建筑垃圾在水泥生产中的应用探索

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随着城市改造建设规模的逐步增大，产生的建筑垃圾也越来越多。目前，绝大部分建筑垃圾未经任何处理利用，而是直接采用露天堆放或填埋的方式进行处理，耗用大量的土地资源，同时造成严重的环境污染。如何合理利用建筑垃圾、变废为宝，受到社会各界的高度关注。本文对济南市建筑垃圾作为辅助材料应用于水泥生产的探索实验进行了总结。

1建筑垃圾物理化学特征

建筑垃圾成分复杂、多变，经调查，混凝土约占51.8%、白灰约占2.7%、烧结砖约占30%、地基填土约占12%、其它约占3.5%，钢筋等其它金属在拆迁过程中被拣出。

建筑垃圾的物理性质因物质组成的不同而波动范围很大，混凝土的体重为2.3～2.5吨/立方米，强度等级一般为C15～C30，抗压强度约15～30兆帕；砖的体重一般为2.0吨/立方米，抗压强度一般为8～15兆帕；填土的体重一般为2.5～2.6吨/立方米，抗压强度一般为5.0～8.0兆帕。

建筑垃圾因其所含建筑垃圾种类及各类含量的多少不同，其化学性质变化较大，经调查取样分析，混凝土主要组分为：二氧化硅33.37%、三氧化二铝7.60%、三氧化二铁2.21%、氧化钙29.46%、氧化镁3.03%、氧化钾1.47%、氧化钠1.44%、三氧化硫0.45%、氯离子0.03%、烧失量21.32%；废砖主要组分为：二氧化硅68.26%、三氧化二铝15.10%、三氧化二铁5.21%、氧化钙3.52%、氧化镁1.89%、氧化钾1.75%、氧化钠1.44%、三氧化硫0.19%、氯离子0.02%、烧失量1.88%；填土主要组分为：二氧化硅57.88%、三氧化二铝12.53%、三氧化二铁4.66%、氧化钙8.54%、氧化镁2.24%、氧化钾2.25%、氧化钠1.55%、三氧化硫0.12%、氯离子0.03%、烧失量10.30%。

2建筑垃圾应用于水泥生产的可行性分析

根据我国硅酸盐水泥生产的特点，建筑垃圾的化学组分基本符合生产原料的要求，可以作为辅助材料进行合理的搭配，用于水泥生产。

建筑垃圾的特性决定了在生产实践中，必须解决设备问题、控制项目及检验方法、有害物质的处理等问题。

首先，必须有对建筑垃圾进行预处理的场所和设备；其次，必须对水泥生产工艺过程进行必要的改造，以便使生产线可兼容处理建筑垃圾，其中主要包括燃烧器的改造、配料设备的改造、输送设备的改造、建筑垃圾入窑的设置、收尘系统的改造等；另外，为保证检验结果的准确性，正确指导生产控制，需确定有效的检验方法；同时制定合理的质量控制点及控制指标，增加检测频次，有效控制各环节质量运行，确保试验过程中的产品质量。

水泥窑对氧化钾、氧化钠及氯离子的含量是有限制的。如果生料中上述离子的含量过高，会在窑尾、风管和排风机等气体通过的地方，附着结皮并造成堵塞。而经过检验，混凝土、废砖及填土中氧化钾与氧化钠的含量之和平均为2.91%、4.25%、3.80%；氯离子的含量平均为0.030%、0.019%及0.029%，均稍大于允许含量，在生料配比时应加以解决。

通过配料配比试算，工艺上的改进，可以利用现有的建筑垃圾生产出稳定的高质量的水泥。

3生产试验研究

（1）试验方案确定

某水泥厂根据生产试验设计进行了试验工作，实验使用了废砖和混凝土。

建筑垃圾样品按照废砖、混凝土分别进行采取，页岩样品从济南南部一矿区内采取。建筑垃圾（废砖、混凝土）、页岩进厂后，单独堆放，由化验室取样检测其化学成分。经分析，石灰石主要成分：二氧化硅4.18%、三氧化二铝1.30%、三氧化二铁0.57%、氧化钙50.77%、氧化镁1.49%、烧失量40.18%；砂岩主要成分：二氧化硅80.92%、三氧化二铝8.66%、三氧化二铁：2.21%、氧化钙1.03%、氧化镁0.49%、烧失量3.27%；硫酸渣主要组分：二氧化硅33.80%、三氧化二铝8.70%、三氧化二铁44.13%、氧化钙3.96%、氧化镁2.70%、烧失量1.50%；页岩主要组分：二氧化硅55.73%、三氧化二铝15.60%、三氧化二铁8.00%、氧化钙3.03%、氧化镁2.48%、烧失量8.10%；废砖主要组分：二氧化硅67.52%、三氧化二铝15.28%、三氧化二铁6.85%、氧化钙2.50%、氧化镁2.17%、烧失量0.80%；混凝土主要组分：二氧化硅26.48%、三氧化二铝5.99%、三氧化二铁1.18%、氧化钙33.94%、氧化镁2.11%、烧失量27.52%。

根据其质量变化，通过计算确定配料方案及如下控制指标：石灰饱和系数0.905±0.02、硅酸率2.65±0.1、铝氧率1.45±0.1。

根据试验需要，为保证物料的均匀性，水泥企业清理出了630平方米场地，对进厂建筑垃圾废砖、混凝土单独存放，页岩利用原有的场地储存；对建筑垃圾（废砖、混凝土）、页岩的进行单独破碎，利用现有均化设施，通过二次倒运、人工搭配等措施，进行物料的均化，力求物料的均匀、稳定，减少因物料成份波动造成生产试验过程的波动。

根据试验目的，进行了原材料全分析、出磨、入窑生料全分析，入窑煤粉质量、出窑熟料游离氧化钙分析、全分析、强度等全套检测，生产水泥性能及混凝土适应性检测，有效控制各环节质量运行，确保试验过程中的产品质量。同时对窑系统台时、煤耗、电耗及进行跟踪控制，为后期生产控制提供试验依据。

（2）单掺混凝土试验

根据配料计算各物料配比为石灰石占78.23%、砂岩占6.67%、页岩占3.80%、硫酸渣占2.60%、混凝土占8.70%。试验时间为3天。

为稳定出磨生料质量，保证生料成分的合理、易烧，采用生料配料率值控制系统，通过控制生料的三率值（石灰饱和系数、硅酸率、铝氧率）来控制熟料的三率值。根据入窑煤粉质量情况，生料三率值控制指标为石灰饱和系数0.975±0.02、硅酸率2.55±0.10、铝氧率1.30±0.10。

出磨生料实际控制在氧化钙42.67%、三氧化二铁2.35%、二氧化硅13.61%、三氧化二铝2.97%、氧化镁2.02%、石灰饱和系数0.971、硅酸率2.56、铝氧率1.27、细度12.8%。

入窑煤粉质量为发热量5778千卡/公斤、挥发份28.87%、灰分13.09%、细度9.5%、水分3.0%。

经煅烧，熟料成分为三氧化二铁3.38%、二氧化硅21.69%、三氧化二铝4.74%、氧化钙64.51%、氧化镁2.97%、三氧化硫0.66%、石灰饱和系数0.906、硅酸率2.67、铝氧率1.40、硅酸三钙55.69%、硅酸二钙20.21%、铝酸三钙6.83%、铁铝酸四钙10.29%。

熟料物检结果为细度2.4%、比表面积352平方米每公斤、标准稠度用水量25.7%、出凝时间109分钟、终凝时间163分钟、抗折强度7.0兆帕（3天） 9.4兆帕（28天）、抗压强度34.2兆帕（3天）56.9 兆帕（28天）。

（3）三掺废砖、混凝土、页岩试验

根据配料计算，各物料配比为石灰石80.17%、砂岩5.75%、页岩2.50%、硫酸渣2.38%、废砖3.20%、混凝土6.00%。试验时间为3天。

生料三率值控制指标为石灰饱和系数0.975±0.02、硅酸率2.55±0.10、铝氧率1.30±0.10。

出磨生料成分实际为三氧化二铁2.39%、二氧化硅13.53%、三氧化二铝3.00%、氧化钙42.50%、氧化镁2.01%、石灰饱和系数0.969、硅酸率2.52、铝氧率1.26、细度13.0%。

入窑煤粉质量：水分2.8%、细度11.2%、灰分13.47%、挥发份29.14 %、发热量5815千卡/公斤。

经煅烧，熟料成分为三氧化二铁3.40%、二氧化硅21.60%、三氧化二铝4.75%、氧化钙64.49%、氧化镁2.99%、三氧化硫0.62%、石灰饱和系数0.910、硅酸率2.65、铝氧率1.40、硅酸三钙56.04%、硅酸二钙19.66%、铝酸三钙6.85%、铁铝酸四钙10.34%。

熟料物检结果为细度2.5%、比表面积348平方米每公斤、标准稠度用水量25.5%、出凝时间107 分钟、终凝时间160分钟、抗折强度7.0兆帕（3天） 9.2 兆帕（28天）、抗压强度32.8兆帕（3天）56.9 兆帕（28天）。

（4）双掺废砖、混凝土试验

根据配料计算，各物料配比为石灰石73.08%、砂岩4.75%、硫酸渣2.87%、废砖2.30%、混凝土17.00%。试验时间为3天。

生料三率值控制指标为石灰饱和系数：0.975±0.02、硅酸率2.55±0.10、铝氧率1.25±0.10。

出磨生料成分实际为三氧化二铁2.39%、二氧化硅13.60%、三氧化二铝2.98%、氧化钙42.77%、氧化镁2.02%、石灰饱和系数0.972、硅酸率2.54、铝氧率1.25、细度13.6%。

入窑煤粉质量：水分2.9%、细度10.1%、灰分13.15%、挥发份29.24%、发热量5753千卡/公斤。

经煅烧，熟料成分为三氧化二铁3.40%、二氧化硅21.72%、三氧化二铝4.76%、氧化钙64.28%、氧化镁3.01%、三氧化硫0.68%、石灰饱和系数0.900、硅酸率2.66、铝氧率1.40、硅酸三钙56.11%、硅酸二钙21.08%、铝酸三钙6.87%、铁铝酸四钙10.34%。

熟料物检结果为细度2.9%、比表面积346平方米每公斤、标准稠度用水量25.3%、初凝时间112 分钟、终凝时间165分钟、抗折强度6.8兆帕（3天） 9.3兆帕（28天）、抗压强度32.3兆帕（3天）56.9 兆帕（28天）。

4结论

生产数据表明，基本达到试验方案预期的效果。通过加强对原材料均化、生料制备、熟料煅烧等生产环节的有效控制，使用建筑垃圾（废砖、混凝土）、页岩对生料配料方案、窑系统工艺参数、煤耗、电耗、熟料质量、水泥质量等方面的影响较小，可以在水泥熟料生产中使用。

从生产试验情况看，在熟料生产环节，建筑垃圾的使用比例为混凝土6.0～17.0%、废砖2.3～3.5%、页岩3.0～5.0%（单独使用可达到8～10%）。

根据生产试验结果推算，以年产熟料135万吨、水泥200万吨，熟料耗生料料耗按1.57吨/吨计，则全年消耗混凝土243742.5吨、废砖61425吨、页岩85050吨。不仅减少了建筑垃圾的堆放成本，也降低了熟料生产的原料成本，将产生显著的经济效益和良好的环保及社会综合效益。