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固体废弃物及其在建筑材料中的应用(下)

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)

四、固体废弃物的加工

未经加工的固体废弃物有的是块状的,如矿业废弃物中的低品位矿石、煤矸石等;有的是多种废弃物的混合物,如生活垃圾、建筑垃圾等;有的含水量较高,如湿排粉煤灰,烟气脱硫石膏等;有的需要磨细后其活性更高,如各种冶金渣等;还有农业秸秆等;这些废弃物需要经过加工处置后才可以作为原材料在建筑材料中应用。

1、 破碎和筛分

主要针对可作为粗、细集料用的固体废弃物的加工。图4是以建筑废弃物为例的加工

工艺示意图。

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

首先要对建筑废弃物进行分拣和分类,分拣是将金属、竹木、塑料、玻璃等分拣出去,剩下的混凝土、砂浆和粘土砖瓦再分类为混凝土、砂浆块类和粘土砖瓦类。然后,分别进行破碎、筛分加工。使其再生成普通集料(石子和砂)和再生轻集料(碎砖颗粒),收尘器收集的细粉作为再生微集料用。

破碎机的破碎方式对再生集料性能影响较大,破碎的再生集料的颗粒形状应为颗粒状,尽可能减少针、片状,即粒形系数≤2.5,接近1.0为最好,另外颗粒无裂纹,这样的再生集料筒压强度高,吸水率小。

2、磨细

主要针对可作为胶凝材料和胶凝材料组分(又称混合材料或辅助胶凝材料或矿物细掺料)的固体废弃物的加工。水泥、石膏等是重要的胶凝材料,可作为胶凝材料组分的各种固体废弃物必须经磨细后才能发挥胶凝材料组分的作用。如市场出售磨细矿渣,其细度用比表面积表示一般磨制在450~500m2/kg。含碳量不高的颗粒较粗的原状粉煤灰稍加粉磨后,使原状灰中颗粒的粘聚被打开,颗粒形状、级配都比原状灰好,需水量下降、强度活性指数提高。对于高钙粉煤灰,再经细磨后可加速游离氧化钙的消解,增加高钙灰的使用量,等等。

磨细设备有新型高细磨、高效振动磨等。选用新型磨机不仅磨制的细度细,而且磨机的能耗相对也低。

3、其它

如脱水,可采用晒干脱水、加热脱水、机械脱水以及脱水剂或吸水剂脱水等。再如煅烧,脱硫石膏等副产石膏,只有经过煅烧脱水加工,成为半水石膏或无水石膏后,才能制备成为石膏胶凝材料。还有人造轻集料,需经过造粒、煅烧后才能成为陶粒,等等。

五、固体废弃物在建筑材料中的应用

这里主要介绍在水泥、砂浆、混凝土及新型墙体材料中的应用。

1、 在水泥中的应用

(1) 作调凝剂

众所周知,在磨制水泥时需要加入适量的石膏并共同磨细,加入石膏目的是控制水泥熟

料中C3A的水化,从而延缓水泥的凝结硬化时间。生产水泥加入天然石膏的多,可以用经脱水处理的脱硫石膏、磷石膏等替代。

(2) 作混合材料

我国五大通用水泥除硅酸盐水泥中的I类硅酸盐水泥外,其它都掺有数量不同的混合材

料。其作用是改善水泥性能,生产不同品种水泥;调节水泥标号,合理使用水泥;综合利用固体废弃物,节省熟料,增加水泥产量,节约能耗,降低生产成本等。固体废弃物特别是具有活性的固体废弃物作为混合材料加入水泥中,其作用更为明显。

水泥中常用的粒化高炉矿渣、粉煤灰、火山灰质混合材料外,有试验表明,固硫灰渣、油母页岩灰渣等固体废弃物,其活性也高,特别是固硫灰渣的排放量也是比较多的,应加以利用。

2、 在砂浆和混凝土中的应用

固体废弃物经加工后用于水泥砂浆和混凝土,其作用一是替代或部分替代天然砂、石集料;二是作为矿物细掺料,改善砂浆和混凝土性能。

利用尾矿砂代砂,国外工业发达国家早已在干混砂浆中广泛应用,一种干混砂浆产品可能用多种不同粒径范围的尾矿砂来配制。北京市建材科学研究院提出用最紧密堆积密度来确定尾矿砂的颗粒级配。用尾矿砂、水泥、粉煤灰、保水增稠剂配制的普通干混砂浆,抗压强度高、耐冻融性好、硬化体尺寸稳定、粘结强度高,能够配制出用于砌筑、抹灰、地面不同强度等级的普通干混砂浆产品。利用建筑废弃物经破碎筛分制成的再生粗集料和再生细集料用于配制砌筑砂浆、抹灰砂浆和再生混凝土技术,已在一些建筑公司推广应用。另外,利用工业废弃物如粉煤灰等,既作矿掺料又作细集料(代部分砂),大大提高了粉煤灰的利用量。首钢40多年炼钢产生了300多万吨钢渣,现已资源化,“陈化钢渣生产干混砂浆”已用于奥运鸟巢、首都机场航站等重点工程,被建设部授予“绿色建材”称号。

矿物细掺料在水泥砂浆、特别是在混凝土中应用,其作用有:(1)改善新拌砂浆和新拌混凝土的工作性。工作性包括流动性、粘聚性、保水性、稳定性、抹面性等。掺用不同的矿物细掺料可改善某一工作性的要求,如需水量比小的矿掺料(I级粉煤灰、矿渣等)可增加拌合物的流动性,或降低拌合物的水胶比而保持良好的流动性。(2)控制混凝土强度的发展。不同的矿物细掺料对混凝土的强度会有不同的影响,有的可以提高混凝土的强度(如油母页岩灰),有的会使早期强度降低。(3)后期强度提高。矿掺料的火山灰活性和潜在的火山灰活性会促进水泥砂浆和混凝土后期强度的持续增长。(4)降低混凝土升温,改善因温差应力引起混凝土开裂。掺加矿物细掺料后,由于水泥熟料相应减少,水泥水化放热的总热量也就减少,从而可降低混凝土升温,避免其开裂。(5)提高抗侵蚀能力,增强混凝土耐久性。加入矿物细掺料,减少了混凝土水泥用量,也就减少了受侵蚀的内部因素;另外,随水化龄期的进展,水化反应产物及其矿微粉填充水泥石孔隙,混凝土更加密实,阻碍侵蚀性介质侵入,提高混凝土的耐久性。

3、在新型墙体材料中的应用

汇总一下我国主要的墙体材料名称及其原材料组成就已看出,固体废弃物已经应用或者说可以应用于生产新型墙体材料,现将应用情况列于表4。

表四固体废弃物在新型墙体材料中的应用

新型墙体材料

产品名称

产品标准编号

名称解释(术语)包括所用固体废弃物

烧结粉煤灰砖

GB/T5101-2003

以粉煤灰为主要原料,掺入煤矸石粉或粘土等胶结砖料,经配料,成型,干燥和熔烧而成的普通砖。

烧结煤矸石砖

GB/T5101-2003

以煤矸石为主要原料,经粉碎,成型,干燥和熔烧而成的普通砖

烧结粉煤灰多孔砖

GB13544-2000

以粉煤灰为主要原料,掺入煤矸石粉或粘土等胶结砖料,经配料,成型,干燥和熔烧而成的主要用于承重部位的多孔砖。

烧结煤矸石多孔砖

GB13544-2000

以煤矸石为主要原料,经选料,粉碎,成型,干燥和烧结而成的主要用于承重部位的多孔砖。

烧结粉煤灰空心砖与砌块

GB13545-2003

以粉煤灰为主要原料,掺入煤矸石或粘土等胶结砖料,经熔烧而成,主要用于非承重部位的空心砖和空心砌块。

烧结煤矸石空心砖与砌块

GB13545-2003

以煤矸石等为主要原料,经熔烧而成。主要用于非承重部位的空心砖和空心砌块。

粉煤灰砖

JC239-2001

以粉煤灰、石灰或水泥为主要原料,掺加适量石膏、外加剂、颜料和集料等,经坯料制备、成型、高压或常压蒸汽养护而制成的实心粉煤灰砖。

煤渣砖

JC525-93

以煤渣为主要原料,掺入适量石灰、石膏,经混合、压制成型、蒸压或蒸养而成的实心煤渣砖。

蒸压灰砂砖

GB11945-1999

以砂和石灰为主要原料,允许掺入颜料和外加剂,经坯料制备、压制成型、高压蒸汽养护而成的实心灰砂砖。

蒸压灰砂空心砖

JC/T637-1996

以砂和石灰为主要原料,经坯料制备,压制成型,蒸压养护而制成的孔洞率大于15%的蒸压灰砂空心砖。

蒸压加气混凝土砌块

GB/T11968-1997

以硅质材料和钙质材料为主要原料,钙粉为发气剂,原材料经搅拌,浇注成型、发气稠化、预养、切割、高压蒸气养护制成。

普通混凝土小型空心砌块

GB8239-1997

以水泥为胶凝材料,砂、石作集料,经搅拌,振动加压成型,养护制成,主规格砌块尺寸为390mm×190mm×190mm,砌块的空心率不少于25%。

轻集料混凝土小型空心砌块

GB/T15229-2002

用轻集料混凝土制成的小型空心砌块。常结合轻集料名称命名,有陶粒(粉煤灰陶粒、粘土陶粒、页岩陶粒)、自然煤矸石、浮石、火山渣、煤渣、膨胀矿渣珠混凝土小型空心砌块。

装饰混凝土砌块

JC/T641-1996

经过饰面加工的混凝土砌块。

粉煤灰小型空心砌块

JC862-2000

以粉煤灰、水泥、各种轻重集料、水为主要组分(也可加入外加剂等)拌合制成的小型空心砌块。其中粉煤灰用量不应低于原材料重量的20%,水泥用量不应低于原材料重量10%。

石膏砌块

JC/T698-1998

以建筑石膏为主要原料,经加水搅拌、浇注成型和干燥制成的轻质建筑石膏制品。生产中允许加入纤维增强材料或轻集料,也可加入发泡剂,按砌块结构分空心和实砌块;按所用石膏原料分天然石膏砌块,化学石膏砌块;按防潮性能分普通和防潮石膏砌块。

粉煤灰砌块

JC238-91

以粉煤灰、石灰、石膏和骨料等为原料,加水搅拌、振动成型、蒸汽养护而制成的密实砌块。

蒸压加气混凝土板

GB15762-1995

以硅质材料钙质材料为主要原料,以铝粉为发气剂,配以经防腐处理的钢筋网片,经加水搅拌,浇注成型,预养切割、蒸压养护制成的板材。

石膏空心条板

JC/T829-1998

以建筑石膏为基材,掺以无机轻集料、无机纤维增强材料而制成的空心条板。

工业灰渣混凝土空心隔墙条板

JG3063-1999

以粉煤灰,经煅烧或自燃的煤矸石、炉渣、矿渣、加气混凝土碎屑等工业灰渣为集料的机制混凝土空心条板,用作民用建筑非承重内隔墙,其构造断面为多孔空心式,生产原材料中工业灰渣总重量为40%(重量比)以上。

以粉煤灰陶粒和陶沙、页岩陶粒和陶砂、天然浮石等为集料制成的混凝土空心隔墙条板,可以参照此标准执行。

混凝土多孔砖

JC943-2004

 

除表中所列的可利用固体废弃物的新型墙体材料外,其中一些产品还在扩展延伸,加气混凝土中的水泥—石灰—尾矿;多孔砖除混凝土多孔砖外,出现了粉煤灰混凝土多孔砖;实心砖除粉煤灰砖外出现了粉煤灰混凝土砖等。随着研究的深入一些新的墙体产品还会不断出现。

除利用固体废弃物外,新型墙体材料的另一重要特点是轻质的、空心的产品多,这是节省资源的墙体材料,用这种材料同时提高了墙体的功能。北京市建筑设计院设计研究所与北京市现代建筑材料公司合作建造的多层(六层)住宅,除构造柱、圈梁、楼板为现浇混凝土外,其它的结构材料全是粉煤灰制品,墙是蒸压粉煤灰砖的承重墙,外砌粉煤灰加气混凝土砌块作外保温,屋面用的是粉煤灰加气混凝土屋面板,利废节能的效益十分显著。上海安居房发展中心在龙水南路盖的两幢以粉煤灰小型空心砌块为砌体的六层(框混结构)住宅,得到了甲方、住户和施工单位好评。北京的蒸压粉煤灰砖建筑已30多年,经冻融等条件考验,至今仍在使用。这样的应用事例很多。事实上,利用固体废弃物生产的墙体材料已经成为了新型墙体材料的主流。

六、研发建议

开发利用固体废弃物还有很多的试验研究工作可做:

1.在墙体材料或在其它制品中,要研究提高固体废弃物的利用量,以节约更多的自然资源。中国节能投资公司1996年103号文《关于提请推荐利用粉煤灰生产新型材料基建项目的函》,要求灰渣掺量≥50%。国家经贸委资源节约与综合利用司提出墙材产品的四高之一是工业废渣掺量50%以上。事实上,这种高利用量是可能的,如粉煤灰加气混凝土,高掺量的煤矸石砖、粉煤灰砖等。

2.要研究提高利用固体废弃物的附加值。这里有两层含义:提高利用的技术含量,提高利用的经济效益。如某些废渣的超细磨,两种和两种以上废渣的复合效应,垃圾的资源化、减量化和无害化等等。1997年第三届国际粉煤灰利用研讨会,将粉煤灰的大用量和高附加值利用作为研讨会的重点内容,对高附加值的研究被认为是最具有技术挑战的领域。

3.开发利用固体废弃物的新产品、新工艺和新装备。这几年出现的高掺量煤矸石砖、粉煤灰砖,粉煤灰混凝土小型空心砌块,工业灰渣混凝土空心隔墙板,以及混凝土多孔砖等就是例子。这些新开发的墙体材料与工艺、装备的研发密切合作,形成了较完整的技术,可以说是具有自主知识产权的技术。

4.结合开展利用固体废弃物的应用基础理论研究。这里也有两层内容,一是应用基础理论研究,为利用好固体废弃物提供(机理)技术支持,我国在这方面的研究是很有成效的。再就是制订与修订有关标准,如利用固体废弃物的新的墙体材料产品标准的制订;制订固体废弃物作为集料、掺合料的标准;现有墙体材料产品标准在修订时应将固体废弃物作为原材料写进标准中;原材料标准如砂、石标准、轻集料标准应增列固体废弃物作为粗、细集料的内容等等。写进了标准应用就名正言顺了。

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