一种固体废弃物制备的轻骨料及其制备方法和应用与流程

本发明涉及一种固体废弃物制备的轻骨料及其制备方法和应用，属于固体废弃物综合利用领域。

背景技术：

1、矿产开发、石油开采、煤电生产等行业产生巨量固体废弃物，如废石料、尾矿渣、煤矸石、含油污泥、粉煤灰等，目前的产生量达到惊人的50亿吨/年。这些固体废弃物不仅导致环境污染和生态破坏，还占用了大量的土地资源，亟待合理处理、处置和资源化利用。各种固体废弃物含有大量的sio2，al2o3、fe2o3、caco3等无机物质，都是极为珍贵的建筑材料的原料。

2、目前我国大量固体废弃物处于堆存待处理状态，尤其是大量粗粉煤灰无法安全利用而不得不大量积存；废石料、尾矿渣、煤矸石等固体废弃物则以矿坑回填为主的简单利用方式。在碳中和碳达峰背景下，资源化利用是固体废弃物处理与处置的必然趋势。利用固体废弃物制陶粒、制砖、水泥等技术都不同程度的存在一些问题。例如，煤矸石含碳量高，直接作为建筑材料利用，自身强度低、与水泥粘结性差；废石料、尾矿渣、煤矸石等通过高温煅烧制造陶粒，存在能耗高、产品单一、附加价值低等问题，制造水泥存在影响水泥品质、掺入量受限等问题。

3、轻骨料是一种堆积密度小于或等于1200kg/m3的骨料，可以代替天然砂石作为混凝土骨料。目前，由于我国多地禁止或限制采砂、采石，导致建筑砂料、石料极度短缺。在碳中和碳达峰背景下，国家大力鼓励以废石料、尾矿渣、煤矸石、含油污泥、粉煤灰等为原料，制造轻骨料等建筑材料代替天然砂石。

4、本发明创新和改进传统焙烧工艺，通过高温焙烧改变轻骨料的矿物组成，促进二次水化反应以增强轻骨料与水泥基质之间的黏结作用和提高抗压强度；本发明中，采用动态预热和静态烧结相结合，将余热循环利用，大大提高了能源利用效率，节能又环保；本发明利用大宗固体废物制备混凝土轻骨料，即解决了固体废弃物的环境污染问题，又实现了变废为宝、解决了砂石材料短缺问题。

技术实现思路

1、本发明为了解决现有上述技术问题，提供一种固体废弃物制备的轻骨料及其制备方法和应用。

2、本发明的技术方案：

3、本发明的目的之一是提供一种固体废弃物制备的轻骨料，该轻骨料由以下质量百分比的原料制成：90-99％的固体废弃物，1-10％的添加剂。

4、进一步限定，添加剂包括氧化钙、三氧化二铁、碳酸钙、磷酸钙、膨润土、淀粉和硼酸钠。

5、进一步限定，添加剂由以下质量百分比的原料组成：1-10％氧化钙、1-20％三氧化二铁、1-10％碳酸钙、1-15％磷酸钙、1-5％硼酸钠，10-30％膨润土，5-15％淀粉，余量为水。

6、进一步限定，固体废弃物为废石料、尾矿渣、煤矸石、含油污泥、粉煤灰中一种或几种混合。

7、进一步限定，制造的轻骨料粒径为0.1-60mm，堆积密度为400-1200kg/m3，筒压强度为2-8mpa，1h吸水率4-10％。

8、本发明的目的之二是提供一种上述轻骨料的制备方法，该方法包括以下步骤：

9、(1)将固体废弃物进行破碎，筛分使粒径为0.1-50mm，得到固体废弃物颗粒；

10、(2)向固体废弃物中加入添加剂混合均匀后，依次进行陈化、高温焙烧和降温处理，出料，破碎，得到轻骨料；

11、(3)将步骤(2)的到的轻骨料按照粒径要求筛分，得到不同粒径的碎石型轻骨料。

12、进一步限定，步骤(2)中陈化处理时间为5-30h。

13、进一步限定，步骤(2)中高温焙烧处理过程为：在湿度0.4-1.0％，炉内压力为2-6mpa的条件下，以15℃/min的升温速率由室温升至800℃-1450℃，保温8h。

14、更进一步限定，步骤(2)中高温焙烧处理过程为：在湿度0.4-1.0％，炉内压力为2-6mpa的条件下，以15℃/min的升温速率由室温升至1350℃，保温8h。

15、进一步限定，降温处理过程为：以20℃/min的降温速率降将至室温。

16、进一步限定，轻骨料可以制成轻骨料砂料，具体为细砂料、中砂料和粗砂料，其粒径符合1.6-2.2mm、2.3-3.0mm和3.1-3.7mm规格要求；轻骨料还可以制成轻骨料石料，其粒径符合5.0mm、10.0mm、16.0mm和20.0mm等规格要求。

17、本发明的目的之三是提供一种上述轻骨料的应用，具体的该轻骨料用于制备保温混凝土，保温结构混凝土和结构混凝土。

18、进一步限定，保温混凝土包括轻骨料400-600kg/m3，水泥300-360kg/m3。

19、更进一步限定，轻骨料由粒径为2-3mm、5-6mm和10-16mm按照2:3:5的比例级配构成。

20、更进一步限定，制备的保温混凝土强度标号等级分布为lc5.0-lc15，导热系数为0.13-0.20，干表观密度为650-1000kg/m3，1h吸水率为6-10％。

21、更进一步是限定，制备的保温混凝土强度标号为lc5.0，表观干密度为800kg/m3，导热系数为0.15w/m k，1h吸水率为10％。

22、进一步限定，保温结构混凝土包括轻骨料600-1000kg/m3，水泥340-380kg/m3。

23、更进一步限定，轻骨料由粒径为2-3mm、5-6mm和10-16mm按照2:3:5的比例级配构成。

24、更进一步限定，制备的保温结构混凝土强度标号等级分布为lc15-lc30，导热系数为0.18-0.25，干表观密度为1000-1500kg/m3，1h吸水率为4-10％。

25、更进一步限定，制备的保温结构混凝土强度标号等级分布为lc15，导热系数为0.19，干表观密度为1200kg/m3，1h吸水率为7％。

26、进一步限定，结构混凝土包括轻骨料800-1400kg/m3，水泥340-450kg/m3。

27、更进一步限定，轻骨料由粒径为2-3mm、5-6mm和10-16mm按照2:3:5的比例级配构成。

28、更进一步限定，制备的结构混凝土强度标号是等级分布为lc30-lc60，导热系数为0.20-0.40，干表观密度为1500-2000kg/m3，1h吸水率为4-8％。更进一步限定，制备的结构混凝土强度标号是等级分布为lc40，导热系数为0.25，干表观密度为1600kg/m3，1h吸水率为6％。

29、本发明的目的之四是提供一种上述轻骨料的应用，具体的该轻骨料用于制备混凝土砌砖块。

30、进一步限定，混凝土砌砖块包括轻骨砂石料400-600kg/m3，水泥240-300kg/m3。

31、更进一步限定，轻骨料由粒径为3mm、5mm和19mm按照2:4:4比例级配构成。

32、更进一步限定，制备的混凝土砌砖块强度等级为mu3.5-mu10.0，密度为400-800kg/m3，导热系数为0.13-0.20，1h吸水率为6-12％。

33、更进一步限定，制备的混凝土砌砖块等级为mu7，密度为900kg/m3，导热系数为0.15w/m k，1h吸水率为10％。

34、本发明利用废石料、尾矿渣、煤矸石、含油污泥、粉煤灰等大宗固体废弃物制备建筑材料用轻骨料，实现废弃物处理与处置的同时，即解决了废弃物堆存占用土地、污染环境的问题，又实现了资源化利用。与现有技术相比具有以下有益效果：

35、(1)本发明提供的轻骨料制备过程中，原料经过800℃-1450℃的焙烧，这使得固体废弃物中的有机物完全分解，固体废弃物中可能含有的砷、汞、镉、锌、铜、镍等重金属气化后大部分转移到烟气中，极少部分在添加剂的作用下，被固化在轻骨料中；参照《固体废物浸出毒性浸出方法》(gb5086-1997)，本发明制备的轻骨料中重金属等污染物浸出浓度完全满足《固体废物鉴别标准通则》中关于在利用和处置过程中的固体废物鉴别准则的相关要求。因此轻骨料以及制造的混凝土和砌砖块具有无毒、无污染的优点。

36、(2)本发明制备的轻骨料的各项指标，如《轻集料及其试验方法第2部分：轻集料试验方法》(中华人民共和国标准(gb/t17431.2-2010))中表1所列各项指标，符合《轻集料及其试验方法第1部分：轻集料》(中华人民共和国标准(gb/t17431.1-2010))中表1-表7所规定的各项指标要求。

37、(3)本发明制备的轻骨料可以满足不同用途，如高保温型轻骨料、中保温中强度轻骨料和高强度轻骨料。进一步的利用高保温型轻骨料可以制造保温砌砖块等保温材料，导热系数仅为0.13-0.20，使用该高保温材料，寒冷地区的建构筑物无需再做外墙保温，同时具有极佳的防火性能，并可缩短建设工期和降低造价；利用中保温中强度轻骨料，可以制造既具有良好保温性能又具有较高承重强度的保温结构混凝土。当本发明制备的轻骨料用于制备混凝土时，得到的混凝土质量轻相同标号强度情况下，重量仅为砂石骨料的二分之一到三分之二，减少了自重，从而减小了自身荷载，由此减少了建构筑物的钢筋使用量，并可缩短工期和降低建构筑物造价。

38、(4)本发明制备的轻骨料密度为400-1200kg/m3，当密度等级分别为400kg/m3、500kg/m3、600kg/m3、700kg/m3、800kg/m3、900kg/m3、1000kg/m3、1100kg/m3、1200kg/m3时，其筒压强度分别达到2.0mpa、3.0mpa、4.0mpa、5.0mpa、6.0mpa、6.5mpa、7.0mpa、7.5mpa和8.0mpa以上。

39、(5)本发明制备的轻骨料其密度等级分别为400kg/m3、500kg/m3、600kg/m3、700kg/m3、800kg/m3、900kg/m3、1000kg/m3、1100kg/m3、1200kg/m3时，制造的混凝土的标号等级分别可以达到lc15、lc25、lc30、lc35、lc40、lc45、lc50、lc55、lc60以上。最大强度可达到lc60，具有高强度、高承重能力能够用于各种建筑的承重结构，如承重墙、桥梁承重结构、铁轨枕木等。

40、(6)本发明提供的轻质结构混凝土满足中华人民共和国行业标准，如《轻骨料混凝土技术规程》(jgj51-2002)、《轻骨料混凝土应用技术标准》(jgj/t12-2019)、《混凝土结构设计规范》gb50010等：《轻骨料混凝土结构技术规程》(jgj12-2006)等标准。

41、(6)本发明采用复配的氧化钙、三氧化二铁、碳酸钙、磷酸钙、膨润土和硼酸钠作为添加剂对大宗固体废弃物进行处理，具体的氧化钙和三氧化二铁起到助熔、促进晶体形成和提高轻骨料抗压强度的作用；膨润土主要起到提高轻骨料粘结性作用；碳酸钙、磷酸钙、淀粉和硼酸钠等主要起到调节轻骨料孔隙度和孔隙均匀度的作用，其中淀粉主要起到提高大气孔占比率作用。且上述添加剂了根据轻骨料产品的性能要求(如保温性能、保温兼顾强度性能和高强度性能)确定掺入比例。