固体废物制备建筑材料ppt

十一：固体废物制备建筑材料技术原理固体废物制作建筑材料的意义•建筑材料是经济建设应用最广、用量最多的材料。•许多固体废物的组成类似于建筑材料生产原料，可直接用做或转变成可用的建筑材料。•利用固体废物代替传统建筑材料生产原料制备建筑材料，保障建材工业的可持续发展和环境保护一、胶凝材料生产技术胶凝材料气硬性胶凝材料水硬性胶凝材料是指在一定条件下经过自身的一系列物理化学作用，能将砂、石、砖、石块、砌块或块状材料粘结成为具有一定强度的整体材料。1.常用气硬性胶凝材料•石灰•石膏•水玻璃•镁质胶凝材料只能在空气中硬化、发展，并保持其强度，在水中不能硬化。（1）石灰•煅烧：•熟化：•硬化:包括干燥、结晶和碳化三个交替进行的过程。干燥时，石灰浆体中多余水分蒸发或被砌体吸收使石灰粒子紧密，获得一定强度。随着游离水的减少，逐渐从饱和溶液中结晶出来，形成结晶结构网，使强度继续增强•碳化：900-1000C32CaCOCaO+CO700C32MgCOMgO+CO22CaO+HO==Ca(OH)+64.8kJ2232CaO+HO+nCO==CaCO+(n-1)HO生石灰具有强烈的水化能力，遇水发生熟化反应（也称消解反应）生成熟石灰，并放出大量的热，同时体积膨胀1～2.5倍构成紧密交织的结构网，强度进一步提高（2）建筑石膏石膏的生产原料包括含硫酸钙的天然石膏（生石膏）或含硫酸钙的化工副产品和废渣，如磷石膏、氟石膏和硼石膏等，其化学成分为，也成为二水石膏。建筑石膏是二水石膏经107～170℃温度下煅烧分解而成的半水石膏，也称熟石膏，反应如下：3122242422CaSOHO==CaSOHO+HO（3）水玻璃nn232222NaCO+SiO==NaOSiO+CO原料包括石英砂，纯碱或含碳酸钠的原料及有类似成分的固体废物。将原料磨细，按比例配合，在玻璃熔炉内加热至1300～1400℃，熔融而生成硅酸钠，冷却后即成固态水玻璃，反应式如下：在建筑工程中应用最多的是硅酸盐类水泥（1）原料组成：生产水泥的原料是石灰石、黏土和铁粉2.常用水硬性胶凝材料既能在空气中硬化，又能在水中硬化，保持并持续发展其强度。加入铁粉是为了降低水泥窑的烧成温度，使液相出现，降低液相黏度，使石灰石和黏土彻底反应，减少水泥料中游离氧化钙含量，从而提高水泥质量（2）工艺原理生产过程可以简单的概括为“两磨一烧”，即生料的配置和磨细、生料的煅烧、熟料加石膏磨细①磨细成生——将原料按比例配合、磨细，得到称为生料的混合物。②煅烧——生料在回转窑或立窑内，经1350～1450℃高温煅烧、冷却后得到粒状或块状的熟料。熟料与适量石膏共同磨细，得到成品水泥。煅烧炉分预热带、分解带、反应带和烧成带.•分解带:温度＜1000℃,主要进行的反应为：石灰石CaCO3=CaO+CO2,MgCO3=MgO+CO2;黏土Al2O3·2SiO2·2H2O=Al2O3·2SiO2+2H2O•反应带：温度1000～1300℃，发生的主要反应为：CaO+2Al2O3=CaO·2Al2O3;2CaO+Fe2O3=2CaO·Fe2O3•烧成带：在1300℃高温下，铁铝酸四钙、铝酸三钙及碱质氧化钙烧成液相，当温度达到1450℃时，2CaO·SiO2+CaO=3CaO·SiO2。铁矿粉的作用是使物料生成最低共熔物，大大降低熔点。（3）水泥的组成成分CaOSiO2Al2O3Fe2O3MgO含量64～6821～235～73～5＜5烧制水泥熟料的生料化学成分范围/％硅酸盐水泥熟料主要矿物及其含量矿物名称化学成分缩写符号含量/%硅酸三钙硅酸二钙铝酸三钙铁铝酸四钙3CaOSiO22CaOSiO23CaOAl2O34CaOAl2O3Fe2O3C3SC2SC3AC4AF44～6218～305～1210～18——水泥是上述几种熟料矿物（另加石膏）的混合物，改变熟料之间的比例，水泥的性质将会发生相应的变化。如提高C3S、C3A的含量，可制成快硬高强水泥；降低C3S、C3A的含量，适量提高C2S的含量，则可制得水化热小得大坝水泥墙体材料是建筑工程中的重要建筑材料。以普通砖为例，孔洞率大于15％或者没有孔洞的砖，称为普通砖。根据原料和工艺的不同，普通砖又分为烧结砖和蒸养（压）砖两类。——在一般的房屋建筑中，墙体占整个建筑物质量的1/2，用工量、造价约各占1/3。2.墙体材料生产技术（1）烧结砖•焙烧是制砖的主要环节。若砖坯在氧化气氛中焙烧出窑，则值得红砖。若砖坯在氧化气氛中烧成后，再经浇水闷窑，使窑内形成还原气氛，可促使砖内的红色高价氧化铁（Fe2O3）还原成青灰色的低价氧化铁（FeO），然后冷却至300℃以下出窑，即制得青砖。•内燃烧砖法。它是将煤渣、粉煤灰等可燃工业废渣以适量比例掺入制坯黏土原料中作为内燃料，当砖焙烧到一定温度时，内燃料再坯体内也进行燃烧，这样烧成的砖称为内燃砖。以黏土、页岩、煤矸石或粉煤为主要原料，经焙烧而成内燃砖比外燃砖可以节省大量外投煤，节约黏土原料5％～10％，且强度可提高20％左右，表观密度减少，热导率降低，同时还处理了大量工业废渣。我国普遍采用。（2）蒸养（压）砖•经常压或者高压蒸养护硬化而成的砖称为蒸养（压）砖，如灰砂砖、粉煤灰砖、炉渣砖等。•蒸养（压）砖是以石灰、砂为主要原料，经成坯、养护而成的墙体材料。以砂80％～90％，石灰10％～20％，水3％～10％，经混合搅拌、压制成型（成型压力为15～20MPa），放入蒸汽釜内，通过饱和蒸汽，经5～8h的蒸压养护，使砖坯中的砂子与石灰反应生成含水硅酸钙与砂料牢固粘结，形成具有相当高强度的灰砂砖。（3）玻璃玻璃种类很多，按功能可以分为平板玻璃、热反射玻璃、异型玻璃、夹层玻璃、泡沫玻璃和中空玻璃等生产玻璃的原料包括硅质原料（如石英砂岩、石英砂、石英岩、脉石石英等）及其配料（如白云岩、石灰岩等）。主要物相SiO2、Al2O3、CaO、MgO、Na2O、K2O前四项的大致含量分别为70％～73％、1％～25％、8％～10％、1.5％～4.5％，后两项之和为13％～15％。利用天然原料或工业废渣经配料、熔融、浇铸、结晶、退火等工序制成。成分SiO2Al2O3CaOMgOFe2O3+FeONa2O+KOCr2O3组成/％47～4915～218～116～814～172～4±1铸石的化学成分/％（4）铸石固体废物利用依据•先考虑物相及其含量•再考虑化学组分的含量•各种性能特征2020/3/9国家重点基础研究发展规划项目申请书高温固体排放物微晶二元胶凝材料凝石化的基础研究申报单位：清华大学参加单位：清华大学中国科学院中国矿业大学中南大学中国质大学2020/3/9汇报内容立项依据拟解决的关键科学问题研究内容和总体实施方案创新点预期目标研究基础和条件首席科学家简介研究基础固废建材开采西部特殊团队基础资源环境良性循环新廉洁大RRRR自然规律现代技术古代文明立项依据－总体思路微晶二元凝石化5关键＋5课题＋5创新点预期成果5基础＋5技术＋5量化5-4-3-2-1资源、环境领域五方面的难题•高温固体排放物•传统水泥建材•矿产资源开采•西部发展•特殊工程2020/3/9高温固体排放物2002年冶金炉渣1.5亿吨，电厂灰渣1.8亿吨以上，利用率约50%，高温固体排放物约占工业固体废弃物总量的1/3。0.002.004.006.008.0010.00排放量（亿吨）19901992199719992002年份我国固体废弃物的排放情况传统水泥、建材据统计（2002年）粘土砖：9000亿块水泥：7亿多吨毁地：15万多亩CO2：6亿多吨粉尘:64%（水泥）石灰石:6亿多吨2020/3/9矿产资源开采、西部发展及特殊工程城市垃圾戈壁沙漠开采破坏•矿产资源开采－严重灾害开采塌陷:超过1150km2(1993资料)直接损失:约为3.17亿元/年•西部基建工程普遍面临固砂、固土难题•特殊工程危险废物（如核废料、城市垃圾焚灰等）固化处理需求。4R原则＋4特点•ReduceReuseRecycleReorganize（减量）（复用）（循环）(重组）•大（资源）：大量固废＋大宗资源洁（环境）：清洁生产＋环境友善廉（经济）：成本低廉＋实施方便新（创新）：理论突破＋技术创新主体主要化学成分：SiO2，Al2O3，CaO，MgO，Fe2O3，K2O，Na2O主体二元凝石化配体+微晶二元凝石化思路的提出微晶化物料凝石－水泥力学性能比较2710052.5140050100150抗压强度（MPa）3d28d52.5水泥凝石样品59.5811.8024681012抗折强度（MPa）3d28d52.5水泥凝石样品凝石XRD图水泥熟料XRD图微晶、非晶质特征晶质特征凝石－水泥XRD比较微晶二元凝石与水泥混凝土的对比水泥混凝土微晶二元凝石晶态结晶非晶、微晶体系一元化二元化物相硅酸钙为主体硅氧、铝氧四面体为主体结构人造物质结构类天然岩石结构工艺高污染、高能耗湿法清洁生产原料天然矿物工业废弃物应用固结洁净砂石固结各类砂、石、土等微晶二元凝石化提出的科学依据微晶化？二元化？凝石化？科学依据：大自然的启示大自然行为人类行为科学依据：地质学变质成岩作用针沸石K2.5Mg2Ca1.5[Al10Si26O72]·28H2O片沸石Ca4[Al8Si28O72]·24H2O斜发沸石Na6[Al6Si30O72]·24H2O古罗马斗兽场：白榴火山灰Pozzolana（碱性火山灰）科学依据：千年古建筑的启示现代水泥混凝土的贡献与问题•1824年波特兰水泥问世以来，以硅酸钙为主体的波特兰水泥体系（3CaO·SiO2，2CaO·SiO2，3CaO·Al2O3，4CaO·Al2O3·Fe2O3）的理论、标准和生产模式已成定式•水泥基复合材料的耐久性(长寿命)问题仍未解决•火山灰质物料主要用作配料（混合材）硅酸盐水泥与火山灰质物料主要化学成分对比SiO2Al2O3CaONa2O+K2O水泥21~235~764~680.6沸石37~6811~151~71~10火山灰52~7213~211~71~6粉煤灰34~6017~351~101~8高炉渣23~425~175~36（部分统计数据）TO2（铝氧＋硅氧）在不同物质中所占比重1.大自然火山灰变成沸石：有一条可行道路2.古罗马文明证明：火山灰－几千年的建筑物3.今天的高温固体排放物：“火山灰”•反思迄今，以破坏生态为代价的现代水泥工业仍在大发展？1.大自然的过程是漫长的2.古代的科学技术水平－火山灰活性发挥3.今天水泥混凝土的“固有定式”－束缚思想•立项接受启示－站在巨人肩上－跳出框架－建立新体系启示火山成岩原理凝石化理论高温岩浆高温熔体化微晶二元凝石化粒化微晶化微晶二元设计沉积变质火山灰化剥蚀分离高温固体排放物凝石化高温固体排放物“微晶二元”过程技术路线拟解决的关键问题1.高温固体排放物物相演化机理和环境友善资源化设计（无害资源化）2.熔渣高内能形成、冻结及非平衡态微晶化过程机理（物料活性化）3.微晶化物料的微观破碎机理、机械化学特性及能量耗散规律（高效清洁化）4.微晶化物料凝石化过程中的界面物理化学及二元匹配成岩机理（二元凝石化）5.凝石结构表征及环境稳定性评价（体系标准化）2020/3/9研究内容及实施方案（5个课题）1、高温固体排放物环境行为、物相及资源化•高温固体排放物的理化性质、物相演化及环境行为；•高温固体排放物无害化处理及资源化机制；•高温固体排放物组分设计、调配与优化。承担单位：清华大学、中国地质大学负责人：马鸿文、朱永法学术骨干：叶大年、彭晓峰、廖立兵、白志民、潘伟、李建保、岳光溪、姜忠良、杨静等研究内容及实施方案2、熔渣非平衡态微晶化演化机理•高温熔体高熵无序化形成过程机理•高温熔体高内能状态快速冻结及非平衡态微晶化机理•熔渣高效均匀微晶化机理、方法及过程优化承担单位：中国科学院、清华大学负责人：戴学刚、朱国才学术骨干：林伟刚、朱庆山、姚建中、郭占成、杨学民、谢朝晖、董利民、彭兵、景山、龚竹青等2020/3/9研究内容及实施方案3、微晶化物料高效清洁制