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  废渣聚合物土壤固化剂研发应用

http://www.fajc.com.cn   发布时间:2016.10.26  访问800次
 
 
  

废渣基无机矿物聚合物土壤固化剂研发应用

一、无机矿物聚合材料的发展历程

无机矿物聚合材料是以粉煤灰、矿渣、烧煤矸石、建筑垃圾、烧粘土等为主要原料,在激发剂和促硬剂的作用下所得到的一种新型材料,无机矿物聚合原料中的硅铝氧化物在土聚反应过程中经历了一个由解聚到再聚合的过程,形成了与地壳中大量存在的类沸石结构,这种结构具有强度高、耐久性好等优点。

    无机矿物聚合材料经历了四个发展阶段(四代);第一代,古代碱激发胶凝材料。用减性材料激发潜在火山灰质材料活性的历史悠久,可以追溯到尼布加尼撒(公元前562年)时代,巴比仑人用氧化钙和灰的混合物制砖。罗马人(公元前年至200年)的火山灰水泥中也含有大量的碱性物质。我国的万里长城、城墙、庙宇、皇帝陵等古代建筑是釆用了石灰、砂、高岒土等原材料制备的矿物聚合物砌筑而成的。第二代是始于20世纪40年代的碱矿渣水泥,乌克兰共和国基辅建筑工学院格鲁荷夫斯基教授在碱矿渣水泥的研究开发和应用方面做出了重要贡献;第三代,地质聚合水泥。20世纪70年轻代末,法国Davidovits教授发明了地质聚合水泥;第四代,多组分复合高性能胶疑材料。进入20世纪90年代以来,人们在碱矿渣胶凝材料和地质聚合物的基础上,利用固体废弃物开发了一系列旨在改善生态环境、用于专门用途的胶疑材料。这种材料一般由两种以上活性或火山灰质材料,在中等碱度至高碱度环境下形成。水化产物比较复杂,一般由不同含量的地质聚合物、C-S-H凝胶、类沸石和不同种类的难溶性复盐组成。由于多种水化产物之间以及和骨料的协同作用,形成强度高、耐久性好的人造石。

    我国从80年代开始进行无机矿物聚合材料的研究开发。并且用无机矿物聚合材料批量生产了预应力、非预应力的建筑构件,用于建设工厂、学校等实际工程。研制的矿渣-钢渣砖投入批量生产,激发剂-矿渣-沸石水泥用于废料处理。

我从1977年开始研究利用粉煤灰渣生产环保节能建筑材料。后来研究国外古建筑耐久的原理,再结合我国万里长城、古城墙、庙宇、皇帝陵等古代建筑,那时没有现代的水泥,而是釆用了石灰、砂、火山灰、高岭土(俗称三合土,传说还加了穤米汤)等原材料制备的矿物聚合物砌筑而成的,其耐久性能令我们震撼,以八达岭长城为例,原来的老灰缝千百年来己被人们攀登时摩擦得油光发亮,而用现代水泥等材料补砌的某些地方就明显的显示出质量不如原有的好。

我们依照国外和我国古建筑耐久性好的原理,利用现有工业固体废渣如:粉煤灰、矿渣、烧煤矸石、建筑垃圾、烧粘土、锅炉燃煤渣、电石渣、磷石膏等,添加适宜的外加剂、激发剂,来固结粉煤灰、煤渣、废土等,制成的砖块,用这些砖块1980年至1982年砌筑的房屋,至今三十多年了,其中,有的房屋经历过1981年的洪水浸泡,全部房屋经历了5.12汶川大地震,现在还正常使用,舒适性、耐久性均优于粘土砖盖的房屋。

二、废渣基无机矿物聚合材料的物理化学基础

无机矿物聚合材料是以碱金属、碱土金属的碳酸盐、硫酸盐和硅酸盐化合物作为激发剂来激发粉煤灰、矿渣的活性,得到强度高、稳定性好的水硬性胶凝材料。这种碱化合物在水中有很高的溶解度,使液相有较高的OHOH与矿渣中的SiOSi作用,使SiO键断裂,促进SiO2的溶解。其过程为:

OH

OSiOSi――→-SiO+SiOH

SiO+ OH →-OSiOH

碱化合物对于AIOAI键也有同样效果。当有Ca2+Na+存在时,

SiO+Ca2+→-SiOCa

SiOCa+OH→-SiOCaOH

    并且-SiOCaOH+OSiOH→-SiOSi+Ca(OH)2

    随着钙、硅离子从粉煤灰、矿渣中大量溶出,水泥浆体溶液内钙、硅离子的浓度超过水化硅酸钙的溶解度,使CSH凝胶成核、晶体长大。碱金属离子除了在水化初期起破坏硅氧键的催化剂作用外,后期还与Me3+ 一起形成沸石类水化产物。

无机矿物聚合胶凝材料的水化产物主要有:低碱度CSH凝胶(一般CS1)﹔碱土铝硅酸盐水化物和碱-碱土铝硅酸盐水化物;沸石类:方钠3Na2OAl2O32SiO22NaCl, 钠沸石Na2OAl2O33SiO22H2O,杆沸石Na2O4CaO5Al2O310SiO212H2O;霞石、长石类,水霞石R20Al2O32SiO2nH2O ,钠云母Na2O3Al2O36SiO2nH2O,等等。

这些水化产物的细微晶体不仅具有很高的强度,在热力学上也很稳定,极难溶于水,并且大多与自然界中钠、钾-钙-铝硅酸盐矿物的组成、结构及形成过程很相似,因而非常稳定。 

三、废渣基无机矿物聚合材料的性能特点 

无机矿物聚合材料的性能与常用的硅酸盐水泥相比,具有以下几方面特点。

1、技术性能好强度高,特别是早期强度高。

无机矿物聚合材料的抗压强度1d可达58MPa3d可达96MPa28d强度可达150MPa,其后期强度还会继续增长。而硅酸盐水泥等28d抗压强度最高仅为80MPa左右。

2、水化热低

由于碱金属R+的水化能仅为碱土金属R2+27,所以无机矿物聚合胶凝材料的水化热比硅酸水泥低的多,仅为其12左右,尤其适合大体积混凝土。

3、抗渗性好

无机矿物聚合材料水化后空隙率与硅酸水泥相当,但其毛细孔率较低,凝胶孔的孔隙率较高,特别是其中孔径大于2μm的毛细孔率仅为0.3%,而硅酸盐水泥为6.2%,因而其抗渗性良好。无机矿物聚合胶凝材料的抗渗标号为S40以上,而硅酸盐水泥仅为S2S12

4、抗冻性好

由于无机矿物聚合材料的孔隙大多为胶孔,且孔内碱溶液的冰点低,开始冻胀破坏的最低温度为-50℃,因此能耐4001000次冻融循环;而硅酸水泥仅为-15℃,冻融循环在300次以下。无机矿物聚合材料不仅可在05℃施工,还能在5~-15℃低温下较好的硬化。

5、耐热性好

无机矿物聚合材料耐热混凝土可耐热3001600℃,抗压强度30110MPa,热稳定性大于20次冷热循环(残余强度为原始强度的80%140%),重烧线收缩率0.4%1.0%。与硅酸水泥相比,还可缩短施工周期12,使用寿命提高12倍,后者通常不作为耐热混凝土的胶结料。 

6、抗化学侵蚀性能优良

在海水中放置1年后,硅酸盐水泥混凝土强度较低,无机矿物聚合材料混凝土强度反而提高。在1%MgSO4溶液中1年以后,硅酸盐水泥混凝土被破坏,无机矿物聚合材料混凝土强度提高(抗硫酸盐侵蚀系数KC120.9);在稀酸中1年后,无机矿物聚合材料混凝土强度不变,硅酸盐水泥混凝土36个月即被破坏。

7、工作性和耐久性好

其标准稠度需水量少,仅为1721%,混凝土塌落度可达200250毫米。由于矿渣溶解于无机矿物聚合材料的基质中,生成(Ca.K)(OSiAlSiAlO)三维网络结构,把碱固结于结构中,因此,不易产生碱-集料反应。另外还有良好的抗碳化性能。由于OH-的钝化作用,能有效的抑制钢筋锈蚀。此外,混凝土与钢筋的粘结力比同标号的硅酸盐混凝土高15%30%,并且具有良好的耐磨性和护筋能力,因而其耐久性大大优于硅酸盐水泥。

8、经济效益显著

无机矿物聚合材料生产工艺简单,建造同样规模的无机矿物聚合材料厂的基建投资仅为硅酸盐水泥厂的1030%。充分利用资源、节约能源、降低成本。与62.5mpa硅酸盐水泥相比无机矿物聚合材料的成本只需前者的50%,煤耗低70%,电耗低50%

无机矿物聚合材料的水化特点决定了它可以使用硅酸盐水泥混凝土中不能使用的集料。可以采用细沙、轻质亚沙土、各种选矿过程的尾矿作为细集料,采用砂砾石﹑冶金工业的加工尾矿作粗集料,还可以使用含泥率达5%,石粉达20%的非标准集料。因而能充分利用地方原料扩大混凝土原料来源,减少运输量,降低混凝土成本。

由于无机矿物聚合材料的强度提高,可以减少构件尺寸,减少建筑材料用量和运输量,由于它硬化快,早期强度高,可以加速模板周转和施工进度,提高建设效率。由于其抗渗性﹑抗冻性﹑抗蚀性好,可以降低维护作用,延长建筑物使用寿命。

9、社会效益良好

无机矿物聚合材料能大量利用各种固体废渣,并且本身不产生新的环境污染,符合实施“可持续发展战略”的要求。无机矿物材料的原材料来源广泛,凡事CA0.52.0AS0.10.6的矿渣都可以使用;不能作为硅酸盐水泥混合材的酸性﹑超酸性矿渣也可以使用。此外,赤泥、电热磷渣、钢渣、粉煤灰以及冶炼有色金属的炉渣等工业废渣都可以作为其原料。还可以使用火山灰、沸石等天然矿物作为其主要原料,可以使用劣质粗、细集料配制混凝土,有利于自然资源的合理利用。

生产无机矿物聚合材料过程中,一般不需要高温烧成,不排放CO2SO2NOX等污染环境的有害气体。所有这些对于加强环境保护,维持生态平衡都具有重要意义。

四、废渣基无机矿物聚合材料土壤固化剂可利用的固体废渣

1、粉煤灰;(包括脱硫粉煤灰、褐煤粉煤灰等劣质粉煤灰)

    2、高炉水淬矿渣;

    3、煤矸石;

    4、脱硫石膏;

5、煤渣;

6、钢渣;

    7、磷矿渣;

    8、磷石膏;

    9、赤泥; 

    10、电石渣;

    11、锰矿渣;

    12、建筑垃圾;

13、废陶瓷;

14、铁尾矿和黄金、铝、铜等多种尾矿。

五、废渣基无机矿物聚合材料土壤固化剂的主要用途:

在工程建设中,水泥是一种常用的固化剂,但是水泥的加固效果随土质条件的变化差异很大。在某些土质中,用水泥作固化剂难以满足工程需求,这就需要一些具有特殊功能的土壤固化剂。废渣基无机矿物聚合材料是生态型土壤固化剂。它具有强度高、特别是早期强度高(1d可达50MPa以上)、抗渗性好、高抗冻(能耐4001000次冻融循环)、抗化学侵蚀性能优良、耐久性好、节能利废、社会效益经济效益显著等特点。可广泛用于如下环保节能领域。

(一)固体废弃物处理:

  将建筑弃土、建筑垃圾、生活垃圾焚烧渣、污染土、工业废渣、各类尾矿固化后制成各种规格各种类别的绿色节能墙材。

   (二)交通道路工程:

  1、取代道路的底基层、基层、水稳层,无需石粉、石灰、碎石等原材料;

  2、取代低等级道路(乡间公路、绿道等)、临时施工道路的基层及面层,无需石粉、石灰、碎石、混凝土、沥青等原材料。

  (三)场地硬化工层:取代传统场地硬化所需的基层及面层:

  1、公园广场工厂码头等场地铁硬化学;

  2、填海工程中的临时道路、材料堆放、物流仓库等场地快速硬化。

  (四)水工山体工程:

       河道、湖泊、大坝蓄水、山体等项目的护坡、挡墙、抗渗工程;固化处理后抗渗系数达S40以上

六、废渣基无机矿物聚合材料土壤固化剂应用优势:

 (一)固体废弃物处理方面:

保护国土、净化环境、节约能源。社会效益显著;能较大量的综合利用粉煤灰、尾矿等固体废渣。以年设计生10万吨废渣基无机矿物聚合材料土壤固化剂生产线为例,可替代普通话硅酸盐水泥10万吨,一年可综合利用固体废渣99.5万吨。与同等产量的普通硅酸盐水泥生产线相比,可节约标准煤约2万吨,保护国土约300亩,向空气中排放各种废汽为零。利在当代,功在千秋。

 (二)交通工程方面:

1、减少余泥渣土的外运及安置:就地利用道路施工现场土壤,固化后全面代替现有路设计中的水稳层、基层、底基层。

2、降低材料成本:无需石粉、石灰、碎石等传统施工材料,节省原材料成本达20%50%

3、减少施工工序,减少劳动力需求量,施工更加简便:与使用传统的路层材料,工艺相比施工费用可节约10%30%,工期可缩短50%。(施工机械和传统工艺所用机械设备基本相同,无需特殊专用设备)

4、降低维修养护费用:固化土路基具有超强的憎水性,具有长久良的水稳定性,彻底解了透水、翻浆问题,可延长使用寿命,同时可整体降低路基高度,周边道路可跟着降低高度,从而节省大量投入,经济益巨大。

5、减少对周边道路白破坏:减少大量弃土、砂石、水泥、石灰等材料,降低对周边道路损害,解决“修一条新路坏三条老路”的问题。

6、提高路基性能,降低道路厚度:固化土路基的抗压强度(无侧限抗压强度可提高40%100%)、密实度、回弾模量、弯道值、CBR、剪切强度、水稳定性、冻稳定性等性能都得到很大提高,可降低道路基层及面层厚设计厚度,从而降低成本。

7、解决软基处理问题:废渣基无机矿物聚合材料土壤固化剂适用于各类土壤,可就低处理软基,节约成本,缩短工期。

8,使用方便,易于运输和储存:高强度、用量少、无毒、无害、不燃烧、不爆炸、无二次污染。

 (三)景观旅游方面:

完全取代传统的场地硬化、道路的基层及面层:

1、完全原生态地面,彻底告别混凝土及沥青路面及地面,自然、生态、环保概念更强;

2、节省材料简化施工工序,降低成本超过50%,缩短工期超过50%

3、炎热夏季,土质地面、路面的地表温度与空气更接近,舒适性更强;

4、告别非超载造成的维修,延长道路使用寿命;

A、彻底解决透水、翻浆问题,避免因基层软化而导致的面层损坏(固化土地面、路面具有超强憎水性、水稳定性、冻稳定性,且慢为半刚性材质量);

 B、彻底告别因基层材与面层材料伸缩系数不一致,而造成的面层裂缝甚至面层大面积损坏(固化土地面、路面无需设置伸缩缝)。

  

           

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       褐煤粉煤灰自保温砌块堆场                       脱硫石膏复合保温墙板

         

        磷石膏复合保温砌块                             磷石膏标准砖

         

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