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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