〔摘要〕本文介绍以高炉重矿渣为集料,粉煤灰为掺合料,选用硅酸盐水泥为胶结材,配制混凝土生产高性能混凝土彩瓦,其工业废渣含量可达70 % ,充分满足国家免税的优惠待遇。该项技术能够生产高档的新型建筑装饰、防水、坡屋面覆盖材料,为高炉重矿渣及粉煤灰等开发利用开辟了新途径。
〔关键词〕工业废渣;粉煤灰;高炉重矿渣混凝土瓦;生产工艺
〔中图分类号〕TU522. 22 〔文献标识码〕A 〔文章编号〕1009 - 0142 (2003) 01 - 0017 - 06
1 前言
本溪是我国十大钢铁生产基地,各种工业废渣资源十分丰富。本钢每年废渣排放量都在几十万吨以上。大量的高炉重矿渣及粉煤灰急需开发利用。如果能利用高炉重矿渣及粉煤灰生产彩色混凝土瓦,既可以部分解决钢铁厂的公害问题,又开辟了利用废渣的新的有效途径;在彩色混凝土瓦生产行业利用灰渣再生资源,可降低彩色混凝土瓦生产成本,改善产品性能,节省天然资源。因此,充分开发利用高炉重矿渣及粉煤灰资源符合国务院关于“三废”治理政策,符合利用工业废渣发展新型建筑材料的政策方向。
随着我国建筑业的迅速发展,人们对房屋建筑提出了更高的要求。不仅要有整洁的街道,漂亮的广场、大片的绿地,还应有一个丰富多彩的屋面,使城镇建筑群多姿多彩,以美化环境,美化生活。根据国家政策,将大力发展坡屋面,建设部早已明文规定,今后城镇建筑至少要有30 %以上的房屋应用坡屋面的形式来改善建筑物防水、隔热、保温功能和美化环境。
彩色混凝土瓦不仅强度高、质量轻、具有防水、排水、隔热等多功能,而且还有生产能耗低、使用寿命长、铺设操作简便等优点,它是理想的坡屋面装饰覆盖材料。
从1980 年末我国从瑞典ABECE 公司引进第一条国外彩色混凝土瓦生产线以来,目前全国有从意大利、英国、澳大利亚、美国、日本、韩国、德国等国家引进的数十条生产线。经过十几年生产实践,我国已经成功地消化、吸收引进的成套设备,使国外引进设备成功地国产化。当前,我国引进的生产线以及我国成功的消化吸收的国产的彩色混凝土瓦生产设备和技术,为我国大面积推广彩色混凝土瓦起到积极地推动作用。
为开辟高炉重矿渣及粉煤灰应用新途径,研究利用高炉重矿渣及粉煤灰生产新型建筑材料,生产高档产品,提高其使用价值,辽宁省建筑材料科学研究所与本溪市山城水泥厂联合开发研究利用高炉重矿渣及粉煤灰生产彩色混凝土瓦,以充分利用废渣资源,降低成本,增加彩色混凝土瓦的花色品种,不仅拓宽了制造彩色混凝土瓦的原材料资源,适合我国国情,还促进彩色混凝土瓦的推广作用,为城镇建设添砖加“彩瓦”,锦上添花。
2 生产用原材料选择
本项研究目的是为充分利用高炉重矿渣及粉煤灰再生资源,研制彩色混凝土瓦,生产新型屋面防水材料。众所周知,利用粉煤灰取代部分水泥,改善混凝土性能越来越被人们所重视,其应用量及范围也逐年扩大,为降低工程造价,改善混凝土性能,已显示出其优越性能。
根据彩色混凝土瓦结构及其生产工艺特点,我们利用高炉重矿渣及粉煤灰工业废渣为原料研制彩色混凝土瓦,为最大限量应用废渣资源,在原材料配比设计中利用废渣取代部分水泥及集料,并要使混凝土瓦性能达到JC746 - 1999《混凝土瓦》标准优等品要求,其废渣用量要达30 %以上,以符合国家有关利用工业废渣生产新型建筑材料免税的优惠政策要求。
该项试验研究初期,我们选用了高炉重矿渣、粉煤灰、石屑、磷石膏等工业废渣进行试验研究的。所选用的废渣通过对其基本性能试验,再根据其特点进行混凝土配合比设计,探索生产彩瓦可行性。
2. 1 粉煤灰
本项试验选用本钢发电厂排放的粉煤灰,经检测,其主要性能见表1 。
2. 2 高炉重矿渣
本项试验选用本溪钢铁厂所排高炉重矿渣,其主要物理、化学性能试验结果见表2 和表3 。
2. 3 石屑粉
选用本钢破碎石灰石后的尾矿粉。其主要物理性能试验结果见表4 。
试验结果表明,选用混凝土配合比设计所用的石屑,其级配不合理,颗粒较细,细度模数为0. 96 ,属于特细砂范围。生产彩色混凝土瓦选用石屑代砂时颗粒级配应符合中砂条件。
2. 4 磷石膏
选用锦州西洋特肥厂排放的磷石膏,化学成份试验结果见表5 。
2. 5 水泥
混凝土配合比试验选用本溪水泥厂生产的42. 5 级普通硅酸盐水泥。
2. 6 砂
砂选用本溪地区建筑工程使用的粗、细两种河砂,其主要性能试验结果见表6 。
试验结果表明,本溪地区粗细两种河砂,编号A 试验结果为中砂,级配属于2 级,含泥量少,细度模数为2. 8 ,适合制瓦工艺要求;编号B 属于细砂,单独使用不能满足生产彩色混凝土瓦的技术要求,如与高炉重矿渣等混用,改善级配,提高细度模数,是可以满足生产高性能彩色混凝土瓦的。
2. 7 混凝土外加剂
选用辽宁省建筑材料科学研究所试验厂生产的外加剂。
3 混凝土配合比选择
为了使利用高炉重矿渣及粉煤灰生产彩色混凝土瓦灰渣利用率达30 %以上,符合国家利用废渣生产建材产品免税的优惠政策要求。同时,其产品质量达JC746 - 1999《混凝土瓦》标准优等品要求,混凝土配比试验是该项成果的关键。为寻求经济、适用、技术可行的最佳配合比,我们选用了本溪地区的重矿渣、石屑粉及粉煤灰等工业废渣,本溪水泥厂生产的32. 5 级普通硅酸盐水泥及混凝土外加剂等,进行9 组混凝土配合比试验。
试验用机械搅拌,振动成型。试件养护模拟生产厂的养护工艺过程,即试件成型后静停4 h ,放入调温调湿箱,控制其温度为55 ℃,试件经8 h 恒温养护后,自然降温,拆模放入水中养护,达24 h 后,作抗折、抗压试验。
其余试件分别在标准养护室养护,测其7 d 及28 d 的强度,在此试验结果的基础上,为确定工业性试验最佳的配比提供科学依据。
利用高炉重矿渣及粉煤灰研制彩色混凝土瓦,混凝土配合比试验结果见表7 。
为了验证利用高炉重矿渣及粉煤灰配制的混凝土的主要力学性能与彩色混凝土瓦力学性能相比,我们选择了沈阳华发环保实业有限公司、镇江京威彩瓦有限公司及南宁正大建材有限公司等单位生产的彩色混凝土瓦测其抗折强度及混凝土瓦承载力,其结果见表8 。
从试验结果可以看出,彩色混凝土瓦抗折强度要达8MPa 以上,其瓦的承载力可达3 000 N。同时,混凝土瓦的瓦脊高度也是影响其承载力的主要因素,在相同配比下,瓦脊高其承载力也相应加高。目前各彩色混凝土瓦生产厂家一般均选用42. 5 级及32. 5 级水泥。
利用高炉重矿渣及粉煤灰研制彩色混凝土瓦,通过对选材的基本性能试验、分析、混凝土配合比设计,混凝土物理力学性能的研究及综合评价,认为选用32. 5 级普通硅酸盐水泥,高炉重矿渣用量在40 %～ 70 % , 粉煤灰用量10 %～25 % ,适当掺加混凝土外加剂生产彩色混凝土瓦技术是可行的,具备进行工业性试验研究的条件。
4 工业性试验
工业性试验是在本溪山城水泥厂彩色混凝土瓦分厂生产线上进行的。工业性试验是在试验室混凝土配合比试验验证后,证明利用高炉重矿渣及粉煤灰等原材料可以满足生产彩色混凝土瓦生产工艺要求的情况下,针对该厂生产线工艺特点,在现有的生产设备不作任何变动,只对生产原材料、某些工艺参数进行适当的调整的条件下进行的。
试验宗旨,原材料选择本溪地区的工业废渣为主,其利用率要达30 %～70 %;同时,还要降低生产成本,改善制品性能,提高产品质量;使其生产的产品达到JC746 - 1999《混凝土瓦》国家建材行业标准优等品技术规定。
4. 1 彩色混凝土瓦生产工艺流程
彩色混凝土瓦的生产工艺流程详见图1 。
4. 2 试验用原材料选择
4. 2. 1 水泥
本溪水泥厂生产的32. 5 级普通硅酸盐水泥。
4. 2. 2 集料
(1) 本溪钢铁厂所排的经过破碎、磁选除铁的高炉重矿渣。
(2) 本溪地区建筑工程用河砂。
4. 2. 3 颜料
本溪市山城水泥厂彩瓦分厂生产用的无机颜料。
4. 2. 4 混凝土外加剂
辽宁省建筑材料科学研究所实验厂生产。
4. 2. 5 辅助材料:
本溪市山城水泥厂彩瓦分厂生产用的辅助材料。
4. 3 彩色混凝土瓦配合比设计
这次试验目的是利用高炉重矿渣及粉煤灰研制彩色混凝土瓦,同时要使灰渣含量占产品质量的30 %以上,以达到国家对建材产品免税的政策要求。
在试验室试验的基础上,选用32. 5 级普通硅酸盐水泥、工业废渣用量40 %～70 % ,适当掺加砼外加剂,结合生产设备及工艺要求。试验设计6 种配合比,详见表9 利用高炉重矿渣及粉煤灰研制彩色混凝土瓦配合比设计。
4. 4 混凝土的制备
这条彩色混凝土瓦生产线是高压挤压成型工艺,一般都是采用强制式混凝土搅拌机。本项试验粉煤灰等废渣用量较多,用它除少部分带替水泥外还利用它替代了部分集料,为使混凝土物料搅拌均匀,要在干物料充分搅拌均匀的基础上,再加水及外加剂等成份。混凝土搅拌过程是:采用投料的顺序是先加高炉重矿渣,接着加河砂及粉煤灰,开动搅拌机,搅拌1 min ;再加水泥,搅拌1 min ;最后加水,同时开启搅拌机,搅拌3 min (外加剂事先溶好已放入水中) 。这种工艺特点:一是使二种集料混合均匀,二是让水泥先包裹集料表面(裹砂法) ,有利于提高混凝土强度。
4. 5 喷浆着色工艺
经切割成型后的瓦坯,再经过喷浆设备喷涂彩色料浆,由人工放置在瓦架上,送入干热养护窑。喷浆的工艺过程见图2 。
经养护后,在瓦表面形成坚固的色浆附着层,它不但具有色泽鲜艳的装饰效果,而且进一步提高瓦体的抗渗及抗大气老化性能。
4. 6 养护
彩色混凝土瓦由瓦坯及彩色面层组成,为防止瓦表面泛白,以及养护窑顶冷凝水下滴而破坏表面装饰效果,于是采用干热养护工艺。
养护制度为:加工成型好的瓦上架,入窑,静停4 h ,使窑内温度升到55 ℃时开始恒温,经过8 h 恒温养护后自然降温。正常生产的彩色混凝土瓦脱模后放在堆场堆放,一般14d 后其承载力达70 %就可以出厂。本次试验脱模后,随即测瓦干热养护后的承载力,出窑后的瓦放在堆场进行浇水继续自然养护,再分别测其14 、28 d 的承载力及其物理性能检验,其结果见表10 。
4. 7 脱模及表面处理
养护好的瓦片紧紧与托板粘在一起,将其放在自动分离设备上,将瓦体与托板分开。再将瓦体表面刷(喷涂) 上一层丙烯酸保护膜,使其表面具有光泽,同时,也提高了瓦的防水、抗紫外线能力,达到高档的装饰效果。
4. 8 堆放、储存
彩色混凝土瓦在生产车间加工完毕后,按品种、色别,整齐、紧密地堆放在平整、坚实的地面上。层与层之间用草绳垫平稳,堆垛高度不超过三层。
5 彩色混凝土瓦产品质量检验结果
从瓦的尺寸偏差和外观质量的检验结果看,由于是机械化生产,流水作业,各部位尺寸相对稳定,偏差很小。尺寸偏差、外观质量、方正度及平整度等均达到国家行业标准要求。色泽均匀,无明显差别。
试验证明:以高炉重矿渣及粉煤灰生产的彩色混凝土瓦基层对其上面的彩色喷涂层的粘结、颜色的色度等无不利影响。也不影响其装饰效果。
利用高炉重矿渣及粉煤灰生产的彩色混凝土瓦委托辽宁省建材产品质量监督检验站进行鉴定检验,检测结果见检验报告。
从检验结果看,其各项性能指标均达到JC746 - 1999《混凝土瓦》国家建材行业标准优等品技术规定。
6 结论
(1) 利用高炉重矿渣及粉煤灰生产彩色混凝土瓦技术上是可行的,该项技术能生产出高档的新型建筑装饰、防水、坡屋面覆盖材料,为高炉重矿渣及粉煤灰等的开发利用开辟了新途径。
(2) 利用高炉重矿渣及粉煤灰开发研制彩色混凝土瓦符合国务院关于“三废”治理,利用工业废渣发展新型建筑材料方向。同时,生产企业降低生产成本,提高产品质量,又可以获得免税的优惠待遇。
(3) 利用高炉重矿渣及粉煤灰生产彩色混凝土瓦,工业废渣利用率高,经济效益显著,社会效益突出。
(4) 通过对利用高炉重矿渣及粉煤灰生产彩色混凝土瓦工业性试验产品进行检验结果表明,该产品各项性能均达到JC746 - 1999《混凝土瓦》国家建材行业标准优等品技术规定。
(5) 利用高炉重矿渣及粉煤灰生产彩色混凝土瓦对其颜色的喷涂,涂层与基层的粘结、颜色的色度和装饰效果无不利的影响。
(6) 当粉煤灰用量大于20 %时,混凝土物料易结团,如果选用强制式搅拌机,物料在进入挤压机前,应进行二次搅拌,将物料进一步搅拌均匀,以提高混凝土的均匀性。如选用行星式强制搅拌机或行星式轮辗设备,尤其是轮辗不仅能使物料搅拌均匀,还能进一步提高高炉重矿渣及粉煤灰活性、进一步提高产品质量。
(7) 本课题的科研成果,可直接用于指导工业化生产。
