復合建筑垃圾微粉的制備和應用研究

李建勇

(北京聯綠技術集團有限公司,北京 100190)

前言

近年來,隨著國家環境保護和循環經濟的政策引導,建筑垃圾資源化產業在國內逐漸興起并日益發展。建筑垃圾資源化處置利用技術成為當前產業發展的研究熱點。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,具備較高的顆粒細度和較好的反應活性,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,就是需水量比較高,活性較低,對于在預拌混凝土中應用十分不利。將建筑垃圾與礦渣、粉煤灰、鋼渣等工業固廢協同處置,制作具有較高活性和使用性能的復合建筑垃圾微粉,既可以有效克服單純建筑垃圾微粉固有的缺點,還可以更好發揮復合粉體的微顆粒效應,降低材料成本。復合建筑垃圾微粉可廣泛應用于生產預拌混凝土、預制混凝土、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、無機保溫板材等。北京聯綠技術集團在這個方面做了較多的研究,本文對這些研究作了概要性的總結和介紹。

1 復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用技術研究的基礎上,北京聯綠技術集團提出了將建筑垃圾與工業固體廢棄物協同處置利用的技術思路,研究開發了復合建筑垃圾微粉產品及其應用技術。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,配合以當地的鋼渣、礦渣、粉煤灰等工業固廢粉體,或者再輔助以部分水泥熟料和激發材料,按照適當比例配合計量,混合均勻,生產出具有不同活性的復合建筑垃圾微粉。復合建筑垃圾微粉中,建筑垃圾微粉所占的質量比例不低于50%。

1.1 復合微粉制備的原材料

(1)建筑垃圾微粉

采用北京聯綠集團建筑垃圾資源化工廠工業化生產的建筑垃圾微粉。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物CH、AFt和CSH等。典型的建筑垃圾微粉產品的品質指標為：比表面積為500-600m2/kg,需水量比為103%-105%,28天活性指數為65%-75%。

(2)工業固廢材料

采用常見的礦渣、鋼渣、粉煤灰等工業固廢材料。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天活性指數不低于90%,也可采用S95級礦渣粉。鋼渣為熱悶法或滾筒法工藝處理的轉爐或電爐鋼渣顆粒,f-CaO含量應不高于4%,鐵雜質含量低,粉磨后的礦渣粉比表面積不低于400m2/kg,28天活性指數不低于80%。粉煤灰為電廠煤粉爐燃燒產生的C類或F類粉煤灰,應當符合I級或II級粉煤灰質量要求,可根據需要進行粉磨加工,粉磨后的粉煤灰比表面積不低于400m2/kg,28天活性指數不低于80%。

(3)其他材料

水泥熟料采用52.5等級硅酸鹽水泥熟料。堿性激發劑采用工業級氫氧化鈣粉,純度不低于95%。石膏可采用脫硫石膏或水泥生產常用的混合石膏。

1.2 復合微粉制備的基本工藝

采用“單獨粉磨+混合均化”的基本制備工藝,先分別磨細建筑垃圾顆粒、熟料、鋼渣、礦渣等顆粒材料至規定的細度,然后根據設計的產品配合比分別計量,加入粉體混合機中進行混合均化,生產出品質均勻穩定、性能符合要求的復合建筑垃圾微粉。

(1)建筑垃圾粉磨工藝

首先對建筑垃圾進行多級破碎、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對顆粒物進行粉磨加工,制得具有一定活性的建筑垃圾微粉。

(2)熟料粉磨工藝

使用分倉式球磨機(前倉粉磨介質為鋼球、后倉為鋼段)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中存放。

(3)鋼渣粉磨工藝

采用“兩級破碎+兩級粉磨”的工藝。首先采用兩級破碎工藝將原狀鋼渣顆粒破碎成粒徑在10mm以下的細顆粒。一級破碎采用顎式破碎機,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,經除鐵后進入圓錐式破碎機進行二級破碎,得到粒徑在10mm以下的細顆粒,再經過除鐵,進入后續的兩級粉磨工藝階段。一級粉磨使用球磨機,粗粉磨后的鋼渣粉進入螺旋分級機中分選,再經磁選機除鐵后,進入立磨進行二級粉磨,加工成比表面積為400-500m2/kg的鋼渣粉,進入專用筒倉存放。

(4)礦渣粉磨工藝

使用改進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、礦渣粉和堿性激發劑分別存放在專用筒倉用,分別計量后,進入高效混合機中進行高速攪拌混合均化,生產出最終的復合微粉產品。

2 復合建筑垃圾微粉的品質和性能

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

表1給出了北京聯綠技術集團生產的一種中活性復合微粉和一種高活性復合微粉的基本性能的試驗結果。可以看出,中活性復合微粉的活性指數不低于混凝土中常用的II級粉煤灰,而高活性復合微粉的活性指數已經達到了S95級礦渣粉的要求。

表1 復合建筑垃圾微粉的基本性能試驗結果

3 復合建筑垃圾微粉的應用

北京聯綠技術集團對復合建筑垃圾微粉的應用技術進行了大量研究。研究結果表明,復合建筑垃圾微粉可廣泛應用于生產水泥混凝土、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、無機保溫板材等。

3.1 預拌混凝土中的應用

復合建筑垃圾微粉是一種新型高品質的礦物摻合料,可以替代粉煤灰、礦渣粉等常用的礦物摻合料來生產預拌混凝土。將復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,使用常規混凝土生產工藝,通過精確計量和配料以及高效攪拌等技術工藝措施,可以制作強度等級為C10-C60的系列化預拌混凝土,包括通用型、抗滲型、早強型、抗凍型、泵送型、大體積型等不同型號和品種,性能優良,成本降低,節能環保。

表2給出了在相同配合比和攪拌工藝條件下,使用復合建筑垃圾微粉作為礦物摻合料與使用常規礦物摻合料制作的C30和C60混凝土的代表性能試驗結果。試驗結果表明,使用復合建筑垃圾微粉制作的混凝土的工作性能、力學性能、耐久性能和體積穩定性能等綜合性能指標優良,在各項品質和性能以及生產和施工等各方面與使用常規礦物摻合料生產的預拌混凝土沒有差別。

表2 復合建筑垃圾微粉混凝土性能試驗結果

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級高活性復合建筑垃圾微粉。

還研究了利用高活性復合建筑垃圾微粉的高活性、高工作性的優勢制備低水泥用量、低水膠比的流動性混凝土的應用技術。利用95級高活性復合微粉可以用來制備水泥用量在150kg/m3的C20-C40大流動性混凝土,利用105級高活性復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性混凝土。表3給出了利用高活性復合微粉制作的低水泥用量混凝土的工作性和強度試驗結果。

表3 高活性復合建筑垃圾微粉制備的低水泥用量混凝土的性能試驗結果

注：C30中使用95級復合微粉,C50中使用105級復合微粉；水泥為P.O42.5。

3.2 砂漿中的應用

利用中活性或高活性復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,可以生產多系列不同品種的預拌砂漿,包括各等級的砌筑砂漿、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,產品品質和性能符合相應標準和規范的要求。砌筑砂漿強度等級為M5-M20,稠度≤90mm,用于各類砌體結構的砌筑。普通抹灰砂漿、裝飾抹灰砂漿和防水抹灰砂漿,強度等級為M5-M20,稠度≤110mm,用于各類建筑結構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,傳熱系數不高于1.3W/(m2K),用于各類建筑結構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用

利用中活性復合建筑垃圾微粉或高活性復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,可以生產多系列不同品種的水泥混凝土制品,包括不同等級和規格的混凝土多孔砌塊、混凝土路面磚、混凝土標準墻體磚、混凝土多孔墻體磚、透水路面磚等。與使用常規材料生產的同類產品相比,具有品質和性能相當、成本低、環境和經濟效益較好的優勢。

3.4 地聚物中的應用

高活性復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。研究結果表明,可以利用高活性復合建筑垃圾微粉,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行復合,制備出地質聚合物膠凝材料,這種地聚物的工作性能和強度性能均能與常規水泥相當。高活性復合微粉的質量比約為85%-95%,石膏為3%-4%,偏硅酸鈉為2%-2.5%,氫氧化鉀為2%-2.5%。根據地質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水泥性能相當的32.5等級和42.5等級的地質聚合物膠凝材料。表4給出了一種高活性復合微粉地聚物與水泥性能對比的試驗結果。

表4 高活性建筑垃圾微粉地聚物與水泥的性能對比試驗結果

4 結語

將建筑垃圾與礦渣、粉煤灰、鋼渣等工業固廢協同處置制作的具有較高活性和使用性能的復合建筑垃圾微粉,可廣泛應用于生產預拌混凝土、預制混凝土、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、無機保溫板材等。復合建筑垃圾微粉的生產和應用技術,將會為建筑垃圾與工業固體廢棄物協同資源化利用提供堅實的技術支持,為建筑垃圾資源化產業開辟更為廣闊和有價值的發展前景。