复合建筑垃圾微粉的制备和应用研究

李建勇

(北京联绿技术集团有限公司,北京 100190)

前言

近年来,随着国家环境保护和循环经济的政策引导,建筑垃圾资源化产业在国内逐渐兴起并日益发展。建筑垃圾资源化处置利用技术成为当前产业发展的研究热点。由废砖瓦和废混凝土等建筑垃圾粉磨制得的建筑垃圾再生微粉,具备较高的颗粒细度和较好的反应活性,可以用作混凝土的矿物掺合料。但是,单纯的建筑垃圾再生微粉有较为明显的缺点,就是需水量比较高,活性较低,对于在预拌混凝土中应用十分不利。将建筑垃圾与矿渣、粉煤灰、钢渣等工业固废协同处置,制作具有较高活性和使用性能的复合建筑垃圾微粉,既可以有效克服单纯建筑垃圾微粉固有的缺点,还可以更好发挥复合粉体的微颗粒效应,降低材料成本。复合建筑垃圾微粉可广泛应用于生产预拌混凝土、预制混凝土、砂浆、混凝土墙体砖(砌块)、混凝土路面砖等常用建筑材料以及地聚物、特种混凝土、泡沫混凝土、无机保温板材等。北京联绿技术集团在这个方面做了较多的研究,本文对这些研究作了概要性的总结和介绍。

1 复合建筑垃圾微粉的制备

在以往多年的砖混建筑垃圾微粉制备和应用技术研究的基础上,北京联绿技术集团提出了将建筑垃圾与工业固体废弃物协同处置利用的技术思路,研究开发了复合建筑垃圾微粉产品及其应用技术。在建筑垃圾资源化工厂中,以砖混建筑垃圾微粉为基本材料,配合以当地的钢渣、矿渣、粉煤灰等工业固废粉体,或者再辅助以部分水泥熟料和激发材料,按照适当比例配合计量,混合均匀,生产出具有不同活性的复合建筑垃圾微粉。复合建筑垃圾微粉中,建筑垃圾微粉所占的质量比例不低于50%。

1.1 复合微粉制备的原材料

(1)建筑垃圾微粉

采用北京联绿集团建筑垃圾资源化工厂工业化生产的建筑垃圾微粉。建筑垃圾微粉的组成材料主要包括粘土砖粉、水泥石粉和石灰石粉,并含有少量的石英粉；化学成分以SiO2、Al2O3、Fe2O3、CaO和MgO为主；矿物组成包括石英、方解石、白云石等原有的粘土矿物成分,以及少量水泥水化产物CH、AFt和CSH等。典型的建筑垃圾微粉产品的品质指标为：比表面积为500-600m2/kg,需水量比为103%-105%,28天活性指数为65%-75%。

(2)工业固废材料

采用常见的矿渣、钢渣、粉煤灰等工业固废材料。矿渣为碱性水淬粒化高炉矿渣,玻璃体含量不低于98%,粉磨后的矿渣粉比表面积不低于400m2/kg,28天活性指数不低于90%,也可采用S95级矿渣粉。钢渣为热闷法或滚筒法工艺处理的转炉或电炉钢渣颗粒,f-CaO含量应不高于4%,铁杂质含量低,粉磨后的矿渣粉比表面积不低于400m2/kg,28天活性指数不低于80%。粉煤灰为电厂煤粉炉燃烧产生的C类或F类粉煤灰,应当符合I级或II级粉煤灰质量要求,可根据需要进行粉磨加工,粉磨后的粉煤灰比表面积不低于400m2/kg,28天活性指数不低于80%。

(3)其他材料

水泥熟料采用52.5等级硅酸盐水泥熟料。碱性激发剂采用工业级氢氧化钙粉,纯度不低于95%。石膏可采用脱硫石膏或水泥生产常用的混合石膏。

1.2 复合微粉制备的基本工艺

采用“单独粉磨+混合均化”的基本制备工艺,先分别磨细建筑垃圾颗粒、熟料、钢渣、矿渣等颗粒材料至规定的细度,然后根据设计的产品配合比分别计量,加入粉体混合机中进行混合均化,生产出品质均匀稳定、性能符合要求的复合建筑垃圾微粉。

(1)建筑垃圾粉磨工艺

首先对建筑垃圾进行多级破碎、分离分选和混合均化工艺处理,除去钢筋、渣土、玻璃、塑料、木块、木屑纺织物等杂物,得到基本洁净的建筑垃圾原材料颗粒物,然后使用高效立式磨机对颗粒物进行粉磨加工,制得具有一定活性的建筑垃圾微粉。

(2)熟料粉磨工艺

使用分仓式球磨机(前仓粉磨介质为钢球、后仓为钢段)粉磨熟料,熟料粉比表面积为400-450m2/kg。磨好后的熟料粉在专用筒仓中存放。

(3)钢渣粉磨工艺

采用“两级破碎+两级粉磨”的工艺。首先采用两级破碎工艺将原状钢渣颗粒破碎成粒径在10mm以下的细颗粒。一级破碎采用颚式破碎机,将尺寸不大于400mm的原状钢渣颗粒破碎成粒径在100mm以下的中等颗粒,经除铁后进入圆锥式破碎机进行二级破碎,得到粒径在10mm以下的细颗粒,再经过除铁,进入后续的两级粉磨工艺阶段。一级粉磨使用球磨机,粗粉磨后的钢渣粉进入螺旋分级机中分选,再经磁选机除铁后,进入立磨进行二级粉磨,加工成比表面积为400-500m2/kg的钢渣粉,进入专用筒仓存放。

(4)矿渣粉磨工艺

使用改进型高效立式磨粉磨矿渣,矿渣粉比表面积为400-500m2/kg。磨好后的矿渣粉在专用筒仓中存放。,

(5)混合均化工艺

建筑垃圾微粉、熟料粉、钢渣粉、矿渣粉和碱性激发剂分别存放在专用筒仓用,分别计量后,进入高效混合机中进行高速搅拌混合均化,生产出最终的复合微粉产品。

2 复合建筑垃圾微粉的品质和性能

复合建筑垃圾微粉从强度活性上可划分为中活性复合微粉和高活性复合微粉两类。中活性复合微粉中建筑垃圾微粉的质量百分比不低于65%,比表面积约为400-500m2/kg,28天活性指数为70%-80%,需水量比不大于105%。高活性复合微粉中建筑垃圾微粉的质量百分比不低于50%,比表面积约为500-600m2/kg,28天活性指数不低于95%,需水量比不大于100%。

表1给出了北京联绿技术集团生产的一种中活性复合微粉和一种高活性复合微粉的基本性能的试验结果。可以看出,中活性复合微粉的活性指数不低于混凝土中常用的II级粉煤灰,而高活性复合微粉的活性指数已经达到了S95级矿渣粉的要求。

表1 复合建筑垃圾微粉的基本性能试验结果

3 复合建筑垃圾微粉的应用

北京联绿技术集团对复合建筑垃圾微粉的应用技术进行了大量研究。研究结果表明,复合建筑垃圾微粉可广泛应用于生产水泥混凝土、砂浆、混凝土墙体砖(砌块)、混凝土路面砖等常用建筑材料以及地聚物、特种混凝土、泡沫混凝土、无机保温板材等。

3.1 预拌混凝土中的应用

复合建筑垃圾微粉是一种新型高品质的矿物掺合料,可以替代粉煤灰、矿渣粉等常用的矿物掺合料来生产预拌混凝土。将复合建筑垃圾微粉作为矿物掺合料,与水泥、砂石料(包括建筑垃圾再生砂石料)、外加剂等配合,使用常规混凝土生产工艺,通过精确计量和配料以及高效搅拌等技术工艺措施,可以制作强度等级为C10-C60的系列化预拌混凝土,包括通用型、抗渗型、早强型、抗冻型、泵送型、大体积型等不同型号和品种,性能优良,成本降低,节能环保。

表2给出了在相同配合比和搅拌工艺条件下,使用复合建筑垃圾微粉作为矿物掺合料与使用常规矿物掺合料制作的C30和C60混凝土的代表性能试验结果。试验结果表明,使用复合建筑垃圾微粉制作的混凝土的工作性能、力学性能、耐久性能和体积稳定性能等综合性能指标优良,在各项品质和性能以及生产和施工等各方面与使用常规矿物掺合料生产的预拌混凝土没有差别。

表2 复合建筑垃圾微粉混凝土性能试验结果

注：C30A和C60A混凝土使用粉煤灰和矿渣粉,C30B和C60B混凝土使用95级高活性复合建筑垃圾微粉。

还研究了利用高活性复合建筑垃圾微粉的高活性、高工作性的优势制备低水泥用量、低水胶比的流动性混凝土的应用技术。利用95级高活性复合微粉可以用来制备水泥用量在150kg/m3的C20-C40大流动性混凝土,利用105级高活性复合微粉可以用来制备水泥用量在200kg/m3的C40以上的低水泥用量大流动性混凝土。表3给出了利用高活性复合微粉制作的低水泥用量混凝土的工作性和强度试验结果。

表3 高活性复合建筑垃圾微粉制备的低水泥用量混凝土的性能试验结果

注：C30中使用95级复合微粉,C50中使用105级复合微粉；水泥为P.O42.5。

3.2 砂浆中的应用

利用中活性或高活性复合建筑垃圾微粉替代粉煤灰或矿渣粉,与水泥、砂等其他原材料配和,可以生产多系列不同品种的预拌砂浆,包括各等级的砌筑砂浆、抹灰砂浆、保温砂浆、地面砂浆、聚合物砂浆、防水砂浆等砂浆材料,产品品质和性能符合相应标准和规范的要求。砌筑砂浆强度等级为M5-M20,稠度≤90mm,用于各类砌体结构的砌筑。普通抹灰砂浆、装饰抹灰砂浆和防水抹灰砂浆,强度等级为M5-M20,稠度≤110mm,用于各类建筑结构的表面抹平和表面基层。外墙外保温砂浆和屋面保温砂浆,表观密度为500-850kg/m3,传热系数不高于1.3W/(m2K),用于各类建筑结构的外墙外保温和屋面保温抹灰。

3.3 路面砖和墙体砖中的应用

利用中活性复合建筑垃圾微粉或高活性复合建筑垃圾微粉替代粉煤灰或矿渣粉,与水泥、砂、碎石等其他原材料配和,可以生产多系列不同品种的水泥混凝土制品,包括不同等级和规格的混凝土多孔砌块、混凝土路面砖、混凝土标准墙体砖、混凝土多孔墙体砖、透水路面砖等。与使用常规材料生产的同类产品相比,具有品质和性能相当、成本低、环境和经济效益较好的优势。

3.4 地聚物中的应用

高活性复合建筑垃圾微粉在制备地聚物材料方面也有较大的利用前景。研究结果表明,可以利用高活性复合建筑垃圾微粉,与适量的石膏、偏硅酸钠、氢氧化钾以及必要的少量硅酸盐水泥熟料进行复合,制备出地质聚合物胶凝材料,这种地聚物的工作性能和强度性能均能与常规水泥相当。高活性复合微粉的质量比约为85%-95%,石膏为3%-4%,偏硅酸钠为2%-2.5%,氢氧化钾为2%-2.5%。根据地质聚合物材料组成的变化,可以制得分别与P.C32.5水泥和P.O42.5水泥性能相当的32.5等级和42.5等级的地质聚合物胶凝材料。表4给出了一种高活性复合微粉地聚物与水泥性能对比的试验结果。

表4 高活性建筑垃圾微粉地聚物与水泥的性能对比试验结果

4 结语

将建筑垃圾与矿渣、粉煤灰、钢渣等工业固废协同处置制作的具有较高活性和使用性能的复合建筑垃圾微粉,可广泛应用于生产预拌混凝土、预制混凝土、砂浆、混凝土墙体砖(砌块)、混凝土路面砖等常用建筑材料以及地聚物、特种混凝土、泡沫混凝土、无机保温板材等。复合建筑垃圾微粉的生产和应用技术,将会为建筑垃圾与工业固体废弃物协同资源化利用提供坚实的技术支持,为建筑垃圾资源化产业开辟更为广阔和有价值的发展前景。