用廢棄混凝土和污泥制生態水泥和活性砂的方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種用廢棄混凝土和污泥制生態水泥和活性砂的方法。
【背景技術】
[0002]當前，我國廢棄混凝土日均產量已逾百萬噸，且以每年8%的速度增長，預計2020年將達到6.5?7.0億噸。這些廢棄混凝土如果不能得到良好的再利用，不僅破壞生態環境，而且也是資源的巨大浪費，同時還將進一步加劇建材行業的生產負擔。我國水泥產量居世界首位，2014年水泥產能近28億噸；與此同時，水泥生產所需的石灰石、黏土等原材料卻面臨資源匱乏的局面。利用廢棄混凝土制備再生水泥，通過水泥一混凝土材料的閉路循環，一方面可以直接減少整個混凝土生產系統的廢棄物，實現廢棄混凝土的高附加值再生利用；另一方面，能夠有效緩解水泥工業的生產壓力，減少對不可再生資源的消耗。
[0003]近年來，廢棄混凝土資源化利用國內外相關研究多集中于再生骨料，且以多級破碎、振動分選方式為主，但是，受廢棄混凝土成分復雜性以及骨料與硬化砂漿分離技術的限制，我國現階段再生骨料生產成本較高而產品性能有限，骨料破碎過程中產生裂縫損傷，且骨粒表面粘附有大量疏松的水泥石礦物，導致骨料強度、彈性模量下降，吸水量上升，界面結構脆弱，直接影響其應用。此外，再生骨料技術主要利用的是廢棄混凝土中的粗骨料，而成本更高的砂漿、尤其是水泥石部分沒有被有效的利用。
[0004]在以廢棄混凝土為原料煅燒水泥方面，目前研究的技術途徑主要有二種。
[0005]—是，從廢棄混凝土中分離出粗骨料，利用廢棄混凝土中的粗骨料取代部分天然石灰石作為水泥鈣質原料。申請號為201110307407.5的中國專利申請“用廢棄混凝土制備水泥熟料的方法”及2012年4月《土木建筑與環境工程》第34卷第2期“廢棄混凝土再生水泥熟料的配制與性能”介紹了重慶大學萬朝均等在實驗室將廢棄混凝土多次破碎、分離，去掉含砂較多的水泥石(< 5mm顆粒物)，獲得以石灰石為主的顆粒(粒徑5?20_)，取代天然石灰石煅燒熟料。武漢理工大學萬惠文等同樣以實驗室條件利用廢棄混凝土代替部分石灰石原料配料燒制水泥，實驗室配料中石灰石取代率為60%時可煅燒出熟料。
[0006]二是，利用廢棄混凝土破碎后分離出的水泥石微粉、含砂硬化水泥石或者砂漿部分作為水泥生料組分。
[0007]廢棄混凝土經破碎、分選制備再生骨料過程中產生的細小微粒，主要成分為水泥石。有研究者將廢棄混凝土破碎，經低溫熱處理、多次磨碎、分次篩分后的微粉(去掉石英砂后的水泥石微粉)煅燒水泥。捷克研究人員用回收的混凝土微粉(水泥石微粉)作為波特蘭水泥生料組分，摻人富鈣石灰石、鐵質校正原料以及CaF2，于實驗室在1430°C煅燒熟料。申請號為201210492158.6的中國專利申請“廢棄混凝土微粉活化方法”介紹了浙江大學孫家瑛等用廢棄混凝土微粉(水泥石微粉)與粉狀硅酸鈉混合后加熱(2500C?350°C ) 1-2小時，冷卻后再加脫硫石膏和熟石灰、硫鋁酸鹽、硅酸鹽水泥熟料、三乙醇胺外加劑一起粉磨至大于450m2/kg的粉料。
[0008]經破碎的廢棄混凝土中，水泥石與砂緊密黏接、不易分離，有研究者利用這種含砂的硬化水泥石、或直接利用廢砂漿為原料煅燒水泥。如山東大學陶珍東等采用熱處理或者三乙醇胺(TEA)處理，并結合機械粉碎，將廢棄混凝土中的基質膠凝組分(即純粹的水泥石組分)分離出來作為水泥原料，于實驗室條件下摻量20%時，熟料強度與常規生料煅燒的熟料相差不大。同濟大學王培銘等利用廢棄混凝土中分離出的廢砂漿為部分粘土替代原料，于實驗室分別按照高C3S、高C2S和普通硅酸鹽水泥3種典型配料煅燒熟料。
[0009]但是，國內外現有的實驗顯示，以分離后的含砂廢棄混凝土膠凝組分為原料煅燒水泥熟料，存在一個關鍵性的技術難題-結晶態3102的活化。砂的主要礦物成分為石英，在水泥煅燒時不易解聚出[S14]4 (反應活性體)與CaO結合形成(^，進而影響生料易燒性；另外，由于硬度大、難磨，砂中S1^aB體的顆粒較粗，對熟料中硅酸鹽礦物(C2SX3S)的組成和晶型晶貌有不利影響。萬惠文等的研究表明:隨著分離后的廢棄混凝土取代石灰石比例的上升，熟料中f-CaO含量增加、熟料質量下降；陶珍東等的研究配制的生料易燒性較差，且隨著摻量增加，生料易燒性更差，熟料強度降低；王曉波利用以分離的廢棄混凝土和廢磚為主的建筑垃圾為原料煅燒熟料，隨廢棄混凝土建筑垃圾摻量增加，熟料抗壓強度呈下降趨勢。
[0010]目前，利用廢棄混凝土制備水泥的方法需要對原料進行多級破碎、篩分，將組分分離，不僅使廢棄混凝土材料利用率偏低，而且增加產品的生產成本和能耗。而廢棄混凝土中含有石灰石(粗骨料)和硅質原料(砂)，硬化水泥石高溫下脫水形成的氧化物成分與水泥生料基本相同，理論上完全可以利用廢棄混凝土中所有組分作為原料制備再生水泥。這種方式突出的優點是:廢棄混凝土無需分離處理，可以降低再生水泥成本，實現廢棄混凝土的完全資源化利用；對原料加工要求精度低，適于大批量生產；廢棄混凝土中的硬化水泥石、未水化水泥顆粒以及雜質離子可以促進熟料燒成，降低燒成能耗。但是，當前尚沒有方法可以解決廢棄混凝土原料顯著區別于普通水泥生料的特點，即國內外至今尚沒有可行的方法可解決-存在硬化水泥石和由砂提供結晶度高的S1jt為硅質原料，及解決結晶態Si0j9反應活性，以降低熟料燒成能耗、提高熟料質量的技術問題。
[0011]另一方面，隨著城市化的進程演化，城市的污水處理率逐年提高，城市污泥量亦急驟增加。當前，我國污水排放量已超過SXlO1V3/ d，按每一萬HI3污水5噸含水率80%的濕泥估算，若污水全部處理，日產污泥量超過250萬噸，年產污泥量超過9億噸。然而，由于經濟和技術的原因，一方面，已建3000多座污水處理廠產生的原生污泥(含水率約99%)已超過3000萬噸，且原生污泥經進一步常規機械裝置脫水處理后含水率僅可降至80%左右，另一方面，污泥尚無穩定而合理的出路，總的狀況還是以填埋、堆放、傾倒為主。目前，污泥的主要處理方法有海洋與涵洞陰溝傾倒、衛生填埋、污泥堆肥、污泥烘干焚燒等。因傾倒、填埋、堆肥、焚燒等傳統的污泥處理方式基于其自身的不足與缺陷，促使污水廠污泥處理成為了解決城市環境問題的熱點，而處理過程中實現污泥的資源化又成為了探索污泥徹底根治的最有效途徑之一。污泥中含有水泥生產所需的硅、鋁、鐵、鈣化學元素及磷、硫、堿、重金屬元素等，利用污泥作為水泥生產過程中部分原料或利用污泥替代水泥生產中的部分用煤在囯內外成為眾多學者和一線科技工作者的研究課題。就國外而言，由于污水廠污泥處理主要是進行脫水烘干、焚燒，其污泥用于水泥的研究集中在摻入污泥焚燒后的灰渣以生產所謂的生態水泥。對國內來說，污泥進行烘干、焚燒目前很困難，因為污泥本身的絮凝膠態狀保水結構保水性極好，脫水、烘干成本極高，且就污泥而言，由于其本身成分非常復雜，且污泥的膠狀保水性好脫水干燥極困難，氯堿硫等有害成分亦偏高或較高，將未經改性的污泥直接替代部分燃煤或原料，既增加了企業煤耗、電耗，也提高了企業運行成本，甚至影響生產中窯況運行，乃至影響水泥性能，所以，既便當前各地政府財政補貼企業每處理一噸污泥200元左右或更高補貼，仍鮮有水泥企業真正愿意處理污泥。
[0012]現實問題是，盡管都了解廢棄混凝土及污泥含有水泥熟料生產所需的硅、鋁、鐵、鈣等化學成份，都認為可以作為水泥熟料生產的原料，但至今，在有效利用廢棄混凝土生產水泥熟料方面仍然沒有切實可行的方法，在綜合利用廢棄混凝土和污泥生產熟料方面尚未見有任何實踐或理論分析報道，更未見任何具體的可綜合利用廢棄混凝土和污泥生產熟料的方法。
[0013]今天，我國水泥工業迫切需要從資源耗費型轉向資源節約型，從數量擴張型轉向更多依靠發展循環經濟和技術進步來獲取水泥工業的經濟增長。其中，廢渣資源化利用將是水泥工業發展的主流趨勢之一。迫切需要一種可將廢棄混凝土處理問題及污泥處置問題與綠色水泥生產相結合，通過對廢棄混凝土、污泥的資源化利用，既可利于環境，又能夠極大地緩解水泥生產原料資源緊張局面的全新的方法。
【發明內容】
[0014]本發明所要解決的技術問題是，提供一種用廢棄混凝土和污泥制生態水泥和活性砂的方法，該方法可簡單地利用干法旋窯生產線工藝裝備，經濟環保。
[0015]本發明解決其技術問題所采用的技