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  廢渣聚合物土壤固化劑研發應用

http://www.wgibu.tw   發布時間:2016.10.26  訪問759次
 
 
  

廢渣基無機礦物聚合物土壤固化劑研發應用

一、無機礦物聚合材料的發展歷程

無機礦物聚合材料是以粉煤灰、礦渣、燒煤矸石、建筑垃圾、燒粘土等為主要原料,在激發劑和促硬劑的作用下所得到的一種新型材料,無機礦物聚合原料中的硅鋁氧化物在土聚反應過程中經歷了一個由解聚到再聚合的過程,形成了與地殼中大量存在的類沸石結構,這種結構具有強度高、耐久性好等優點。

    無機礦物聚合材料經歷了四個發展階段(四代);第一代,古代堿激發膠凝材料。用減性材料激發潛在火山灰質材料活性的歷史悠久,可以追溯到尼布加尼撒(公元前562年)時代,巴比侖人用氧化鈣和灰的混合物制磚。羅馬人(公元前年至200年)的火山灰水泥中也含有大量的堿性物質。我國的萬里長城、城墻、廟宇、皇帝陵等古代建筑是釆用了石灰、砂、高岒土等原材料制備的礦物聚合物砌筑而成的。第二代是始于20世紀40年代的堿礦渣水泥,烏克蘭共和國基輔建筑工學院格魯荷夫斯基教授在堿礦渣水泥的研究開發和應用方面做出了重要貢獻;第三代,地質聚合水泥。20世紀70年輕代末,法國Davidovits教授發明了地質聚合水泥;第四代,多組分復合高性能膠疑材料。進入20世紀90年代以來,人們在堿礦渣膠凝材料和地質聚合物的基礎上,利用固體廢棄物開發了一系列旨在改善生態環境、用于專門用途的膠疑材料。這種材料一般由兩種以上活性或火山灰質材料,在中等堿度至高堿度環境下形成。水化產物比較復雜,一般由不同含量的地質聚合物、C-S-H凝膠、類沸石和不同種類的難溶性復鹽組成。由于多種水化產物之間以及和骨料的協同作用,形成強度高、耐久性好的人造石。

    我國從80年代開始進行無機礦物聚合材料的研究開發。并且用無機礦物聚合材料批量生產了預應力、非預應力的建筑構件,用于建設工廠、學校等實際工程。研制的礦渣-鋼渣磚投入批量生產,激發劑-礦渣-沸石水泥用于廢料處理。

我從1977年開始研究利用粉煤灰渣生產環保節能建筑材料。后來研究國外古建筑耐久的原理,再結合我國萬里長城、古城墻、廟宇、皇帝陵等古代建筑,那時沒有現代的水泥,而是釆用了石灰、砂、火山灰、高嶺土(俗稱三合土,傳說還加了穤米湯)等原材料制備的礦物聚合物砌筑而成的,其耐久性能令我們震撼,以八達嶺長城為例,原來的老灰縫千百年來己被人們攀登時摩擦得油光發亮,而用現代水泥等材料補砌的某些地方就明顯的顯示出質量不如原有的好。

我們依照國外和我國古建筑耐久性好的原理,利用現有工業固體廢渣如:粉煤灰、礦渣、燒煤矸石、建筑垃圾、燒粘土、鍋爐燃煤渣、電石渣、磷石膏等,添加適宜的外加劑、激發劑,來固結粉煤灰、煤渣、廢土等,制成的磚塊,用這些磚塊1980年至1982年砌筑的房屋,至今三十多年了,其中,有的房屋經歷過1981年的洪水浸泡,全部房屋經歷了5.12汶川大地震,現在還正常使用,舒適性、耐久性均優于粘土磚蓋的房屋。

二、廢渣基無機礦物聚合材料的物理化學基礎

無機礦物聚合材料是以堿金屬、堿土金屬的碳酸鹽、硫酸鹽和硅酸鹽化合物作為激發劑來激發粉煤灰、礦渣的活性,得到強度高、穩定性好的水硬性膠凝材料。這種堿化合物在水中有很高的溶解度,使液相有較高的OHOH與礦渣中的SiOSi作用,使SiO鍵斷裂,促進SiO2的溶解。其過程為:

OH

OSiOSi――→-SiO+SiOH

SiO+ OH →-OSiOH

堿化合物對于AIOAI鍵也有同樣效果。當有Ca2+Na+存在時,

SiO+Ca2+→-SiOCa

SiOCa+OH→-SiOCaOH

    并且-SiOCaOH+OSiOH→-SiOSi+Ca(OH)2

    隨著鈣、硅離子從粉煤灰、礦渣中大量溶出,水泥漿體溶液內鈣、硅離子的濃度超過水化硅酸鈣的溶解度,使CSH凝膠成核、晶體長大。堿金屬離子除了在水化初期起破壞硅氧鍵的催化劑作用外,后期還與Me3+ 一起形成沸石類水化產物。

無機礦物聚合膠凝材料的水化產物主要有:低堿度CSH凝膠(一般CS1)﹔堿土鋁硅酸鹽水化物和堿-堿土鋁硅酸鹽水化物;沸石類:方鈉3Na2OAl2O32SiO22NaCl, 鈉沸石Na2OAl2O33SiO22H2O,桿沸石Na2O4CaO5Al2O310SiO212H2O;霞石、長石類,水霞石R20Al2O32SiO2nH2O ,鈉云母Na2O3Al2O36SiO2nH2O,等等。

這些水化產物的細微晶體不僅具有很高的強度,在熱力學上也很穩定,極難溶于水,并且大多與自然界中鈉、鉀-鈣-鋁硅酸鹽礦物的組成、結構及形成過程很相似,因而非常穩定。 

三、廢渣基無機礦物聚合材料的性能特點 

無機礦物聚合材料的性能與常用的硅酸鹽水泥相比,具有以下幾方面特點。

1、技術性能好強度高,特別是早期強度高。

無機礦物聚合材料的抗壓強度1d可達58MPa3d可達96MPa28d強度可達150MPa,其后期強度還會繼續增長。而硅酸鹽水泥等28d抗壓強度最高僅為80MPa左右。

2、水化熱低

由于堿金屬R+的水化能僅為堿土金屬R2+27,所以無機礦物聚合膠凝材料的水化熱比硅酸水泥低的多,僅為其12左右,尤其適合大體積混凝土。

3、抗滲性好

無機礦物聚合材料水化后空隙率與硅酸水泥相當,但其毛細孔率較低,凝膠孔的孔隙率較高,特別是其中孔徑大于2μm的毛細孔率僅為0.3%,而硅酸鹽水泥為6.2%,因而其抗滲性良好。無機礦物聚合膠凝材料的抗滲標號為S40以上,而硅酸鹽水泥僅為S2S12

4、抗凍性好

由于無機礦物聚合材料的孔隙大多為膠孔,且孔內堿溶液的冰點低,開始凍脹破壞的最低溫度為-50℃,因此能耐4001000次凍融循環;而硅酸水泥僅為-15℃,凍融循環在300次以下。無機礦物聚合材料不僅可在05℃施工,還能在5~-15℃低溫下較好的硬化。

5、耐熱性好

無機礦物聚合材料耐熱混凝土可耐熱3001600℃,抗壓強度30110MPa,熱穩定性大于20次冷熱循環(殘余強度為原始強度的80%140%),重燒線收縮率0.4%1.0%。與硅酸水泥相比,還可縮短施工周期12,使用壽命提高12倍,后者通常不作為耐熱混凝土的膠結料。 

6、抗化學侵蝕性能優良

在海水中放置1年后,硅酸鹽水泥混凝土強度較低,無機礦物聚合材料混凝土強度反而提高。在1%MgSO4溶液中1年以后,硅酸鹽水泥混凝土被破壞,無機礦物聚合材料混凝土強度提高(抗硫酸鹽侵蝕系數KC120.9);在稀酸中1年后,無機礦物聚合材料混凝土強度不變,硅酸鹽水泥混凝土36個月即被破壞。

7、工作性和耐久性好

其標準稠度需水量少,僅為1721%,混凝土塌落度可達200250毫米。由于礦渣溶解于無機礦物聚合材料的基質中,生成(Ca.K)(OSiAlSiAlO)三維網絡結構,把堿固結于結構中,因此,不易產生堿-集料反應。另外還有良好的抗碳化性能。由于OH-的鈍化作用,能有效的抑制鋼筋銹蝕。此外,混凝土與鋼筋的粘結力比同標號的硅酸鹽混凝土高15%30%,并且具有良好的耐磨性和護筋能力,因而其耐久性大大優于硅酸鹽水泥。

8、經濟效益顯著

無機礦物聚合材料生產工藝簡單,建造同樣規模的無機礦物聚合材料廠的基建投資僅為硅酸鹽水泥廠的1030%。充分利用資源、節約能源、降低成本。與62.5mpa硅酸鹽水泥相比無機礦物聚合材料的成本只需前者的50%,煤耗低70%,電耗低50%

無機礦物聚合材料的水化特點決定了它可以使用硅酸鹽水泥混凝土中不能使用的集料。可以采用細沙、輕質亞沙土、各種選礦過程的尾礦作為細集料,采用砂礫石﹑冶金工業的加工尾礦作粗集料,還可以使用含泥率達5%,石粉達20%的非標準集料。因而能充分利用地方原料擴大混凝土原料來源,減少運輸量,降低混凝土成本。

由于無機礦物聚合材料的強度提高,可以減少構件尺寸,減少建筑材料用量和運輸量,由于它硬化快,早期強度高,可以加速模板周轉和施工進度,提高建設效率。由于其抗滲性﹑抗凍性﹑抗蝕性好,可以降低維護作用,延長建筑物使用壽命。

9、社會效益良好

無機礦物聚合材料能大量利用各種固體廢渣,并且本身不產生新的環境污染,符合實施“可持續發展戰略”的要求。無機礦物材料的原材料來源廣泛,凡事CA0.52.0AS0.10.6的礦渣都可以使用;不能作為硅酸鹽水泥混合材的酸性﹑超酸性礦渣也可以使用。此外,赤泥、電熱磷渣、鋼渣、粉煤灰以及冶煉有色金屬的爐渣等工業廢渣都可以作為其原料。還可以使用火山灰、沸石等天然礦物作為其主要原料,可以使用劣質粗、細集料配制混凝土,有利于自然資源的合理利用。

生產無機礦物聚合材料過程中,一般不需要高溫燒成,不排放CO2SO2NOX等污染環境的有害氣體。所有這些對于加強環境保護,維持生態平衡都具有重要意義。

四、廢渣基無機礦物聚合材料土壤固化劑可利用的固體廢渣

1、粉煤灰;(包括脫硫粉煤灰、褐煤粉煤灰等劣質粉煤灰)

    2、高爐水淬礦渣;

    3、煤矸石;

    4、脫硫石膏;

5、煤渣;

6、鋼渣;

    7、磷礦渣;

    8、磷石膏;

    9、赤泥; 

    10、電石渣;

    11、錳礦渣;

    12、建筑垃圾;

13、廢陶瓷;

14、鐵尾礦和黃金、鋁、銅等多種尾礦。

五、廢渣基無機礦物聚合材料土壤固化劑的主要用途:

在工程建設中,水泥是一種常用的固化劑,但是水泥的加固效果隨土質條件的變化差異很大。在某些土質中,用水泥作固化劑難以滿足工程需求,這就需要一些具有特殊功能的土壤固化劑。廢渣基無機礦物聚合材料是生態型土壤固化劑。它具有強度高、特別是早期強度高(1d可達50MPa以上)、抗滲性好、高抗凍(能耐4001000次凍融循環)、抗化學侵蝕性能優良、耐久性好、節能利廢、社會效益經濟效益顯著等特點。可廣泛用于如下環保節能領域。

(一)固體廢棄物處理:

  將建筑棄土、建筑垃圾、生活垃圾焚燒渣、污染土、工業廢渣、各類尾礦固化后制成各種規格各種類別的綠色節能墻材。

   (二)交通道路工程:

  1、取代道路的底基層、基層、水穩層,無需石粉、石灰、碎石等原材料;

  2、取代低等級道路(鄉間公路、綠道等)、臨時施工道路的基層及面層,無需石粉、石灰、碎石、混凝土、瀝青等原材料。

  (三)場地硬化工層:取代傳統場地硬化所需的基層及面層:

  1、公園廣場工廠碼頭等場地鐵硬化學;

  2、填海工程中的臨時道路、材料堆放、物流倉庫等場地快速硬化。

  (四)水工山體工程:

       河道、湖泊、大壩蓄水、山體等項目的護坡、擋墻、抗滲工程;固化處理后抗滲系數達S40以上

六、廢渣基無機礦物聚合材料土壤固化劑應用優勢:

 (一)固體廢棄物處理方面:

保護國土、凈化環境、節約能源。社會效益顯著;能較大量的綜合利用粉煤灰、尾礦等固體廢渣。以年設計生10萬噸廢渣基無機礦物聚合材料土壤固化劑生產線為例,可替代普通話硅酸鹽水泥10萬噸,一年可綜合利用固體廢渣99.5萬噸。與同等產量的普通硅酸鹽水泥生產線相比,可節約標準煤約2萬噸,保護國土約300畝,向空氣中排放各種廢汽為零。利在當代,功在千秋。

 (二)交通工程方面:

1、減少余泥渣土的外運及安置:就地利用道路施工現場土壤,固化后全面代替現有路設計中的水穩層、基層、底基層。

2、降低材料成本:無需石粉、石灰、碎石等傳統施工材料,節省原材料成本達20%50%

3、減少施工工序,減少勞動力需求量,施工更加簡便:與使用傳統的路層材料,工藝相比施工費用可節約10%30%,工期可縮短50%。(施工機械和傳統工藝所用機械設備基本相同,無需特殊專用設備)

4、降低維修養護費用:固化土路基具有超強的憎水性,具有長久良的水穩定性,徹底解了透水、翻漿問題,可延長使用壽命,同時可整體降低路基高度,周邊道路可跟著降低高度,從而節省大量投入,經濟益巨大。

5、減少對周邊道路白破壞:減少大量棄土、砂石、水泥、石灰等材料,降低對周邊道路損害,解決“修一條新路壞三條老路”的問題。

6、提高路基性能,降低道路厚度:固化土路基的抗壓強度(無側限抗壓強度可提高40%100%)、密實度、回弾模量、彎道值、CBR、剪切強度、水穩定性、凍穩定性等性能都得到很大提高,可降低道路基層及面層厚設計厚度,從而降低成本。

7、解決軟基處理問題:廢渣基無機礦物聚合材料土壤固化劑適用于各類土壤,可就低處理軟基,節約成本,縮短工期。

8,使用方便,易于運輸和儲存:高強度、用量少、無毒、無害、不燃燒、不爆炸、無二次污染。

 (三)景觀旅游方面:

完全取代傳統的場地硬化、道路的基層及面層:

1、完全原生態地面,徹底告別混凝土及瀝青路面及地面,自然、生態、環保概念更強;

2、節省材料簡化施工工序,降低成本超過50%,縮短工期超過50%

3、炎熱夏季,土質地面、路面的地表溫度與空氣更接近,舒適性更強;

4、告別非超載造成的維修,延長道路使用壽命;

A、徹底解決透水、翻漿問題,避免因基層軟化而導致的面層損壞(固化土地面、路面具有超強憎水性、水穩定性、凍穩定性,且慢為半剛性材質量);

 B、徹底告別因基層材與面層材料伸縮系數不一致,而造成的面層裂縫甚至面層大面積損壞(固化土地面、路面無需設置伸縮縫)。

  

           

        脫硫粉煤灰免燒陶粒                           煤灰渣免燒陶粒砌塊堆場

         

       褐煤粉煤灰自保溫砌塊堆場                       脫硫石膏復合保溫墻板

         

        磷石膏復合保溫砌塊                             磷石膏標準磚

         

         磷礦渣彩色透水磚路面磚                       尾礦通體透水磚路面磚

         

        錳礦渣水工磚                             建設垃垃透水混凝土路面

         

        鋼渣小區透水磚路面                          礦渣公園人行道透水磚路面

  

             

發明人:杜世永                                電話:15828495988

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