一种多功能复合混合材及其制备工艺及应用

摘要

本发明提供了一种多功能复合混合材及其制备工艺及应用，该种多功能复合混合材主要由钢铁厂冶炼钢铁渣、不锈钢厂镍铁渣废料、城市建筑垃圾废料、大理石加工废料、铁矿尾矿粉、花岗岩尾矿粉六种原材料组成，该种混合材可用作水泥伴侣、S95矿粉伴侣，可替代部分现有的建筑材料。同时，该种混合材原料来源广泛、以再生资源利用为主体，原料价格便宜，同时制备流程简短，物流环节、运量减少，因取消了传统工艺的燃烧烘干工序，更为环保节能。

说明书

技术领域

本发明涉及建筑材料领域，尤其涉及利用各种废料制备建筑材料的再利用领域。

背景技术

混合材的获得，长期以来是活性材制造在一个地方，非活性材料在另一个地方，混凝土搅拌站需要将这两种不同材料从不同的产地拉回搅拌站。这种传统的制造工艺已统治了水泥厂和混凝土搅拌站行业，至今已有200多年。发达国家经过几十的建设发展，基本建设高速增长期早已结束，发达国家人口少，房屋和基础建设对水泥厂和混凝土的用量总和连续十年不足中国的50％。中国为降低水泥的用量，从建国以来，国家一直在推广混凝土搅拌站用水泥+粉煤灰+S95矿粉+砂石粉生产工艺，以满足中国基础设施、建筑行业的高速成长。目前随着国家治理雾霾的环保力度加大，这两个产业，通常用烧煤烘干矿山原料，再用磨机制造成粉状物运到城市的传统制备工艺，这种烧煤烘干法已不能适应现代人类的高环保标准要求，产业内的众多中小企业已面临限产、停产。在国家环保政策执行力度不断加大的发展趋势下，活性混合材，非活性混合材价格产量不断减少，价格不断上涨。

传统制造工艺的缺点，活性材制造在一个地方，非活性材料在另一个地方。这种传统分不同地区的制备方法主要有以下几点：

a原料来源受地理位置制约、环境保护要求，制造地远离产品使用地，高额的物流费用是制造商产品销售半径受到限。

b传统制备工艺对原料的含水量有严格的要求，通常用烧煤烘干，产品产出率在80％左右，多达20％的水份、燃烧粉尘损，造成巨大的污染和浪费，随着国家治理雾霾的环保力度加大，限产、停产烧煤烘干制造厂政策强制执行。该行业中小型企业面临关闭的命运。

c传统制备工艺分不同地区、分类制造出的产品(常见的有：水泥、粉煤灰、S95矿粉、砂石粉混)，作为两种以上粉状产品，在制造和使用地需用不同专用仓储罐容器储存、在使用地要用多料仓混合线，造成水泥厂和搅拌站占地面巨大、设备投资加大，企业的竞争力下。一个年产百万吨水泥厂占地300亩以上、一个年产百万立方的混凝土搅拌站占地在30亩地左右，目前中国水泥和混凝土年产量在30亿吨，国家土地资源浪费巨大。特别是在搅拌多在城市附近、使用上述粉状物品的二次污染给城市的环境带来污染是目前城市环保管理工作中的一大难题。

上述粉状物品的运输需要专用运输工具，如活性材料和非活性材料不在一个制造厂制造，增加了巨大物流量，造成巨大的能源浪费、环保治理费用巨大(目前多用水冲洗、水浪费、增大不必要的城市污水投资和运营成本)。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明公开了一种多功能复合混合材，由以下重量份的原材料混合而成：

1.6-32份钢铁厂冶炼钢铁渣、1.6-40份不锈钢厂镍铁渣废料、2-48份城市建筑垃圾废料、1.6-32份大理石加工废料、1.6-40份铁矿尾矿粉、2-48份花岗岩尾矿粉。

进一步的，所述多功能复合混合材的含水量不超过总重量的1％。

进一步的，所述多功能复合混合材的细度为410-640m²/kg。

进一步的，所述的多功能复合混合材，由以下重量份的原材料混合而成：15份钢铁厂冶炼钢铁渣、15份不锈钢厂镍铁渣废料、20份城市建筑垃圾废料、10份大理石加工废料、15份铁矿尾矿粉、25份花岗岩尾矿粉。

此外，还公开了一种多功能复合混合材的制备工艺，包括如下步骤：

S1、制备HD活性复合粉，按照原材料重量份为8-40份的钢铁厂冶炼钢铁渣、8-50份不锈钢厂镍铁渣废料和10-60份城市建筑垃圾废料混合，搅拌均匀，再送入研磨设备中研磨，得到HD活性复合粉；

S2、制备HD非活性复合粉，按照原材料重量份为8-40份的大理石加工废料、8-50份的铁矿尾矿粉和10-60份的花岗岩尾矿粉混合，搅拌均匀，再送入研磨设备中研磨，得到HD非活性复合粉；

S3、制备HD混合材，将所得到的HD活性复合粉和HD非活性复合粉混合，其中HD活性复合粉与HD非活性复合粉的混合比为2-8:8-2，搅拌均匀，得到多功能复合混合材。

此外，还公开了一种多功能复合混合材的制备工艺，包括如下步骤：

S1、制备HD非活性复合粉，按照原材料重量份为8-40份的大理石加工废料、8-50份的铁矿尾矿粉和10-60份的花岗岩尾矿粉混合，搅拌均匀，再送入研磨设备中研磨，得到HD非活性复合粉；

S2、制备HD活性复合粉，按照原材料重量份为8-40份的钢铁厂冶炼钢铁渣、8-50份不锈钢厂镍铁渣废料和10-60份城市建筑垃圾废料混合，搅拌均匀，再送入研磨设备中研磨，得到HD活性复合粉；

S3、制备HD混合材，将所得到的HD活性复合粉和HD非活性复合混合，其中HD活性复合粉与HD非活性复合粉的混合比为2-8:8-2，搅拌均匀，得到多功能复合混合材。

进一步的，在所述制备HD活性复合粉制备步骤中，通过调整不同湿度的原材料的混合比，使钢铁厂冶炼钢铁渣、不锈钢厂镍铁渣废料和城市建筑垃圾废料三者直接混合后总的含水量不超过总重量的8％；

在所述制备HD非活性复合粉步骤中，通过调整不同湿度的原材料的混合比，使大理石加工废料、铁矿尾矿粉和花岗岩尾矿粉三者直接混合后总的含水量不超过总重量的8％。

进一步的，所述研磨中，所得到的HD活性复合粉需研磨至细度为450-650m²/kg，所得到的HD非活性复合粉需研磨至细度为400-600m²/kg。

进一步的，所用原材料中，所述钢铁厂冶炼钢铁渣含水量为7％-23％，所述不锈钢厂镍铁渣废料含水量5％-11％，所述城市建筑垃圾废料含水量2.0％-6.4％，所述大理石加工废料含水量8％-16％，所述铁矿尾矿粉含水量6％-10％，所述花岗岩尾矿粉4％-6％。

进一步的，制备HD活性复合粉步骤中，钢铁厂冶炼钢铁渣重量份为30份、不锈钢厂镍铁渣废料为30份、城市建筑垃圾废料为40份；

制备HD非活性复合粉步骤中，大理石加工废料重量份为20份、铁矿尾矿粉为30份、花岗岩尾矿粉为50份；

HD活性复合粉与HD非活性复合粉混合步骤中，两者按照混合比1:1进行混合。

此外，还公开了一种如上述的多功能复合混合材在S95矿渣粉伴侣中的应用。

进一步的，所述多功能复合混合材与S95矿渣粉的混合比为10-50:50-90。

最后，还公开了一种如上述的多功能复合混合材在水泥伴侣中的应用。当应用于PII525水泥伴侣时，所述多功能复合混合材与PII525水泥的混合比为44-52:48-56。

本发的多功能复合混合材，明具有同时代替525强度以下水泥、二级粉煤灰、二级矿粉、普通混合材三种以上建材的多性功能。最低替代量可达50％以上，最高替代两量可100％。HD混合材用途的多功能。同时，可以作水泥厂制造水泥原料，HD混合材可以100％替代除熟料外的其他全部辅助材料，525强度以水泥可以节省15-56％熟料和石膏用量。此外，还可以作搅拌站混凝土制造原料，HD混合材可100％替代二矿粉/S95、II级粉煤灰、普通混合材。也可以作工程项目工地原料：HD混合材可100％替代二矿粉/S95、II级粉煤灰、普通混合材、强度325和425水泥。本发明中的多功能复合混合材原料来源广泛、以再生资源利用为主体，原料价格低廉。制备流程简短，物流环节、运量减少，低物流成本是产品销售半径加大一倍。节省资源、能源效益卓越。相对传统混合材制造工艺，本发明计量仓和皮带线数量、占地、投资减少50％以上。相对传统混合材料制造工艺流程，本发明工艺流程取消了燃煤烘干工序，环保节能。

具体实施方式

为详细说明本发明的技术内容和所实现目的及效果，以下结合实施方式详予说明。

本发明公开了一种多功能复合混合材，由以下重量份的原材料混合而成：

1.6-32份钢铁厂冶炼钢铁渣、1.6-40份不锈钢厂镍铁渣废料、2-48份城市建筑垃圾废料、1.6-32份大理石加工废料、1.6-40份铁矿尾矿粉、2-48份花岗岩尾矿粉。通常情况，城市建筑垃圾废料多指经过分类、破碎处理后的混凝土和瓷砖等垃圾沙粉。本发明主要原料来源为固体废料再生利用。活性材料原料来源是城市建筑垃圾废料、非活性材料来源主要是矿山选矿剩余的尾矿料。根据有关报到，中国的城市建筑垃圾年新增量在20亿吨以上，矿业选矿尾矿料年新增量在数100亿吨以上，遍布中国大江南北。传统工艺使水泥厂熟料活性材料来源主要是经过筛选的石灰石天然矿山石料，非活性材料来源主要是天然火山灰、石英砂、少量的工业废渣，建筑垃圾使用少见。传统工艺使用的天然原料不是每个城市附近都有的。

多功能复合混合材的制备

对于这种多功能复合混合材的制备，本方案采用三步法：

S1、制备HD活性复合粉，按照原材料重量份为8-40份的钢铁厂冶炼钢铁渣(下述也可用A1表示)、8-50份不锈钢厂镍铁渣废料(下述也可用A2表示)和10-60份城市建筑垃圾废料(下述也可用A3表示)混合，搅拌均匀，再送入研磨设备中研磨至细度为450-650m²/kg，得到HD活性复合粉；

S2、制备HD非活性复合粉，按照原材料重量份为8-40份的大理石加工废料(下述也可用B1表示)、8-50份的铁矿尾矿粉(下述也可用B2表示)和10-60份的花岗岩尾矿粉(下述也可用B3表示)混合，搅拌均匀，再送入研磨设备中研磨至细度为400-600m²/kg，得到HD非活性复合粉；

S3、制备HD混合材，将所得到的HD活性复合粉和HD非活性复合粉混合，其中HD活性复合粉与HD非活性复合粉的混合比为2-8:8-2，搅拌均匀，得到多功能复合混合材。

由于本方案中的多功能复合混合材的制备工艺主体思路是先分别制备HD活性复合粉和HD非活性复合粉，然后再将两者混合均匀。故HD活性复合粉和HD非活性复合粉的制备并没有绝对的先后关系，既可以先制备HD活性复合粉，再制备HD非活性复合粉，也可以先制备HD非活性复合粉，再制备HD活性复合粉。即上述的步骤S1和步骤S2之间的顺序可以交换。

根据不同的市场需求，将活性掺合料和非活性混合料集中在一个工厂制造。降低了不必要物流费用，制造商产品销售半径加大一倍以上。

传统工艺不论是制造粉煤、矿粉、水泥等活性材料，其制造原料的混合，是在磨机内混合搅拌，为了保证多种原料的混合配比工艺参数要求，通常在磨机前设置计量仓，通过控制不同原料计量仓的流量达到多种原料的混合配比工艺参数要求。传统水泥制造工艺水泥厂需要熟料、铝铁矫整料、非活性混合材料、活性混合材粉煤灰或矿粉5个计量仓以上；混凝土搅拌站需要设置水泥、粉煤灰、矿粉、非活性混合材料4个计量仓以上。为保证大规模生产量的需要，计量仓通常设置高达几十米以上，通过皮带线将不同原料。受重力作用，通常皮带线斜度小于15度，这是计量仓和皮带输送系统占地面积巨大。相对传统的粉煤灰、水泥、混合材料制造工艺，本发明工艺先将原材料搅拌均匀再送入研磨设备进行研磨，即采用磨机前端原料搅拌混合搅拌工艺，可用规定吨位的卡车，将不同原料按工艺比例要运到搅拌机前堆放、间隔设三堆，其中一堆供装载机喂料到搅拌机料斗。在粉煤灰厂、水泥厂、混合材厂，制备活性粉或非活性粉时只要2条喂料线和原料计量仓，减少3条喂料计量生产线。相对传统的混凝土搅拌站4条喂料生产线，在混凝土搅拌站使用本发明制备的HD混合材，混凝土搅拌站喂料生产线仅用1条，至少减少2条喂料生产线。

在上述方案中，所述制备HD活性复合粉制备步骤中，通过调整不同湿度的原材料的混合比，使钢铁厂冶炼钢铁渣、不锈钢厂镍铁渣废料和城市建筑垃圾废料三者直接混合后总的含水量不超过总重量的8％；在所述制备HD非活性复合粉步骤中，通过调整不同湿度的原材料的混合比，使大理石加工废料、铁矿尾矿粉和花岗岩尾矿粉三者直接混合后总的含水量不超过总重量的8％。

相对传统混合材料制造工艺，对进入磨机原料的水份含量有严格要求，通常在磨机前设置燃煤烧烘干工序，其热量是靠燃烧原煤或秸秆做燃料。本发明的HD混合材制备工艺，通过选用不同水份含量的不同原料混合搅拌均匀，按发明提供的工艺配方混合，混合后的物料的总水份含量控制在8％以下进入磨机，以保证磨机正常工作。本发明不用烧煤烘干法，符合国家产业导向、在原料水份控制在8％以下，产品产出率在90％以上，传统工艺原料水份、燃烧粉尘损耗投料产出率80％左右。本发明相对传统工艺节省资源、能源12％以上。利用本发明建设一个年产200万吨多功能复合混合材代替200万吨水泥，相当于每年为国家节约40万吨标准煤、320万吨石灰石等宝贵资源节约用电12000万度。因此可知本发明方案不仅是资源高价值利用创新工艺，而又是一个节能工艺。

优选的，对于本发明方案中所用原材料，所述钢铁厂冶炼钢铁渣含水量为7％-23％，所述不锈钢厂镍铁渣废料含水量5％-11％，所述城市建筑垃圾废料含水量2.0％-6.4％，所述大理石加工废料含水量8％-16％，所述铁矿尾矿粉含水量6％-10％，所述花岗岩尾矿粉4％-6％。

优选的，制备HD活性复合粉步骤中，采用含水量为10％的钢铁厂冶炼钢铁渣重量份为30份、含水量为6％的不锈钢厂镍铁渣废料为30份、含水量为5％的城市建筑垃圾废料为40份混合，在搅拌设备中搅拌均匀，且原料的直接混合物中的含水量为6.8％。再将混合均匀的物料送入磨机研磨至细度450-650m²/kg，得到HD活性复合粉A。然后参照钢铁渣粉GB-T28293-2012进行该种HD活性复合粉A的性能的测试。平均细度为463m²/kg，密度为2.39g/cm³。强度指标平均数据如表1所示。

表1

时间1天3天7天28天抗压强度MPa4.51425.535.48活性指数％39.8％56％73.28％83.5％

同时制备HD非活性复合粉步骤中，采用原材料含水量为15％的大理石加工废料重量份为20份、含水量为10％的铁矿尾矿粉为30份、含水量为4％的花岗岩尾矿粉为50份混合，在搅拌设备中搅拌均匀，且原料的直接混合物中的含水量为8.0％。再将混合均匀的物料送入磨机研磨至细度400-600m²/kg，得到HD非活性复合粉B。然后参照通用硅酸盐水泥GB175-2007进行该种HD非活性复合粉B的性能的测试。平均细度为550m²/kg，密度为2.84g/cm³。强度指标平均数据如表2所示。

表2

时间1天3天7天28天抗折强度MPa0.91.72.67.8抗压强度MPa2.96.79.932.2

然后将上述步骤制备出的HD活性复合粉A、HD非活性复合粉B，按照1:1的混合比混合并搅拌均匀，得到多功能复合混合材，并参照通用硅酸盐水泥

GB175-2007进行性能的测试。测得该多功能复合混合材的细度为500m²/kg，其密度为2.90g/cm³。强度指标测试数据如表3所示。

表3

时间1天3天7天28天抗折强度MPa2.81.72.67.8抗压强度MPa5.210.417.833.8

本发明的多功能复合混合材，是一种优质多功能用途的混合材料，该混合材料主要能指标接近国标二级粉煤灰、S95矿粉、425强度以下水泥，作为粉煤灰、S95矿粉、水泥伴侣，在粉煤灰和水泥、混凝土搅拌行业有极高的经济使用价值。

工业生产中，先将外购的原料A1、A2、A3用转载机喂入3个不同计量仓，计量仓按规定的混合比例放料到皮带线上，通过3条不同的皮带线送入直径3.5米的国产球磨机设备，每小时喂料量最高150吨。磨出的粉细度在450-650m²/kg，得HD活性复合粉A。然后，再将外购的原料B1、B2、B3用转载机喂入3个不同计量仓，计量仓按规定的混合比例放料到皮带线上，通过3条不同的皮带线送入直径4.6米的国产立磨设备，每小时喂料量最高150吨。磨出的粉细度比表在400～600m²/kg，得HD非活性复合粉B。最后将第1步和第2步制备出的HD活性复合粉A、HD非活性复合粉B，利用分送管道，将HD活性复合粉A、HD非活性复合粉B从各自的储藏罐中取出，通过计量仓按1：1混合比例送入每小时产量20-200吨的自动混合器拌均匀，再通过成品风送管道，输入到HD混合材储藏罐供粉煤灰、S95矿粉、水泥厂备和混凝土搅拌站订用。

多功能复合混合材在S95矿渣粉伴侣中的应用

将上述多功能复合混合材从储藏罐中放到专用粉罐车运到S95粉制造厂，利用粉罐车的专用泵压力输送到S95粉制造厂的混合材储藏罐1，原料粉罐2中存入S95粉，选HD混合材同S95粉灰混合比按表4配制，经过100吨/小时的风送混合器混合均匀，5小时后获得500吨S95矿粉伴侣，混合线每一小时取样2公斤，取样5次，累计取样10公斤，实验室人工混合均匀经制样破样，并参照粒化高炉矿渣粉GB-T18046-2008国家标准进行性能的测试。且测得细度为453m²/kg，密度为3.24g/cm³，流动度比％：98，安定性：合格。

表4

从上述测试结果可知，在制造水泥和混凝中，利用HD混合材可以替代25％的S95矿粉。在此比例下，不影响水泥和混凝的品质。

多功能复合混合材在水泥伴侣中的应用

将上述多功能复合混合材从储藏罐中放出到专用粉罐车运到水泥制造厂，利用粉罐车的专用泵压力输送到水泥制造厂的混合材储藏罐1，原料粉罐2中存入PII525R水泥，选上述多功能复合混合材与PII525R水泥混合比为表5配制时，经过100吨/小时的风送混合器混合均匀后，5小时后获得500吨水泥伴侣，混合线每一小时取样2公斤，取样5次，累计取样10公斤，实验室人工混合均匀经制样破样，并参照通用硅酸盐水泥GB175-2007国家标准进行性能测试，细度为443m²/kg，密度为2.93g/cm3，标准稠度用水量为27.7％，初凝130min，终凝165min,安定性合格，45微米筛余1.3％，80微米筛余8.6％。强度测试数据如表5。

表5

3天28天混合材与水泥配比抗折强度MPa4.27.152：48抗压强度MPa18.634.252：48抗折强度MPa4.27.848：52抗压强度MPa18.637.248：52抗折强度MPa4.29.144：56抗压强度MPa18.638.544：56

测试结果可知，在制造水泥和混凝中，利用上述多功能复合混合材可以替代46％熟料制造出PC425水泥按上述工艺方法制造的水泥伴侣，替代100％PC325R水泥，且不影响水泥和混凝土的品质。

本发明方案所制造的产品，每吨原料资源、能源、环保治理节省费用在人民币35元以上。如在中国年粉煤灰、水泥和混凝土30亿吨市场中推广应用1％，每年创造的经济效益在1亿元人民币以上。相对传统燃煤制造工艺布局，本发明省占地面积巨大、固定资产投资减少50％以上。传统制备工艺一个年产百万吨水泥厂占地250亩以上，本发明一个年产百万吨的多功能复合混合材厂占地不足100亩，相对节省占地150亩。目前中国水泥厂产量在20亿吨，本发明推广应用1％，即节省占地30亿亩。传统制备工艺一个年产百万吨混凝土搅拌站占地30亩左右，本发明一个年产百万吨的混凝土搅拌站占地不足15亩，相对节省占地15亩以上。目前中国混凝土搅拌站在10000家以上吨，本发明推广应用2％，即节省占地30万亩以上。目前混凝土搅拌站设水泥、S95矿粉、粉煤灰、混合材四个仓储罐及4条喂料生产线，本发明仅设计为2个仓储罐和2条喂料生产线既能满足传统工艺需要。本发明采用两厂合一生产工艺布局，活性材料厂和非活性材料厂选择建设其一即可，对投资者减少50％的投资，对国家占地减少50％用地。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书内容所作的等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。