩性能测试等；
测试结果如下表所示：
对比例一：
一种生物质焚烧灰渣制备水泥稳定碎石材料的方法，过程如下：
(1)按重量份计，取生物质焚烧灰和洗砂滤饼按照1:1比例混合，在水溶液20-30MPa压力，100℃温度下得到功能吸附剂；
(2)将粉煤灰20份，细骨料20份，粗骨料45份，硫铝酸钙0.8份，硅灰1份，功能吸附剂5份，水3.5份搅拌充分混合，闷料120min；
(3)再加入水泥3份，水3.5份得到水泥稳定碎石材料混合料。
性能测试：将制备的水泥稳定碎石材料进行性能测试，包括最大干密度、最佳含水率的测定，抗压强度、干缩性能测试等；
测试结果如下表所示：
测试数据表明：改性后的生物质焚烧灰渣粉末作为水泥稳定碎石材料的掺合料，可以完全替代粉煤灰，其强度没有明显变化，甚至有所提高。生物质焚烧灰渣也能部分替代水泥。少量替代水泥其7d无侧限抗压强度有所提高，继续替换时7d无侧限抗压强度减少较为明显。同时生物质焚烧灰渣替代水泥对水泥稳定碎石材料的干缩性能影响较小。
上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的实例，而并非对实施方式的限制。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举，而因此所引申的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种生物质焚烧灰渣制备水泥稳定碎石材料的方法，其特征在于,包含以下步骤：
（1）按重量份计，取20份生物质焚烧灰和80份生物质焚烧渣，在750℃加25份提铜尾渣焙烧135min，再1100℃煅烧120min；冷却后加入0.3份羧甲基纤维素，然后放入球磨机磨制，细度为5μm-10μm，得到生物质焚烧灰渣粉末；
（2）按重量份计，取生物质焚烧灰和洗砂滤饼按照1:1比例混合，在水溶液20-30MPa压力，100℃温度下得到功能吸附剂；
（3）按重量份计，取步骤（1）所得的生物质焚烧灰渣粉末15-25份，细骨料18-21份，粗骨料42-49份，硫铝酸钙0.6-1.2份，硅灰1-2份，步骤（2）所得的功能吸附剂5-7份，水3-4份搅拌充分混合，闷料120min；
（4）按重量份计，取水泥3-5份，水3-4份以及步骤（3）制备混合料搅拌得到水泥稳定碎石材料；
所述细骨料选自天然河砂、机制砂中的至少一种，所述细骨料洁净、干燥、无风化、无杂质；所述粗骨料宜采用各种硬质岩石或砾石加工成的碎石,或者直接采用天然砾石，压碎值≤26%。
2.如权利要求1所述的一种生物质焚烧灰渣制备水泥稳定碎石材料的方法，其特征在于，所述步骤（3）、（4）为：
（3）按重量份计，取步骤（1）所得的生物质焚烧灰渣粉末15-25份，细骨料20份，粗骨料45份，硫铝酸钙0.8份，硅灰1份，步骤（2）所得的功能吸附剂5份，水3.5份搅拌充分混合，闷料120min；
（4）按重量份计，取水泥3-5份，水3.5份以及步骤（3）制备混合料搅拌得到水泥稳定碎石材料。
3.根据权利要求1或2所述的一种生物质焚烧灰渣制备水泥稳定碎石材料的方法，其特征在于，所述的生物质焚烧灰渣CaO含量≥30%。
4.根据权利要求1或2所述的一种生物质焚烧灰渣制备水泥稳定碎石材料的方法，其特征在于，所述的提铜尾渣氧化铁含量≥40%，且比表面积为380-450m2／kg。
5.根据权利要求1或2所述的一种生物质焚烧灰渣制备水泥稳定碎石材料的方法，其特征在于，所述的洗砂滤饼Al2O3含量≥35%。
6.根据权利要求1或2所述的一种生物质焚烧灰渣制备水泥稳定碎石材料的方法，其特征在于，所述细骨料的粒度范围是0.075～4.75mm。
7.根据权利要求1或2所述的一种生物质焚烧灰渣制备水泥稳定碎石材料的方法，其特征在于，所述粗骨料的粒度范围是4.75～31.5mm。
8.根据权利要求1或2所述的一种生物质焚烧灰渣制备水泥稳定碎石材料的方法，其特征在于，所述水泥为硅酸盐水泥、硫铝酸盐水泥、矿渣水泥中的一种或几种。
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