一种以垃圾焚烧底灰为原料的人造骨料及其制备方法
阅读说明：本技术 一种以垃圾焚烧底灰为原料的人造骨料及其制备方法 (Artificial aggregate using waste incineration bottom ash as raw material and preparation method thereof ) 是由 刘军 李振林 邢锋 靳贺松 张伟卓 于 2021-07-14 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种以垃圾焚烧底灰为原料的人造骨料及其制备方法,所述制备方法包括如下步骤：提供垃圾焚烧底灰,经自然风化和风干、破碎、筛选后得到预定大小的底灰颗粒；将所述底灰颗粒、水泥、矿粉或粉煤灰按比例混合后投入圆盘造粒机中进行冷粘结造粒,得到人造粗骨料胚体,经养护后即得到可用于混凝土的人造骨料。本发明制备的人造骨料属于高强轻粗骨料,强度高,吸水率低,能够代替天然骨料与烧结骨料,大大减少了天然骨料的开采和烧结骨料的生产,有效的节约资源,降低耗能。本发明能大量处理垃圾焚烧底灰,既降低了成本又减少底灰对环境的压力,节约了空间资源,兼具极高的经济效益与环境效益,为建筑行业提供了一种可持续发展的生产方法。(The invention discloses an artificial aggregate taking waste incineration bottom ash as a raw material and a preparation method thereof, wherein the preparation method comprises the following steps: providing waste incineration bottom ash, and obtaining bottom ash particles with a preset size after natural weathering, air drying, crushing and screening; and mixing the bottom ash particles, cement, mineral powder or fly ash in proportion, putting the mixture into a disc granulator for cold bonding granulation to obtain an artificial coarse aggregate blank, and curing to obtain the artificial aggregate for concrete. The artificial aggregate prepared by the invention belongs to high-strength light coarse aggregate, has high strength and low water absorption, can replace natural aggregate and sintered aggregate, greatly reduces the exploitation of the natural aggregate and the production of the sintered aggregate, effectively saves resources and reduces energy consumption. The invention can treat a large amount of waste incineration bottom ash, not only reduces the cost, but also reduces the pressure of the bottom ash on the environment, saves space resources, has extremely high economic benefit and environmental benefit, and provides a sustainable development production method for the building industry.)
技术领域
本发明涉及混凝土技术领域，尤其涉及一种以垃圾焚烧底灰为原料的人造骨料及其制备方法。
背景技术
混凝土是城市化建设过程中使用量最大的材料之一，全球每年生产约28亿立方米混凝土。混凝土中骨料约占混凝土体积的四分之三，因此骨料的使用量十分巨大。目前，土木工程中使用的最主要的骨料还是天然骨料(卵石、碎石、河砂等)，骨料的巨大需求将导致有限自然资源的消耗，并对环境可持续性产生不利影响。因此，找到代替天然砂石的人造骨料具有重要意义。
城市垃圾随着城市化的进程日益增加，目前将垃圾焚烧是常用的处理方式。垃圾焚烧过后体积能减少80-90％，剩余的灰渣中约80％为底灰，20％为飞灰。目前的城市垃圾数量及其巨大，即便经过焚烧处理，留下的灰渣数量依然相当可观，需要进行合理的处理。
然而，目前垃圾焚烧底灰的主要的处理方式还是填埋，填埋需要占用大量的土地资源；而且，焚烧垃圾组成复杂，底灰中可能含有多种重金属、无机盐类物质，在底灰填埋或利用过程中，有害成分可能会在酸雨等因素作用下浸出而污染环境。
因此，亟需找到合理的垃圾焚烧底灰处理途径，以减少土地资源的占用，稳定底灰的毒性物质，并尽可能实现废物利用。
发明内容
鉴于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种以垃圾焚烧底灰为原料的人造骨料及其制备方法，旨在通过冷粘结造粒技术，将垃圾焚烧底灰制备成可用于混凝土原料的高强轻粗人造骨料，代替天然骨料的使用，节约资源并有效处理城市垃圾焚烧底灰。
冷粘结造粒技术可以固定工业副产品和固体废物中的有害物质，进而在不损害环境的情况下制成骨料，并应用在建筑业中。冷粘结造粒技术具有能耗低，污染物排放少的优点。利用冷粘结造粒技术可以循环利用固体废物，减少固体废物填埋带来的环境负担，其产物可替代天然骨料，进而有效节约自然资源。因此，将冷粘结技术应用于城市垃圾焚烧底灰的处理，能将垃圾焚烧底灰制成人造骨料应用于混凝土中，可以实现废物利用，并且减少土地资源的占用。
本发明的技术方案如下：
一种以垃圾焚烧底灰为原料的人造骨料的制备方法，其中，包括步骤：
提供垃圾焚烧底灰，经自然风化和风干、破碎、筛选步骤后得到预定大小的底灰颗粒；
将所述底灰颗粒、水泥、矿粉或粉煤灰按照质量比(4-7):1:(2-5)的比例混合，得到混合料；
将所述混合料投入圆盘造粒机中进行造粒，得到人造粗骨料胚体；
将所述人造粗骨料胚体养护至少28天后，即得到可用于混凝土的人造骨料。
所述的以垃圾焚烧底灰为原料的人造骨料的制备方法，其中，所述垃圾焚烧底灰在自然风化和风干之前，还包括用磁选机进行磁选。
所述的以垃圾焚烧底灰为原料的人造骨料的制备方法，其中，所述自然风化和风干需要28-35天。
所述的以垃圾焚烧底灰为原料的人造骨料的制备方法，其中，所述底灰颗粒粒径小于2.36mm。
所述的以垃圾焚烧底灰为原料的人造骨料的制备方法，其中，所述人造粗骨料坯体粒径范围为4.75-16mm。
所述的以垃圾焚烧底灰为原料的人造骨料的制备方法，其中，将所述混合料投入圆盘造粒机中进行造粒的步骤还包括：将所述混合料分批投入圆盘造粒机中，并在入料过程中喷洒水，总用水量与所述混合料的质量比为20％-22％。
所述的以垃圾焚烧底灰为原料的人造骨料的制备方法，其中，所述圆盘造粒机的圆盘倾角为45°-60°，圆盘直径为1m，边缘高为1.5cm，转速为35-55rpm。
所述的以垃圾焚烧底灰为原料的人造骨料的制备方法，其中，所述人造粗骨料胚体的养护条件为温度20±2℃，相对湿度大于95％。
一种以垃圾焚烧底灰为原料的人造骨料，其中，所述人造骨料如前任一所述制备方法制备而成。
所述的以垃圾焚烧底灰为原料的人造骨料，其中，所述人造骨料的单颗粒抗压强度为3-6MPa，筒压强度为6-9MPa，吸水率为6％-13％，堆积密度为900-1100kg/m3。
有益效果：本发明提供了一种以垃圾焚烧底灰为原料的人造骨料的制备方法，增加了垃圾焚烧底灰的资源化渠道；利用了底灰颗粒多孔轻质的特点，使得制备得到的人造骨料的质量较轻，可以作为轻粗骨料使用；利用矿粉或粉煤灰火山灰活性强的特点，与底灰结合，并通过水泥作为粘接剂，给与了人造骨料较高的强度与较低的吸水率；通过矿粉或粉煤灰与水泥水化形成的C-S-H凝胶、钙矾石等水化产物，能够很好的固定底灰中的Cu、Pb、Cr等重金属和无机盐，绿色环保。本发明所制备的以垃圾焚烧底灰为原料的人造骨料，单颗粒抗压强度为3-6MPa，筒压强度为6-9MPa，吸水率为6％-13％，堆积密度为900-1100kg/m3。其强度较高，吸水率较低，完全符合高强轻粗骨料的各项性能要求，能够替代天然轻骨料(浮石、页岩等)和烧结轻骨料(粉煤灰烧结骨料、陶粒等)作为轻骨料混凝土的原料。一方面减少了天然轻骨料的开采，能够有效的节约资源；另一方面，相较于需要上千摄氏度的烧结陶粒所消耗的能量，本发明通过冷粘结法制作骨料，耗能极低，污染少，在节约能源、环境保护等方面有着巨大的优势。不仅如此，本发明所述的人造骨料的制备方法能大量处理垃圾焚烧底灰，既降低了成本又减少了底灰对环境的压力，兼具极高的经济效益与环境效益，为建筑行业提供了一种可持续发展的生产方法。
附图说明
图1为本发明实施例中一种以垃圾焚烧底灰为原料的人造骨料的制备方法的流程示意图。
图2为本发明实施例中所述混合料在圆盘造粒机中进行造粒的流程示意图。
具体实施方式
本发明提供一种以垃圾焚烧底灰为原料的人造骨料及其制备方法，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明实施例提供一种以垃圾焚烧底灰为原料的人造骨料的制备方法，如图1所示，包括步骤：
S10，提供垃圾焚烧底灰，经自然风化和风干、破碎、筛选步骤后得到预定大小的底灰颗粒；
S20，将所述底灰颗粒、水泥、矿粉或粉煤灰按照质量比(4-7):1:(2-5)的比例混合，得到混合料；
S30，将所述混合料投入圆盘造粒机中进行造粒，得到人造粗骨料胚体；
S40，将所述人造粗骨料胚体养护至少28天后，即得到可用于混凝土的人造骨料。
本发明中，利用了垃圾焚烧底灰颗粒多孔轻质的特点，使得制备成的人造骨料的质量较轻，可以作为轻粗骨料使用；利用矿粉或粉煤灰火山灰活性强的特点，与垃圾焚烧底灰结合，并通过水泥作为粘接剂，给与了人造骨料较高的强度与较低的吸水率；通过矿粉或粉煤灰与水泥水化形成的C-S-H凝胶、钙矾石等水化产物，可以很好的固定底灰中的Cu、Pb、Cr等重金属和无机盐，绿色环保。
在一些实施方式中，步骤S10中，所述垃圾焚烧底灰在自然风化和风干之前，还包括用磁选机进行磁选。焚烧垃圾组成复杂，底灰中可能含有多种重金属，磁选是为了用磁力将底灰中的金属回收利用，并且利于之后的破碎。该过程可以用磁选机进行处理，将底灰放置在磁选机传送带上，开启机器后待其自动磁选。
在一些实施方式中，步骤S10中，所述自然风化和风干步骤需要28-35天。其中，自然风化和风干同时进行，其目的是降低底灰里的重金属。自然风化和风干可在室外、防雨的环境中进行。
在一些优选的实施方式中，所述自然风化和风干步骤需要30天。
在一些实施方式中，所述底灰颗粒粒径小于2.36mm。这是因为，底灰中粒径较大的可以直接作为粗骨料应用于工程中，而小于2.36mm的颗粒较难处理，并且这一部分占底灰总量的50％以上。此外，冷粘结技术只适用于细颗粒物质的处理，因此选用粒径小于2.36mm的底灰颗粒。
在一些实施方式中，所述底灰颗粒、水泥、矿粉或粉煤灰按照质量比(4-7):1:(2-5)的比例混合，得到混合料。在该比例下，制备得到的骨料的成型效果好，强度较高，生产效率较高，并且能大量处理垃圾焚烧底灰，既降低了成本又减少了底灰对环境的压力。
在一些具体的实施方式中，底灰、水泥、矿粉或粉煤灰的优选比例为质量比6:1:3。
在一些具体的实施方式中，优选为矿粉。这是因为矿粉活性更高，能够很好的增强骨料的强度，降低骨料的吸水率。
在一些实施方式中，所述人造粗骨料坯体粒径范围为4.75-16mm。4.75mm是粗骨料的界定粒径，一般认为大于4.75mm的骨料为粗骨料。而且，由于骨料是人造的，因此粒径越大骨料的强度反而呈下降趋势，且大于16mm的骨料强度下降较为明显。故而，选择人造粗骨料坯体粒径范围为4.75-16mm。
在一些实施方式中，混合料在圆盘造粒机中的流程如图2所示：将原材料混合均匀后得到的混合料投入圆盘造粒机，并在入料过程中均匀喷洒水并不断旋转，在水分与圆盘转动的离心力作用下聚合，得到人造粗骨料胚体。其中，为了使原材料混合均匀，可先将粉状材料与底灰放在圆盘上搅拌5-10分钟，直至无明显颜色或颗粒大小差别，即为混合均匀。
在一些实施方式中，将所述混合料投入圆盘造粒机前需要预留一部分混合料，在喷洒水的过程中视情况加入预留的混合料。分批投入圆盘造粒机中的目的是为了提高造粒效率。
在一些具体的实施方式中，将所述混合料投入圆盘造粒机中进行造粒的步骤还包括：将所述混合料分批投入圆盘造粒机中，并在入料过程中喷洒水，总用水量与所述混合料的质量比为20％-22％。水与混合料的比例过高或过低都会很大程度的影响骨料的成型，导致无法造出合适的骨料或造粒的效率很低。
在一些实施方式中，所述圆盘造粒机的圆盘倾角为45°-60°，圆盘直径为1m，边缘高为1.5cm，转速为35-55rpm。
在上述实施方式中，将所述混合料投入圆盘造粒机中，采取冷粘结造粒技术进行造粒。冷粘结造粒技术具有能耗低，污染物排放少的优点，其相较于需要上千摄氏度的烧结陶粒等有着巨大的优势。
在一些实施方式中，步骤S40中，所述人造粗骨料胚体的养护条件为温度20±2℃，相对湿度大于95％。湿度是给骨料提供的外界水分供给，选择较高的相对湿度是为了保证其水化充分，进而得到性能较好的骨料。
在一些具体的实施方式中，还可以在不同温度下(20-80℃)水浴养护。水浴养护能够提供充足的水分，使得骨料内部水化充分，能明显增强骨料性能。其中，温度提升会对骨料有一定的促进作用，但是温度太高又会让水分蒸发，降低骨料性能；而温度低于20℃，则会抑制水化，进而影响骨料性能。
本发明实施例还提供一种以垃圾焚烧底灰为原料的人造骨料，其中，所述人造骨料如前任一所述制备方法制备而成。
在一些实施方式中，所述人造骨料的单颗粒抗压强度为3-6MPa，筒压强度为6-9MPa，吸水率为6％-13％，堆积密度为900-1100kg/m3。小于1200kg/m3，按照GB T 17431.1-轻集料及其试验方法第1部分中规定，可以认为所述人造骨料为轻集料，按照该规范，骨料的筒压强度达到高强轻粗集料的要求。相比市面上大多商品轻粗骨料，本发明所制作骨料强度更高，性能更好；吸水率较低，可以满足后续产品需求；且经济环保，能大量处理垃圾焚烧底灰，既降低了成本又处理了底灰，减少了底灰对环境的压力；同时，通过冷粘结法制作骨料，耗能极低，污染少，相较于需要上千摄氏度的烧结陶粒等有着巨大的优势。
下面通过具体实施例对本发明以垃圾焚烧底灰为原料的人造骨料及其制备方法做进一步的解释说明：
在本发明下述各实施例中，原材料中所用的垃圾焚烧底灰为垃圾焚烧发电厂产出的底灰，经过自然风化后，选取尺寸小于2.36mm的底灰颗粒；其余矿粉、粉煤灰与水泥都来源于市售。原材料化合物组成如表1所示：
表1：原材料化合物组成
实施例1：本实施例的高强度人造骨料的制备方法，包括以下步骤：
1)原材料的准备。从垃圾焚烧发电厂收集的焚烧发电后残留的底灰，将其进行湿润冷却处理，再将其放在自然条件下风化1个自然月并风干，然后进行筛分处理：在实验环境20℃±2℃的条件下，将底灰通过37.5mm、31.5mm、26.5mm、19mm、16mm、9.5mm、4.75mm与2.36mm的标准筛，选取2.36mm以下的底灰(含量占总体积50％以上)，其余底灰磁选后破碎至2.36mm。将粉煤灰、水泥与垃圾焚烧底灰以5:1:4的比例充分混合。
2)将上述混合好的原料投入圆盘造粒机中造粒，获得4.75-16mm的人造轻粗骨料胚体；
3)将上述造粒完成后的人造轻粗骨料胚体放置在温度20±2℃，相对湿度为95％的环境中养护28天，得到高强度人造骨料。
经测试，得到的人造骨料的单颗粒抗压强度为2.3MPa，吸水率为12.0％，堆积密度为1012kg/m3。
实施例2：本实施例的高强度人造骨料的制备方法，包括以下步骤：
1)原材料的准备。从垃圾焚烧发电厂收集的焚烧发电后残留的底灰，将其进行湿润冷却处理，再将其放在自然条件下风化1个自然月并风干，然后进行筛分处理：在实验环境20℃±2℃的条件下，将底灰通过37.5mm、31.5mm、26.5mm、19mm、16mm、9.5mm、4.75mm与2.36mm的标准筛，选取2.36mm以下的底灰，其余底灰磁选后破碎至2.36mm。将矿粉、水泥与垃圾焚烧底灰以5:1:4的比例充分混合。
2)将上述混合好的原料投入圆盘造粒机中造粒，获得4.75-16mm的人造轻粗骨料胚体；
3)将上述造粒完成后的人造轻粗骨料胚体放置在温度20±2℃，相对湿度为95％的环境中养护28天，得到高强度人造骨料。
经测试，得到的人造骨料的单颗粒抗压强度为2.5MPa，吸水率为11.9％，堆积密度为1084kg/m3。
实施例3：本实施例的高强度人造骨料的制备方法，包括以下步骤：
1)原材料的准备。从垃圾焚烧发电厂收集的焚烧发电后残留的底灰，将其进行湿润冷却处理，再将其放在自然条件下风化1个自然月并风干，然后进行筛分处理：在实验环境20℃±2℃的条件下，将底灰通过37.5mm、31.5mm、26.5mm、19mm、16mm、9.5mm、4.75mm与2.36mm的标准筛，选取2.36mm以下的底灰，其余底灰磁选后破碎至2.36mm。将矿粉、水泥与垃圾焚烧底灰以4:1:5的比例充分混合。
2)将上述混合好的原料投入圆盘造粒机中造粒，获得4.75-16mm的人造轻粗骨料胚体；
3)将上述造粒完成后的人造轻粗骨料胚体放置在温度20±2℃，相对湿度为95％的环境中养护28天，得到高强度人造骨料。
经测试，得到的人造骨料的单颗粒抗压强度为2.5MPa，吸水率为11.9％，堆积密度为1084kg/m3。
实施例4：本实施例的高强度人造骨料的制备方法，包括以下步骤：
1)原材料的准备。从垃圾焚烧发电厂收集的焚烧发电后残留的底灰，将其进行湿润冷却处理，再将其放在自然条件下风化1个自然月并风干，然后进行筛分处理：在实验环境20℃±2℃的条件下，将底灰通过37.5mm、31.5mm、26.5mm、19mm、16mm、9.5mm、4.75mm与2.36mm的标准筛，选取2.36mm以下的底灰，其余底灰磁选后破碎至2.36mm。将矿粉、水泥与垃圾焚烧底灰以2:1:7的比例充分混合。
2)将上述混合好的原料投入圆盘造粒机中造粒，获得4.75-16mm的人造轻粗骨料胚体；
3)将上述造粒完成后的人造轻粗骨料胚体放置在温度20±2℃，相对湿度为95％的环境中养护28天，得到高强度人造骨料。
经测试，得到的人造骨料的单颗粒抗压强度为3.3MPa，吸水率为10.8％，堆积密度为1078kg/m3。
实施例5：本实施例的高强度人造骨料的制备方法，包括以下步骤：
1)原材料的准备。从垃圾焚烧发电厂收集的焚烧发电后残留的底灰，将其进行湿润冷却处理，再将其放在自然条件下风化1个自然月并风干，然后进行筛分处理：在实验环境20℃±2℃的条件下，将底灰通过37.5mm、31.5mm、26.5mm、19mm、16mm、9.5mm、4.75mm与2.36mm的标准筛，选取2.36mm以下的底灰(含量占总体积50％以上)，其余底灰磁选后破碎至2.36mm。将矿粉、水泥与垃圾焚烧底灰以5:1:4的比例充分混合。
2)将上述混合好的原料投入圆盘造粒机中造粒，获得4.75-16mm的人造轻粗骨料胚体；
3)将上述造粒完成后的人造轻粗骨料胚体放置在温度20±2℃，相对湿度为95％的环境中养护24h，再放入20±2℃的水中浸泡(水浴)养护27天，得到高强度人造骨料。
经测试，得到的人造骨料的单颗粒抗压强度为3.5MPa，吸水率为8.05％，堆积密度为1085kg/m3。
实施例6：本实施例的高强度人造骨料的制备方法，包括以下步骤：
1)原材料的准备。从垃圾焚烧发电厂收集的焚烧发电后残留的底灰，将其进行湿润冷却处理，再将其放在自然条件下风化1个自然月并风干，然后进行筛分处理：在实验环境20℃±2℃的条件下，将底灰通过37.5mm、31.5mm、26.5mm、19mm、16mm、9.5mm、4.75mm与2.36mm的标准筛，选取2.36mm以下的底灰，其余底灰磁选后破碎至2.36mm。将矿粉、水泥与垃圾焚烧底灰以5:1:4的比例充分混合。
2)将上述混合好的原料投入圆盘造粒机中造粒，获得4.75-16mm的人造轻粗骨料胚体；
3)将上述造粒完成后的人造轻粗骨料胚体放置在温度20±2℃，相对湿度为95％的环境中养护24h，再放入40±2℃的水中浸泡(水浴)养护7天，得到高强度人造骨料。
经测试，得到的人造骨料的单颗粒抗压强度为4.0MPa，吸水率为6.84％，堆积密度为1088kg/m3。
实施例7：本实施例的高强度人造骨料的制备方法，包括以下步骤：
1)原材料的准备。从垃圾焚烧发电厂收集的焚烧发电后残留的底灰，将其进行湿润冷却处理，再将其放在自然条件下风化1个自然月并风干，然后进行筛分处理：在实验环境20℃±2℃的条件下，将底灰通过37.5mm、31.5mm、26.5mm、19mm、16mm、9.5mm、4.75mm与2.36mm的标准筛，选取2.36mm以下的底灰，其余底灰磁选后破碎至2.36mm。将矿粉、水泥与垃圾焚烧底灰以5:1:4的比例充分混合。
2)将上述混合好的原料投入圆盘造粒机中造粒，获得4.75-16mm的人造轻粗骨料胚体；
3)将上述造粒完成后的人造轻粗骨料胚体放置在温度20±2℃，相对湿度为95％的环境中养护24h，再放入80±2℃的水中浸泡(水浴)养护7天，得到高强度人造骨料。
经测试，得到的人造骨料的单颗粒抗压强度为4.4MPa，吸水率为3.99％，堆积密度为1096kg/m3。
综上所述，本发明提供了一种以垃圾焚烧底灰为原料的人造骨料的制备方法，增加了垃圾焚烧底灰的资源化渠道；利用了底灰颗粒多孔轻质的特点，使得制备得到的人造骨料的质量较轻，可以作为轻粗骨料使用；利用矿粉或粉煤灰火山灰活性强的特点，与底灰结合，并通过水泥作为粘接剂，给与了人造骨料较高的强度与较低的吸水率；通过矿粉或粉煤灰与水泥水化形成的C-S-H凝胶、钙矾石等水化产物，能够很好的固定底灰中的Cu、Pb、Cr等重金属和无机盐，绿色环保。本发明所制备的以垃圾焚烧底灰为原料的人造骨料，单颗粒抗压强度为3-6MPa，筒压强度为6-9MPa，吸水率为6％-13％，堆积密度为900-1100kg/m3。其强度较高，吸水率较低，完全符合高强轻粗骨料的各项性能要求，能够替代天然轻骨料(浮石、页岩等)和烧结轻骨料(粉煤灰烧结骨料、陶粒等)作为轻骨料混凝土的原料。一方面减少了天然轻骨料的开采，能够有效的节约资源；另一方面，相较于需要上千摄氏度的烧结陶粒所消耗的能量，本发明通过冷粘结法制作骨料，耗能极低，污染少，在节约能源、环境保护等方面有着巨大的优势。不仅如此，本发明所述的人造骨料的制备方法能大量处理垃圾焚烧底灰，既降低了成本又减少了底灰对环境的压力，兼具极高的经济效益与环境效益，为建筑行业提供了一种可持续发展的生产方法。
应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。
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