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固体废弃物及其在建筑材料中的应用(上)

固体废弃物及其在建筑材料中的应用谢 尧 生(中国建筑材料科学研究院)摘 要:本文介绍了矿业废弃物、工业废弃物、城市废弃物、农业废弃物的性能,并从作集料、作胶凝材料组分简介了在水泥、水泥砂浆和混凝土以及新型墙体

固体废弃物及其在建筑材料中的应用

谢  尧  生

(中国建筑材料科学研究院)

摘  要:本文介绍了矿业废弃物、工业废弃物、城市废弃物、农业废弃物的性能,并从作集料、作胶凝材料组分简介了在水泥、水泥砂浆和混凝土以及新型墙体材料中的应用,同时还介绍了作为原材料应对固体废弃物进行加工。

关键词:矿业废弃物、工业废弃物、城市废弃物、农业废弃物、集料、胶凝材料组分(混合材料或矿物细掺料)

一、 前言

《国务院关于发展循环经济的若干意见》指出,本世纪头20年,我国处于工业化和城镇化加速发展阶段,面临的资源和环境形势十分严峻。为抓住重要的发展机遇,实现全国建设小康社会的战略目标,必须大力发展循环经济,按照“减量化,再利用,资源化”原则,采取各种有效措施,以尽可能少的资源消耗和尽可能小的环境代价,取得最大的经济产出和最少的废物排放,实现经济、环境和社会效益相统一,建设资源节约型和环境友好型社会。

建筑材料是资源消耗较多,能耗较多,环境影响比较敏感的行业,作为建筑业的物质基础一直处于大发展阶段。因此,资源、能源、环境的制约因素越来越突出。自然资源是有限的,人类已开始面临自然资源日渐枯竭的威胁,而过量地对自然资源的消耗和对废弃物废弃已造成了生态系统的破坏和环境污染等问题,如何保护有限的自然资源,对保护人类的生存环境有着直接的联系。建筑材料是长线产品,要保障建筑材料有源源不断的原材料供给,必须注意对自然资源的节约使用,对固体废弃物的综合利用,实现资源的重复循环。

二、建筑材料可利用的固体废弃物分类

固体废弃物可分为无机和有机废弃物,本文着重于无机废弃物。作为建筑材料的原材料,固体废弃物可分为矿业废弃物、工业废弃物、城市废弃物、农业废弃物。

1.矿业废弃物

大量来自采矿、选矿产生的废石、尾矿,以及选煤废料。采矿过程中产生了大量废料,包括覆盖的岩石、低品位矿石等。岩石成份有火成岩、沉积岩、变质岩等。块大的1m以上,小的不到1mm。尾矿为选矿时排出的细粉状废弃物,尺寸不等,类似粗砂到特细砂。尾矿的成份取决于矿源和选矿方法。如铅锌矿含白云石,CaO和MgO成分较高,金、铁、铜尾矿中硅成分较高。选煤废料主要是煤矸石,成分为硅、铝、铁、钙、硫的氧化物。表1为部分矿业废弃物的化学成分。

表1  某些矿业废弃物的化学成分

废弃物名称

SiO2

Al2O3

Fe2O3

CaO

MgO

SO3

TiO2

K2O

Na2O

烧失量

煤矸石(淮北岱河煤矿)

54.61

18.88

5.70

0.65

1.05

       

15.65

煤矸石(碳质页岩)

39.60

14.60

2.20

0.88

       

3.02

30.00

自然煤矸石(枣庄)

52.82

17.77

9.38

6.08

1.51

4.88

     

5.52

自然煤矸石(阜新)

59.72

16.01

10.01

5.08

2.92

0.88

     

0.46

烧煤矸石(门头沟)

54.40

30.95

4.87

1.53

0.88

0.30

0.13

2.97

1.68

2.26

金矿尾矿粉

70.52

5.01

12.62

3.70

1.20

3.60

     

5.48

硫铁尾矿

39.32

32.87

6.22

1.26

0.83

11.75

5.34

   

14.88

铁尾矿

73.41

7.34

3.55

7.05

2.93

0.06

0.17

2.05

1.44

 

铜尾矿

71.10

13.20

4.90

1.10

2.10

   

3.30

0.30

2.6

铅锌尾矿

43.91

1.24

 

11.81

11.88

ZnO6.17

CO-317.96

 

石膏尾矿(应城)

31.26

9.25

3.26

15.78

4.06

17.23

 

2.31

1.08

16.79

矿业废弃物在各种固体废弃物中的排放量为最大。矿业废弃物有的用于回填,更多是在山沟、河边、地面堆放,占用了土地,影响了环境。堆积的煤矸石还会缓慢自燃,成了持续的污染源。图1照片是堆积在地面的煤矸石山,绝大部分已经自燃,颜色发红。

固体废弃物及其在建筑材料中的应用——《砂浆&保温》整理   固体废弃物及其在建筑材料中的应用——《砂浆&保温》整理

 图1  堆积在地面的煤矸石山

2.工业废弃物

系工业化生产过程中产生的废弃物,有冶金渣,如铜、钼、镍、锡渣,高炉渣,转炉渣,铸造渣等,乃治炼时熔化的非金属矿物冷却后形成的物质。有燃煤产生的灰渣,如粉煤灰、煤渣等,燃煤脱硫产生的固硫灰渣,烟气脱硫石膏,燃烧油母页岩产生的灰渣等。有化学工业产生的废渣,如硫渣、磷渣等。这些工业废渣的成分一般为硅、铝、铁、钙、硫等。部分工业废渣的化学成分列于表2。

表2  某些工业废渣的化学成分

工业废渣名称

SiO2

Al2O3

Fe2O3

CaO

MgO

SO3

TiO2

K2O

Na2O

烧失量

粉煤灰(十里泉一电场)

52.11

26.30

8.73

5.66

1.52

     

2.99

2.11

粉煤灰(十里泉二电场)

55.10

25.28

9.36

5.14

1.36

     

1.28

1.67

粉煤灰(十里泉三电场)

55.26

23.14

13.00

5.29

1.16

     

1.33

0.32

粉煤灰(天津)

28.54

12.63

19.53

29.85

1.10

       

0.45

粉煤灰(北京)

33.20

39.25

8.26

13.49

0.86

       

1.31

粉煤灰(河北)

29.51

34.99

12.20

16.73

4.50

       

0.20

油母页岩灰渣

42.83

18.61

18.11

8.54

0.38

1.32

 

1.58

0.14

4.26

废渣(洛拖)

61.01

7.88

9.36

7.27

3.24

       

8.96

废渣(洛拖)

58.05

7.07

17.56

5.72

3.74

       

4.68

铜渣(建德)

28.92

6.40

59.65

2.72

3.68

         

铬铁渣

28.71

7.01

0.58

50.28

9.13

         

铬渣

43.20

27.20

6.80

12.00

9.40

         

高炉矿渣

25-40

6-15

0.5-1.0

35-45

2-15

0.5-1.5

       

锰渣(河北)

28-31

13-15

 

42-46

4-6

MnO7-8%

     

磷渣(河北)

36.88

3.92

2.93

44.00

1.56

0.18

       

磷渣(贵州)

36.08

4.97

2.88

43.75

2.70

0.18

     

0.82

硫磺渣(建德)

50.17

8.81

25.92

2.64

1.82

5.06

     

2.28

磷石膏(铜陵)

 

0.42

0.56

34.15

0.52

45.58

 

P2O51.71

 

磷石膏(上海)

 

0.29

0.34

28.89

0.40

40.54

     

17.89

脱硫石膏(太原)

3.26

1.90

0.97

31.93

 

40.09

 

0.13

0.05

 

脱硫石膏(重庆)

1.82

0.39

0.20

31.24

0.64

44.23

 

0.13

0.05

 

氟石膏(湘乡)

3.41

0.50

0.47

1.34

0.25

CaF20.75 CaSO45.25 CaSO4·H2O87.45

工业废弃物在靠近城市的地方已得到较好地利用,但更多的被排放在堆场。图2是粉煤灰排放的堆场。 一为干排灰和渣,用翻斗车从电厂运出,为减少运输过程扬尘,粉渣表面喷洒水。另一为湿排灰场,可以看出灰渣对环境的危害。

固体废弃物及其在建筑材料中的应用——《砂浆&保温》整理    固体废弃物及其在建筑材料中的应用——《砂浆&保温》整理

 图2  粉煤灰(渣)堆场

3.城市废弃物

包括生活垃圾、拆毁的建筑、污泥等。随着经济发展,城市和城市人口增加,城市废弃物也逐年增加。美国的城市垃圾在上世纪的80年代增长率为4.5%,年产生量1.72亿吨。我国增长的比例更大,2007年北京市生活垃圾的日产量1.47万吨。对北京市垃圾成分调查的数据,12个样的平均值为:金属0.76,玻璃3.79,纸类6.04,塑料1.88,织物1.74,骨壳0.00,食品32.62,草木1.17,炉灰0.00,灰土47.20,砖瓦4.79。垃圾中一般没有重金属,即使有含量也很少。腐蚀垃圾放射性核素:镭(rd)48.7,钍(Ta)38.0,钾(K)301.5,符合国家标准允许值。

垃圾的处理方式多为堆放(堆肥法),经济发达的城市已采用深埋和焚化。当前北京市生活垃圾的无害化处理主要靠填埋,每年消耗土地达500亩。填埋对周围环境质量影响很大,后期维护成本高,且垃圾里的资源得不到利用。焚化应是处理垃圾最有效的方法,焚烧产生的热能可用于发电,焚化后残渣的体积仅占原体积的20%,甚至更少。但这20%的灰渣仍需要处理,灰渣的化学成分(北京)见表3,从这些分析看,灰渣是可用的,具有一定活性,可作建材的原材料。

表3 焚化后灰渣的化学成分(北京)

 

SiO2

Al2O3

Fe2O3

TiO2

CaO

MgO

烧失量

冬天

47.07

16.54

3.62

0.58

6.87

1.12

11.63

夏天

43.72

19.29

3.20

0.77

7.61

1.19

20.58

城市废弃物中,建筑废弃物主要是指建设、施工单位新建、改建、扩建和拆除各类建筑物、构筑物时产生的弃土、弃料及其它废弃物,主要有废弃混凝土、砂浆、粘土烧结制品(包括砖、瓦、墙地砖等)、玻璃、石材以及金属、竹木材、沥青、有机塑料等组成。据介绍,我国建筑垃圾的数量目前已占到城市垃圾总量的30%~40%,每1万m2建筑施工的工程中仅建筑废渣就会产生500~600吨。对建筑垃圾的处理方式目前绝大部分建设施工单位对建筑垃圾未经任何处理,便被运到郊外,露天堆放或填埋。图3是建筑垃圾堆场,2006年时,该建筑垃圾堆场高度已达120m,面积有3万多平米,压路机在上面一层层地压实。

固体废弃物及其在建筑材料中的应用——《砂浆&保温》整理

固体废弃物及其在建筑材料中的应用——《砂浆&保温》整理

图3 建筑垃圾堆场

城市用水的循环使用,需要进行水处理,污水处理产生了污泥,处理1万m3污水,约产生5吨湿污泥(含水量75%左右)或约产生1吨干污泥。深圳市2006年污水处理量达到114.2x104m3/d,产生污泥量换算成干污泥将达到114吨/d。根据有关预测,我国城乡污水量到2010年排放量将达到440x108m3/d;2020将达到536x108m3/d,若处理产生的干污泥量分别为440万吨和536万吨/d。污泥是由有机残片、多种菌体、无机颗粒、胶体等组成。如不加处理任意排放,将对城市环境产生很大影响。目前污泥的处理方式有堆肥、卫生填埋和干化焚烧。同处理生活垃圾的方式一样,焚烧被认为是可行的,焚烧后残渣的化学成份与粘土近似。另外,城市河湖的疏浚清出了大量的淤泥,这些也是城市的主要废弃物源。

城市废弃物若经过加工处理既可作为建筑材料的原材料,同时又减少了废弃物的占地、后续处置和环境污染。

4.农业废弃物

农村经济发展,农民的能源方式也在改变,农业收获以后产生的秸秆、谷壳等已不再是主要的能源材料。这样,秸秆、谷壳的处理成了难题,若在地里焚烧要污染环境,不可取的。事实上,秸秆、谷壳等农业废弃物是不断再生的自然资源,再生的周期快(数月时间),从材质看多呈纤维状,可用来增强制品的机械性能等,因此存在着极大的利用前景。

三、建筑材料利用固体废弃物的可能性

固体废弃物作为建筑材料的原材料,可从四个方面考虑其利用的可能性。

1.作集料

固体废弃物的形状多为块状和颗粒状,具有一定的强度,大多硅质含量高,最直接最简单的是作集料用。我国一些经济发达城市和平原城市,集料已紧缺,现又从保护生态环境、维护自然景观和绿色植被出发,已禁止开山采石,挖河取砂,这就更应该加强对固体废弃物的利用。

矿业废料经破碎筛分可作粗集料和细集料,北京首钢已立项建设将矿山废料加工成集料的生产线。工业灰渣,包括自然煤矸石可作为轻集料、细集料和微集料;经加工成为人造轻集料,如用煅烧煤矸石,粉煤灰、污泥、淤泥制陶粒等。一些带有不同颜色的集料,如铜渣、锰渣、硫渣、自然煤矸石、玻璃等还可作为色质集料生产装饰性墙体材料,如装饰混凝土砌块。北京市环卫所曾进行了焚烧垃圾作集料以及作陶粒,用以制造加气混凝土、市政用的隔离墩、路面砌块以及小型空心砌块的试验。在上海已建成了把建筑废弃物加工成粗细集料生产混凝土小型空心砌块的生产厂。

2.作胶凝材料和胶凝材料组分

工业副产石膏的磷石膏、氟石膏、烟气脱硫石膏等含有二水硫酸钙(CaSO4·2H2O)已用于制造石膏建材。工业灰渣是经燃烧或高温熔融了的,具有火山灰活性,可作细集料、微集料,经磨细加工成粉体,尤其是微粉和超细粉体还可作为胶凝材料的组分;有的灰渣、如冶金渣、高钙粉煤灰、油母页岩灰渣等含有CaO、MgO或其水化物,本身就具有自硬性。对粉煤灰的应用问题有些国家材料标准中,如英国标准BS6073已把粉煤灰作为胶结料和集料的组分看待。我国的粉煤灰(混凝土)小型空心砌块行业标准JC862-2000也有这个意思,即粉煤灰既是细集料又是胶凝材料组分。

3.作某些化学添加剂(外加剂)的载体

某些化学添加剂在混合物料中的掺加量很少,直接加入拌合料中时不容易被分散均匀,影响了添加剂功效的发挥。如果把磨细的固体废弃物作为载体,适量的与添加剂一起先混合均匀,然后再掺入拌合料中搅拌就容易均匀分散在拌合料中,使其效果充分发挥。同时固体废弃物的作用,如保水、增粘作用,填充密实作用,火山灰作用等也得以发挥,改善拌合物的工作性,或增强硬化体的致密性,或提高其制成品的耐久性能。事实上一些添加剂如某些防冻剂、防水剂、促凝剂、减水剂、早强剂等已是这样应用了。

4.作增强材料

作为增强材料用的固体废弃物,首先应能同胶凝材料粘结结合,在此基础上发挥增强材料的机械性能,以增强胶凝材料的机械性能。这里所指的机械性能主要是抗拉性能。增强材料有纤维状、片状和颗粒状,主要是经加工处理过的植物包括农业废弃物,像麦杆、稻草、竹、锯末、谷壳等。我国已有了用这些废弃物增强有机胶结料或无机胶结料的墙体材料,而且主要是板材。

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