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1、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：
2、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：,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12.5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107170温度下煅烧分解而成的半水石膏，也称熟石膏，反应如下：,（3）水玻璃
3、,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13001400，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 磨细成生将原料按比
4、例配合、磨细，得到称为生料的混合物。 煅烧生料在回转窑或立窑内，经13501450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Al2O32SiO22H2O=Al2O32SiO2+2H2O 反应带：温度10001300，发生的主要反应为： CaO+2Al2O3=CaO2Al2O3;2CaO+Fe2O3=2CaOFe2O3 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，
5、2CaOSiO2+CaO=3CaOSiO2。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,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,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
6、/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510，且强度可提高20左右，表观密
7、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8090，石灰1020，水310，经混合搅拌、压制成型（成型压力为1520MPa），放入蒸汽釜内，通过饱和蒸汽，经58h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、
8、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7073、125、810、1.54.5，后两项之和为1315。,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 。,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,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,汇报内容,立项依据 拟解决的关键科学问题 研究内容和总
9、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,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,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。,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
10、多亩 CO2： 6亿多吨 粉尘: 64%（水泥） 石灰石: 6亿多吨,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,Reduce Reuse Recycle Reorganize （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,凝石,主体主要化学成
11、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,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,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K2.5Mg2Ca1.5Al10Si26O7228H2O 片沸石Ca4Al8Si28O7224H2O 斜发沸石Na6Al6Si30O7224H2O,古罗马斗兽场：白榴火山灰Pozzo
12、lana（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（3CaOSiO2 ， 2CaOSiO2 ， 3CaOAl2O3 ， 4CaOAl2O3Fe2O3）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,（部分统计数据）,TO2 （铝氧硅氧）在不同物质中所占比重,大自然火山灰变成沸石：有一条可行道路 古罗马文明证明：火山灰几千年的建筑物 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
13、水泥工业仍在大发展？ 大自然的过程是漫长的 古代的科学技术水平火山灰活性发挥 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）
14、,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、
15、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,研究内容及实施方案,3、微晶化物料高效清洁制备的理论与方法 微晶化物料微观破碎机理及能量耗散规律； 湿制备过程中微晶化物料的机械化学与表面化学； 制备过程的物理模拟与多因素多目标系统优化。 承担单位：清华大学、中国矿业大学 负 责 人：孙恒虎、盖国胜 学术骨干：陈清如、张政军、潘峰、梁汉东、陈华辉、 李义春、李伯阳、梁开明等,研究内容及实施方案,4、微晶二元胶凝材料的成岩理论 微晶二元胶凝材料的组分匹配理论； 微晶二元胶凝成岩过程的界面反应动力学； 凝石化机理、凝石结构表征及稳定性。 承担单位：清华大学、中南大学 负 责
16、人：柴立元、徐盛明 学术骨干：叶大年、徐景明、唐亚平、赵中伟、 李运姣、孙培梅、杨明德、杨天足等,研究内容及实施方案,5、微晶二元胶凝材料的评价体系及生态化利用 微晶二元胶凝材料的检测与评价体系； 微晶二元胶凝材料典型生态化利用模式； 全过程的系统优化研究。 承担单位：中国矿业大学、清华大学 负 责 人：孙恒虎、缪协兴 学术骨干：钱鸣高、李金惠、刘华生、杨宝贵、 黄玉诚、高尔新、许小棣、何哲祥等,各课题之间相互有机关系,高温固体排放物环境行为、物相及资源化,微晶二元胶凝材料的评价体系及生态化利用,微晶二元胶凝材料的成岩理论,微晶化物料高效清洁制备的理论与方法,熔渣非平衡态微晶化演化机理,高温固体排放物微晶二元胶凝材料凝石化,创新点,1.概念：提出常规条件微晶二元凝石化成岩概念 2.机理：揭示铝氧和硅氧四面体活性形成、活性 保存和发挥机理，建立高温固体排放物 作为胶凝主体的理论 3.体系：突破传统水泥理论及标准框架约束，提 出无机胶凝材料设
