CN111116167A

CN111116167A - 用于制备冷粘结人工骨料的组合物及制得的冷粘结人工骨料

Info

Publication number: CN111116167A
Application number: CN201811277646.9A
Authority: CN
Inventors: 潘智生; 唐佩; 玄东兴
Original assignee: Hong Kong Polytechnic University HKPU
Current assignee: Hong Kong Polytechnic University HKPU
Priority date: 2018-10-30
Filing date: 2018-10-30
Publication date: 2020-05-08

Abstract

本发明提供了一种用于制备冷粘结人工骨料的组合物，其包括常见的固体废弃物水泥混凝土灰浆以及垃圾焚烧炉渣作为组成成分。本发明还提供了由所述组合物制得的冷粘结人工骨料及其制备方法。本发明提供的冷粘结人工骨料具有工业固体废弃物利用率高、性能良好等优点，生产过程具有工业推广的可行性，大大促进了环境保护和资源循环利用的理念，具有良好的应用前景。

Description

用于制备冷粘结人工骨料的组合物及制得的冷粘结人工骨料

技术领域

本发明涉及资源回收再利用技术领域，具体涉及一种用于制备冷粘结人工骨料的组合物及制得的冷粘结人工骨料。

背景技术

人类在生产、生活和其他活动中产生了一系列相应的固体废弃物，包括工业上的废渣、污泥、尾矿等，以及城市生活产生的生活垃圾、建筑垃圾等。这些固体废弃物本身具有一定的污染性，不正确的处置会造成环境的二次污染。然而，当在妥善处理和综合利用的条件下，这些废弃物又具有一定的资源价值和经济价值。目前，固体废弃物的处理和再利用已被广泛重视。

城市生活垃圾焚烧技术作为有效的垃圾处理方法已被广泛采用，相应所产生的垃圾焚烧炉渣(incineration bottom ash,IBA)的处理成为了新的亟待解决的问题。在中国，截至2016年，有大约249座生活垃圾焚烧无害化处理厂，其日处理垃圾量为255850吨，这意味着每天大约有51170吨的炉渣产生，这些炉渣经过筛分和除金属后被送往填埋场。在欧洲，垃圾焚烧炉渣经过筛分并经过相应的净化处理(水洗等)，其较粗的颗粒(大于5毫米)可以用在路基基层，而较细的部分(小于5毫米)由于其杂质及污染成分含量相对较高而且传统的净化处理方法效果不显著，通常被直接填埋或固化后填埋处理。因此，这部分较细的垃圾焚烧炉渣需要创新的处理方法将其转化为可用的再生资源，以减少其填埋及二次污染。香港将于2024年建成并运行一个垃圾焚烧处理厂，其垃圾处理能力为3000吨/天，届时垃圾焚烧炉渣的处理也将是香港面临的一大重要问题。

随着建筑业的发展以及环境保护逐渐被重视，商品混凝土已经成为城市建设中混凝土供应的主要方式。在其生产、运输应用过程中，由于清洗运输设备、多余或不达标混凝土的生产而产生的一系列的水泥混凝土废弃物，特别是水泥混凝土搅拌站沉淀池内灰浆(concrete slurry waste,CSW)，已经成为新的急需解决的问题。以香港为例，由于运输罐车的清洗以及多余新拌混凝土回运等，一个混凝土搅拌站可产生的水泥混凝土废弃物约为总商品混凝土常量的1.5％，其中的砂石经过筛分设备之后被分离出来并回收重新利用，分离出的水泥浆在沉淀池中进行沉淀，并经过挤压设备，将固体和液体分离，而分离出的水泥混凝土搅拌站沉淀池内灰浆总量超过商品混凝土使用量的0.5％。在香港，分离出的水泥混凝土搅拌站沉淀池内灰浆固体一般直接作填埋处理。

对垃圾焚烧炉渣及水泥混凝土废弃物进行有效地回收和再利用，不仅有利于环境保护，也能产生巨大的经济效益和社会效益。

发明内容

为了减少垃圾焚烧炉渣、水泥混凝土废弃物的填埋而造成的环境污染、资源浪费等问题，本发明的一个目的是提供一种用于制备冷粘结人工骨料的组合物。

本发明的另一个目的是提供一种冷粘结人工骨料。

本发明提供的用于制备冷粘结人工骨料的组合物，其按重量份可以包括1份水泥混凝土灰浆以及0.5～3份垃圾焚烧炉渣。

优选地，本发明提供的用于制备冷粘结人工骨料的组合物按重量份可以包括1份水泥混凝土灰浆以及0.8～1.5份垃圾焚烧炉渣。

更优选地，本发明提供的用于制备冷粘结人工骨料的组合物按重量份可以包括1份水泥混凝土灰浆以及1.0～1.5份垃圾焚烧炉渣。

本发明提供的组合物中，垃圾焚烧炉渣可以包括垃圾焚烧后得到的炉渣以及垃圾焚烧过程中产生的其他固体颗粒(如飞灰、锅炉灰等)，其主要氧化成分包括SiO₂、CaO、Al₂O₃、Fe₂O₃、P₂O₅、Na₂O、SO₃、MgO、K₂O等。垃圾焚烧炉渣的粒径可以为5.0mm以下，优选可以为2.36mm以下，可以通过粒径筛选得到，也可以将较大的炉渣破碎后得到，垃圾焚烧炉渣筛选时，无需预先烘干，筛选得到的炉渣可密封保存，也可露天存放。垃圾焚烧炉渣的含水量可在0～40wt％，优选可以在15～20wt％。

本发明提供的组合物中，水泥混凝土灰浆可以为未硬化的水泥混凝土搅拌站的沉淀池灰浆，其主要氧化成分包括CaO、SiO₂、Al₂O₃、Fe₂O₃、SO₃、MgO、K₂O等。从水泥混凝土搅拌站中取得的沉淀池灰浆通常为湿润的块体，搅拌均匀后即可制成用于本发明组合物的水泥混凝土灰浆。水泥混凝土灰浆的含水量可以在40～60wt％，优选可以控制在45～50wt％。

本发明提供的组合物中，根据对冷粘结人工骨料的性能要求(例如，强度等)，还可添加有胶凝材料，胶凝材料的重量可以为不超过水泥混凝土灰浆以及垃圾焚烧炉渣总重量的20wt％；优选可以为水泥混凝土灰浆以及垃圾焚烧炉渣总重量的5～10wt％。胶凝材料的种类包括但不限于普通水泥、粒化高炉矿渣粉、生石灰、硅灰、粉煤灰以及其他水硬性胶凝材料。

本发明提供的冷粘结人工骨料可由以上技术方案任一项所述的组合物制备所得。

本发明提供的冷粘结人工骨料中，其制备过程可以包括以下步骤：

S1：收集水泥混凝土灰浆，并可选地向其中加入胶凝材料，收集垃圾焚烧炉渣；

S2：将步骤S1所得的水泥混凝土灰浆与垃圾焚烧炉渣混匀制得混合物料；

S3：将步骤S2所得的混合物料进行圆盘造粒制得骨料颗粒；以及

S4：将步骤S3所得的骨料颗粒进行养护，即制得所述冷粘结人工骨料。

上述步骤S1中，水泥混凝土灰浆、垃圾焚烧炉渣的收集过程不限顺序，可同时进行，也可先收集水泥混凝土灰浆(包括胶凝材料的加入)、再收集垃圾焚烧炉渣(包括粒径的筛选)，还可先收集垃圾焚烧炉渣(包括粒径的筛选)、再收集水泥混凝土灰浆(包括胶凝材料的加入)。

上述步骤S2中，水泥混凝土灰浆与垃圾焚烧炉渣的混匀过程可以使用任意搅拌方式，搅拌时间也可根据实际制备情况而定，将物料混合均匀即可。

上述步骤S3中，可使用现有的圆盘造粒设备制得骨料颗粒，圆盘造粒设备的圆盘直径、转速、角度、时间、进料量等可根据实际制备情况而定，例如，圆盘造粒设备的圆盘角度可以控制为40～50°，又例如，造粒时间可以控制为6～15分钟。在造粒过程中，额外水的喷洒取决于进料的水含量。经过步骤S3制得的骨料颗粒的含水量优选控制在20～25wt％。

上述步骤S4中，骨料颗粒的养护方式可以为现有的人工骨料养护方式或其组合。优选地，步骤S4的养护方式可以为：先于20～80％的相对湿度下干燥处理养护12～36小时，然后通过以下方式中的一种或多种进行养护：湿度密封养护、蒸汽养护或二氧化碳养护。

步骤S4先进行的湿度密封养护可以使骨料具有初步的强度，以便于对骨料的进一步养护和存放时的转移；优选的相对湿度可以为60～80％，温度可以为室温。

步骤S4后续的养护过程可以根据实际制备情况、经济环保因素、人工骨料的性能要求等进行选择或调节养护条件。例如，湿度密封养护可以为60～80％的相对湿度下室温密封养护25～35天。又例如，蒸汽养护可以为50～90℃下蒸汽养护1～10天。再例如，二氧化碳养护可以为二氧化碳的流通养护或有压养护，养护时间可以为12～36小时。

步骤S4中优选的养护方式可以为二氧化碳养护，其可以是任意的来源，用于本发明的二氧化碳优选来自垃圾填埋气体、工业尾气或收集的二氧化碳，更优选为垃圾填埋气体或化石燃料排放的工业尾气。二氧化碳的体积浓度可以为10～100％(v/v)；优选可以为10～60％(v/v)。

为有利于二氧化碳养护，可将骨料颗粒进行预干燥处理，优选先于40～60％的相对湿度下预干燥12～36小时，使其散失水分，碳化前骨料颗粒的含水量低于10wt％为较优。预干燥处理后的骨料颗粒可置于二氧化碳养护容器内，流动的二氧化碳气体可流通于容器之中，容器内还可辅以抽湿设备或干燥剂，以便及时排出碳化反应释放的水蒸汽，流通养护过程中，容器内的相对湿度可以维持在45％～85％之间，优选为45％～60％。二氧化碳养护过程中也可辅以加压设备，使得容器内的压力维持为0.1～1bar左右，加快碳化反应，加压养护过程中，容器内可无需维持相对湿度，也可维持与流通养护过程相同或相近的相对湿度。

本发明提供的冷粘结人工骨料中，骨料的粒径可以根据实际使用需要进行选择，或按照常见的人工骨料类型的粒径范围进行选择。例如，制得的冷粘结人工骨料的粒径可以为5～14mm的部分占总质量的60％以上；还可以优选占总质量的80％以上。

本发明制得的冷粘结人工骨料根据制备过程的不同可具有不同的性能，由此可应用于多种领域或场合，可替代现有的天然骨料、烧结陶粒轻骨料等混凝土骨料，也可以与现有的骨料混合使用；优选地，本发明提供的冷粘结人工骨料可以为轻骨料，其符合ASTMC330,C331,C332中对轻骨料松散堆积密度的规定。

本发明提供的组合物以及由其制得的冷粘结人工骨料具有以下优点：

(1)使用水泥混凝土灰浆作为原料，可使其由废弃物变为增值材料，且无需对其进行填埋处理，使用垃圾焚烧炉渣作为原料，亦可替代原有的填埋处理，本发明有效、合理地结合了不同工业固体废弃物的特性，使其充分发挥了附加价值，实现了资源化利用，减轻了环境压力，绿色环保，能够产生巨大的经济效益和社会效益。

(2)本发明的冷粘结人工骨料可通过制备工艺、掺加材料等进行调节，得到多种类、多性能要求的骨料产品，而且，制备工艺简便、易行，有利于大规模生产。

(3)本发明的冷粘结人工骨料可利用二氧化碳废气进行养护，能加速材料的碳化，骨料强度增长快，养护时间短，还能增强骨料的某些性能，而且还能减少生活和工业废气的排放，节约能源，进一步减轻环境负担。

综上所述，本发明的冷粘结人工骨料具有工业固体废弃物利用率高、性能良好等优点，生产过程具有工业推广的可行性，大大促进了环境保护和资源循环利用的理念，具有良好的应用前景。

附图说明

图1为本发明的冷粘结人工骨料的制备工艺流程图。

图2A为实施例1制得的各批次人工骨料的松散堆积密度测试结果图。

图2B为实施例1制得的各批次人工骨料的颗粒强度和筒压强度测试结果图。

图2C为实施例1制得的各批次人工骨料的吸水率测试结果图。

图3为实施例2中二氧化碳条件下养护人工骨料的装置结构示意图。

图4A为实施例2制得的各批次人工骨料的松散堆积密度测试结果图。

图4B为实施例2制得的各批次人工骨料的吸水率测试结果图。

图4C为实施例2制得的各批次人工骨料的颗粒强度测试结果图。

其中，附图标记说明如下：

1、人工骨料；2、养护容器；3、湿度调节装置；4、控制装置。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将进一步描述本发明的示例性实施例的技术方案。

用于以下实施例的水泥混凝土灰浆为收集的来自水泥混凝土搅拌站的沉淀池灰浆，含水量约为50wt％；用于以下的垃圾焚烧炉渣含水量为15～20wt％。

实施例1

制备流程如图1所示。

步骤1：筛选垃圾焚烧炉渣选取粒径小于2.36mm的部分，将水泥混凝土灰浆进行搅拌形成均匀浆体，并向浆体中加入可选的胶凝材料。垃圾焚烧炉渣、水泥混凝土灰浆及胶凝材料的种类和用量如表1所示。

表1

表1中，水泥为普通硅酸盐52.5号水泥，粒化高炉矿渣粉符合GB/T203标准。

步骤2：将垃圾焚烧炉渣、水泥混凝土灰浆及可选的胶凝材料混合搅拌均匀。

步骤3：通过圆盘造粒机进行造粒，造粒制得的骨料颗粒粒径为2.36-16mm，其中80wt％的骨料粒径为5-14mm。

步骤4：将所制得的人工骨料颗粒密封于密封袋中，放置于相对湿度为75％的环境中养护28天即制得最终的冷粘结人工骨料。

性能测试

按照ASTM C29对骨料的松散堆积密度进行测试，按照EN13055-1对骨料的强度进行测试，并对骨料的吸水率进行测试。测试之前，所有骨料在温度为105°的烘箱中烘干。

松散堆积密度测试结果如图2A所示，显示实施例1制得的所有批次冷粘结人工骨料的松散堆积密度在760-850kg/m³之间，均符合ASTM C330,C331,C332中对轻骨料松散堆积密度的规定(小于880kg/m³)。因此制备的冷粘结人工骨料可被归类为轻骨料。

强度测试结果如图2B所示，显示实施例1制得的所有批次冷粘结人工骨料都具有很好的强度，尤其是当实施例1制得的冷粘结人工骨料中掺加其他胶凝材料时(5％-10％)，测得骨料的筒压强度为6.5-8.25MPa，大于工业生产的烧结陶粒轻骨料(同等条件下实验室测试值为6.5MPa)。

吸水率测试结果如图2C所示，显示实施例1制得的所有批次冷粘结人工骨料的24小时吸水率为19％-24％。

根据图2A-2C还可看出，掺加的胶凝材料含量增加时，制得的冷粘结人工骨料的松散堆积密度增加，骨料强度增加，吸水率下降，由此可根据实际需要调节所得人工骨料的性能，继而可得到不同性能的多种类人工骨料。

实施例2

按照表2中的原材料配合比制备人工骨料，步骤1-3同实施例1。

表2

上述两种原材料配合比的样品各制备两批，分别通过造粒过程中的加水量控制批次1中粒径5-10mm的成分占60％，批次2中粒径10-14mm的成分占60％。

将以上制备的两批次样品经过24小时初步湿度养护后(相对湿度为75％的环境中密封养护)，按照表3列出的养护方式分别进行人工骨料的养护。

表3

当采用二氧化碳进行养护时，样品先放入相对湿度50％，温度为23℃，空气流通的干燥箱中进行预干燥24小时。

对于流通二氧化碳气体养护的样品而言，如图3所示，人工骨料1放置于养护容器2之中，二氧化碳匀速从养护容器一侧流入，并从另一侧流出，循环利用，同时，可通过湿度调节装置3调节养护容器2中的相对湿度。二氧化碳流速控制为2.5升/分，可通过控制装置4控制流速。

对于加压二氧化碳养护的样品而言，将预干燥后的人工骨料放入二氧化碳养护容器内，抽真空至-0.8bar后充入二氧化碳气体直至养护容器内部压力为0.1bar或1bar，进行骨料的养护。

性能测试

按照实施例1相同的方法测试养护后所得人工骨料的松散堆积密度、吸水率及颗粒强度。

松散堆积密度测试结果如图4A所示，(a)图显示实施例2的批次1骨料的松散堆积密度均小于880kg/m³，符合ASTM C330,C331,C332中对轻骨料松散堆积密度的规定，因此这些冷粘结人工骨料可被归类为轻骨料。

(b)图显示经过二氧化碳养护的骨料其堆积密度大于其他养护方式(例如蒸汽养护)，批次2中二氧化碳养护的骨料堆积密度为885-910kg/m³，其超过ASTM C330,C331,C332中对轻骨料松散堆积密度规定的880kg/m³，但是超出幅度极小(小于3％)。此时得到的骨料可用作天然骨料的全部或部分替代物，也可通过控制造粒过程中的时间等工艺条件以降低松散堆积密度，使其满足轻骨料的要求。

吸水率测试结果如图4B所示，(a)、(b)图显示实施例2制得的人工骨料吸水率为23-27％(批次1)和17.5％-21.5％(批次2)，其中，二氧化碳养护的样品的吸水率小于其他养护方式的人工骨料。

颗粒强度测试结果如图4C所示，(a)图显示实施例2的批次1骨料中，经过24小时流动二氧化碳养护的骨料，其颗粒强度可达到经过28天湿度养护的骨料颗粒强度的30％(CSW样品)及60％(10G样品)，说明二氧化碳养护的方式可快速提高骨料颗粒的强度，便于养护过程中骨料颗粒的存放和移动。

(b)图显示实施例2的批次2骨料中，经过24小时二氧化碳养护的骨料，其颗粒强度可达到60℃蒸汽养护的骨料颗粒强的78-86％。在有压二氧化碳养护条件下，骨料的颗粒强度相对于流通的二氧化碳养护有所提高，提高幅度为3-10％。

经过二氧化碳养护的骨料中，骨料对于二氧化碳的吸收量可达到1.2-4.5％。

虽然为了说明本发明，已经公开了本发明的优选实施方案，但是本领域的技术人员应当理解，在不脱离权利要求书所限定的本发明构思和范围的情况下，可以对本发明做出各种修改、添加和替换。

Claims

1.一种用于制备冷粘结人工骨料的组合物，其特征在于，按重量份包括1份水泥混凝土灰浆以及0.5～3份垃圾焚烧炉渣。

2.根据权利要求1所述的组合物，其特征在于，所述组合物按重量份包括1份水泥混凝土灰浆以及0.8～1.5份垃圾焚烧炉渣。

3.根据权利要求1或2所述的组合物，其特征在于，所述垃圾焚烧炉渣的粒径为5.0mm以下，优选为2.36mm以下，其含水量在0～40wt％，优选在15～20wt％。

4.根据权利要求1或2所述的组合物，其特征在于，所述水泥混凝土灰浆为未硬化的水泥混凝土搅拌站的沉淀池灰浆，其含水量在40～60wt％，优选在45～50wt％。

5.根据权利要求1-4任一项所述的组合物，其特征在于，所述组合物还包括有胶凝材料，所述胶凝材料的重量不超过所述水泥混凝土灰浆以及垃圾焚烧炉渣总重量的20％；优选地，所述胶凝材料的重量为所述水泥混凝土灰浆以及垃圾焚烧炉渣总重量的5～10％。

6.根据权利要求5所述的组合物，其特征在于，所述胶凝材料为水泥、粒化高炉矿渣粉、生石灰、硅灰、粉煤灰中的一种或多种。

7.一种冷粘结人工骨料，其特征在于，由权利要求1-6任一项所述的组合物制备所得。

8.根据权利要求7所述的冷粘结人工骨料，其特征在于，制备过程包括以下步骤：

9.根据权利要求8所述的冷粘结人工骨料，其特征在于，所述步骤S4的养护方式为先于20～80％的相对湿度下养护12～36小时，然后通过以下方式中的一种或多种进行养护：湿度密封养护、蒸汽养护或二氧化碳养护。

10.根据权利要求9所述的冷粘结人工骨料，其特征在于，所述二氧化碳养护为二氧化碳的流通养护或有压养护，二氧化碳为垃圾填埋气体或工业尾气，其体积浓度为10～100％(v/v)。

11.根据权利要求10所述的冷粘结人工骨料，其特征在于，使用二氧化碳养护前，将骨料颗粒于40～60％的相对湿度下预干燥处理12～36小时。

12.根据权利要求7-11任一项所述的冷粘结人工骨料，其特征在于，所述冷粘结人工骨料为轻骨料。