CN108623199B - 一种制备地质聚合物胶凝材料和地质聚合物砂浆的方法 - Google Patents

一种制备地质聚合物胶凝材料和地质聚合物砂浆的方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种制备地质聚合物胶凝材料和地质聚合物砂浆的方法，包括如下步骤：对飞灰进行烘干、磨细预处理；以Si/Al摩尔比为2.40～3.35、Na/Si摩尔比为0.30～0.50，Ca/Si摩尔比不大于0.95，取预处理后的飞灰、矿渣粉、复合激发剂混合均匀；拌合水：(飞灰+矿渣粉)的质量比为0.20～0.40加入拌合水，净浆混合物；将净浆混合物进行入模，置于温度20℃～80℃、相对湿度50％～95％的条件下养护12h～72h后脱模；脱模后的试件养护后得地质聚合物胶凝材料。本发明通过生活垃圾焚烧飞灰以及矿渣粉为胶凝组分，生产制备新型地质聚合物材料，实现了飞灰的处理及资源化利用。

Description

一种制备地质聚合物胶凝材料和地质聚合物砂浆的方法
技术领域
本发明属于固体废弃物处理处置与资源化、地质聚合物材料制备交叉技术领域，尤其是涉及一种制备地质聚合物胶凝材料和地质聚合物砂浆的方法。
背景技术
目前我国城市生活垃圾产量日益剧增，而生活垃圾焚烧法因具有高温灭菌、残渣稳定、减容减量显著、能源回收利用的特点，在我国的应用越来越广。但是生活垃圾焚烧过程中会产生大量飞灰，流化床焚烧炉的飞灰量为焚烧量的15％～20％，炉排炉的飞灰量为焚烧量的3％～5％。同时飞灰富集了大量的重金属、二噁英，可对人体健康和生态环境造成危害，已列入我国危险废物名录。目前飞灰无害化、资源化综合处理技术的研发及应用非常迫切。本发明所述飞灰就是生活垃圾焚烧处理中在烟气净化***和热回收利用***收集得到的残留物。
目前生活垃圾焚烧飞灰的处置包括无害化处理和资源化利用。无害化处理后的飞灰多是送至填埋场填埋处置，稳定化处理之后的飞灰资源化途径主要是制备水泥、陶瓷/烧结砖、陶粒、玻璃/微晶玻璃、水泥基砂浆及混凝土等建筑材料，用作路基、防护堤等岩土工程材料，作土壤改良剂，制备沸石吸附材料。故生活垃圾焚烧飞灰稳定化处理之后的飞灰资源化利用是解决其处置难题的唯一途径。
生活垃圾焚烧飞灰处置工艺技术经过多年发展，主要形成了以下几种技术：化学药剂稳定化、粘合剂固化处理(包括水泥固化处理、沥青混合料处理)、分离及萃取处理(包括水洗预处理、重金属生物/化学提取、超临界流体萃取等。)、热处理(包括烧结热处理、熔融/玻璃固化处理、水泥窑协同处置)、地质聚合物处理等技术。
传统的水泥固化处理、化学药剂稳定化、烧结热处理、熔融/玻璃固化处理等飞灰处置技术，存在增容大、成本高、存在二次污染等缺点，使得这些传统的飞灰处置技术难以有效推广。重金属生物/化学提取、超临界流体萃取等飞灰处置技术，因投资大，成本高，适用性较差等缺点使得该类技术仅在基础研究阶段。
目前水洗预处理、水泥窑协同处置、地质聚合物处理等飞灰处置技术，具有技术及工艺可行、经济性较好、环境安全好等特点，逐步被推广应用。水洗预处理技术主要是为降低飞灰中重金属和氯化物的含量，以明显改善水泥固化处理、水泥窑协同处置、烧结及熔融热处理等方法的处置效果，也为后续产品的大规模资源化利用提供可行性，但是存在水洗后的废液需要进一步处理问题。对飞灰进行水洗预处理后，采用水泥窑协同处置技术进行飞灰处置，可消除二噁英等有机污染物，实现重金属有效固化，但该工艺技术还需增加多级烟气处理措施确保烟气排放达标，总体成本较大。而地质聚合物处理技术是利用飞灰中的Al、Si源或外添加Al、Si源在碱性条件下合成硅铝酸盐矿物，将重金属稳定于矿物，利用该技术能有效地提高飞灰化学稳定性，并且在经济、技术及环境等方面有明显优点，因此地质聚合物处理飞灰技术具有非常高的应用和推广潜力。
物料有效成分元素组成、激发剂参数、用水量(水料比、水胶比)、养护条件等制备参数对地质聚合物性能有很大影响，同时飞灰基地质聚合物制备参数对飞灰中的重金属稳定固化效果有较大影响，故各制备参数的选择对制备飞灰基地质聚合物，实现垃圾焚烧飞灰处理及资源化利用至关重要。
目前公开了一种生活垃圾焚烧飞灰中重金属固定、稳定化方法，该方法针对单一的生活垃圾焚烧飞灰原材料，在考虑激发剂参数、液固比等影响因素下制备固化体材料，以碱激发固化稳定及化学药剂稳定化处理的方法实现飞灰的填埋处置应用，但是仅考虑了所制备固化体材料中重金属(铜、锌、镉、铅)的环境安全性问题，并未考虑固体化材料的性能，不能作为飞灰处理及资源化利用的方法。
目前还公开了一种碱激发固化稳定处理垃圾焚烧飞灰的方法，步骤包括：1)对垃圾焚烧飞灰进行磨细和活性调节的预处理；2)再加入水和重金属稳定剂并进行充分搅拌，使飞灰中的可溶性重金属与重金属稳定剂充分结合而矿化稳定；3)之后再在飞灰浆体中加入复合激发剂，予以充分搅拌；4) 之后进行水浴加热处理，控制加热温度和加热时间，并不定期搅拌使所述飞灰浆体物料受热均匀；5)最后将混料成型、养护，以进一步封锁飞灰中已矿化的重金属，同时固化飞灰中的二噁英，最终实现了飞灰的无害化固化稳定处置。此发明通过化学药剂稳定化及碱激发固化稳定处理的方法实现了垃圾焚烧飞灰的填埋处置，具有基本不增容，降低处理成本，节约运输费用，减少填埋空间等优势，该方法考虑了物料有效成分元素组成等飞灰基地质聚合物制备的参数，但养护温度仅采用在60℃～90℃较高温度下的养护方式，同时并未充分考虑激发剂参数、用水量、养护条件等飞灰基地质聚合物制备的影响参数，不能够很好地采用碱激发固化稳定处理飞灰中的重金属，无法作为飞灰处理及资源化利用的方法。
一种生活垃圾焚烧飞灰制备胶凝材料的工艺方法，垃圾焚烧飞灰先经碱激发处理，烘干、磨细、过筛得预处理飞灰，再与掺合料和激发剂混合处理，最后养护制备了飞灰基胶凝材料。此工艺方法并未考虑生活垃圾焚烧飞灰资源化利用中重金属的环境安全性问题，仅考虑了所制备飞灰基胶凝材料的相关性能，制备方法中并未对物料有效成分元素组成、激发剂参数等影响因素进行有效控制，且制备工艺较为复杂，可操作性不强，不能够很好地生产应用。
发明内容
有鉴于此，本发明旨在提出一种制备地质聚合物胶凝材料和地质聚合物砂浆的方法，通过制备地质聚合物胶凝材料和砂浆，实现了垃圾焚烧飞灰处理及资源化利用，利用生活垃圾焚烧飞灰以及矿渣粉为地质聚合物胶凝组分生产地质聚合物材料，实现飞灰的处理及资源化利用。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
一种制备地质聚合物胶凝材料的方法，包括如下步骤：
步骤一：对飞灰进行烘干、磨细预处理，使其含水率不大于1％，45μm 方孔筛筛余质量分数(细度)不大于20％或比表面积不低于300m2/kg；
步骤二：以Si/Al摩尔比为2.60～3.35、Na/Si摩尔比为0.30～0.50，Ca/Si 摩尔比不大于0.95，取步骤一预处理后的飞灰、矿渣粉、复合激发剂混合均匀；
步骤三：以拌合水：(飞灰+矿渣粉)的质量比为0.20～0.40加入拌合水，并充分搅拌得到净浆混合物；当复合激发剂为液体状组分时，应与拌合水混匀后，再加入到混合均匀的飞灰及矿渣粉组分中，充分搅拌得到净浆混合物；
步骤四：将净浆混合物进行入模，置于温度20℃～80℃、相对湿度 50％～95％的条件下养护12h～72h后脱模；
步骤五：脱模后的试件置于温度20℃～60℃、相对湿度50％～95％的条件下养护后得地质聚合物胶凝材料，此地质聚合物胶凝材料为飞灰-矿渣粉复合基地质聚合物胶凝材料。
制得的地质聚合物胶凝材料对于飞灰中的重金属元素包括铅、锌、镍、锰、铜、铬具有稳定固化作用。
对制备的地质聚合物胶凝材料的凝结时间、安定性、强度以及可浸出重金属进行检测。
进一步的，复合激发剂为碳酸钠、氢氧化钠中的一种或两种与硅酸钠的混合物，复合激发剂的模数(二氧化硅摩尔数与氧化钠摩尔数的比值)为 1.0～1.6，复合激发剂掺量为飞灰与矿渣粉总质量的5％～40％。
进一步的，飞灰为生活垃圾焚烧处理中在烟气净化***和热回收利用***收集得到的残留物，飞灰中氧化钙的质量分数不低于15％，二氧化硅的质量分数不低于5％，三氧化二铝的质量分数不低于2％。
进一步的，矿渣粉为不低于S95级别矿渣粉，比表面积不低于400m2/kg，流动度比不低于95％，玻璃体含量的质量分数不低于85％，含水量的质量分数不大于1％。
进一步的，拌合水的pH值不大于4.5，不溶物不大于2000mg/L，可溶物不大于5000mg/L，SO4 2-不大于2000mg/L。
步骤三中的净浆混合物的流动度为160mm～200mm，或净浆混合物的标准稠度用水量为20.0％～28.0％；搅拌速率为140转/min～300转/min，搅拌时间为7min～40min。
地质聚合物胶凝材料在低于40℃应用时，养护的时间不少于14d。
本发明还提供了一种制备地质聚合物砂浆的方法，包括如下步骤：
步骤一：对飞灰进行烘干、磨细预处理，使其含水率不大于1％，45μm 方孔筛筛余质量分数(细度)不大于20％或比表面积不低于300m2/kg；
步骤二：以Si/Al摩尔比为2.60～3.35、Na/Si摩尔比为0.30～0.50，Ca/Si 摩尔比不大于0.95，取步骤一预处理后的飞灰、矿渣粉、复合激发剂混合均匀，并按照(飞灰+矿渣粉)与细骨料的质量比为0.82～4.00添加细骨料，混合均匀；此步骤中还可加入外加剂和添加剂，以改善生产制备地质聚合物砂浆的性能，外加剂为减水剂、膨胀剂、缓凝剂、防水剂；添加剂为可再分散乳胶粉、颜料、纤维。
步骤三：以拌合水：(飞灰+矿渣粉+细骨料)质量比为0.10～0.35加入拌合水，并充分搅拌得到地质聚合物砂浆。当复合激发剂为液体状组分时，应与所需拌合水混匀后加入，充分搅拌得到地质聚合物砂浆，此地地质聚合物砂浆为飞灰-矿渣粉复合基地质聚合物砂浆。
进一步的，制得的地质聚合物砂浆对于飞灰中的重金属元素包括铅、锌、镍、锰、铜、铬具有稳定固化作用。
进一步的，细骨料为砂，细度模数为1.6～3.0，含泥量的质量分数不大于 5％，泥块含量的质量分数不大于2％。
进一步的，复合激发剂为碳酸钠、氢氧化钠中的一种或两种与硅酸钠的混合物，复合激发剂的模数(二氧化硅摩尔数与氧化钠摩尔数的比值)为 1.0～1.6，复合激发剂掺量为飞灰与矿渣粉总质量的5％～40％。
进一步的，飞灰为生活垃圾焚烧处理中在烟气净化***和热回收利用***收集得到的残留物，飞灰中氧化钙的质量分数不低于15％，二氧化硅的质量分数不低于5％，三氧化二铝的质量分数不低于2％。
进一步的，矿渣粉为不低于S95级别矿渣粉，比表面积不低于400m2/kg，流动度比不低于95％，玻璃体含量的质量分数不低于85％，含水量的质量分数不大于1％。
进一步的，步骤二中的地质聚合物砂浆稠度为50mm～110mm；搅拌需强制式搅拌机搅拌，搅拌时间不少于5min。
进一步的，拌合水的pH值不大于4.5，不溶物不大于2000mg/L，可溶物不大于5000mg/L，SO4 2-不大于2000mg/L。
进一步的，对制备的地质聚合物砂浆的保水率、1h稠度损失率、凝结时间、28d收缩率和56d收缩率、抗压强度、抗冻性及可浸出重金属进行检测。
进一步的，地质聚合物砂浆应用时，养护的时间不少于14d。
相对于现有技术，本发明所述的制备地质聚合物胶凝材料和地质聚合物砂浆的方法具有以下优势：
本发明所述的制备地质聚合物胶凝材料和地质聚合物砂浆的方法，将生活垃圾焚烧飞灰作为原料进行地质聚合物的制备，通过对物料有效成分元素组成、激发剂参数、用水量、养护温度等制备参数进行有效控制，同时对飞灰中的重金属进行有效地稳定固化，生产制备地质聚合物材料，且其可浸出重金属满足应用要求，不会对环境造成二次污染，该制备方法简单、易行，处理生产成本低，并从所制备材料性能和材料重金属环境安全性两方面进行了考虑，能够较好地实现垃圾焚烧飞灰的处理及资源化利用。
具体实施方式
除有定义外，以下实施例中所用的技术术语具有与本发明所属领域技术人员普遍理解的相同含义。以下实施例中所用的试验试剂，如无特殊说明，均为常规生化试剂；所述实验方法，如无特殊说明，均为常规方法。
本发明所用生活垃圾焚烧飞灰来源于天津某生活垃圾焚烧发电厂，为经炉排炉式垃圾焚烧炉的布袋除尘器收集的飞灰，飞灰进行二噁英低温热降解处理，其二噁英的含量降低至10ng TEQ/kg以下。
本发明实施例及对比例所涉及到的飞灰原料经烘干、磨细预处理，涉及到的矿渣粉为S95级矿渣粉，飞灰和矿渣粉原料的物化性能如表1，涉及到的工业用液态水玻璃原料SiO2质量分数为32.08％、Na2O质量分数为 11.84％、模数为2.80，涉及到的拌合水化学性能如表2，涉及到的细骨料砂原料细度模数为2.4、含泥量为2.4％、泥块含量为0.6％；涉及到的原料可浸出重金属(重金属浸出量)如表3，其中可浸出重金属按照环境保护行业标准《固体废物浸出毒性浸出方法硫酸硝酸法》HJ/T 299-2007的规定进行检测。
表1飞灰和矿渣粉的物化性能
Figure BDA0001712400330000081
表2拌合水化学性能
Figure BDA0001712400330000082
表3原料可浸出重金属
Figure BDA0001712400330000083
Figure BDA0001712400330000091
以下实施例为对物料有效成分元素组成、激发剂参数、用水量、养护温度等制备参数分别进行有效控制，对所生产制备飞灰-矿渣粉复合基地质聚合物地质聚合物胶凝材料，从材料性能和材料可浸出重金属两方面进行检测评价。
胶凝组分：由飞灰和矿渣粉组成。
水胶比：拌合水与胶凝组分的质量比，即拌合水与飞灰+矿渣粉的质量比。
复合激发剂掺量：复合激发剂的掺加质量占飞灰及矿渣粉组成的胶凝组分的总质量的百分数。
胶砂比：胶凝组分与细骨料砂的质量比，即飞灰+矿渣粉与细骨料砂的质量比。
水料比：拌合水与飞灰、矿渣粉及细骨料的质量比。
实施例1
飞灰-矿渣粉复合基地质聚合物胶凝材料的制备：
1)配制模数为1.3复合激发剂的调制：
先称取100份水玻璃用于配制模数为1.3的复合激发剂，根据水玻璃原料的化学成分，再称取10.59份的氢氧化钠试剂，搅拌添加到已称取水玻璃中，溶解均匀即是模数为1.3的复合激发剂；
2)原料的控制：复合激发剂掺量为20％，以Si/Al摩尔比为2.70、Na/Si 摩尔比为0.36，称取飞灰、矿渣粉、复合激发剂，Ca/Si摩尔比为0.89，将称取的100份飞灰与矿渣粉的混合物搅拌均匀；
3)称取拌合水32份(水胶比为0.32)，将复合激发剂与拌合水混匀后，再加入到已混匀的100份飞灰及矿渣粉胶凝组分中；
4)搅拌成型：以200转/min频率搅拌20min得到净浆混合物，将净浆混合物注入模具中振动成型；
5)试件养护：试模置于温度65℃、相对湿度90％的条件下养护24h后脱模，试件于温度20℃、相对湿度60％的条件下养护至龄期得到飞灰-矿渣粉复合基地质聚合物胶凝材料。
实施例2
飞灰-矿渣粉复合基地质聚合物胶凝材料生产制备：
1)按照实施例1调制模数为1.3的复合激发剂；
2)原料的控制：复合激发剂掺量为20％，以Si/Al摩尔比为2.80、Na/Si 摩尔比为0.42，称取飞灰、矿渣粉、复合激发剂，Ca/Si摩尔比为0.92，将称取的100份飞灰、矿渣粉搅拌混合均匀；
3)称取拌合水33份(水胶比为0.33)，将复合激发剂与拌合水混匀后，再加入到已混匀的100份飞灰及矿渣粉胶凝组分中；
4)按照实施例1进行搅拌成型和试件养护得到飞灰-矿渣粉复合基地质聚合物胶凝材料。
实施例3
飞灰-矿渣粉复合基地质聚合物胶凝材料生产制备：
1)按照实施例1调制模数为1.3的复合激发剂；
2)原料的控制：复合激发剂掺量为35％，以Si/Al摩尔比为3.26、Na/Si 摩尔比为0.46，称取飞灰、矿渣粉、复合激发剂，Ca/Si摩尔比为0.70，将称取的100份飞灰、矿渣粉搅拌混合均匀；
3)称取拌合水33份(水胶比为0.33)，将复合激发剂与拌合水混匀后，再加入到已混匀的100份飞灰及矿渣粉胶凝组分中；
4)按照实施例1进行搅拌成型和试件养护得到飞灰-矿渣粉复合基地质聚合物胶凝材料。
实施例4
飞灰-矿渣粉复合基地质聚合物胶凝材料生产制备：
1)按照实施例1调制模数为1.3的复合激发剂；
2)原料的控制：复合激发剂掺量为14％，以Si/Al摩尔比为2.48、Na/Si 摩尔比为0.31，称取飞灰、矿渣粉、复合激发剂，Ca/Si摩尔比为0.97，将称取的100份飞灰、矿渣粉搅拌混合均匀；
3)称取拌合水31份(水胶比为0.31)，将复合激发剂与拌合水混匀后，再加入到已混匀的100份飞灰及矿渣粉胶凝组分中；
4)按照实施例1进行搅拌成型和试件养护得到飞灰-矿渣粉复合基地质聚合物胶凝材料。
实施例5
飞灰-矿渣粉复合基地质聚合物胶凝材料生产制备：
1)配制模数为1.5复合激发剂的调制：先称取100份水玻璃用于配制模数为1.5的复合激发剂，根据水玻璃原料的化学成分，再称取7.95份的氢氧化钠试剂，搅拌添加到已称取水玻璃中，溶解均匀即是模数为1.5的复合激发剂；
2)原料的控制：复合激发剂掺量为20％，以Si/Al摩尔比为2.70、Na/Si 摩尔比为0.33，称取飞灰、矿渣粉、复合激发剂，Ca/Si摩尔比为0.89，将称取的100份飞灰、矿渣粉搅拌混合均匀；
3)称取拌合水31份(水胶比为0.31)，将复合激发剂与拌合水混匀后，再加入到已混匀的100份飞灰及矿渣粉胶凝组分中；
4)按照实施例1进行搅拌成型和试件养护得到飞灰-矿渣粉复合基地质聚合物胶凝材料。
实施例6
飞灰-矿渣粉复合基地质聚合物胶凝材料生产制备：
1)配制模数为1.1复合激发剂的调制：先称取100份水玻璃用于配制模数为1.1的复合激发剂，根据水玻璃原料的化学成分，再称取14.18份的氢氧化钠试剂，搅拌添加到已称取水玻璃中，溶解均匀即是模数为1.1的复合激发剂；
2)原料的控制：复合激发剂掺量为20％，以Si/Al摩尔比为2.70、Na/Si 摩尔比为0.41，称取飞灰、矿渣粉、复合激发剂，Ca/Si摩尔比为0.89，将称取的100份飞灰、矿渣粉搅拌混合均匀；
3)称取拌合水33份(水胶比为0.33)，将复合激发剂与拌合水混匀后，再加入到已混匀的100份飞灰及矿渣粉胶凝组分中；
4)按照实施例1进行搅拌成型和试件养护得到飞灰-矿渣粉复合基地质聚合物胶凝材料。
实施例7
飞灰-矿渣粉复合基地质聚合物胶凝材料生产制备：
1)按照实施例1调制模数为1.3的复合激发剂和控制原料组成；
2)称取拌合水28份(水胶比为0.28)，将复合激发剂与拌合水混匀后，再加入到已混匀的100份飞灰及矿渣粉胶凝组分中；
3)按照实施例1进行搅拌成型和试件养护得到飞灰-矿渣粉复合基地质聚合物胶凝材料。
实施例8
飞灰-矿渣粉复合基地质聚合物胶凝材料生产制备：
1)按照实施例1调制模数为1.3的复合激发剂和控制原料组成；
2)称取拌合水34份(水胶比为0.34)，将复合激发剂与拌合水混匀后，再加入到已混匀的100份飞灰及矿渣粉胶凝组分中；
3)按照实施例1进行搅拌成型和试件养护得到飞灰-矿渣粉复合基地质聚合物胶凝材料。
实施例9
飞灰-矿渣粉复合基地质聚合物胶凝材料生产制备：
1)按照实施例1调制模数为1.3的复合激发剂和控制原料组成；
2)称取拌合水30份(水胶比为0.30)，将复合激发剂与拌合水混匀后，再加入到已混匀的100份飞灰及矿渣粉胶凝组分中；
3)按照实施例1进行搅拌成型后，试模置于温度20℃、相对湿度90％的条件下养护48h后脱模，试件于温度20℃、相对湿度60％的条件下养护至龄期得到飞灰-矿渣粉复合基地质聚合物胶凝材料。
实施例10
飞灰-矿渣粉复合基地质聚合物胶凝材料生产制备：
1)按照实施例1调制模数为1.3的复合激发剂和控制原料组成；
2)称取拌合水30份(水胶比为0.30)，将复合激发剂与拌合水混匀后，再加入到已混匀的100份飞灰及矿渣粉胶凝组分中；
3)按照实施例1进行搅拌成型后，试模置于温度40℃、相对湿度90％的条件下养护24h后脱模，试件于温度20℃、相对湿度60％的条件下养护至龄期得到飞灰-矿渣粉复合基地质聚合物胶凝材料。
对比例1
飞灰-矿渣粉复合基地质聚合物胶凝材料制备：
1)按照实施例1调制模数为1.3的复合激发剂；
2)原料的控制：复合激发剂掺量为20％，以Si/Al摩尔比为2.92、Na/Si 摩尔比为0.48，称取飞灰、矿渣粉、复合激发剂，Ca/Si摩尔比为1.05，将称取的100份飞灰、矿渣粉搅拌混合均匀；
3)称取拌合水33份(水胶比为0.33)，将复合激发剂与拌合水混匀后，再加入到已混匀的100份飞灰及矿渣粉胶凝组分中；
4)按照实施例1进行搅拌成型和试件养护得到飞灰-矿渣粉复合基地质聚合物胶凝材料。
对比例2
飞灰-矿渣粉复合基地质聚合物胶凝材料制备：
1)按照实施例1调制模数为1.3的复合激发剂；
2)原料的控制：复合激发剂掺量为50％，以Si/Al摩尔比为3.82、Na/Si 摩尔比为0.53，称取飞灰、矿渣粉、复合激发剂，Ca/Si摩尔比为0.63，将称取的100份飞灰、矿渣粉搅拌混合均匀；
3)称取拌合水39份(水胶比为0.39)，将复合激发剂与拌合水混匀后，再加入到已混匀的100份飞灰及矿渣粉胶凝组分中；
4)按照实施例1进行搅拌成型和试件养护得到飞灰-矿渣粉复合基地质聚合物胶凝材料。
对比例3
生产制备飞灰-矿渣粉复合基地质聚合物胶凝材料时，原材料可浸出重金属的对比试验：
1)按照实施例1调制模数为1.3的复合激发剂；
2)以实施例1、实施例7～实施例10生产制备地质聚合物胶凝材料中飞灰及矿渣粉胶凝材料组分和复合激发剂组分为对比样品，称取飞灰及矿渣粉胶凝组分80份，复合激发剂组分20份，飞灰及矿渣粉胶凝组分置于2L提取瓶中；
3)按浸提剂体积与胶凝材料组分及复合激发剂组分的质量之比为10:1 (L/kg)计算出所需浸提剂的体积，将20份复合激发剂组分与所需浸提剂混匀后加入2L提取瓶中；
4)按照环境保护行业标准《固体废物浸出毒性浸出方法硫酸硝酸法》 HJ/T 299-2007的规定进行可浸出重金属项目检测，检测结果如表4。
对比例4
生产制备飞灰-矿渣粉复合基地质聚合物胶凝材料时，原材料可浸出重金属的对比试验
1)按照实施例1调制模数为1.3的复合激发剂；
2)以实施例2生产制备地质聚合物胶凝材料中飞灰及矿渣粉胶凝材料组分和复合激发剂组分为对比样品，称取飞灰及矿渣粉胶凝组分80份，复合激发剂组分20份，飞灰及矿渣粉胶凝组分置于2L提取瓶中；
3)按浸提剂体积与胶凝材料组分及复合激发剂组分的质量之比为10:1 (L/kg)计算出所需浸提剂的体积，将20份复合激发剂组分与所需浸提剂混匀后加入2L提取瓶中；
4)按照环境保护行业标准《固体废物浸出毒性浸出方法硫酸硝酸法》 HJ/T 299-2007的规定进行可浸出重金属项目检测，检测结果如表4。
对比例5
生产制备飞灰-矿渣粉复合基地质聚合物胶凝材料时，原材料可浸出重金属的对比试验：
1)按照实施例1调制模数为1.3的复合激发剂；
2)以实施例3生产制备地质聚合物胶凝材料中飞灰及矿渣粉胶凝材料组分和复合激发剂组分为对比样品，称取飞灰及矿渣粉胶凝组分65份，复合激发剂组分35份，飞灰及矿渣粉胶凝组分置于2L提取瓶中；
3)按浸提剂体积与胶凝材料组分及复合激发剂组分的质量之比为10:1 (L/kg)计算出所需浸提剂的体积，将35份复合激发剂组分与所需浸提剂混匀后加入2L提取瓶中；
4)按照环境保护行业标准《固体废物浸出毒性浸出方法硫酸硝酸法》 HJ/T 299-2007的规定进行可浸出重金属项目检测，检测结果如表4。
对比例6
生产制备飞灰-矿渣粉复合基地质聚合物胶凝材料时，原材料可浸出重金属的对比试验：
1)按照实施例1调制模数为1.3的复合激发剂；
2)以实施例4生产制备地质聚合物胶凝材料中飞灰及矿渣粉胶凝材料组分和复合激发剂组分为对比样品，称取飞灰及矿渣粉胶凝组分86份，复合激发剂组分14份，飞灰及矿渣粉胶凝组分置于2L提取瓶中；
3)按浸提剂体积与胶凝材料组分及复合激发剂组分的质量之比为10:1 (L/kg)计算出所需浸提剂的体积，将14份复合激发剂组分与所需浸提剂混匀后加入2L提取瓶中；
4)按照环境保护行业标准《固体废物浸出毒性浸出方法硫酸硝酸法》 HJ/T 299-2007的规定进行可浸出重金属项目检测，检测结果如表4。
对比例7
生产制备飞灰-矿渣粉复合基地质聚合物胶凝材料时，原材料可浸出重金属的对比试验：
1)按照实施例5调制模数为1.5的复合激发剂；
2)以实施例5生产制备地质聚合物胶凝材料中飞灰及矿渣粉胶凝材料组分和复合激发剂组分为对比样品，称取飞灰及矿渣粉胶凝组分80份，复合激发剂组分20份，飞灰及矿渣粉胶凝组分置于2L提取瓶中；
3)按浸提剂体积与胶凝材料组分及复合激发剂组分的质量之比为10:1 (L/kg)计算出所需浸提剂的体积，将20份复合激发剂组分与所需浸提剂混匀后加入2L提取瓶中；
4)按照环境保护行业标准《固体废物浸出毒性浸出方法硫酸硝酸法》 HJ/T 299-2007的规定进行可浸出重金属项目检测，检测结果如表4。
对比例8
生产制备飞灰-矿渣粉复合基地质聚合物胶凝材料时，原材料可浸出重金属的对比试验：
1)按照实施例6调制模数为1.1的复合激发剂；
2)以实施例6生产制备地质聚合物胶凝材料中飞灰及矿渣粉胶凝材料组分和复合激发剂组分为对比样品，称取飞灰及矿渣粉胶凝组分80份，复合激发剂组分20份，飞灰及矿渣粉胶凝组分置于2L提取瓶中；
3)按浸提剂体积与胶凝材料组分及复合激发剂组分的质量之比为10:1 (L/kg)计算出所需浸提剂的体积，将20份复合激发剂组分与所需浸提剂混匀后加入2L提取瓶中；
4)按照环境保护行业标准《固体废物浸出毒性浸出方法硫酸硝酸法》 HJ/T 299-2007的规定进行可浸出重金属项目检测，检测结果如表4。
以下对比例9为复合激发剂在地聚物胶凝材料制备中，对原材料可浸出重金属影响的对比试验，也可说明地聚物胶凝材料对其原材料中重金属的稳定固化作用。
对比例9
生产制备飞灰-矿渣粉复合基地质聚合物胶凝材料中，复合激发剂影响的对比试验：
1)不称取复合激发剂的情况下，以实施例1、实施例3～实施例10生产制备地质聚合物胶凝材料中飞灰及矿渣粉胶凝组分组成为对比样品，称取飞灰及矿渣粉胶凝组分100份，置于2L提取瓶中；
2)按液固比为10:1(L/kg)计算加入浸提剂；
3)按照环境保护行业标准《固体废物浸出毒性浸出方法 硫酸硝酸法》 HJ/T 299-2007的规定进行可浸出重金属项目检测，检测结果如表4。
飞灰-矿渣粉复合基地质聚合物胶凝材料检测：
对实施例1～实施例10中生产制备的飞灰-矿渣粉复合基地质聚合物胶凝材料，按照环境保护行业标准《固体废物浸出毒性浸出方法 硫酸硝酸法》 HJ/T 299-2007进行试件14d的可浸出重金属项目检测，检测结果如表4。
表4生产制备飞灰-矿渣粉复合基地质聚合物胶凝材料的可浸出重金属
Figure BDA0001712400330000191
Figure BDA0001712400330000201
通过表4中对比例3、对比例5～对比例8和对比例9的结果对比，并结合表3数据分析可知，虽然所选工业水玻璃原料中可浸出重金属镍、锰、铜、铬远远高于飞灰中的量，但是复合激发剂的添加，可从两方面稳定原材料中的重金属，说明飞灰-矿渣粉复合基地质聚合物胶凝材料可实现飞灰中重金属的稳定固化处理。其中两方面包括：一是引起了可浸出重金属项目检测时酸环境条件的变化，二是复合激发剂添加到胶凝组分中后，在可浸出重金属项目检测过程中会初步形成地质聚合物材料的过渡性物质。
通过表4中实施例1～实施例10和对比例3～对比例8的分析，并结合表 3工业水玻璃中可浸出重金属镍、锰、铜、铬的影响分析可知，生产制备的飞灰-矿渣粉复合基地质聚合物胶凝材料能够对飞灰中的重金属元素进行稳定固化，使其可浸出重金属可以满足国家标准《水泥窑协同处置固体废物技术规范》GB 30760-2014中水泥熟料的限值要求。
按照国家标准《水泥胶砂流动度测定方法》GB/T 2419-2005、《水泥标准稠度用水量、凝结时间、安定性检验方法》GB/T 1346-2011、《水泥胶砂强度检验方法(ISO法)》GB/T17671-1999对实施例1～实施例10和对比例 1、对比例2中生产制备的飞灰-矿渣粉复合基地质聚合物胶凝材料进行流动度、凝结时间、安定性、强度性能检测，检测结果如表5。
表5生产制备飞灰-矿渣粉复合基地质聚合物胶凝材料的性能
Figure BDA0001712400330000211
以下实施例为对胶砂比制备参数和外加剂分别进行控制，对所生产制备飞灰-矿渣粉复合基地质聚合物砂浆的性能和可浸出重金属进行检测评价。
实施例11
飞灰-矿渣粉复合基地质聚合物砂浆生产制备：
1)按照实施例1调制模数为1.3的复合激发剂；
2)原料的控制：复合激发剂掺量为20％，先以Si/Al摩尔比为2.70、 Na/Si摩尔比为0.36，称取100.0份飞灰、矿渣粉、复合激发剂，Ca/Si摩尔比为0.89，再称取97.6份砂(胶砂比为0.82)，将称取的飞灰、矿渣粉、砂搅拌混合均匀；
3)称取拌合水32.0份(水料比为0.18)，将复合激发剂与拌合水混匀后，再加入到已混匀的飞灰及矿渣粉和砂中；
4)搅拌处理：采用强制式搅拌机搅拌10min得到飞灰-矿渣粉复合基地质聚合物砂浆拌合物；
5)试件成型养护：将制备好的飞灰-矿渣粉复合基地质聚合物砂浆拌合物装入试模中，采用人工插捣成型，试模置于温度20℃环境条件下静置24h 后拆模，试件于温度20℃、相对湿度60％的条件下养护至龄期得飞灰-矿渣粉复合基地质聚合物砂浆。
实施例12
飞灰-矿渣粉复合基地质聚合物砂浆生产制备：
1)按照实施例1调制模数为1.3的复合激发剂；
2)原料的控制：复合激发剂掺量为20％，先以Si/Al摩尔比为2.70、 Na/Si摩尔比为0.36，称取100.0份飞灰、矿渣粉、复合激发剂，Ca/Si摩尔比为0.89，再称取43.0份砂(胶砂比为1.86)，将称取的飞灰、矿渣粉、砂搅拌混合均匀；
3)称取拌合水27.1份(水料比为0.22)，将复合激发剂与拌合水混匀后，再加入到已混匀的飞灰及矿渣粉和砂中；
4)按照实施例11进行搅拌处理和试件成型养护得飞灰-矿渣粉复合基地质聚合物砂浆。
实施例13
飞灰-矿渣粉复合基地质聚合物砂浆生产制备：
1)按照实施例1调制模数为1.3的复合激发剂；
2)原料的控制：复合激发剂掺量为20％，先以Si/Al摩尔比为2.70、 Na/Si摩尔比为0.36，称取100.0份飞灰、矿渣粉、复合激发剂，Ca/Si摩尔比为0.89，再称取43.0份砂(胶砂比为1.86)，最后称取苏州弗克新型建材有限公司FOX-8H聚羧酸减水剂0.24份，将称取的飞灰、矿渣粉、砂、聚羧酸减水剂搅拌混合均匀；
3)称取拌合水24.6份(水料比为0.20)，将复合激发剂与拌合水混匀后，再加入到已混匀的飞灰及矿渣粉和砂等中；
4)按照实施例11进行搅拌处理和试件成型养护得飞灰-矿渣粉复合基地质聚合物砂浆。
以下对比例10为胶砂比制备参数对制备飞灰-矿渣粉复合基地质聚合物砂浆性能和可浸出重金属的对比检测。
对比例10
飞灰-矿渣粉复合基地质聚合物砂浆制备：
1)按照实施例1调制模数为1.3的复合激发剂；
2)原料的控制：复合激发剂掺量为20％，先以Si/Al摩尔比为2.70、 Na/Si摩尔比为0.36，称取100.0份飞灰、矿渣粉、复合激发剂，Ca/Si摩尔比为0.89，再称取242.4份砂(胶砂比为0.33)，将称取的飞灰、矿渣粉、砂搅拌混合均匀；
3)称取拌合水54.8份(水料比为0.17)，将复合激发剂与拌合水混匀后，再加入到已混匀的飞灰及矿渣粉和砂中；
4)按照实施例11进行搅拌处理和试件成型养护得飞灰-矿渣粉复合基地质聚合物砂浆。
飞灰-矿渣粉复合基地质聚合物砂浆检测：
对实施例11～实施例13和对比例10中生产制备的飞灰-矿渣粉复合基地质聚合物砂浆按照国家标准《预拌砂浆》GB/T 25181-2010中的规定进行保水率、1h稠度损失率、凝结时间、28d及56d收缩率、抗压强度、抗冻性检测，检测结果如表6。
表6生产制备飞灰-矿渣粉复合基地质聚合物砂浆的性能
Figure BDA0001712400330000241
根据表6的检测结果可知，实施例11～实施例13生产制备的飞灰-矿渣粉复合基地质聚合物砂浆的保水率、28d收缩率、抗压强度、抗冻性等满足国家标准《预拌砂浆》GB/T25181-2010中M10以上抹灰砂浆的要求，而对比例10生产制备的飞灰-矿渣粉复合基地质聚合物砂浆的抗压强度、抗冻性不能满足国家标准《预拌砂浆》GB/T 25181-2010中M10及以上抹灰砂浆的要求。
按照环境保护行业标准《固体废物浸出毒性浸出方法硫酸硝酸法》 HJ/T 299-2007的规定进行试件28d的可浸出重金属项目检测(检测结果如表7)，根据检测结果可知，生产制备的飞灰-矿渣粉复合基地质聚合物砂浆可浸出重金属完全满足国家标准《水泥窑协同处置固体废物技术规范》GB 30760-2014中对水泥熟料的限值要求，说明所生产制备的飞灰-矿渣粉复合基地质聚合物砂浆应用时可浸出重金属完全可以满足要求，表明飞灰-矿渣粉复合基地质聚合物砂浆对飞灰中的重金属元素进行了有效地稳定固化。
通过对物料有效成分元素组成、激发剂参数、用水量、养护温度、胶砂比等制备参数分别进行有效控制，制备飞灰-矿渣粉复合基地质聚合物胶凝材料和飞灰-矿渣粉复合基地质聚合物砂浆，并对其物理力学性能和可浸出重金属进行检测评价，保证了飞灰中重金属的稳定固化和飞灰资源化应用要求，以地质聚合物处理技术实现了飞灰的处置及资源化利用。
表7生产制备飞灰-矿渣粉复合基地质聚合物砂浆的可浸出重金属
Figure BDA0001712400330000251
Figure BDA0001712400330000261
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种制备地质聚合物胶凝材料的方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤一：对飞灰进行烘干、磨细预处理，使其含水率不大于1％，45μm方孔筛筛余质量分数 不大于20％或比表面积不低于300m2/kg；
步骤二：以Si/Al摩尔比为2.60～3.35、Na/Si摩尔比为0.30～0.50，Ca/Si摩尔比不大于0.95，取步骤一预处理后的飞灰、矿渣粉、复合激发剂混合均匀；
步骤三：加入拌合水，并充分搅拌得到净浆混合物，其中拌合水的质量与飞灰和矿渣粉的总质量的比为0.20～0.40；
步骤四：将净浆混合物进行入模，置于温度20℃～80℃、相对湿度50％～95％的条件下养护12h～72h后脱模；
步骤五：脱模后的试件置于温度20℃～60℃、相对湿度50％～95％的条件下养护后得地质聚合物胶凝材料。
2.根据权利要求1所述的制备地质聚合物胶凝材料的方法，其特征在于：复合激发剂为碳酸钠、氢氧化钠中的一种或两种与硅酸钠的混合物，复合激发剂的模数即二氧化硅摩尔数与氧化钠摩尔数的比值为1.0～1.6，复合激发剂掺量为飞灰与矿渣粉总质量的5％～40％。
3.根据权利要求1所述的制备地质聚合物胶凝材料的方法，其特征在于：飞灰为生活垃圾焚烧处理中在烟气净化***和热回收利用***收集得到的残留物，飞灰中氧化钙的质量分数不低于15％，二氧化硅的质量分数不低于5％，三氧化二铝的质量分数不低于2％。
4.根据权利要求1所述的制备地质聚合物胶凝材料的方法，其特征在于：制得的地质聚合物胶凝材料对于飞灰中的重金属元素包括铅、锌、镍、锰、铜、铬具有稳定固化作用。
5.一种制备地质聚合物砂浆的方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤一：对飞灰进行烘干、磨细预处理，使其含水率不大于1％，45μm方孔筛筛余质量分数不大于20％或比表面积不低于300m2/kg；
步骤二：以Si/Al摩尔比为2.60～3.35、Na/Si摩尔比为0.30～0.50，Ca/Si摩尔比不大于0.95，取步骤一预处理后的飞灰、矿渣粉、复合激发剂混合均匀，并按照飞灰和矿渣粉的质量之和与细骨料的质量比为0.82～4.00添加细骨料，混合均匀；
步骤三：加入拌合水，并充分搅拌得到地质聚合物砂浆，其中拌合水的质量与飞灰、矿渣粉、细骨料三者总质量的比为0.10～0.35。
6.根据权利要求5所述的制备地质聚合物砂浆的方法，其特征在于：复合激发剂为碳酸钠、氢氧化钠中的一种或两种与硅酸钠的混合物，复合激发剂的模数即二氧化硅摩尔数与氧化钠摩尔数的比值为1.0～1.6，复合激发剂掺量为飞灰与矿渣粉总质量的5％～40％。
7.根据权利要求5所述的制备地质聚合物砂浆的方法，其特征在于：飞灰为生活垃圾焚烧处理中在烟气净化***和热回收利用***收集得到的残留物，飞灰中氧化钙的质量分数不低于15％，二氧化硅的质量分数不低于5％，三氧化二铝的质量分数不低于2％。
8.根据权利要求5所述的制备地质聚合物砂浆的方法，其特征在于：制得的地质聚合物砂浆对于飞灰中的重金属元素包括铅、锌、镍、锰、铜、铬具有稳定固化作用。
9.根据权利要求5所述的制备地质聚合物砂浆的方法，其特征在于：地质聚合物砂浆应用时，养护的时间不少于14d。
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