CN116789380A - 一种固体废弃物制备的轻骨料及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种固体废弃物制备的轻骨料及其制备方法和应用，属于固体废弃物综合利用领域。本发明利用废石料、尾矿渣、煤矸石、含油污泥、粉煤灰等大宗固体废弃物为原料，通过外加添加剂，在高温条件下制备混凝土轻骨料。该轻骨料粒径分布为0.1‑60mm，密度为400‑1200kg/m3，筒压强度达到2‑8MPa。利用该轻骨料制备的轻质结构混凝土标号等级分布为LC5‑LC60，导热系数最低可达到0.13。本发明制备的轻骨料可以代替天然砂石，可用于生产保温混凝土、保温结构混凝土和结构混凝土等建筑材料。
Description
技术领域
本发明涉及一种固体废弃物制备的轻骨料及其制备方法和应用，属于固体废弃物综合利用领域。
背景技术
矿产开发、石油开采、煤电生产等行业产生巨量固体废弃物，如废石料、尾矿渣、煤矸石、含油污泥、粉煤灰等，目前的产生量达到惊人的50亿吨/年。这些固体废弃物不仅导致环境污染和生态破坏，还占用了大量的土地资源，亟待合理处理、处置和资源化利用。各种固体废弃物含有大量的SiO2，Al2O3、Fe2O3、CaCO3等无机物质，都是极为珍贵的建筑材料的原料。
目前我国大量固体废弃物处于堆存待处理状态，尤其是大量粗粉煤灰无法安全利用而不得不大量积存；废石料、尾矿渣、煤矸石等固体废弃物则以矿坑回填为主的简单利用方式。在碳中和碳达峰背景下，资源化利用是固体废弃物处理与处置的必然趋势。利用固体废弃物制陶粒、制砖、水泥等技术都不同程度的存在一些问题。例如，煤矸石含碳量高，直接作为建筑材料利用，自身强度低、与水泥粘结性差；废石料、尾矿渣、煤矸石等通过高温煅烧制造陶粒，存在能耗高、产品单一、附加价值低等问题，制造水泥存在影响水泥品质、掺入量受限等问题。
轻骨料是一种堆积密度小于或等于1200kg/m3的骨料，可以代替天然砂石作为混凝土骨料。目前，由于我国多地禁止或限制采砂、采石，导致建筑砂料、石料极度短缺。在碳中和碳达峰背景下，国家大力鼓励以废石料、尾矿渣、煤矸石、含油污泥、粉煤灰等为原料，制造轻骨料等建筑材料代替天然砂石。
本发明创新和改进传统焙烧工艺，通过高温焙烧改变轻骨料的矿物组成，促进二次水化反应以增强轻骨料与水泥基质之间的黏结作用和提高抗压强度；本发明中，采用动态预热和静态烧结相结合，将余热循环利用，大大提高了能源利用效率，节能又环保；本发明利用大宗固体废物制备混凝土轻骨料，即解决了固体废弃物的环境污染问题，又实现了变废为宝、解决了砂石材料短缺问题。
发明内容
本发明为了解决现有上述技术问题，提供一种固体废弃物制备的轻骨料及其制备方法和应用。
本发明的技术方案：
本发明的目的之一是提供一种固体废弃物制备的轻骨料，该轻骨料由以下质量百分比的原料制成：90-99％的固体废弃物，1-10％的添加剂。
进一步限定，添加剂包括氧化钙、三氧化二铁、碳酸钙、磷酸钙、膨润土、淀粉和硼酸钠。
进一步限定，添加剂由以下质量百分比的原料组成：1-10％氧化钙、1-20％三氧化二铁、1-10％碳酸钙、1-15％磷酸钙、1-5％硼酸钠，10-30％膨润土，5-15％淀粉，余量为水。
进一步限定，固体废弃物为废石料、尾矿渣、煤矸石、含油污泥、粉煤灰中一种或几种混合。
进一步限定，制造的轻骨料粒径为0.1-60mm，堆积密度为400-1200kg/m3，筒压强度为2-8Mpa，1h吸水率4-10％。
本发明的目的之二是提供一种上述轻骨料的制备方法，该方法包括以下步骤：
(1)将固体废弃物进行破碎，筛分使粒径为0.1-50mm，得到固体废弃物颗粒；
(2)向固体废弃物中加入添加剂混合均匀后，依次进行陈化、高温焙烧和降温处理，出料，破碎，得到轻骨料；
(3)将步骤(2)的到的轻骨料按照粒径要求筛分，得到不同粒径的碎石型轻骨料。
进一步限定，步骤(2)中陈化处理时间为5-30h。
进一步限定，步骤(2)中高温焙烧处理过程为：在湿度0.4-1.0％，炉内压力为2-6MPa的条件下，以15℃/min的升温速率由室温升至800℃-1450℃，保温8h。
更进一步限定，步骤(2)中高温焙烧处理过程为：在湿度0.4-1.0％，炉内压力为2-6MPa的条件下，以15℃/min的升温速率由室温升至1350℃，保温8h。
进一步限定，降温处理过程为：以20℃/min的降温速率降将至室温。
进一步限定，轻骨料可以制成轻骨料砂料，具体为细砂料、中砂料和粗砂料，其粒径符合1.6-2.2mm、2.3-3.0mm和3.1-3.7mm规格要求；轻骨料还可以制成轻骨料石料，其粒径符合5.0mm、10.0mm、16.0mm和20.0mm等规格要求。
本发明的目的之三是提供一种上述轻骨料的应用，具体的该轻骨料用于制备保温混凝土，保温结构混凝土和结构混凝土。
进一步限定，保温混凝土包括轻骨料400-600kg/m3，水泥300-360kg/m3。
更进一步限定，轻骨料由粒径为2-3mm、5-6mm和10-16mm按照2:3:5的比例级配构成。
更进一步限定，制备的保温混凝土强度标号等级分布为LC5.0-LC15，导热系数为0.13-0.20，干表观密度为650-1000kg/m3，1h吸水率为6-10％。
更进一步是限定，制备的保温混凝土强度标号为LC5.0，表观干密度为800kg/m3，导热系数为0.15w/m k，1h吸水率为10％。
进一步限定，保温结构混凝土包括轻骨料600-1000kg/m3，水泥340-380kg/m3。
更进一步限定，轻骨料由粒径为2-3mm、5-6mm和10-16mm按照2:3:5的比例级配构成。
更进一步限定，制备的保温结构混凝土强度标号等级分布为LC15-LC30，导热系数为0.18-0.25，干表观密度为1000-1500kg/m3，1h吸水率为4-10％。
更进一步限定，制备的保温结构混凝土强度标号等级分布为LC15，导热系数为0.19，干表观密度为1200kg/m3，1h吸水率为7％。
进一步限定，结构混凝土包括轻骨料800-1400kg/m3，水泥340-450kg/m3。
更进一步限定，轻骨料由粒径为2-3mm、5-6mm和10-16mm按照2:3:5的比例级配构成。
更进一步限定，制备的结构混凝土强度标号是等级分布为LC30-LC60，导热系数为0.20-0.40，干表观密度为1500-2000kg/m3，1h吸水率为4-8％。更进一步限定，制备的结构混凝土强度标号是等级分布为LC40，导热系数为0.25，干表观密度为1600kg/m3，1h吸水率为6％。
本发明的目的之四是提供一种上述轻骨料的应用，具体的该轻骨料用于制备混凝土砌砖块。
进一步限定，混凝土砌砖块包括轻骨砂石料400-600kg/m3，水泥240-300kg/m3。
更进一步限定，轻骨料由粒径为3mm、5mm和19mm按照2:4:4比例级配构成。
更进一步限定，制备的混凝土砌砖块强度等级为MU3.5-MU10.0，密度为400-800kg/m3，导热系数为0.13-0.20，1h吸水率为6-12％。
更进一步限定，制备的混凝土砌砖块等级为MU7，密度为900kg/m3，导热系数为0.15w/m k，1h吸水率为10％。
本发明利用废石料、尾矿渣、煤矸石、含油污泥、粉煤灰等大宗固体废弃物制备建筑材料用轻骨料，实现废弃物处理与处置的同时，即解决了废弃物堆存占用土地、污染环境的问题，又实现了资源化利用。与现有技术相比具有以下有益效果：
(1)本发明提供的轻骨料制备过程中，原料经过800℃-1450℃的焙烧，这使得固体废弃物中的有机物完全分解，固体废弃物中可能含有的砷、汞、镉、锌、铜、镍等重金属气化后大部分转移到烟气中，极少部分在添加剂的作用下，被固化在轻骨料中；参照《固体废物浸出毒性浸出方法》(GB5086-1997)，本发明制备的轻骨料中重金属等污染物浸出浓度完全满足《固体废物鉴别标准通则》中关于在利用和处置过程中的固体废物鉴别准则的相关要求。因此轻骨料以及制造的混凝土和砌砖块具有无毒、无污染的优点。
(2)本发明制备的轻骨料的各项指标，如《轻集料及其试验方法第2部分：轻集料试验方法》(中华人民共和国标准(GB/T17431.2-2010))中表1所列各项指标，符合《轻集料及其试验方法第1部分：轻集料》(中华人民共和国标准(GB/T17431.1-2010))中表1-表7所规定的各项指标要求。
(3)本发明制备的轻骨料可以满足不同用途，如高保温型轻骨料、中保温中强度轻骨料和高强度轻骨料。进一步的利用高保温型轻骨料可以制造保温砌砖块等保温材料，导热系数仅为0.13-0.20，使用该高保温材料，寒冷地区的建构筑物无需再做外墙保温，同时具有极佳的防火性能，并可缩短建设工期和降低造价；利用中保温中强度轻骨料，可以制造既具有良好保温性能又具有较高承重强度的保温结构混凝土。当本发明制备的轻骨料用于制备混凝土时，得到的混凝土质量轻相同标号强度情况下，重量仅为砂石骨料的二分之一到三分之二，减少了自重，从而减小了自身荷载，由此减少了建构筑物的钢筋使用量，并可缩短工期和降低建构筑物造价。
(4)本发明制备的轻骨料密度为400-1200kg/m3，当密度等级分别为400kg/m3、500kg/m3、600kg/m3、700kg/m3、800kg/m3、900kg/m3、1000kg/m3、1100kg/m3、1200kg/m3时，其筒压强度分别达到2.0MPa、3.0MPa、4.0MPa、5.0MPa、6.0MPa、6.5MPa、7.0MPa、7.5MPa和8.0MPa以上。
(5)本发明制备的轻骨料其密度等级分别为400kg/m3、500kg/m3、600kg/m3、700kg/m3、800kg/m3、900kg/m3、1000kg/m3、1100kg/m3、1200kg/m3时，制造的混凝土的标号等级分别可以达到LC15、LC25、LC30、LC35、LC40、LC45、LC50、LC55、LC60以上。最大强度可达到LC60，具有高强度、高承重能力能够用于各种建筑的承重结构，如承重墙、桥梁承重结构、铁轨枕木等。
(6)本发明提供的轻质结构混凝土满足中华人民共和国行业标准，如《轻骨料混凝土技术规程》(JGJ51-2002)、《轻骨料混凝土应用技术标准》(JGJ/T12-2019)、《混凝土结构设计规范》GB50010等：《轻骨料混凝土结构技术规程》(JGJ12-2006)等标准。
(6)本发明采用复配的氧化钙、三氧化二铁、碳酸钙、磷酸钙、膨润土和硼酸钠作为添加剂对大宗固体废弃物进行处理，具体的氧化钙和三氧化二铁起到助熔、促进晶体形成和提高轻骨料抗压强度的作用；膨润土主要起到提高轻骨料粘结性作用；碳酸钙、磷酸钙、淀粉和硼酸钠等主要起到调节轻骨料孔隙度和孔隙均匀度的作用，其中淀粉主要起到提高大气孔占比率作用。且上述添加剂了根据轻骨料产品的性能要求(如保温性能、保温兼顾强度性能和高强度性能)确定掺入比例。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合说明书实施例对本发明的具体实施方式做详细的说明。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
其次，此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。
下述实施例中所使用的实验方法如无特殊说明均为常规方法。所用材料、试剂、方法和仪器，未经特殊说明，均为本领域常规材料、试剂、方法和仪器，本领域技术人员均可通过商业渠道获得。
实施例1
一、制备轻骨料：
(1)固体废弃物颗粒的制备：
以黑龙江省大庆油田某石油钻井产生的含油污泥为固体废弃物，该含油污泥主要无机成分为：SiO2含量为56.56％、Al2O3含量为20.88％、Fe2O3含量为2.70％、CaO含量为4.65％及其他少量元素，含油率为12％。取40kg上述含油污泥，经过除油预处理后形成含油泥饼(含油率＜3％)，具体的泥饼的含油量为2.3％，含水率为10％。将泥饼研磨成粉过筛，得到粒径为50-100目的固体废弃物颗粒。
(2)向步骤(1)得到的固体废弃物颗粒中加入添加剂，添加剂加入量为泥饼质量的5％。添加剂的组成成分以及质量百分数如下：氧化钙5％，三氧化二铁20％，碳酸钙6％，磷酸钠5％，膨润土30％，硼酸钠5％，淀粉14％，水15％。
(3)将步骤(2)得到的混合物搅拌5min混合均匀，陈化处理8h后，进行高温焙烧；焙烧升温程序为：室温条件下，以15℃/min的速度升高到1350℃，1350℃保持8h；然后以20℃/min的速度降温到室温，得到焙烧后的产品。
(4)对焙烧后的产品采用粉碎机进行破碎，再按粒径大小进行筛分，即得到不同粒径的碎石型轻骨料；轻骨料平均等效粒径为3mm、6mm、8mm和13mm。
对上述制备得到轻骨料的性能进行表征，结果如表1：
表1
二、采用上述轻骨料制备结构混凝土：
该结构混凝土原料配比如下：采用密度等级为1000kg/m3的轻骨料，轻骨料砂料和石料共900kg/m3，水泥420kg/m3，水180kg/m3。其中，轻骨料由粒径为3mm和12mm按照4:6的比例级配构成。
该结构混凝土强度标号为LC40，其密度为1450kg/m3，导热系数为0.19w/m k，吸水率为10％。与相同标号强度(C40)的砂石混凝土(2500kg/m3)相比，重量减轻了43.2％。
三、采用上述轻骨料制备混凝土砌砖块：
该混凝土砌砖块原料如下：采用密度等级为500kg/m3的轻骨料，轻骨料砂料和石料共550kg/m3，水泥320kg/m3，水180kg/m3。其中，轻骨料由粒径为5mm和16mm按照1:1比例级配构成。
该混凝土砌砖块强度等级为MU7，其密度为970kg/m3，导热系数为0.15w/m k，吸水率为10％。与相同强度等级(MU7)的混凝土空心砌砖块(密度1800kg/m3，导热系数1.7w/mk)相比，密度和导热系数大幅度降低。
实施例2
一、制备轻骨料：
(1)固体废弃物颗粒的制备：
以黑龙江省鸡东县某煤矿煤矸石为固体废弃物，该煤矸石主要无机成分为SiO2含量为67.53％、Al2O3含量为21.20％、氧化钙0.42％及其他少量元素。取40kg上述煤矸石，热值为1200kJ/kg。将煤矸石研磨成粉过筛，得到粒径为50-100目的固体废弃物颗粒。
(2)向步骤(1)得到的固体废弃物颗粒中加入添加剂，添加剂加入量为泥饼质量的4％。添加剂的组成成分以及质量百分数如下：氧化钙3％，三氧化二铁20％，碳酸钙8％，磷酸钠7％，膨润土30％，硼酸钠5％，淀粉10％，水17％。
(3)将步骤(2)得到的混合物搅拌15min混合均匀，陈化处理8h后，进行高温焙烧；焙烧升温程序为：室温条件下，以15℃/min的速度升高到1350℃，1350℃保持8h；然后以20℃/min的速度降温到室温，得到焙烧后的产品。
(4)对焙烧后的产品采用粉碎机进行破碎，再按粒径大小进行筛分，即得到不同粒径的碎石型轻骨料；轻骨料等效粒径为3mm、5mm、6mm、8mm和10mm。
二、采用上述轻骨料制备结构混凝土：
该结构混凝土原料配比如下：采用密度等级为1100kg/m3的轻骨料，轻骨料砂料和石料共920kg/m3，水泥400kg/m3，水180kg/m3。其中，轻骨料由粒径为3mm和12mm按照4:6的比例级配构成。
该结构混凝土强度标号为LC40，其密度为1500kg/m3，导热系数为0.20w/m k，吸水率为9％。与相同标号强度(C40)的砂石混凝土(2500kg/m3)相比，重量减轻了40％。
三、采用上述轻骨料制备混凝土砌砖块：
该混凝土砌砖块原料如下：采用密度等级为500kg/m3的轻骨料，轻骨料砂料和石料共550kg/m3，水泥320kg/m3，水180kg/m3。其中，轻骨料由粒径为5mm和16mm按照1:1比例级配构成。
该混凝土砌砖块强度等级为MU6.5，其密度为900kg/m3，导热系数为0.15w/m k，吸水率为10％。与相同强度等级(MU6.5)的混凝土空心砌砖块(密度1700kg/m3，导热系数1.7w/mk)相比，密度和导热系数大幅度降低。
虽然本发明已以较佳的实施例公开如上，但其并非用以限定本发明，任何熟悉此技术的人，在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做各种改动和修饰，因此本发明的保护范围应该以权利要求书所界定的为准。
Claims (10)
1.一种固体废弃物制备的轻骨料，其特征在于，该轻骨料由以下质量百分比的原料制成：90-99％的固体废弃物，1-10％的添加剂；
所述添加剂包括氧化钙、三氧化二铁、碳酸钙、磷酸钙、膨润土、淀粉和硼酸钠。
2.根据权利要求1所述的固体废弃物制备的轻骨料，其特征在于，添加剂由以下质量百分比的原料组成：1-10％氧化钙、1-20％三氧化二铁、1-10％碳酸钙、1-15％磷酸钙、1-5％硼酸钠，10-30％膨润土，5-15％淀粉，余量为水。
3.根据权利要求1所述的固体废弃物制备的轻骨料，其特征在于，固体废弃物为废石料、尾矿渣、煤矸石、含油污泥、粉煤灰中一种或几种混合。
4.根据权利要求1所述的固体废弃物制备的轻骨料，其特征在于，轻骨料的粒径为0.1-60mm，堆积密度为400-1200kg/m3，筒压强度为2-8MPa，1h吸水率4-10％。
5.一种权利要求1-4任一项所述的轻骨料的制备方法，其特征在于，包括：
(1)将固体废弃物进行破碎，筛分使粒径为0.1-50mm，得到固体废弃物颗粒；
(2)向固体废弃物中加入添加剂混合均匀后，依次进行陈化、高温焙烧和降温处理，出料，破碎，得到轻骨料；
(3)将步骤(2)的到的轻骨料按照粒径要求筛分，得到不同粒径的碎石型轻骨料。
6.根据权利要求5所述的轻骨料的制备方法，其特征在于，陈化处理时间为5-30h。
7.根据权利要求5所述的轻骨料的制备方法，其特征在于，高温焙烧处理过程为：在湿度0.4-1.0％，炉内压力为2-6MPa的条件下，以15℃/min的升温速率由室温升至800℃-1450℃，保温8h；降温处理过程为：以20℃/min的降温速率降至室温。
8.根据权利要求5所述的轻骨料的制备方法，其特征在于，轻骨料作为轻骨料砂料使用，具体为细砂料、中砂料或粗砂料，其粒径规格为1.6-2.2mm、2.3-3.0mm和3.1-3.7mm；轻骨料作为轻骨料石料使用，粒径规格为5.0mm、10.0mm、16.0mm和20.0mm。
9.一种权利要求1-4任一项所述的轻骨料的应用，其特征在于，用于制备保温混凝土、保温结构混凝土和结构混凝土。
10.一种权利要求1-4任一项所述的轻骨料的应用，其特征在于，用于制备混凝土砌砖块。
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