CN108218272B - 源于废物的环保人造集料（骨料） - Google Patents
源于废物的环保人造集料（骨料） Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种以废物起始料为主要原料制成的人造集料。所述废物起始料可以是粒化高炉矿渣、再生混凝土微粉或污泥灰或其混合物。通过另外加入的或原位形成的粘结剂材料，废物起始料被粘合在一起。所述废物起始料在人造集料粉体原料(废物起始料和粘结剂材料)中的含量不低于70％(重量比)。所述人造集料的制备方法为：把混合好的废物起始料及粘结剂材料加入到造粒机，开动造粒机并向粉体原料喷洒水或溶液；湿润的粉体原料随造粒机转动逐渐粘结团聚成集料颗粒，随后对所制集料颗粒进行养护。所述造粒或养护过程可在普通环境下或在二氧化碳含量不低于约50％(体积含量)的空气中及不高于约100℃的温度下进行。本发明人造集料具有等于或大于约0.5兆帕的破碎强度，因此可用于制作混凝土、地基材料、路基材料等。
Description
技术领域
本发明涉及一种建筑集料(骨料)，更具体的说涉及一种以废物为原料无需高温烧结即可制成的环保人造集料。
背景技术
集料是一种在建筑工业中广泛应用的材料，其应用范围包括地基、路基、排水涵洞和混凝土等。根据密度，集料可分为“普通集料”(例如花岗岩、玄武岩等)和“轻集料”(例如浮石、火山灰等)。轻集料特别适合于生产轻质砖块和其他轻质建筑产品。除了轻质，轻集料的加入还会使相关建筑产品具有优良的隔热和隔音性能。在过去，集料一般通过粉碎矿石获得。然而，采矿往往对当地环境造成破坏，而且矿山常常远离对集料有大量需求的人口中心。需要指出的是，由于过度开发天然集料引起越来越多的环境问题，人们正逐步探索把人造集料(包括普通集料和轻集料)作为集料材料的新来源。
现有人造轻集料产品具有与天然轻集料类似的密度范围。人造轻集料现在主要通过烧结膨胀粘土、页岩等天然矿物来制造。生产烧结轻集料的一般步骤是将起始料诸如粘土与水和添加剂混合并通过一定的造粒过程形成所需尺寸的球形颗粒，然后将球形颗粒在1100℃-1200℃的温度范围内直接送入回转窑(或烧结机)中,通过颗粒熔融和结构膨胀产生轻集料。然而，上述烧结过程是一个能源密集型过程，而且烧结过程中燃料燃烧会导致大量温室气体排放。据估计，制造一吨轻集料产生约0.3吨二氧化碳。
在人口密集的大都市，基于人们对便利及舒适生活的追求，每年均会有大量的建造或改造工程进行，而进行这些工程往往需要大量建筑集料。与此同时，大都市中的人们也正在制造越来越多的垃圾废物，诸如生活垃圾，污泥，建筑废料等。污水渠污泥和回收混凝土是两种常见的都市垃圾。通过焚烧，污泥中的大部分水分及有机物会挥发消失并伴随着明显的体积减少，而剩余的污泥灰就被送往垃圾填埋场处置。另一方面，通过一系列回收过程，回收混凝土可以变成不同尺寸的再生集料用于土木工程。然而，回收过程中也会产生大量不可再用于混凝土的混凝土微粉(20％或更多)，只可被送往垃圾填埋场处置。为了处置上述垃圾废物，越来越多的土地正被占用为垃圾填埋场。因此，如何循环再用垃圾废物已成为当今城市管理者需要关注的事情。
为了解决大都市在垃圾废物处理及建筑集料需求两方面存在的问题，可考虑使用回收废物生产人造集料。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，提出一种以废物为主要原料且在不高于100℃的温度下制成的人造集料，以解决现有人造集料制备技术中存在的能源及资源消耗和温室气体排放的问题。
针对上述问题，本发明采用的技术方案为：以废物起始料为主要原料(粉体原料含量的70％)经由造粒及养护过程制备一种人造集料。所述废物起始料包括粒化高炉矿渣、再生混凝土微粉或污泥灰及其混合物；所述废物起始料由粘结剂材料粘合在一起，并通过造粒及碳化过程形成具有一定强度的集料颗粒；所述造粒及养护过程可在普通环境或二氧化碳含量不低于约50％的空气中及不高于约100℃的温度下进行；所述集料在一段时间的硬化后具有等于或大于约0.5兆帕的破碎强度。
在本发明所述的人造集料中，优选地，所述粘结剂选自波特兰水泥或新拌混凝土回收物。
在本发明所述的人造集料中，优选地，当其中所述造粒过程在二氧化碳含量不低于约50％(体积含量)的空气中进行时，所述集料的密度小于约1200kg/m3。
在本发明所述的人造集料中，优选地，当其中所述所述造粒过程在普通环境中进行时，所述集料的密度不低于约1700kg/m3。
在本发明所述的人造集料中，优选地，所述集料由废物起始料、粘结剂和过氧化氢(双氧水)水溶液制成，并且密度小于1200kg/m3。
在本发明所述的人造集料中，优选地，所述废物起始料是污泥灰且所述集料经由硅烷基试剂处理。
本发明还提供一种混凝土制品，包含上述的人造集料。
本发明还提供一种人造集料，优选地，所述人造集料中粒化高炉矿渣的含量大于约90％(质量比)；所述粒化高炉矿渣由其与水和碱的一种或多种反应产物粘合在一起；所述人造集料的造粒或养护过程可在普通环境下或在二氧化碳含量不低于约50％(体积含量)的空气中及不高于约100℃的温度下进行，且具有等于或大于约0.5兆帕的破碎强度。
在本发明所述的人造集料中，优选地，当其中所述造粒过程在二氧化碳含量不低于约50％(体积含量)的空气中进行时，所述集料的密度小于约1200kg/m3。
在本发明所述的人造集料中，优选地，当其中所述所述造粒过程在普通环境中进行时，所述集料的密度不低于约1700kg/m3。
在本发明所述的人造集料中，优选地，所述集料由废物起始料、碱和过氧化氢(双氧水)水溶液制成，并且密度小于1200kg/m2。
本发明还提供一种混凝土制品，所述混凝土制品包含上述的人造集料。
实施本发明以废物为主要原料的人造集料，具有以下特点：本发明涉及一种以废物起始料为主要原料制成的人造集料。所述废物起始料可以是粒化高炉矿渣、再生混凝土微粉或污泥灰或其混合物。通过另外加入的或原位形成的粘结剂材料，废物起始料被粘合在一起。所述废物起始料在人造集料粉体原料(废物起始料和粘结剂材料)中的含量不低于70％(重量比)。所述人造集料的制备方法为：把混合好的废物起始料及粘结剂材料加入到造粒机，开动造粒机并向粉体原料喷洒水或溶液；湿润的粉体原料随造粒机转动逐渐粘结团聚成集料颗粒，随后对所制集料颗粒进行养护。所述造粒或养护过程可在普通环境下或在二氧化碳含量不低于约50％(体积含量)的空气中及不高于约100℃的温度下进行。本发明人造集料具有等于或大于约0.5兆帕的破碎强度，
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，其中：
图1展示了以普通波特兰水泥(粉体原料总质量的25％)作为粘结剂材料并分别以粒化高炉矿渣、再生混凝土微粉和污泥灰中为废物起始料制成的人造集料的剖面照片。图1所示集料在颗粒成型后经历了不同时间的碳化养护。
图2展示了以普通波特兰水泥(粉体原料总质量的10％和25％)作为粘结剂材料并分别以粒化高炉矿渣、再生混凝土微粉和污泥灰中为废物起始料制成的人造集料的外观照片。图2所示集料在颗粒成型后经历了3小时碳化养护。
图3展示了以75％粒化高炉矿渣或污泥灰为废物起始料及以25％普通波特兰水泥为粘结剂并在二氧化碳含量不低于约50％的空气中进行造粒而制成的人造轻集料的外观及剖面照片。
具体实施方式
废物起始料
在制备本发明的人造集料时，可以使用三类废物起始料。第一类是粒化高炉矿渣。矿渣是当金属从其各自的矿石中分离(例如，熔炼)出来时留下的材料。粒化高炉矿渣是通过研磨淬冷过的熔溶高炉铁矿渣(钢铁制造的副产品)制成的。粒化高炉矿渣的主要成分是CaO(30％-50％)、SiO2(28％-38％)、Al2O3(8％-24％)和MgO(1％-18％)。除非另有说明，本说明书中提到的所有百分比均为质量百分比。下文所述本发明实施例使用了一种具有特定组分的粒化高炉矿渣，其详细组分将在下文中提到。
第二类废物起始料是再生混凝土微粉。通过拆除楼宇、道路、桥梁和其它土木工程设施获得的旧混凝土可以制成集料再利用。“回收混凝土集料”就是指该种回收材料。回收混凝土集料可用于包括排水在内的不同土木工程应用中，也可用作地基、道路和轨道的垫层材料。纯度高的回收集料也可用于替换新混凝土中的部分或全部集料。在把回收旧混凝土制成集料的过程中，有约20％的混凝土形成再生混凝土微粉，而这类微粉若不进行某种再加工，就不可再被用于新混凝土中。再生混凝土微粉的主要组分是CaO(30％-50％)和SiO2(40％-60％)，也包含较少量的Al2O3(5％-15％)。下文所述本发明实施例使用了一种具有特定组分的再生混凝土微粉，其详细组分将在下文中提到。
第三种类型的废物起始料是污泥灰。污泥是城市污水处理的副产品，它是一种包含有污水处理残留固体及大量水分的半固体状材料。焚烧可使污泥的体积减少高达90％，但是作为燃烧残余物的污泥灰的每日产量仍然很大。污泥灰一般含有有害重金属且其反应活性比较低。污泥灰主要包含20％-30％的SiO2、15％-25％的Fe2O3、5％-25％的CaO、10％-15％的P2O5和5％-15％的Al2O3。下文所述本发明实施例使用了一种具有特定组分的污泥灰，其详细组分将在下文中提到。
需要注意的是，由于废物来源的多样性，所有废物起始料的组分不是固定的。上述各废物起始料的组分仅仅是废物起始料组分的一些示例。废物起始料占人造集料粉体原料总质量的70％-100％。废物起始料在人造集料中的示例性含量为大于粉体原料总质量的70％，75％，80％和90％。除了废物起始料，集料还可包含如下所述的粘结剂材料及一些添加剂材料。
粘结剂材料
除了废物起始料，本发明人造集料也有使用粘结剂材料。粘结剂是可独立于废物起始料而自身硬化的材料，并因此能够将废物起始料颗粒粘合在一起以形成人造集料颗粒。本发明人造集料的制备使用了水硬性粘结剂材料。所述“水硬性粘结剂”主要是指可与水发生化学反应的物质，并通常用于描述水泥和水泥基胶凝材料。水泥基材料的水化反应通常是指其钙、二氧化硅和氧化铝组分遇水发生反应并生成硅酸钙和铝酸钙水合物。随着水化反应的进行，水泥基材料会逐渐凝固和硬化，而凝固和硬化所需时间通常随水泥材料组分的不同而发生变化。通常来说，水泥基材料的凝固需要数小时，完全硬化则需要数天。本发明人造集料的强度在颗粒成型7天后一般不再大幅度增长。如上所定义的可与水发生水化反应的任何胶凝材料均可用作本发明人造集料的水硬性粘结剂材料。
在本发明的下述实施例中，波特兰水泥被用作粘结剂材料。波特兰水泥是一种水硬性水泥，通常包含不同比例的氧化钙、二氧化硅和氧化铝。波特兰水泥一般由61％-67％的CaO、19％-23％的SiO2、2.5％-6％的Al2O3、0％-6％的Fe2O3和1.5％-4.5％的硫酸盐组成。
波特兰水泥有不同的种类，而不同种类水泥的组分及相应含量要求在规范ASTMC150/C150M-16e1“波特兰水泥规范”中有详细规定及解释。所述ASTM规范中的内容通过引用的方式成为该说明书的一部分，而规范中提到的任一种水泥或组分均可用作本发明人造集料的水硬性粘结剂材料。
另一种用做本发明人造集料水硬性粘结剂的材料是新拌混凝土回收物。在混凝土的生产及浇筑过程中，通常会产生一些包含有波特兰水泥和各种集料的未凝固硬化或组分不合要求的新拌混凝土残余。为了减少送往堆填区的建筑废料的量，上述新拌混凝土残余会被收集起来(例如从混凝土车、混凝土搅拌站回收)，然后其含有的天然粗集料和细集料将通过一定的筛分流程被分离出来以循环再用，而剩余的含有水泥粉末的泥浆将通过沉淀、压滤脱水和风干脱水而被收集起来。本文所述“新拌混凝土回收物”就是指通过过滤干燥含有水泥粉末的泥浆而得到的固体物。然而，上述回收处理过程往往导致新拌混凝土回收物中含有一些惰性非水泥的细集料颗粒。
新拌混凝土回收物约占新拌混凝土残余重量的1％-10％，并被送往垃圾堆填区做填埋处理。因此，以新拌混凝土回收物为粘结剂制成的本发明人造集料是一种完全以废物为原料制成的集料产品。新拌混凝土回收物的组分与混凝土类似，但其具有反应活性的硅钙率含量远远高于混凝土，这是由于其水泥含量比较高而天然集料含量较低。新拌混凝土回收物通常主要包含30％-50％的CaO、40％-60％SiO2和5％-15％Al2O3。与废物起始料类似，取决于所回收新拌混凝土的组分，新拌混凝土回收物的组分不是固定的。
在本发明的下述实施例中，水、碱和废物起始料的反应产物被用作人造集料的粘结剂材料。粒化高炉矿渣包含大量的氧化钙、二氧化硅和氧化铝，使其易于与水发生水化反应。而使用活化剂(例如碱)可促进粒化高炉矿渣中的二氧化硅和氧化铝进一步反应及生成更多产物用于粘结。本发明实施例中使用的碱活化剂包括氢氧化钠和液体硅酸钠(俗称“水玻璃”)。所述氢氧化钠具有大于95％的纯度，其用量约为废物起始料的2％至4％(质量比)。所述硅酸钠的组分不是固定的并往往根据性能需求进行调整。本发明实施例中使用的一种硅酸钠含有(质量比)约8.6％的Na2O、28.3％的SiO2和63.1％的H2O，而其用量约为废物起始料的15％。对于使用碱活化剂的实施例，粒化高炉矿渣起始料的用量可以高达粉体原料质量的99％，而所需粘结剂主要通过粒化高炉矿渣的水化反应及其与活化剂碱的反应原位形成。
造粒
本发明人造集料的制备采用粒化或球化方式进行造粒。粒化或球化是将原料颗粒团聚成尺寸较大的未完全硬化颗粒的一个过程。造粒机是一种常用于进行粒化或球化过程的仪器。市场上现有不同款式的造粒机可供购买，而任一款式造粒机均可用于制备本发明人造集料。不同款式造粒机的造粒能力以及所制颗粒的大小及形状均有不同，例如利用常见的盘式造粒机制出的颗粒呈现出较好的球形。鉴于球形集料较好的堆积性能及力学性能，很多应用倾向于使用球形集料，例如制作混凝土。因此，在本发明的实施例中，优选的，一款盘式造粒机被用来制备本发明的人造集料。
在本发明中，使用盘式造粒机造粒时，一定量废物起始料和粘结剂材料的粉体状混合料首先被加入造粒盘中。然后，一定量的水或碱溶液被喷入造粒盘以润湿上述粉体原料(包含废物起始料和粘结剂材料)。随着造粒盘的转动，湿润的粉体原料逐渐粘结团聚成小球形颗粒，随后，这些小颗粒继续团聚形成更大的颗粒，直至形成一定大小的颗粒。根据不同应用需要，通过拣选具有合适物理化学性能的原材料和造粒机配件及控制造粒工艺参数，使用上述盘式造粒机可以制出不同尺寸的颗粒。本发明实施例制作出了粒径为5mm、10mm和15mm的人造集料，但采用上述本发明造粒方法也可制备出其他尺寸的人造集料。需要注意的是，刚刚由造粒机制成的集料颗粒并未完全硬化。在随后的几天时间里，这些集料颗粒继续反应硬化和干燥，以达到其最终强度。在本发明实施例中，所制集料颗粒的强度一般在集料颗粒成型后7天测试。值得一提的是，由于所用废物起始料和粘结剂材料在有水及CO2的环境中可进行水化及碳化反应而逐渐硬化变强，本发明人造集料不需要高温烧制或烧结即可获得等于或大于0.5兆帕的强度。本发明人造集料的强度数值，可参考下文实施例中的结果。
在本发明中，使用盘式造粒机造粒时，用来润湿粉体原料的水或碱溶液的量约为粉体原料质量的20％至40％。如果粉体原料本身含有较多水分，上述水或碱溶液的用量可以降低。在本发明的实施例中，所用水或碱溶液的量约为粉体原料质量的30％。在本发明的一个实施例中，为了降低集料的密度，过氧化氢(双氧水)被用来替代5％至30％的水。这是因为过氧化氢可以在造粒过程中发生分解并释放气体从而提高所制集料的孔隙率。另一方面，集料孔隙率的增加会令到集料本身的绝热性能及隔音效果得到增强。通过添加过氧化氢，本发明人造集料的密度通常可以降低到小于或等于约1200kg/m3，具体地是小于或等于800kg/m3，更具体地是小于或等于约650kg/m3。
为了降低人造集料的吸水率，本发明在造粒过程中使用不同的物料对所制颗粒进行了处理。一类可以用来减低人造集料吸水率的物料是硅化合物，诸如有机硅化合物。具体的，一类符合要求的有机硅化合物是烷氧基硅烷，例如三烷氧基硅烷。具体来讲，三烷氧基硅烷(诸如异丁基三乙氧基硅烷)可以分散在水或水性溶剂中并喷涂到成型的人造集料颗粒表面，使人造集料表面变得疏水，从而减少人造集料吸水。因污泥灰比粒化高炉矿渣和再生混凝土微粉具有更高的吸水率，上述有机硅处理过程因此优选的应用于以污泥灰为起始料的人造集料。
降低本发明人造集料吸水率的另一种技术是在集料中添加约为粉体原料质量1％至10％的飞灰、石灰、高岭土和硅灰。这些添加料可以通过与粉体原料混合添加到集料中，也可在集料颗粒成型至接近目标尺寸时加入造粒盘并最终覆盖在集料的外部。
碳化
在本发明中，人造集料的碳化可在造粒过程中(原位碳化)、颗粒成型后(造粒后碳化)或在造粒过程中及之后进行。关于原位碳化，包含约50％或更多(体积百分比)量二氧化碳的气体在室温下被引入到封闭的造粒机中，并持续整个造粒过程。关于造粒后碳化，成型好的集料颗粒被放入碳化养护箱中。所述碳化养护箱中的空气含有约50％或更多(体积百分比)量的二氧化碳，而其箱内温度亦可在室温到100℃的温度范围内调节。在碳化过程中，废物起始料和粘结剂材料中的相关组分与二氧化碳和水反应并生成有利于提高集料强度及降低集料吸水率的产物，如碳酸钙和碳酸镁。具体地，碳酸钙和碳酸镁的生成可用下述反应式表述：
CaO+CO2→CaCO3 (1)
MgO+CO2→MgCO3 (2)
除了碳化反应之外，在造粒过程中引入的二氧化碳亦会增加所制集料颗粒的孔隙率，从而导致所制集料密度的降低。因此，通过原位碳化制成的集料的密度通常小于约1200kg/m3，具体的低于800kg/m3，更具体的低于650kg/m3。取决于颗粒的尺寸，原位碳化需要持续不同的时间，但通常需要持续至少30分钟。经原位碳化过程制备的人造集料，碳化反应产物在集料顆粒的大部分体积中均有存在。
造粒后碳化可以作为原位碳化的补充或者作为增强集料性能的另一种选择。只经历造粒后碳化过程制得的集料的密度通常为1700kg/m3至约2000kg/m3，高于经由原位碳化制得的集料的密度。对于5mm或更大尺寸的集料，其造粒后碳化过程通常持续超过1小时。在本发明的实施例中，平均尺寸为10mm的集料颗粒经历了约3或6小时的造粒后碳化养护。延长碳化时间会在集料颗粒中产生更多碳化反应产物-碳酸盐。关于上述实施例中制成的集料，碳化产物主要分布在集料表面区域。
碳化的另一好处是，碳化反应的产物有助于固定废物起始料中的重金属污染物。
实施例
废物起始料
对本发明所用三种废物起始料进行了分析测试，其中，三种起始料的化学组分测定采用了x射线荧光光谱法。表1，2和3分别列出了粒化高炉矿渣，再生混凝土微粉及污泥灰的化学组分。另外，粒化高炉矿渣的平均粒度被测定为11.88μm，中值粒径D50为8.32μm；再生混凝土微粉的平均粒度为678.23μm，中值粒径D50为618.44μm；污泥灰的平均粒度为97.09μm，中值粒径D50为44.21μm。
表1：粒化高炉矿渣的化学组分
表2：再生混凝土微粉的化学组分
表3：污泥灰的化学组分
配方
本发明根据一系列含有不同量废物起始料及粘结剂材料的配方制备出了集料，并对这些集料进行了养护及测试。表4列出了15个具有代表性的配方。其中，5个配方以粒化高炉矿渣(GGBS)为废物起始料，5个配方以再生混凝土微粉(RCF)为废物起始料，5个配方以污泥灰(SSA)为废物起始料。而对于每一种废物起始料的5个配方，其中两个配方以含有67％CaO、19.4％SiO2、3.4％Al2O3、3.5％Fe203和5.1％硫酸盐的普通波特兰水泥为粘结剂材料，两个配方以包含66.5％水泥、28.5％砂和5％的新拌混凝土回收物为粘结剂材料，一个配方以废物起始料与碱(包括氢氧化钠和硅酸钠，添加量约为废物起始料质量的2％-15％)的反应产物为粘结剂材料。
表4：含有不同配比废物起始料及粘结剂材料的配方
造粒
本发明采用一款盘式造粒机制作人造集料。所述盘式造粒机的造粒盘直径为0.5m，深度为0.25m。所述造粒盘的倾斜角度可以在0到90°范围进行调整，转速能够在10rpm和20rpm之间进行调整。另外，所述造粒机配备有一个顶盖用来密封造粒盘。所述顶盖装有一个可用于填装粉体原料的进料斗，并预留有三个孔。此三个孔可用于连接CO2气罐以在造粒过程中向造粒盘供应CO2气体，或连接水箱以用于在造粒过程中向造粒盘内的粉体原料自动喷水。
本发明对影响造粒的相关因素进行了详细研究，诸如造粒盘的倾斜角度、旋转速度和造粒过程持续时间等因素对所制颗粒性能的影响。所述研究尝试了三个不同的造粒盘倾斜角度(50°、60°和70°)和旋转速度(10rpm、15rpm和20rpm)，以最大化造粒效率。研究结果显示，当造粒盘倾斜60°并以15rpm的速度旋转时，最利于本发明人造集料颗粒的制备。
性能
遵照BS EN 1097中的规定，测定了所制人造集料的堆积密度(根据等式(3)确定)和24小时吸水率(根据等式(4)确定)：
其中Mdry为烘干质量，Mimm为浸渍质量，Msat为24h饱和表面干质量。
基于一套测定混凝土用人造集料性能的实验方法，测定了所制人造集料的破碎强度。此方法首先将待测集料颗粒固定于两个平行板之间，然后通过平行板加载直至颗粒破坏。根据集料颗粒破坏时的最大荷载Pc，单个颗粒的破碎强度(S)可以确定为：
其中X是单个颗粒的球径。每批人造集料的破碎强度值是5个单个颗粒强度值的平均值。
根据上述方法，测定了根据表4所列15个配方制备出的10mm集料颗粒的破碎强度。这些集料的密度约为1700kg/m3至约2000kg/m3。为了研究碳化养护时间对集料强度的影响，每种集料成型后分别经历了0小时、3小时和6小时的碳化养护。所有强度测试均在集料颗粒成型后7天进行。表5列出了此批集料的强度结果。
表5：根据表4中15个配方制备的人造集料的破碎强度
根据表5可以看出，碳化养护显著提高了大多数配方集料的破碎强度，并且以3个小时的碳化养护时间效果最为显著。因根据配方VIII、IX、XI、XII、XIV和XV所制集料的强度小于0.5兆帕的目标值(传统轻集料的强度约为0.5兆帕)，不建议将这些集料用做混凝土集料，然而，可以考虑把它们用于其它土木工程应用中。
除了制备出上述密度约为1700kg/m3至约2000kg/m3的集料，本发明根据表4所列配方I和III并采用原位碳化方法也制备出了密度小于1200kg/m3的轻集料，并对其性能进行了测定。以配方I制出的轻集料，其密度约为1100kg/m3，吸水率为16％，破碎强度为1.5兆帕；而以配方III制出的轻集料，其密度为900kg/m3，吸水率为17％，破碎强度为0.9兆帕。因两种轻集料的破碎强度均高于0.5兆帕的目标值，它们因此均可被用于制备轻质混凝土。
为了评估本发明人造集料中废物起始料所含重金属的渗析性，根据美国环境保护局发布的毒性溶出实验方法(TCLP)对所制集料进行了测试。测试时，首先将含有粒化高炉矿渣或污泥灰起始料的破碎集料样品(<10mm)放入毒性提取液中并翻转含有集料样品及提取液的容器18小时，然后，使用原子吸收分光光度计测定提取液中的重金属浓度。本发明在进行毒性测试时主要关注的重金属种类有Ag、Ba、Cr、Pb、Se、As、Hg和Cd。测试结果表明，本发明所制普通集料和轻集料毒性提取液中重金属的浓度远低于EPA标准中规定的浓度限值。
图1展示了以普通波特兰水泥(粉体原料总质量的25％)作为粘结剂材料并分别以粒化高炉矿渣、再生混凝土微粉和污泥灰中为废物起始料制成的人造集料的剖面照片。图示集料均经造粒后碳化养护，但养护的时间段不同。从照片可以看出，集料的孔隙率随着碳化时间的增加而增加。
图2展示了以普通波特兰水泥(粉体原料总质量的10％和25％)作为粘结剂材料并分别以粒化高炉矿渣、再生混凝土微粉和污泥灰中为废物起始料制成的人造集料的外观照片。图示集料均经历3小时造粒后碳化养护。
图3展示了根据表4所列配方I和III并采用原位碳化方法制备出的轻集料的外观及剖面照片。与图1的普通人造集料相比，经原位碳化过程制备热人造轻集料具有更高的孔隙率。
以上实施例只是为了对本发明做进一步的更详细的说明，并不是用来限定本发明的保护范围的。在不脱离本发明的精神和构思的情况下，本领域技术人员可以对本发明所述技术作各种改进或变化，但仍然属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种轻质人造集料，其特征在于：所述轻质人造集料以废物起始料为主要原料制成；所述废物起始料包括粒化高炉矿渣、再生混凝土微粉、污泥灰或其混合物；所述废物起始料由外加的或原位形成的粘结剂材料粘合在一起；所述废物起始料在所述轻质人造集料粉体原料中的质量含量不低于70％；所述轻质人造集料的制备方法为：把混合好的废物起始料及粘结剂材料加入到造粒机，开动所述造粒机并向粉体原料喷洒水或溶液；湿润的粉体原料随造粒机转动逐渐粘结团聚成集料颗粒，随后对所制集料颗粒进行养护，其中所述造粒过程是在包含体积含量不低于50%的二氧化碳气体中进行，以进行原位碳化并增加所制集料颗粒的孔隙率，所述养护过程是在包含体积含量不低于50%的二氧化碳气体中及不高于100℃的温度下进行，以提升其破碎强度；所述轻质人造集料具有小于1200 kg/m3的密度以及不小于0.5兆帕的破碎强度。
2.根据权利要求1所述的轻质人造集料，其中所述粘结剂选自波特兰水泥或新拌混凝土回收物。
3.根据权利要求1所述的轻质人造集料，其中所述人造集料由废物起始料、碱和过氧化氢（双氧水）水溶液制成。
4.根据权利要求1所述的轻质人造集料，其中所述轻质人造集料经表面改性处理使其吸水率小于20%。
5.根据权利要求1所述的轻质人造集料，其中所述人造集料的起始料是污泥灰且所述人造集料经由硅烷基试剂处理过。
6.根据权利要求1所述的轻质人造集料，其中所述废物起始料为污泥灰且其在粉体原料中的质量含量大于75%。
7.根据权利要求1所述的轻质人造集料，其中所述废物起始料为新拌混凝土回收物且其在粉体原料中的质量含量大于75%。
8.根据权利要求1所述的轻质人造集料，其中所述人造集料还包含选自粉煤灰、石灰、高岭土、硅灰的一种或多种材料。
9.一种混凝土制品，包括权利要求1所述的轻质人造集料。
10.一种混凝土制品，包括权利要求3所述的轻质人造集料。
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