（环境工程专业论文）利用固体废弃物制备新型砂浆的试验研究.pdf

d i s s e r t a l i o nf o rt h em a s t e rd e g r e ei ne n g i n e e r n g s t u d yo nm a n gn e w t y p e m o r t a rw i t hs o l i dw a s t e c a n d i d a t e ： s u p e r v i s o r ： z h a n g ) ( u p r o f z h us h e n h o n g p r o f l iq i u y i a c a d e m i cd e g 他ea p p l i e df o r ：m a s t e ro fe n g i n e e r i n g s p e c i a l t y ： e n v i r o n m e n t a le n g i n e e r i n g d a t eo fo r a le x a m i n a t i o n ： j u n e2 0 1 0 u n i v e r s i t y ：q i n g d a ot e c h n o l o g i c a lu n i v e r s i t y 硕士学位论文 利用固体废弃物制备新型砂浆的试验研究 学位论文答辩日期： 指导教师签字： 答辩委员会成员签字： 目录 摘要i a b s t r a c t 。i i 第一章绪论。1 1 1 固体废弃物的污染及利用现状1 1 1 1 矿山固体废物的污染及利用现状。1 1 1 2 化工固体废物的污染及利用现状3 1 1 3 建筑垃圾的污染及利用现状5 1 2 固体废弃物在建筑材料上的应用6 1 3 课题的研究内容及意义8 第二章利用石油焦脱硫灰渣制备砂浆的试验研究9 2 1 试验原材料9 2 2 试验方案1 1 2 3 试验结果及分析。1 2 2 3 1 配合比的确定。1 2 2 3 2 砂浆需水量、稠度、密度、分层度和凝结时间1 4 2 3 3 砂浆立方体抗压强度1 4 2 3 4 砂浆抗冻性能。1 5 2 3 5 砂浆收缩性能1 6 2 3 6 砂浆砌体强度试验1 7 2 4 ，j 、结1 8 第三章利用尾矿砂为骨料制备砂浆的试验研究。1 9 3 1 试验原材料。1 9 3 2 水泥一尾矿砂浆的试验研究2 1 3 2 1 试验方案2 1 3 2 2 砂浆需水量、稠度、密度和分层度2 1 青岛理工大学工学硕士学位论文 3 2 3 砂浆立方体抗压强度2 2 3 2 4 砂浆收缩性能2 4 3 3 石油焦脱硫灰渣一尾矿砂浆的试验研究2 5 3 3 1 试验方案2 5 3 3 2 试验结果及分析2 6 3 4 水泥一石油焦脱硫狄渣尾矿砂浆的试验研究。2 7 3 4 1 试验方案2 7 3 4 2 砂浆需水量、稠度、密度、分层度和凝结时间2 7 3 4 3 砂浆立方体抗压强度2 8 3 4 4 砂浆抗冻性能2 9 3 4 5 砂浆收缩性能3 0 3 5 水泥一粉煤灰一尾矿砂浆的试验研究一3 2 3 5 1 试验方案3 2 3 5 2 砂浆需水量、稠度、密度和分层度3 2 3 5 3 砂浆立方体抗压强度3 3 3 5 4 砂浆收缩性能。3 5 3 6 ，j 、结3 7 第四章利用再生混凝土制备砂浆的试验研究3 8 4 1 再生混凝土技术简介3 8 4 2 再生混凝土作为骨料制备砂浆的试验研究一4 0 4 2 1 试验原材料4 0 4 2 2 试验方案4 0 4 2 3 砂浆需水量、稠度、密度和分层度4 0 4 2 4 砂浆立方体抗压强度4 2 4 3 再生混凝土作为掺合料制备砂浆的试验研究4 3 4 3 1 试验原材料4 3 4 3 2 试验方案4 4 4 3 3 砂浆需水量、稠度、密度和分层度4 4 4 3 4 砂浆立方体抗压强度4 5 青岛理工大学工学硕士学位论文 4 4 ，j 、结4 7 第五章结论及建议4 8 5 1 结论4 8 5 2 建议：4 9 参考文献5 0 攻读硕士学位期间发表的学术论文。5 3 致 射5 4 青岛理工大学工学硕士学位论文 摘要 固体废弃物是指在生产建设、日常生活和其他活动中产生的污染环境的固态、 半固态废弃物质。随着生产的扩大，生活水平的提高，固体废物的成分同益复杂， 排放量逐年增多，对土壤、水资源和大气环境已造成严重危害。利用固体废弃物 开发建筑材料，不仅能够改善传统建材行业的高消耗状况，同时由于建材大量消 耗固体废弃物，真正做到了固体废物处理的“减量化、无害化、资源化 原则。 本文对利用多种固体废弃物制备新型砂浆进行了试验研究，主要涉及工业和 城市固体废弃物，具体包括尾矿、石油焦脱硫灰渣、粉煤灰和建筑垃圾。其中， 利用尾矿制备砂浆的试验研究结合了山东黄金集团“金矿尾矿制备新型建筑材料 研究课题，利用再生混凝土制备砂浆的试验研究结合了国家“十一五 科技支撑 计划重点课题( 2 0 0 6 b a j 0 2 8 0 5 0 4 ) 。主要研究内容包括：测试石油焦脱硫灰渣的基 本性能，并利用其制备砂浆，研究砂浆的各项基本性能及不同强度等级砂浆与不 同墙体材料组合的砌体结构性能；测试尾矿的颗粒级配、化学成分及矿物组成， 并利用其制备砂浆，研究砂浆的各项性能；分别以石油焦脱硫灰渣和粉煤灰为胶 凝材料，尾矿砂为骨料制备砂浆，研究不同体系砂浆的各项性能；分别利用废旧 混凝土再生后制得的再生砂和再生微粉制备砂浆，研究再生砂浆的基本性能。 研究结果表明：利用石油焦脱硫灰渣制备的砂浆完全不含水泥且收缩较小， 经鉴定已达到国际领先水平；在胶砂比较大时，尾矿砂浆的各项性能与天然砂浆 较为接近；尾矿砂浆需水量偏大，砂浆的收缩受胶凝材料配比影响较大，受胶砂 比的影响并不明显；在砂浆中掺入适量粉煤灰可有效改善砂浆的和易性、提高强 度并降低收缩：简单破碎再生砂浆用水量大，强度低，颗粒整形再生砂浆各项性 能较之有明显提高，全组份整形再生砂浆性能最好，接近天然砂浆；再生微粉可 作为掺合料取代水泥配制砂浆，在掺量不超过2 0 时有利于砂浆强度增长。 利用各种固体废弃物可制备出m 2 0 一m 5 0 多种强度等级且符合要求的建筑砂 浆。此类新型环保砂浆在节省天然资源的同时也消耗了大量废弃物，符合国家的 环保和可持续发展战略要求，经济和社会效益显著。 关键词固体废弃物；砂浆；尾矿；石油焦脱硫灰渣；建筑垃圾 青岛理工大学工学硕士学位论文 a b s t r a c t s o l i dw a s t er e f e r st os o l i do rs e m i - s o l i dw a s t em a t e r i a l st h a ta r ep m d u c e dd u r i n g p r o d u c t i o n0 rc o n s t l l l c t i o na c t i v i t i e s ，d a i l yl i f e ，0 ro t h e ra c t i v i t i e s ，a n dw h i c hp o l l u t et h e e n v i m n m e n t t 1 l ec o m p o s i t i o no fs o l i dw a s t ei si n c r e a s i n g l yc o m p l e x ，a n de m i s s i o n s a r ei n c r e a s i n gy e a rb yy e a r a n ds o l i dw a s t eh a sd o n es e r i o u sh a n _ i lt ot h es o i l ，w a t e ra n d a t m o s p h e r i ce n v i r o n m e n t ，w i t ht h ee x p a n s i o no fp r o d u c t i o na n di m p r o v e m e n to fl i v i n g s t a n d a r d s t 0e x p l o i tc o n s t l l i c t i o nm a t e r i a l sw i t hs o l i dw a s t e c o u l dn o t0 n l yi m p r o v et h e h i g hc o n s u m p t i o no ft h et r a d i t i o n a lb u i l d i n gm a t e r i a l si n d u s t r y ；b u ta l s or e a h ya c h i e v e t h ep r i n c i p l eo ft h e r e d u c e 、r e c y c l e 、r e u s e o ft h ed i s p o s a lo fs o l i dw a s t e ，b e c a u s eal o t o fs o l i dw a s t e sa r ec o n s u m e db yb u i l d i n gm a t e r i a l s t h i st h e s i si st h es t u d yo nm a k i n gn e wt y p em o n a rw i t hs o l i dw a s t e ，a n dm a i n l y r e l a t e dt oi n d u s t r i a ls o l i dw a s t ea n dm u n i c i p a ls o l i dw a s t e ，w h i c hi n c l u d e st a i l i n g s ， d e s u l p h u r i z ea s ha n dd f e g sf 沁mp o w e rp l a n tu s e df h e lo i l ( d a d f 0 ) ，n ya s ha n d b u i l d i n gw a s t e ，e t c t i l es t u d y0 nm a k i n gm o f t a rw i t ht a i l i n g si sb a s e do nt h er e s e a r c h p r 嘶e c to f “t a i l i n g sm a k en e wt y p ec o n s t m c t i o nm a t e r i a l s ”w i t hs h a n d o n gg o l dg r o u p a n dt h es t u d y0 nm a k i n gm o r t a rw i t hr e c y c l e dc o n c r e t ei sb a s e d0 nn a t i o n a l “n 0 1 1 f i v ey e a r sp l a n ”t e c h n o l o g i c a ls u p p o r t i n gp r o j e c t ( 2 0 0 6 b a j 0 2 8 0 5 0 4 ) n ec h i e fc o n t e n t i n c l u d e s ：t e s t i n gt h eb a s i cp e r f b 册a n c eo fd a d f oa n dm a k i n gm o n a rw i t hi t ，a n d r c s e a r c h i n gt h eb a s i cp e 晌册a n c e0 ft h em o n a ra n dt h ep e r f o 咖a n c e0 fm a s o n r y s t m c t u r e so fm o n a rw i t hd i f ! i e r e n ts t r e n 酵hg r a d ea n dd i f i e r e n tw a l lm a t e r i a l sc o m b i n a t i o n s ；t e s t i n gt h e 伊a i nc o m p o s i t i o n ，c h e m i c a lc o m p o s i t i o n 柚dm i n e m lc o m p o s i t i o n o ft a i l i n g s ，卸dm a l 【i n gm o n a rw i t hi t ，锄df e s e a r c h i n gt h eb a s i cp e 响珊a n c co ft h e m o n a r ；m a k i n gm o n a rw i t hd a d f o ，n ya s ha n dt a i l i n g s ，卸dr c s e a r c h i n gt h eb a s i c p e i o 咖a n c eo ft h ed i 仟e r e n tm o r t a r ；m a l 【i n gm o r t a u rw i t ht h er e c y c l e ds 卸d 锄dr e c y c l e d p o w d e rw h i c ha r cp 刚u c c df m ma b a n d o n e dc o n c r e t e ，觚dr e s e a r c h i n gt h eb a s i cp e 卜 f b 册a n c eo fr e c y c l c dm o r t a l t 1 l e 陀s u l t ss h o wt h a t ：t h em o n 盯m a d ew i t hd a d f ( ) i so u to fc e m e m 觚dh a v c l o ws h n k a g cm t i o ，w h i c hh 弱a c h i e v e dt h ei n t e m a t i o n a la d v 锄c e dl e v e lt h r o u g h 青岛理工大学工学硕士学位论文 一 a u t h e n t i c a t i o n ；t h ep e r f o n n a n c eo ft a i l i n g sm o r t a ri sc l o s et on a t u r a lm o n a r w h e nc s r a t i 0i sl a r g e r ；t a i l i n g sm o r t a ri sl a r g e ri nd e m a n df o rw a t e r a n ds h r i n k a g er a t i oo f m o n a ri sm u c hi n f l u e n c e db yc e m e n t i t i o u sm a t e r i a la n dl i t t l ei n n u e n c e db yc sr a t i o ；n y a s hi sm i 】【e di n t om o n 鸡w h i c hc o u l di m p r o v et h ew o r k a b i l i t ya n ds t r e n 舀ho fm o n a f 肌dr e d u c es l l r i i l l 【a g cr a t i oe 仃e c t i v e l y ；t h es i m p l ec m s h i n gr e c y c l e dm o n a ri sl a r | 萨ri n d e m a n df o rw a t e ra n dl o w e ri ns t r c n 舒h ，a n dt h eb a s i cp e r f o m a n c eo ft h ep a r t i d es h a p e c o r r e c t i n gr c c y c l e dm o n a ri sb e t t e r t h 觚t h es i m p l ec 1 1 l s h i n gr e c y c l e dm o n 她觚dt h e b a s i cp e b 珊觚c co ft h ea l lc o m p o n e n t s0 fp a n i c l es h a p ec o r r e c t i n gr e c y c l e dm o n a ri s t h eb e s t 锄d 雒s 锄e 弱n a t u r a lm o r t a r ；r c c y c l e dp o w d e ri sc a p a b l et 0r e p l a c cc e m e n tt 0 m a l 【em o r t 盯觚dp r o p i t i o u sf o rg r o w t ho fm o n a rs t r c n 舀hw i t ht h ec o n t e n tl o w e r t h 柚 2 0 b u i l d i n gm o n a rm a d ew i t h a l ll 【i n d s0 fs o l i dw a s t ec o u l dr e a c hm 2 0 m 5 o d i f f c r e n ts t r e n 舀hg r a d e 观dm e e tt h er e q u i r e m e n t s u c hn e wt y p e 绷de n v i r o 姗e n t a l p r o t e c t i o nm o n a rc a nn o t0 n l ys a v en a t u r a ir c s o u r c c s ，b u ta l s 0c o n s u m ea1 0 to fw a s t e ， 柚dc 0 n s i s t e n tw i t hn a t i o n a ls t r a t e 西cr e q u i r e m e n t so fe n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o na n d s u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n t ，柚dh a v en o t a b l ee c o n o m i c 加ds o c i a lb e n e f i t k ：e yw o r d l i dw 弱t e ；m o r t a r ；t a i l i n g s ；d a d f o ；b u i l d i n gw a s t e l i l 青岛理工大学工学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 固体废弃物的污染及利用现状 固体废物是指在生产、生活和其他活动中产生的丧失原有利用价值或者虽未 丧失利用价值但被抛弃或者放弃的固态、半固态和置于容器中的气态的物品、物 质以及法律、行政法规规定纳入固体废物管理的物品、物质。通常根据其来源的 不同可分为矿业废物、工业废物、城市垃圾、农业废物和放射性废物五类。 固体废物是相对某一过程或某一方面没有使用价值，而并非在一切过程或一 切方面都没有使用价值。另外，由于各种产品本身具有使用寿命，超过了寿命期 限，也会成为废物。因此，固体废物的概念具有时间性和空间性，一种过程的废 物随着时空条件的变化，往往可以成为另一过程的原料，所以废物又有“放在错 误地点的原料之称【1 1 。 固体废物对环境造成多方面的污染。对土壤的污染：固体废物的存放不但占 用土地，而且常常产生大量粉尘。大量有毒废物在风化作用下到处流失，其渗出 液所含的有毒物质会破坏土质、改变土壤结构，最终使土壤砂化。一些病菌通过 这些植物进入人体，危害人的健康。对水域的污染：固体废物在雨水的作用下流 人江河湖海或通过土壤而渗透到地下水中，造成水体的严重污染。更恶劣的是直 接把固体废物倾倒入河流、湖泊、海洋，造成更严重的污染，引起大批水生生物 中毒死亡。对大气的污染：固体废物在堆放过程中，由于温度和水分的作用，某 些有机物质发生分解，产生有害气体。另外，以微粒状态存在的固体废物在风力 作用下，随风飘扬，扩散到大气中，造成大气的污染【z j 。 1 1 1 矿山固体废物的污染及利用现状 矿产资源是国家经济发展的重要支柱，是经济建设和人民生活的物质基础。 随着世界经济和科技的迅速发展，人类对矿产资源的需求与日俱增。但矿业工程 在为国民经济和科学技术发展做出贡献的同时，也带来了一系列的环境与社会问 题，如矿山地区地表沉陷、环境破坏与污染等。 青岛理工大学工学硕士学位论文 矿山固体废物是指矿山在开采过程中产生的废石以及矿石经选冶生产后所产 生的尾矿或废渣。矿山固体废物由于产生量大、处理工艺复杂，已经成为环境保 护的一大难题。矿山固体废物可分为两大类：废石( 包括煤矸石) 和尾矿。废石， 即在开采矿石过程中剥离出的岩土物料，堆放废石的地方称为排土场。尾矿，即 在选矿加工过程中排放的固体废物，其储存场地称为尾矿库1 3 1 。矿山固体废物的产 生量十分惊人，由于我国的金属矿床贫矿较多，每年尾矿的排放量一般远远大于 金属矿物的产量，如黄金，一般当其品位大于4 卧时即可开采，亦即每产出1 t 黄金就要产生2 5 万t 尾矿；除铁矿石外，一般金属矿的尾矿精矿石比都在百倍以 上。 矿山固体废物的危害性具体表现在以下几个方面： 1 占用土地，损伤地表。矿山固体废物的危害，首先突出地表现在对土地的 占用和破坏上。例如美国露天开采所破坏的土地面积，每年以大约6 力公顷的速 度增加。地下开采破坏的土地面积同样相当惊人。为此，一些国家专门制定了相 关的法律、法令及规章条例，对矿山企业占用和破坏土地严格加以控制。 2 污染水质和土壤、危害生物并影响农业生产。由于矿山固体废物中含有多 种有毒有害物质，如重金属元素及一些放射性物质，这些固体废物在露天场所长 期堆放，会与空气发生氧化、分解以及溶滤等作用，使其中的有毒有害物质随着 雨水流失。而有毒的残留浮选药剂和剥离废石中含硫矿物所产生的酸性废水，共 同污染水体和土壤，并被植物的根部所吸收，影响农作物生长，造成农业减产。 另外，这些有毒有害物质会通过食物链进入人体，危及到人体健康。矿山废石和 尾矿的长期堆积，还会导致固体废物的大量流失，造成水溪、河流堵塞，使水体 受到严重污染，危害农业生产。 3 引发重大地质与工程灾害。矿山固体废物长期堆放，不仅在经济上带来巨 大的损失，还会诱发重大的地质与工程灾害，如排土场滑坡、泥石流、尾矿库溃 坝等，给社会带来极大的损失。如2 0 0 8 年9 月8 日山西襄汾尾矿库溃坝，倾泄出 来的共2 6 8 万m 3 的带矿渣的泥水波及下游5 0 0m 处的矿区办公室、集贸市场与民 宅等，造成2 5 4 人死亡。 4 污染环境，破坏生态平衡。长期堆放于矿山地表的固体废物，由于终年暴 露在大气中，往往会因风化作用而变成粉状，干旱季节，在一定风速作用下会产 生大量粉尘。有些矿山固体废物中含有硫铁矿、炭素等可燃性的物质，在大气供 2正 青岛理工大学工学硕士学位论文 氧充分的条件下，有可能会导致自热和自燃，从而生成大量的s 0 2 等有毒有害气 体。这都会严重污染矿区的大气环境，危害矿区植物以及附近农作物的生长，导 致生态失调。 矿山固体废物处理是指采用合理、有效的工艺对矿山固体废物进行加工利用 或直接利用。主要包括：作为二次资源，对含有的有价元素进行综合回收；将其 作为一种复合的矿物材料，用于制取建筑材料、土壤改良剂、微量元素肥料；作 为地下采空区的填充料等。 有色金属矿山的尾矿中往往含有多种有价金属。在选矿技术水平落后的条件 下，可能会有5 4 0 的有价组分留在尾矿中。另外，矿石中还有一些重要的伴 生组分，最初选矿时就没有进行回收。尾矿再选是尾矿利用的主要途径之一，它 包括早期尾矿的再选利用和新产生尾矿的再选利用两个方面。 金属矿山尾矿的物质组成虽然千差万别，但其中基本的组分及开发利用途径 是有规律可循的。矿物成分、化学成分及其工艺性能这三大要素构成了尾矿利用 的可行性基础。磨细的尾矿构成了一种复合矿物原料，加上其中微量元素的作用， 具有许多工艺特点。利用矿山固体废弃物生产建筑材料是我国合理利用工业固体 废弃物的一种重要途径，这种方法一般不会产生二次污染，且变废为宝。利用尾 矿可以生产墙体材料、水泥、玻璃与玻璃质制品、建筑陶瓷制品、无机人造大理 石、耐火材料、混凝土粗细骨料和建筑用砂以及铺筑路基、基础垫层材料和路面 沥青掺混料等1 4 。 一些工业固体废弃物具有潜在能源，可以进行能源的回收再利用。矿山尾矿 是无机矿物，不具有基本肥力，必须采取覆土、掺土、施肥等方法才能用于种植 各种作物。废石用于露天采坑的回填物，是矿山采坑覆田的有效物料【5 卅。 1 1 2 化工固体废物的污染及利用现状 化工固体废物是指化工生产过程中产生的固体、半固体或浆状废弃物，包括 生产过程中产生的不合格产品( 含中间产品) 、副产物、失效催化剂、废添加剂及 原料中央带的杂质，以及直接从反应装置排出的或在产品挂制、分离、洗涤时由 相应装置排出的工艺废物，另外还有空气污染控制设_ 施排出的粉尘，废水处理产 生的污泥，设备检修和事故泄漏产生的固体废弃物及报废的旧设备、化学品容器 3 受 u ， j 青岛理工大学工学硕士学位论文 和工业固体废物等【7 捌。 化工固体废物的特点是：( 1 ) 产生量大，化工固废产生量较大，每生产1t 产 品产生1 以t 固体废物，有的生产1t 产品可产生高达1 2t 废物，是较大的工业污 染源之一。( 2 ) 危险废物种类多，成分复杂，主要有硫铁矿烧渣、铬渣、磷石膏、 汞渣、电石渣等，这些危险废物中有毒物质含量高，若得不到有效处置，将会对 人体和环境造成较大影响。( 3 ) 废物资源化潜力大，化工固体废物中有相当一部 分是反应的原料和副产物，通过加工就可以将有价值的物质从废物中回收利用， 取得较好的经济、环境双重效益。 近年来，化工固体废物的处理与综合利用技术有了较大发展，按照污染防治 的原则，我国着重围绕以下三个方面对其进行监控和处理处置：( 1 ) 改革化工生 产工艺，更新设备，改进操作方式，采用无废或低废工艺，尽可能把污染消除在 生产过程中。( 2 ) 采用蒸馏结晶、萃取、吸附、氧化等方法将废物转化为有用产 品，加以综合利用。( 3 ) 固体废物无害化技术，如固体废物通过焚烧、热解、化 学氧化等方式，改变其中有害物质的性质，使其转化成无毒无害物质。 江苏新沂磷肥厂采用二室一塔水吸收法，吸收普钙氟气副产物硅酸钠，氟气 总吸收率达9 9 以上，极大地减少了对大气和农作物的污染与危害。同时，可副 产质量较好的氟硅酸钠，每年可创综合经济效益5 2 万元。 天津碱厂每年排放蒸氨废液4 0 5 万t ，废液含氯化钙9 5k 鲈、氯化钠4 0k 砂。 该厂每年从蒸氨废液中回收氯化钙2 9 万t ，再制盐2 1 万t ，从盐泥中回收碳酸镁 1 5 9 0t ，三种产品获利2 0 0 万元f 9 j 。 湖北黄石市无机盐厂采用“铬渣炼铁和控制方法”技术，每年可利用铬渣2 万t ，回收铬金属8 0 0 1 0 0 0t ，并制得含铬量为6 2 0 的铸造生铁0 7 万一1 万t 、 高活性水泥掺合料2 万t 左右，年可获利2 0 0 万元以上【1 0 】。 目前，在综合回收利用方面我国尚可推广的技术还有：利用电石渣、合成氨 造气炉渣、硫铁矿烧渣、废黄磷炉渣等制水泥、砖、以及生产氧化铁红；从合成 氨油造气碳黑水中回收炭制橡胶半补强剂、锌锰电池；废甲醇催化剂制锌铜复合 微肥、工业硫酸铜；氮肥厂采用深度水解法处理尿素解吸液；从季戊四醇母液中 回收甲酸钠等。 4 青岛理工大学工学硕学位论文 1 1 3 建筑垃圾的污染及利用现状 建筑垃圾大多为固体废弃物，一般是在建设过程中或旧建筑物维修、拆除过 程中产生的。虽然不同结构类型的建筑所产生的建筑垃圾各种成分的含量有所不 同，但基本组成成分是一致的，主要由土、渣土、废钢筋、废铁丝和各种废钢配 件、金属管线废料、废竹木、木屑、刨花、各种装饰材料的包装箱、包装袋、散 落的砂浆和混凝土、碎砖和碎混凝土块、搬运过程中散落的黄砂、石子和块石等 组成【1 1 1 。 我国是世界上每年新建建筑量最大的国家，每年2 0 亿m 2 新建面积，而建筑 寿命只能持续2 5 3 0 年。很显然，如此短寿的建筑将每年产生数以亿计的建筑垃 圾。目前，我国建筑垃圾的数量已占到城市垃圾总量的3 0 一4 0 。根据对砖混结 构、全现浇结构和框架结构等建筑的施工材料损耗进行粗略统计，每万m 2 建筑在 施工过程中会产生5 0 0 6 0 0 t 建筑垃圾，而每万m 2 拆除的旧建筑将产生7 0 0 0 1 2 0 0 0 t 建筑垃圾。然而，绝大部分建筑垃圾未经任何处理，便被施工单位运往郊外或乡 村，露天堆放或填埋，不但长期占用大量宝贵的耕地，而且还花费大量的征用土 地费、垃圾清运费等建设经费，对土壤、植被、水源等造成很大的危害。清运和 堆放过程中的遗撤和粉尘、灰砂飞扬等问题也对大气造成了严重污染。同时，我 国大部分生活垃圾的处理厂混入大量的建筑垃圾，严重影响了生活垃圾处理厂的 使用年限。因此，如何处理和排放建筑垃圾已经成为建筑施工企业和环境保护等 部门面临的一个重要课题。 通过对建筑垃圾的组分分析可知，建筑垃圾中的许多废弃物经分拣、剔除或 粉碎后可以作为再生资源重新利用的，如废钢筋、废铁丝、废电线和各种废钢配 件等金属，经分拣、集中、重新回炉后可以再加工制造成各种规格的钢材；废竹 木材可以用于制造人造木材；砖、石、混凝土等废料经破碎后可以代替天然砂用 于制备砌筑砂浆、抹灰砂浆、混凝土垫层，也可以用于制作砌块、铺道砖、花格 砖等建材制品。建筑垃圾中有1 5 经综合处置可生成再生建筑原材料，重新用于 城市建设；8 0 的挖槽土方可用做工程回填、铺设道路、绿地等；只有5 左右的 有毒有害弃料和装修垃圾暂时没有再生利用价值。可见，综合利用建筑垃圾是节 约资源、保护生态的有效途径1 1 2 】。 在综合利用建筑垃圾方面，同本、美国、德国等发达国家进行得比较早，给我 5 青岛理工大学工学硕士学位论文 们提供了许多先进的经验和处理方法。日本十分重视建筑垃圾并将其作为可再生 资源被重新开发利用。在各地建立了以处理废弃混凝土为主的再生加工厂，生产 再生水泥和再生骨料，其生产规模最大达到1 0 0 讹。在2 0 世纪9 0 年代初，日本就规 定建筑施工过程中的渣土、混凝土块、沥青混凝土块、木材与金属等建筑垃圾必 须送往“再生资源化设施”进行处理。据有关资料介绍，日本全国建筑废弃物实 现资源再利用率已超过5 0 ，形成了成熟的建筑垃圾处理技术。美国、德国等凭借 强大的经济实力与科技优势，采用高新技术处理建筑垃圾。如美国采用微波技术 处理回收的沥青路面，利用率达1 0 0 ，其质量与新拌沥青路面相同，而成本可降 低1 3 ，同时节约了垃圾清运和处理等费用，大大减轻了城市的环境污染；德国西 门子公司的干馏燃烧垃圾处理工艺可使垃圾中的各种可再生材料被干净地分离出 来，进行回收再利用，对于处理过程中产生的燃气则用于发电，每吨垃圾经干馏 燃烧处理后仅剩下2 3k g 的有害重金属物质，有效地解决了垃圾占用大面积耕地的 问题【1 3 】。 虽然我国对建筑垃圾的利用才刚刚起步，但近些年来，上海、北京等地区的 一些建筑公司对建筑垃圾的回收利用作了一些有益的尝试。而国内的一些高校、 科研院所也已经开展利用城市垃圾制取烧结砖和再生混凝土技术的研发。他们经 过多年的系统研究，已形成成套技术，即将进行再生资源化处理后的解体混凝土 和废弃砖瓦作为混凝土骨料或轻骨料，用于生产普通混凝土或高性能混凝土砌块， 这种再生混凝土强度可以达到c 3 0 。 1 2 固体废弃物在建筑材料上的应用 建筑工业在国民经济中占有重要地位。纵观各工业，能耗大、浪费严重、节 约潜力最大的工业当属建筑行业，近年来，大规模利用固体废弃物生产的新型建 材，一方面解决了固体废物出路问题，另一方面随着新型建材的广泛应用，在节 能、节地、利废和环境保护等方面都取得了成功，受到人们的普遍欢迎。 金属矿山尾矿的物质组成虽然千差万别，但其中基本的组分及开发利用途径 是有规律可循的。矿物成分、化学成分及其工艺性能这三大要素构成了尾矿利用 可行性基础。磨细的尾矿构成了一种复合矿物原料，加上其中微量元素的作用， 具有许多工艺特点。我国建筑业仍处于不断发展之中，对建材的需求量有增无减， 6 青岛理工大学工学硕士学位论文 这无疑为利用尾矿生产建材提供了一个良好契机。目前，我国对于尾矿建材的开 发研究主要集中于如下几个方面： 1 利用尾矿生产墙体材料。如利用还原焙烧磁选铁尾矿生产蒸养砖【1 4 1 ：利用 矽卡岩型金属尾矿生产免蒸免烧砖【1 5 1 ；利用高粘土含量的尾矿生产烧结砖【1 6 】等等。 这方面的研究成果数量最多，也是尾矿建材的主要发展方向。此外，某些地方在 生产粘土砖时，掺入部分尾矿作惰性原料或在生产混凝土砌块时用尾矿作为掺合 料，若尾矿掺量大于5 0 ，亦应属于尾矿建材的范畴。 2 利用尾矿生产水泥。尾矿用于生产水泥的方法主要有两种：( 1 ) 利用尾矿 砂中含铁量高的特点，以尾矿砂替代常用水泥配方使用的铁粉；( 2 ) 用尾矿替代 水泥原料的主要成分。马鞍山桃冲铁矿利用选铁尾矿为原料建起了年产2 5 万t 熟料 的水泥厂【1 7 1 。地矿部矿产综合利用研究所则利用含高岭土的硫铁矿尾矿研制出高 硅硫铝酸盐水泥【1 8 l ，也取得了良好的技术经济效果。 3 利用尾矿生产玻璃与玻璃质制品。主要是利用一些高硅高碱的尾矿，熔制 彩色建筑玻璃、微晶装饰玻璃、玻璃马赛克、泡沫玻璃砖、建材用玻璃纤维等。 如招远玻璃厂【1 9 】选用选金尾矿成功研制出瓶罐玻璃，江西的一些钨锡尾矿，已作 为平板玻璃原料，大量供应广东的有关的玻璃厂商。 。 4 利用尾矿生产建筑陶瓷制品。有些产于强蚀变酸性岩矿床内的金属尾矿， 与陶瓷的坯体成分非常相似，许多单位已成功地生产出陶瓷釉面砖、铺地缸砖、 屋面瓦等，而且证明，有些透辉石质的尾矿，还具有低温快烧的特点。如许荣奎i 刎 利用富含石英、伊利石、绿泥石、黄铁矿、镁铁矿的向山硫铁矿尾矿，试制的彩 釉墙地砖，性能指标均达到标准要求。 5 利用尾矿制作无机人造大理石。具有鲜艳彩色的粗粒尾矿，尤其适合于生 产无机人造大理石装饰材料，如饰面板、彩色铺路砖、楼梯板、阳台板等。而细 粒尾矿是生产仿釉面彩色铺路砖的优秀填料。山东海阳滑石矿区的滑石化和蛇纹 石化大理岩型尾矿，一直作为胶东地区彩色水磨石厂石料的重要来源之一。 6 利用尾矿生产耐火材料。如万建东【2 1 1 用石棉尾矿研制成功的橄榄石型硅镁 砖、廖基龙【2 2 1 等用石棉尾矿配制的耐热混凝土、刘属兴等利用高岭土尾矿熔制石 英等，另外，用次生石英岩型叶蜡石尾矿生产高铝砖的实例也见于相关报道。 7 用作混凝土粗细骨料和建筑用砂。 8 用于辅筑路基、基础挚层材料和路面沥青掺混料。 7 青岛理工大学工学硕士学位论文 化工固体废物由于其特有性质在建材行业也有诸多应用。柠檬酸生产排放出 的废渣，是柠檬酸厂酸解工序所得的副产物，其主要成分是二水硫酸钙。程玉峰【硎 首先论证了该废渣代替石膏做水泥缓冲剂的可行性，结果表明，完全用废渣取代 石膏所得的水泥强度达到5 2 5 标号。而洪宇峰【2 4 】以硫磺渣替代铜渣作铁制原料配置 水泥生料，能达到降低煤耗，改善熟料稳定性的目的，取得了良好的社会、经济 和环境效益。另外，还包括将硫铁矿渣用作水泥的掺和料和缓凝剂、墙体材料、 混凝土的混合料与骨料、加气混凝土、砂浆、砌块、装饰材料、保温材料、矿渣 棉、轻质骨料、铸石、微晶玻璃等，用铬渣制造建筑材料、水泥掺和料、钙镁磷 肥、玻璃着色剂、钙镁粉等，用磷石膏、氟石膏、排烟脱硫石膏等废渣代替天然 石膏制石膏板、石膏砌块等。 1 3 课题的研究内容及意义 本课题是利用多种固体废弃物制备新型环保砂浆的试验研究，主要内容包括： ( 1 ) 研究石油焦脱硫灰渣的基本性能，分析其化学成分及矿物组成并测试新 的胶凝材料体系的标准稠度需水量和凝结时间。利用石油焦脱硫灰渣制备砂浆， 系统研究了不同配合比砂浆的各项基本性能，以及不同强度等级砂浆与不同墙体 材料组合的砌体结构性能。 ( 2 ) 测试尾矿的颗粒级配、化学成分及矿物组成。利用尾矿砂制备砂浆，系 统研究不同胶砂比砂浆的各项基本性能。为增强性能的对比性，采用天然砂与尾 矿砂进行比较。 ( 3 ) 利用石油焦脱硫灰渣为胶凝材料，尾矿砂为骨料制备砂浆，系统研究不 同配合比水泥石油焦脱硫灰渣尾矿砂浆的各项基本性能。 ( 4 ) 利用粉煤灰为胶凝材料，尾矿砂为骨料制备砂浆，系统研究不同配合比 水泥粉煤灰尾矿砂浆的各项基本性能。 ( 5 ) 分别利用废旧混凝土再生后制得的再生砂和再生微粉制备砂浆，系统研 究不同配合比再生砂浆的各项基本性能。 利用各种固体废弃物制备的新型砂浆是低能耗、环保型的新型建筑材料，非 常符合国家的政策要求，不仅缓解了资源的压力，还可以在一定程度上减轻对环 境的污染，具有巨大的经济效益和社会效益。 8 青岛理工大学工学硕士学位论文 第二章利用石油焦脱硫灰渣制备砂浆的试验研究 石油焦是石化炼油行业普遍存在的副产品，根据含硫量的不同，可分为高硫 焦( 含硫量3 以上) 和低硫焦( 含硫量3 以下) 。石油焦具有良好的工业应用性 能，能代替焦炭用于生产优质钢材，精加工后可作为生产电极的高品质原料，广 泛应用于电解铝和电解铜等行业。但随着我国炼油行业加工进口中东等地区高硫 原油数量的增加，国内高硫焦产量增加较快，目前约占石油焦总产量的2 5 一3 0 。 高硫焦由于自身性质方面的限制，不适合用于要求较高的化工和冶金行业，这就 大大降低了高硫焦的价值。目前高硫焦只能做为水泥厂和发电厂的燃料，但燃烧 后会产生大量二氧化硫，对大气污染严重。循环流化床锅炉( c f b ) 燃烧技术是近年 来发展迅速的高效、低污染的清洁燃烧技术，能够达到低氮排放及9 0 的脱硫效 率。但利用该技术脱硫后产出的石油焦脱硫灰渣还没有较好的处理方法。如利用 石油焦脱硫灰渣为胶凝材料制作砂浆，在节省原材料的同时也消耗了大量废料， 符合国家的节能减排和可持续发展战略的要求【2 5 乞7 l 。 。一 2 1 试验原材料 1 石油焦脱硫灰渣 = 本试验所用的石油焦脱硫灰渣是青岛炼化厂所生产的石油焦经脱硫后的产 物。高硫焦脱硫主要采用的是石灰粉脱硫技术，即将石灰石研磨成粉状后与炼油 后的石油焦混合，再喷入流化床锅炉进行燃烧，石灰石高温分解出的c a o 与石