復(fù)合建筑垃圾微粉的制備和應(yīng)用研究

李建勇

(北京聯(lián)綠技術(shù)集團(tuán)有限公司,北京 100190)

前言

近年來,隨著國(guó)家環(huán)境保護(hù)和循環(huán)經(jīng)濟(jì)的政策引導(dǎo),建筑垃圾資源化產(chǎn)業(yè)在國(guó)內(nèi)逐漸興起并日益發(fā)展。建筑垃圾資源化處置利用技術(shù)成為當(dāng)前產(chǎn)業(yè)發(fā)展的研究熱點(diǎn)。由廢磚瓦和廢混凝土等建筑垃圾粉磨制得的建筑垃圾再生微粉,具備較高的顆粒細(xì)度和較好的反應(yīng)活性,可以用作混凝土的礦物摻合料。但是,單純的建筑垃圾再生微粉有較為明顯的缺點(diǎn),就是需水量比較高,活性較低,對(duì)于在預(yù)拌混凝土中應(yīng)用十分不利。將建筑垃圾與礦渣、粉煤灰、鋼渣等工業(yè)固廢協(xié)同處置,制作具有較高活性和使用性能的復(fù)合建筑垃圾微粉,既可以有效克服單純建筑垃圾微粉固有的缺點(diǎn),還可以更好發(fā)揮復(fù)合粉體的微顆粒效應(yīng),降低材料成本。復(fù)合建筑垃圾微粉可廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)預(yù)拌混凝土、預(yù)制混凝土、砂漿、混凝土墻體磚(砌塊)、混凝土路面磚等常用建筑材料以及地聚物、特種混凝土、泡沫混凝土、無機(jī)保溫板材等。北京聯(lián)綠技術(shù)集團(tuán)在這個(gè)方面做了較多的研究,本文對(duì)這些研究作了概要性的總結(jié)和介紹。

1 復(fù)合建筑垃圾微粉的制備

在以往多年的磚混建筑垃圾微粉制備和應(yīng)用技術(shù)研究的基礎(chǔ)上,北京聯(lián)綠技術(shù)集團(tuán)提出了將建筑垃圾與工業(yè)固體廢棄物協(xié)同處置利用的技術(shù)思路,研究開發(fā)了復(fù)合建筑垃圾微粉產(chǎn)品及其應(yīng)用技術(shù)。在建筑垃圾資源化工廠中,以磚混建筑垃圾微粉為基本材料,配合以當(dāng)?shù)氐匿撛⒌V渣、粉煤灰等工業(yè)固廢粉體,或者再輔助以部分水泥熟料和激發(fā)材料,按照適當(dāng)比例配合計(jì)量,混合均勻,生產(chǎn)出具有不同活性的復(fù)合建筑垃圾微粉。復(fù)合建筑垃圾微粉中,建筑垃圾微粉所占的質(zhì)量比例不低于50%。

1.1 復(fù)合微粉制備的原材料

(1)建筑垃圾微粉

采用北京聯(lián)綠集團(tuán)建筑垃圾資源化工廠工業(yè)化生產(chǎn)的建筑垃圾微粉。建筑垃圾微粉的組成材料主要包括粘土磚粉、水泥石粉和石灰石粉,并含有少量的石英粉；化學(xué)成分以SiO2、Al2O3、Fe2O3、CaO和MgO為主；礦物組成包括石英、方解石、白云石等原有的粘土礦物成分,以及少量水泥水化產(chǎn)物CH、AFt和CSH等。典型的建筑垃圾微粉產(chǎn)品的品質(zhì)指標(biāo)為：比表面積為500-600m2/kg,需水量比為103%-105%,28天活性指數(shù)為65%-75%。

(2)工業(yè)固廢材料

采用常見的礦渣、鋼渣、粉煤灰等工業(yè)固廢材料。礦渣為堿性水淬粒化高爐礦渣,玻璃體含量不低于98%,粉磨后的礦渣粉比表面積不低于400m2/kg,28天活性指數(shù)不低于90%,也可采用S95級(jí)礦渣粉。鋼渣為熱悶法或滾筒法工藝處理的轉(zhuǎn)爐或電爐鋼渣顆粒,f-CaO含量應(yīng)不高于4%,鐵雜質(zhì)含量低,粉磨后的礦渣粉比表面積不低于400m2/kg,28天活性指數(shù)不低于80%。粉煤灰為電廠煤粉爐燃燒產(chǎn)生的C類或F類粉煤灰,應(yīng)當(dāng)符合I級(jí)或II級(jí)粉煤灰質(zhì)量要求,可根據(jù)需要進(jìn)行粉磨加工,粉磨后的粉煤灰比表面積不低于400m2/kg,28天活性指數(shù)不低于80%。

(3)其他材料

水泥熟料采用52.5等級(jí)硅酸鹽水泥熟料。堿性激發(fā)劑采用工業(yè)級(jí)氫氧化鈣粉,純度不低于95%。石膏可采用脫硫石膏或水泥生產(chǎn)常用的混合石膏。

1.2 復(fù)合微粉制備的基本工藝

采用“單獨(dú)粉磨+混合均化”的基本制備工藝,先分別磨細(xì)建筑垃圾顆粒、熟料、鋼渣、礦渣等顆粒材料至規(guī)定的細(xì)度,然后根據(jù)設(shè)計(jì)的產(chǎn)品配合比分別計(jì)量,加入粉體混合機(jī)中進(jìn)行混合均化,生產(chǎn)出品質(zhì)均勻穩(wěn)定、性能符合要求的復(fù)合建筑垃圾微粉。

(1)建筑垃圾粉磨工藝

首先對(duì)建筑垃圾進(jìn)行多級(jí)破碎、分離分選和混合均化工藝處理,除去鋼筋、渣土、玻璃、塑料、木塊、木屑紡織物等雜物,得到基本潔凈的建筑垃圾原材料顆粒物,然后使用高效立式磨機(jī)對(duì)顆粒物進(jìn)行粉磨加工,制得具有一定活性的建筑垃圾微粉。

(2)熟料粉磨工藝

使用分倉(cāng)式球磨機(jī)(前倉(cāng)粉磨介質(zhì)為鋼球、后倉(cāng)為鋼段)粉磨熟料,熟料粉比表面積為400-450m2/kg。磨好后的熟料粉在專用筒倉(cāng)中存放。

(3)鋼渣粉磨工藝

采用“兩級(jí)破碎+兩級(jí)粉磨”的工藝。首先采用兩級(jí)破碎工藝將原狀鋼渣顆粒破碎成粒徑在10mm以下的細(xì)顆粒。一級(jí)破碎采用顎式破碎機(jī),將尺寸不大于400mm的原狀鋼渣顆粒破碎成粒徑在100mm以下的中等顆粒,經(jīng)除鐵后進(jìn)入圓錐式破碎機(jī)進(jìn)行二級(jí)破碎,得到粒徑在10mm以下的細(xì)顆粒,再經(jīng)過除鐵,進(jìn)入后續(xù)的兩級(jí)粉磨工藝階段。一級(jí)粉磨使用球磨機(jī),粗粉磨后的鋼渣粉進(jìn)入螺旋分級(jí)機(jī)中分選,再經(jīng)磁選機(jī)除鐵后,進(jìn)入立磨進(jìn)行二級(jí)粉磨,加工成比表面積為400-500m2/kg的鋼渣粉,進(jìn)入專用筒倉(cāng)存放。

(4)礦渣粉磨工藝

使用改進(jìn)型高效立式磨粉磨礦渣,礦渣粉比表面積為400-500m2/kg。磨好后的礦渣粉在專用筒倉(cāng)中存放。,

(5)混合均化工藝

建筑垃圾微粉、熟料粉、鋼渣粉、礦渣粉和堿性激發(fā)劑分別存放在專用筒倉(cāng)用,分別計(jì)量后,進(jìn)入高效混合機(jī)中進(jìn)行高速攪拌混合均化,生產(chǎn)出最終的復(fù)合微粉產(chǎn)品。

2 復(fù)合建筑垃圾微粉的品質(zhì)和性能

復(fù)合建筑垃圾微粉從強(qiáng)度活性上可劃分為中活性復(fù)合微粉和高活性復(fù)合微粉兩類。中活性復(fù)合微粉中建筑垃圾微粉的質(zhì)量百分比不低于65%,比表面積約為400-500m2/kg,28天活性指數(shù)為70%-80%,需水量比不大于105%。高活性復(fù)合微粉中建筑垃圾微粉的質(zhì)量百分比不低于50%,比表面積約為500-600m2/kg,28天活性指數(shù)不低于95%,需水量比不大于100%。

表1給出了北京聯(lián)綠技術(shù)集團(tuán)生產(chǎn)的一種中活性復(fù)合微粉和一種高活性復(fù)合微粉的基本性能的試驗(yàn)結(jié)果。可以看出,中活性復(fù)合微粉的活性指數(shù)不低于混凝土中常用的II級(jí)粉煤灰,而高活性復(fù)合微粉的活性指數(shù)已經(jīng)達(dá)到了S95級(jí)礦渣粉的要求。

表1 復(fù)合建筑垃圾微粉的基本性能試驗(yàn)結(jié)果

3 復(fù)合建筑垃圾微粉的應(yīng)用

北京聯(lián)綠技術(shù)集團(tuán)對(duì)復(fù)合建筑垃圾微粉的應(yīng)用技術(shù)進(jìn)行了大量研究。研究結(jié)果表明,復(fù)合建筑垃圾微粉可廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)水泥混凝土、砂漿、混凝土墻體磚(砌塊)、混凝土路面磚等常用建筑材料以及地聚物、特種混凝土、泡沫混凝土、無機(jī)保溫板材等。

3.1 預(yù)拌混凝土中的應(yīng)用

復(fù)合建筑垃圾微粉是一種新型高品質(zhì)的礦物摻合料,可以替代粉煤灰、礦渣粉等常用的礦物摻合料來生產(chǎn)預(yù)拌混凝土。將復(fù)合建筑垃圾微粉作為礦物摻合料,與水泥、砂石料(包括建筑垃圾再生砂石料)、外加劑等配合,使用常規(guī)混凝土生產(chǎn)工藝,通過精確計(jì)量和配料以及高效攪拌等技術(shù)工藝措施,可以制作強(qiáng)度等級(jí)為C10-C60的系列化預(yù)拌混凝土,包括通用型、抗?jié)B型、早強(qiáng)型、抗凍型、泵送型、大體積型等不同型號(hào)和品種,性能優(yōu)良,成本降低,節(jié)能環(huán)保。

表2給出了在相同配合比和攪拌工藝條件下,使用復(fù)合建筑垃圾微粉作為礦物摻合料與使用常規(guī)礦物摻合料制作的C30和C60混凝土的代表性能試驗(yàn)結(jié)果。試驗(yàn)結(jié)果表明,使用復(fù)合建筑垃圾微粉制作的混凝土的工作性能、力學(xué)性能、耐久性能和體積穩(wěn)定性能等綜合性能指標(biāo)優(yōu)良,在各項(xiàng)品質(zhì)和性能以及生產(chǎn)和施工等各方面與使用常規(guī)礦物摻合料生產(chǎn)的預(yù)拌混凝土沒有差別。

表2 復(fù)合建筑垃圾微粉混凝土性能試驗(yàn)結(jié)果

注：C30A和C60A混凝土使用粉煤灰和礦渣粉,C30B和C60B混凝土使用95級(jí)高活性復(fù)合建筑垃圾微粉。

還研究了利用高活性復(fù)合建筑垃圾微粉的高活性、高工作性的優(yōu)勢(shì)制備低水泥用量、低水膠比的流動(dòng)性混凝土的應(yīng)用技術(shù)。利用95級(jí)高活性復(fù)合微粉可以用來制備水泥用量在150kg/m3的C20-C40大流動(dòng)性混凝土,利用105級(jí)高活性復(fù)合微粉可以用來制備水泥用量在200kg/m3的C40以上的低水泥用量大流動(dòng)性混凝土。表3給出了利用高活性復(fù)合微粉制作的低水泥用量混凝土的工作性和強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果。

表3 高活性復(fù)合建筑垃圾微粉制備的低水泥用量混凝土的性能試驗(yàn)結(jié)果

注：C30中使用95級(jí)復(fù)合微粉,C50中使用105級(jí)復(fù)合微粉；水泥為P.O42.5。

3.2 砂漿中的應(yīng)用

利用中活性或高活性復(fù)合建筑垃圾微粉替代粉煤灰或礦渣粉,與水泥、砂等其他原材料配和,可以生產(chǎn)多系列不同品種的預(yù)拌砂漿,包括各等級(jí)的砌筑砂漿、抹灰砂漿、保溫砂漿、地面砂漿、聚合物砂漿、防水砂漿等砂漿材料,產(chǎn)品品質(zhì)和性能符合相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范的要求。砌筑砂漿強(qiáng)度等級(jí)為M5-M20,稠度≤90mm,用于各類砌體結(jié)構(gòu)的砌筑。普通抹灰砂漿、裝飾抹灰砂漿和防水抹灰砂漿,強(qiáng)度等級(jí)為M5-M20,稠度≤110mm,用于各類建筑結(jié)構(gòu)的表面抹平和表面基層。外墻外保溫砂漿和屋面保溫砂漿,表觀密度為500-850kg/m3,傳熱系數(shù)不高于1.3W/(m2K),用于各類建筑結(jié)構(gòu)的外墻外保溫和屋面保溫抹灰。

3.3 路面磚和墻體磚中的應(yīng)用

利用中活性復(fù)合建筑垃圾微粉或高活性復(fù)合建筑垃圾微粉替代粉煤灰或礦渣粉,與水泥、砂、碎石等其他原材料配和,可以生產(chǎn)多系列不同品種的水泥混凝土制品,包括不同等級(jí)和規(guī)格的混凝土多孔砌塊、混凝土路面磚、混凝土標(biāo)準(zhǔn)墻體磚、混凝土多孔墻體磚、透水路面磚等。與使用常規(guī)材料生產(chǎn)的同類產(chǎn)品相比,具有品質(zhì)和性能相當(dāng)、成本低、環(huán)境和經(jīng)濟(jì)效益較好的優(yōu)勢(shì)。

3.4 地聚物中的應(yīng)用

高活性復(fù)合建筑垃圾微粉在制備地聚物材料方面也有較大的利用前景。研究結(jié)果表明,可以利用高活性復(fù)合建筑垃圾微粉,與適量的石膏、偏硅酸鈉、氫氧化鉀以及必要的少量硅酸鹽水泥熟料進(jìn)行復(fù)合,制備出地質(zhì)聚合物膠凝材料,這種地聚物的工作性能和強(qiáng)度性能均能與常規(guī)水泥相當(dāng)。高活性復(fù)合微粉的質(zhì)量比約為85%-95%,石膏為3%-4%,偏硅酸鈉為2%-2.5%,氫氧化鉀為2%-2.5%。根據(jù)地質(zhì)聚合物材料組成的變化,可以制得分別與P.C32.5水泥和P.O42.5水泥性能相當(dāng)?shù)?2.5等級(jí)和42.5等級(jí)的地質(zhì)聚合物膠凝材料。表4給出了一種高活性復(fù)合微粉地聚物與水泥性能對(duì)比的試驗(yàn)結(jié)果。

表4 高活性建筑垃圾微粉地聚物與水泥的性能對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果

4 結(jié)語(yǔ)

將建筑垃圾與礦渣、粉煤灰、鋼渣等工業(yè)固廢協(xié)同處置制作的具有較高活性和使用性能的復(fù)合建筑垃圾微粉,可廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)預(yù)拌混凝土、預(yù)制混凝土、砂漿、混凝土墻體磚(砌塊)、混凝土路面磚等常用建筑材料以及地聚物、特種混凝土、泡沫混凝土、無機(jī)保溫板材等。復(fù)合建筑垃圾微粉的生產(chǎn)和應(yīng)用技術(shù),將會(huì)為建筑垃圾與工業(yè)固體廢棄物協(xié)同資源化利用提供堅(jiān)實(shí)的技術(shù)支持,為建筑垃圾資源化產(chǎn)業(yè)開辟更為廣闊和有價(jià)值的發(fā)展前景。