CN117185748A - 一种生活垃圾焚烧炉渣混凝土及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种生活垃圾焚烧炉渣混凝土及其制备方法，利用普通硅酸盐水泥、粗骨料、水为基础原料，并引入生活垃圾焚烧炉渣细颗粒用于替代部分或全部混凝土细骨料，最终制得的生活垃圾焚烧炉渣混凝土标准养护28天后抗压强度为35.3～37.8MPa，可以满足低标号混凝土的应用场景。本发明所用炉渣细颗粒为生活垃圾焚烧炉渣制得，可解决生活垃圾焚烧炉渣占用和污染土地的困扰，缓解混凝土产业天然骨料紧缺的现状，符合绿色发展的趋势和需求。
Description
技术领域
本发明属于混凝土技术领域，具体涉及一种生活垃圾焚烧炉渣混凝土及其制备方法。
背景技术
随着城市化进程的加快，城市生活垃圾的产量急剧上升，自2016年以来，中国政府一直鼓励将生活垃圾处理从填埋转向焚烧。虽然垃圾焚烧会排放大气污染物，如颗粒物(PM)、CO的不完全燃烧产物以及NOx、SO2和HCl等酸性气体污染物，会造成环境污染和人体健康问题。但在土地及能源日益紧张的当下，焚烧垃圾实现的焚烧发电和垃圾减容等诸多优点突出。生活垃圾焚烧炉渣是生活垃圾焚烧的产物，占垃圾总重量的20％～30％，根据《城市生活垃圾焚烧污染控制标准》(GB/18485-2014，2014)，焚烧炉渣可作为一般固体废物处理。现阶段的生活垃圾焚烧炉渣的处理以稳定后卫生填埋为主，这也将增加城市周围垃圾填埋场容量的压力，占用土地资源，且存在污染环境的风险。
另一方面，作为应用最广泛的建筑材料，混凝土需要消耗大量的天然骨料(如砂、石)。随着对砂的过度开采，我国天然河砂资源趋于枯竭，对生态环境造成严重影响，混凝土行业逐渐面临无砂可用的局面，混凝土生产企业只能选择使用机制砂、混合砂或淡化海砂。但机制砂配制的混凝土和易性不易控制，海砂脱盐不当会导致混凝土中钢筋的腐蚀和构件的开裂，给工程带来严重隐患。面对日前生活垃圾焚烧炉渣处置的不可持续性和环保性，如何经济、高值地利用生活垃圾焚烧炉渣并对其进行可持续处理成为社会关注和研究的热点。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：提供一种生活垃圾焚烧炉渣混凝土及其制备方法，实现生活垃圾焚烧炉渣的高效回收和再利用，缓解建筑业天然骨料紧缺的现状。利废环保，具有显著的环境效益和经济效益。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：提供一种生活垃圾焚烧炉渣混凝土，混凝土的原料按质量份数计包括：水泥401～403份、细骨料554～608份、粗骨料1125～1230份和水212～217份；细骨料包括河沙和生活垃圾焚烧炉渣。
在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进：
进一步，混凝土的原料按质量份数计包括：水泥401份、细骨料554份、粗骨料1125份和水212份。
进一步，混凝土的原料按质量份数计包括：水泥403份、细骨料608份、粗骨料1230份和水217份。
进一步，河沙的细度模量为2.5～2.6、含泥量为1～2wt％、表观密度为2550～2600kg/m3。
进一步，生活垃圾焚烧炉渣的pH值为11-13、含水率为15～18％、灰分为96.5～97.8％、热灼减率为1.5～2％、粒径为0.075～20mm。
进一步，生活垃圾焚烧炉渣为细骨料的24.8～57.8wt％。
采用上述进一步方案的有益效果为：生活垃圾焚烧炉渣混凝土不仅实现了生活垃圾焚烧炉渣的高效回收和再利用，而且由于生活垃圾焚烧炉渣的加入优化了混凝土的微观孔结构，弥补了由于炉渣自身强度低以及高吸水性对混凝土造成的不良影响，可以满足工程实际中低强度混凝土的应用场景。
进一步，生活垃圾焚烧炉渣为细骨料的41.3～49.5wt％。
进一步，水泥为硅酸盐水泥。
进一步，粗骨料为粒径为16～31.5mm的连续级配碎石。
本发明还公开了一种生活垃圾焚烧炉渣混凝土的制备方法，包括以下步骤：将细骨料、硅酸盐水泥和粗骨料混合均匀，随后将水分3次加入混合料中，每次搅拌2-6min，制得成品混凝土。
本发明具有以下有益效果：
1.本发明利用硅酸盐水泥、细骨料、粗骨料和水为原料，通过引入生活垃圾焚烧炉渣替代部分河沙，并配合对替代率的调控，可以在保证混凝土基础力学性能和微观孔结构的基础上实现生活垃圾焚烧炉渣的高效回收和再利用，缓解混凝土产业天然骨料紧缺的现状，制得的生活垃圾焚烧炉渣混凝土标准养护28天后强度为35.3～37.8MPa。
2.将生活垃圾焚烧炉渣应用到制备混凝土中，变废为宝，扩大了生活垃圾焚烧炉渣的工程应用范围，有效解决了生活垃圾焚烧炉渣占用大量土地资源又极易造成二次污染的困扰。
3.生活垃圾焚烧炉渣疏松多孔，可以起到良好的吸附、固定重金属作用。
附图说明
图1为生活垃圾焚烧炉渣的重金属含量；
图2为坍落度变化图；
图3为抗压强度变化图；
图4为吸水特征曲线；
图5为养护28天的混凝土试件的孔径比例；
图6为养护28天的混凝土试件的孔隙率。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围，实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行，所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
以下实施例和对比例所用河沙的细度模量为2.5～2.6、含泥量为1～2wt％、表观密度为2550～2600kg/m3；所用粗骨料为粒径为16～31.5mm的连续级配碎石；生活垃圾焚烧炉渣来自四川省泸州市兴泸远大建筑科技有限公司，pH值为12.44，含水率为17.6％，灰分为97.32％，热灼减率为1.8％、平均粒径为5.26mm，每kg炉渣中所含重金属种类及含量如图1所示。
实施例1：
一种生活垃圾焚烧炉渣混凝土，原料按质量份数计包括：硅酸盐水泥402份、生活垃圾焚烧炉渣150份、河沙456份、碎石1127份和水215份。
一种生活垃圾焚烧炉渣混凝土的制备方法，包括以下步骤：将硅酸盐水泥、生活垃圾焚烧炉渣、河沙和碎石混合均匀，随后将水分3次加入混合料中，每次搅拌2min，制得成品混凝土。
实施例2：
一种生活垃圾焚烧炉渣混凝土，原料按质量份数计包括：硅酸盐水泥401份、生活垃圾焚烧炉渣200份、河沙406份、碎石1125份和水217份。
一种生活垃圾焚烧炉渣混凝土的制备方法，包括以下步骤：将硅酸盐水泥、生活垃圾焚烧炉渣、河沙和碎石混合均匀，随后将水分3次加入混合料中，每次搅拌2min，制得成品混凝土。
实施例3：
一种生活垃圾焚烧炉渣混凝土，原料按质量份数计包括：硅酸盐水泥403份、生活垃圾焚烧炉渣250份、河沙356份、碎石1230份和水212份。
一种生活垃圾焚烧炉渣混凝土的制备方法，包括以下步骤：将硅酸盐水泥、生活垃圾焚烧炉渣、河沙和碎石混合均匀，随后将水分3次加入混合料中，每次搅拌6min，制得成品混凝土。
实施例4：
一种生活垃圾焚烧炉渣混凝土，原料按质量份数计包括：硅酸盐水泥403份、生活垃圾焚烧炉渣300份、河沙306份、碎石1125份和水217份。
一种生活垃圾焚烧炉渣混凝土的制备方法，包括以下步骤：将硅酸盐水泥、生活垃圾焚烧炉渣、河沙和碎石混合均匀，随后将水分3次加入混合料中，每次搅拌5min，制得成品混凝土。
实施例5：
一种生活垃圾焚烧炉渣混凝土，原料按质量份数计包括：硅酸盐水泥401份、生活垃圾焚烧炉渣350份、河沙256份、碎石1230份和水212份。
一种生活垃圾焚烧炉渣混凝土的制备方法，包括以下步骤：将硅酸盐水泥、生活垃圾焚烧炉渣、河沙和碎石混合均匀，随后将水分3次加入混合料中，每次搅拌3min，制得成品混凝土。
对比例1：
一种生活垃圾焚烧炉渣混凝土，原料按质量份数计包括：硅酸盐水泥402份、河沙606份、碎石1127份和水215份。制备方法与实施例1相同。
对比例2：
一种生活垃圾焚烧炉渣混凝土，原料按质量份数计包括：硅酸盐水泥402份、生活垃圾焚烧炉渣50份、河沙556份、碎石1127份和水215份。制备方法与实施例1相同。
对比例3：
一种生活垃圾焚烧炉渣混凝土，原料按质量份数计包括：硅酸盐水泥402份、生活垃圾焚烧炉渣100份、河沙506份、碎石1127份和水215份。制备方法与实施例1相同。
对比例4：
一种生活垃圾焚烧炉渣混凝土，原料按质量份数计包括：硅酸盐水泥402份、生活垃圾焚烧炉渣400份、河沙206份、碎石1127份和水215份。制备方法与实施例1相同。
对比例5：
一种生活垃圾焚烧炉渣混凝土，原料按质量份数计包括：硅酸盐水泥402份、生活垃圾焚烧炉渣450份、河沙156份、碎石1127份和水215份。制备方法与实施例1相同。
对比例6：
一种生活垃圾焚烧炉渣混凝土，原料按质量份数计包括：硅酸盐水泥402份、生活垃圾焚烧炉渣500份、河沙106份、碎石1127份和水215份。制备方法与实施例1相同。
对比例7：
一种生活垃圾焚烧炉渣混凝土，原料按质量份数计包括：硅酸盐水泥402份、生活垃圾焚烧炉渣606份、碎石1127份和水215份。制备方法与实施例1相同。
实验例：
将实施例1-5和对比例1-7制得的成品混凝土分别倒入尺寸为100mm×100mm×100mm的模具中，并用振动台振捣密实，将试件用塑料薄膜密封，在室内环境中静置1天后拆模，然后将试件放在温度为18～22℃、相对湿度大于95％的标准养护室中养护，得到混凝土试件，试件的标号和生活垃圾焚烧炉渣替代率如表1所示。
表1试件标号和生活垃圾焚烧炉渣替代率
| 标号 | 生活垃圾焚烧炉渣替代率(％) | |
| 对比例1 | OPC | 0 |
| 对比例2 | SC1 | 8.3 |
| 对比例3 | SC2 | 16.5 |
| 实施例1 | SC3 | 24.8 |
| 实施例2 | SC4 | 33.0 |
| 实施例3 | SC5 | 41.3 |
| 实施例4 | SC6 | 49.5 |
| 实施例5 | SC7 | 57.8 |
| 对比例4 | SC8 | 66.0 |
| 对比例5 | SC9 | 74.3 |
| 对比例6 | SC10 | 82.5 |
| 对比例7 | SC11 | 100.0 |
1.坍落度
对实施例1-5和对比例1-7制得的混凝土浇注料进行坍落度测试，试验过程中采用顶部直径为100毫米、底部直径为200毫米、高度为300毫米的坍落度筒进行，具体方法如下：根据国标GB/T 50080-2016普通混凝土拌合物性能试验方法标准，将混凝土浇注料分三层均匀地装入坍落度筒内，每装一层混凝土浇注料，用捣棒由边缘到中心按螺旋形均匀插捣25次，捣实后每层混凝土浇注料高度约为筒高地三分之一。顶层插捣完之后，取下装料漏斗，将多余地混凝土料刮去，并沿筒口抹平；清除筒边底板上地混凝土后，垂直平稳地提起坍落度筒，并轻轻放与试样旁边，当试样不在继续坍落或者坍落时间达到30s时，测出坍落度值，试验结果见图2。
从图2可以看出，本发明的生活垃圾焚烧炉渣混凝土的坍落度随着炉渣掺量的增加而降低。当炉渣替代量超过一定值时，混凝土的和易性降低，不符合设计标准，如SC9(74.3％)、SC10(82.5％)、SC11(100％)，而且炉渣替代率在低于49.5％(SC6)时，和易性较好。
2.抗压强度
将所有试件进行抗压强度性能检测，试验过程中采用边长为100mm的立方体试件进行，具体方法如下：根据国标GB/T 50081-20021普通混凝土力学性能试验方法标准，将混凝土试件从养护地点取出，采用SHT4106计算机控制的电液伺服万能试验机来测试混凝土样品分别养护3天、7天、14天、21天和28天的抗压强度，检测结果见图3。
通过对比实施例和对比例可以看出，实施例中对生活垃圾焚烧炉渣的用量优于对比例，若炉渣的用量低于或超出限定范围均会导致一些性能的降低。结合图3，随着养护时间增加不同掺量生活垃圾焚烧炉渣混凝土样品的抗压强度变化可以看出，在混凝土中加入一定量的生活垃圾焚烧炉渣对其早期强度的形成存在有益效果，实施例混凝土样品表现出良好的强度性能。通过图3可以看出，实施例3(SC5)和实施例4(SC6)的生活垃圾焚烧炉渣混凝土的抗压强度最佳，其次是实施例1(SC3)、实施例2(SC4)和实施例5(SC7)，抗压强度为35.3～37.8MPa。
3.吸水率
对实施例1-5和对比例1-4制得的混凝土试件进行吸水率测试(对比例5-7由于和易性不好，没有做进一步试验)，试验过程中采用100mm*100mm*400mm的立方体试件进行，具体方法如下：将养护至26d龄期的试件(OPC、SCn(n＝1～7))从养护室中取出，置于电热鼓风干燥箱中设置85℃烘48h后称取初始质量并记录；自然冷却后将试件浸入清水中，间隔一定时间段后取出并将表面清水擦净，称取质量并记录；重复以上操作，直至试件质量变化趋于平缓。试验结果见图4，根据以下公式即可得到试件的吸水率。
α＝(mg-m0)/m0×100％，
式中，m0是混凝土样品的初始干燥质量，mg是混凝土样品浸泡后的质量。
通过试验得到混凝土试件OPC、SCn(n：1～7)的吸水率分别为1.10％、0.67％、0.67％、0.62％、0.75％、0.58％、0.74％、0.79％。可以看出混凝土加入生活垃圾焚烧炉渣会不同程度的降低试件的吸水率，结合生活垃圾焚烧炉渣的多孔结构及高吸水性，可以初步判断出加入一定量的生活垃圾焚烧炉渣可以优化混凝土微观孔结构，从而导致混凝土试件吸水率降低。
结合图4及各个配合比混凝土的吸水率可以看出，对比例1(OPC)的混凝土吸水率最高，其次是实施例5(SC7)的混凝土，实施例3(SC5)的吸水率最低。
4.微观孔结构
选取部分制得的混凝土试件进行低场核磁共振(LF-NMR)测试，试验过程中采用边长为100mm的立方体试件进行，具体方法如下：将制成的混凝土样品标准养护28d后，每个配比选取3个试块进行钻芯取圆柱样(直径25mm，高度80mm)，制成测试件用于LF-NMR扫描，并在每次核磁共振扫描前对测试件进行饱水，试验结果见图5和6。
养护28天龄期的混凝土样品中存在四类孔隙，分别为无害孔隙(<0.02)、危害较小孔隙(0.02～0.05)、有害孔隙(0.05～0.20)和危害较大孔隙(>0.20)。由图5可知，随着生活垃圾焚烧炉渣替代率的增加，无害孔和危害较小的孔的总孔径分布先增加后减小，而无害孔和危害较小的孔的总孔径分布相反地变化。说明在一定的炉渣替代率范围内，可以有效优化混凝土的孔结构，而当替代率超过阈值时，有害孔和危害较大的孔的缩小程度和无害孔和危害较小的孔的增强效果都减小，从而削弱了混凝土孔结构的优化效果。可以得到对比例4(SC8)和对比例7(SC11)的无害孔和危害较小的孔的总孔径分布比对比例1(OPC)更低，说明加入超过66％的炉渣对混凝土的内部孔结构有消极作用。
由图6可知，随着生活垃圾焚烧炉渣替代率的增加，混凝土样品的孔隙率首先降低，然后趋于稳定。这表明掺入一定量的炉渣填充了混凝土的内部孔隙，并在合理的替代率内与其他骨料形成良好的颗粒级配。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种生活垃圾焚烧炉渣混凝土，其特征在于，所述混凝土的原料按质量份数计包括：水泥401～403份、细骨料554～608份、粗骨料1125～1230份和水212～217份；所述细骨料包括河沙和生活垃圾焚烧炉渣。
2.根据权利要求1所述的生活垃圾焚烧炉渣混凝土，其特征在于，混凝土的原料按质量份数计包括：水泥401份、细骨料554份、粗骨料1125份和水212份。
3.根据权利要求1所述的生活垃圾焚烧炉渣混凝土，其特征在于，混凝土的原料按质量份数计包括：水泥403份、细骨料608份、粗骨料1230份和水217份。
4.根据权利要求1所述的生活垃圾焚烧炉渣混凝土，其特征在于：所述河沙的细度模量为2.5～2.6、含泥量为1～2wt％、表观密度为2550～2600kg/m3。
5.根据权利要求1所述的生活垃圾焚烧炉渣混凝土，其特征在于：所述生活垃圾焚烧炉渣的pH值为11-13、含水率为15～18％、灰分为96.5～97.8％、热灼减率为1.5-2％、粒径为0.075～20mm。
6.根据权利要求1所述的生活垃圾焚烧炉渣混凝土，其特征在于：所述生活垃圾焚烧炉渣为细骨料的24.8～57.8wt％。
7.根据权利要求6所述的生活垃圾焚烧炉渣混凝土，其特征在于：所述生活垃圾焚烧炉渣为细骨料的41.3～49.5wt％。
8.根据权利要求1-3任一项所述的生活垃圾焚烧炉渣混凝土，其特征在于：所述水泥为硅酸盐水泥。
9.根据权利要求1-3任一项所述的生活垃圾焚烧炉渣混凝土，其特征在于：所述粗骨料为粒径为16～31.5mm的连续级配碎石。
10.权利要求1-9任一项所述的生活垃圾焚烧炉渣混凝土的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：将所述细骨料、硅酸盐水泥和粗骨料混合均匀，随后将水分3次加入混合料中，每次搅拌2-6min，制得成品混凝土。
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