CN109336428A - 层布式水泥与mswi底灰碱激发双胶凝体系材料制备方法 - Google Patents

层布式水泥与mswi底灰碱激发双胶凝体系材料制备方法 Download PDF

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Abstract

层布式水泥与MSWI底灰碱激发双胶凝体系材料制备方法。以磨细MSWI底灰微粉为主要原料，辅以适量磨细高炉粒化矿渣、磨细熟石灰粉，同时结合水泥制成双胶凝体系材料。双胶凝体系材料采用分层法浇筑，可以消除水泥与MSWI底灰碱激发材料的不兼容问题。同时水泥材料“外包”与MSWI底灰碱激发材料“内含”的方式不仅可以充分发挥水泥材料高强度与耐久性优良的特点，而且还能实现MSWI底灰的资源化利用，变废为宝，充分发挥双胶凝体系材料的优点，达到取长补短的目的。因此，层布式水泥与MSWI底灰碱激发双胶凝体系材料是一种高强、耐久性优良以及节能环保的绿色建筑材料。

Description

层布式水泥与MSWI底灰碱激发双胶凝体系材料制备方法
技术领域
本发明涉及一种绿色环保的层布式水泥与MSWI底灰碱激发双胶凝体系材料制备方法。
背景技术
水泥混凝土具有强度高、抗冻性好、可塑性强、耐久性优良等优点。然而水泥的生产与使用带来了严重的高耗能、高污染问题。所以人们开始迫切的研发一种高性能、低能耗、无污染的建筑材料，以替代对水泥材料的需求。MSWI底灰是城市生活垃圾焚烧的产物，是一种可回收利用资源。以MSWI底灰为原材料制备碱激发材料不仅可以实现底灰的资源化利用，变废为宝，而且可部分代替水泥，既可以消除MSWI底灰大量堆积所造成的环境污染问题，又可以缓解对水泥的过度依赖，减少对不可再生资源的过度消耗。然而MSWI底灰碱激发材料具有耐久性不足的缺点(尤其是抗碳化能力与耐磨性)，严重阻碍了MSWI底灰碱激发材料在工程中的应用。
水泥与MSWI底灰碱激发材料都具有各自的优缺点，研发一种水泥与MSWI底灰碱激发双胶凝体系材料，充分发挥水泥与MSWI底灰碱激发材料各自的优势，弥补各自的缺陷，能够达到取长补短的目的。因此进行双胶凝体系材料的研究，既可以消除MSWI底灰大量堆积所造成的环境污染问题，又可以缓解对水泥的过度依赖，减少对不可再生资源的过度消耗，对于我国这样一个能源紧缺和环境污染比较严重的国家具有重要的意义。然而研究表明，水泥材料的水化反应机理完全不同于碱激发材料的聚合反应机理，造成水泥与MSWI底灰碱激发材料不兼容，无法发挥出水泥与MSWI底灰碱激发材料的优点。
因此，本专利采用分层浇筑法制备水泥与MSWI底灰碱激发双胶凝体系材料，通过合理设计水泥与MSWI底灰碱激发材料配合比，确保水泥的水化反应与MSWI底灰碱激发材料的聚合反应顺利进行，互不干扰。实现水泥材料与MSWI碱激发材料的兼容性，使双胶凝体系材料同时具备水泥与MSWI底灰碱激发材料的优点，达到取长补短的目的。
发明内容
层布式水泥与MSWI底灰碱激发双胶凝体系材料制备方法，其特征是：原料组成及其质量百分比如下：水泥胶凝材料占凝胶总量的20％-60％(掺量117.2-351.5kg/m3)，MSWI碱激发材料占凝胶总量的80％-40％(掺量468.7-234.3kg/m3)。其中碱激发胶凝材料为磨细MSWI底灰20％-60％(掺量273.4-132.8kg/m3)；磨细高炉粒化矿渣80％-40％(掺量183.6-89.8kg/m3)；磨细熟石灰粉2％(掺量11.7kg/m3)；细骨料为中粗砂(掺量1757.7kg/m3)；模数为1-3的液态水玻璃(掺量125-62.5kg/m3)；片碱(NaOH掺量26-13kg/m3)；水(掺量188.8-240.9kg/m3)；
制备方法包括：MSWI底灰的破碎工艺、粉磨工艺、称量配料及混合工艺以及双胶凝体系材料的制备与浇筑工艺，具体方法如下：
(1)破碎工艺：MSWI底灰是城市生活垃圾焚烧后的产物，双胶凝体系材料中使用的MSWI底灰微粉经过烘干与破碎工艺。即MSWI底灰原料在60℃条件下持续烘干2小时，再采用破碎机破碎到直径d≤5mm的微粒。
(2)粉磨工艺：经过破碎的MSWI底灰微粒再经球磨机粉磨0.5小时，即可作为胶凝材料使用(比表面积达到400m2/kg，粒径小于30μm的MSWI底灰颗粒占总质量的90％以上)。高炉粒化矿渣微粉为S95级，比表面积为400m2/kg。熟石灰粉为工业级，密度约为2.7g/cm3，比表面积为300m2/kg。细骨料为级配良好中粗砂，细度模数为2.7；
(3)称量配料及混合工艺：首先将称量好的片碱放入到试验用水(2)中，按表1原料配方加入MSWI底灰，搅拌均匀形成MSWI底灰浆体，将浆体静置冷却4小时；然后按表1原料配方将矿渣与熟石灰粉进行称量配料并放入混料机中混合2分钟。
(4)制备工艺：将称量好的水泥置于搅拌锅中，按表1配方加入试验用水(1)，先慢搅10秒然后快搅20秒。然后加入试验用砂(1)并快搅60秒即可准备成型。在拌制水泥砂浆的同时将静置冷却4小时的MSWI底灰浆体放入另一个搅拌锅中，加入混合均匀的矿渣与熟石灰粉，先慢搅10秒然后快搅20秒。然后再加入液态水玻璃与试验用砂(2)并快搅60秒即可准备成型。
(5)浇筑工艺：首先将搅拌完成的水泥砂浆浇筑到模具中(40mm×40mm×160mm)，浇筑量为水泥砂浆总量的一半，然后开启振动台，持续振动15秒，将水泥砂浆内的空气排出。然后将全部的MSWI底灰碱激发材料浇筑到模具中，持续振动30秒。最后将剩余的水泥砂浆浇筑到模具中，持续振动15秒。振动过程中水泥砂浆与MSWI底灰碱激发材料分层状态明显，不会发生彼此混入对方的现象。
有益效果：由于采用了上述方案，所述的层布式水泥与MSWI底灰碱激发双胶凝体系材料具有以下有益效果：
1)消除水泥与MSWI底灰碱激发材料不兼容问题
水泥的水化反应需要在pH值13.0左右的环境中进行，而MSWI底灰碱激发材料的聚合反应需要在高碱度环境中进行(pH值14.5左右)。高碱度环境能够促进活性物质的溶出与聚合产物的形成(C-S-H与C-A-S-H凝胶)，有利于碱激发材料强度的发展。当采用混合浇筑法时，碱激发材料的高碱度环境严重影响水泥的水发反应，抑制水化产物(C-S-H凝胶)的形成，导致水泥性能的下降。同时水泥的掺入将明显降低聚合反应环境的碱度，阻碍聚合反应的进行与聚合产物的形成，导致碱激发材料性能骤降，因此混合浇筑法导致双胶凝体系材料不兼容，无法发挥水泥与MSWI底灰碱激发材料的优点。
层布式浇筑法将水泥与MSWI底灰碱激发材料分层浇筑，确保双胶凝体系材料中水泥与MSWI底灰碱激发材料不发生混合，有利于水化反应与聚合反应的独立进行，互不干扰。同时在水泥与MSWI底灰碱激发材料的过度面，水泥水化生成的Ca(OH)2可以为碱激发材料提供大量的活性钙，碱激发材料的聚合反应吸收Ca(OH)2不仅可以促进聚合产物的形成，有利于碱激发材料强度的发展，而且可以消除Ca(OH)2沉积对水泥胶砂强度的影响。因此在双胶凝体系的过度面不仅没有减弱，反而得到加强。综上，层布式双胶凝体系材料消除了水泥与MSWI底灰碱激发材料的兼容性问题，充分发挥水泥与MSWI底灰碱激发材料的优点，达到取长补短的目的。
2)充分发挥水泥与MSWI底灰碱激发材料的优点，弥补各自的缺陷
层布式水泥与MSWI底灰碱激发双胶凝体系材料采用水泥胶砂外包裹，可以充分发挥水泥材料强度高、耐久性(抗碳化能力与耐磨性)优良的特点，弥补了MSWI底灰碱激发材料抗碳化能力与耐磨性不足的缺陷。采用MSWI底灰碱激发材料内含，可以发挥MSWI底灰碱激发材料强度高、节能环保的优点，缓解对水泥的过度依赖，减少对不可再生资源的过度消耗，减轻水泥生产带来的高耗能、高污染问题。
3)低碳环保、废物利用
MSWI底灰是城市生活垃圾焚烧的产物，是一种可回收利用的固体废弃物，但目前MSWI底灰的处理方式主要为填埋。层布式水泥与MSWI底灰碱激发双胶凝体系材料的开发与应用，可以实现MSWI底灰的大规模安全消纳与资源化回收利用，消除MSWI底灰大量堆积所造成的环境污染问题，缓解MSWI底灰填埋处理过程中消耗大量的人力与物力资源，减少对土地资源的占用。
4)显著的环境效益和社会效益
采用城市生活垃圾焚烧产物—MSWI底灰为主要原料，辅掺矿渣、熟石灰等并结合水泥制备层布式水泥与MSWI底灰碱激发双胶凝体系材料，不仅可以减缓水泥生产对石灰石、黏土资源的过快消耗，减轻水泥生产带来的高污染问题。同时可以变废为宝，逐步消除废弃MSWI底灰堆积所带来的种种环境污染问题，所产生的环境效益和社会效益将无法估量。
优点：本发明通过一定的制备与浇筑工艺将城市生活垃圾焚烧产物—MSWI底灰，经过破碎、粉磨并制成MSWI底灰微粉，同时辅掺矿渣、熟石灰粉并结合水泥制备层布式水泥与MSWI底灰碱激发双胶凝体系材料，消除了水泥与MSWI底灰碱激发材料的兼容性问题，确保双胶凝体系材料同时具备水泥与MSWI底灰碱激发材料的优点，达到取长补短的目的，实现了MSWI底灰废弃物在建筑材料中的运用。同时该胶凝材料可以应用于混凝土拌合料的制作，能够减缓水泥生产对石灰石与黏土资源的过快消耗，变废为宝，逐步缓解生产水泥所带来的种种环境污染问题，提高MSWI底灰的利用率、保护环境、具有显著的环境效益和社会效益。
具体实施方式
实施例1：层布式水泥与MSWI底灰碱激发双胶凝体系材料的制备方法，其特征是：原料组成及其质量百分比如下：水泥胶凝材料占凝胶总量的20％(掺量117.2kg/m3)，MSWI底灰碱激发材料占凝胶总量的80％(掺量468.7kg/m3)。其中碱激发胶凝材料为磨细MSWI底灰58％(掺量273.4kg/m3)；磨细高炉粒化矿渣32％(掺量183.6kg/m3)；磨细熟石灰粉2％(掺量11.7kg/m3)；细骨料为中粗砂(掺量1757.7kg/m3)；模数为2.75的液态水玻璃(掺量125kg/m3)；片碱(NaOH掺量26kg/m3)；水(掺量188.8kg/m3)；
实施例2：层布式水泥与MSWI底灰碱激发双胶凝体系材料的制备方法，其特征是：原料组成及其质量百分比如下：水泥胶凝材料占凝胶总量的40％(掺量234.4kg/m3)，MSWI底灰碱激发材料占凝胶总量的60％(掺量351.5kg/m3)。其中碱激发胶凝材料为磨细MSWI底灰35％(掺量203.1kg/m3)；磨细高炉粒化矿渣23％(掺量136.7kg/m3)；磨细熟石灰粉2％(掺量11.7kg/m3)；细骨料为中粗砂掺量(1757.7kg/m3)；模数为2.75的液态水玻璃(掺量93.7kg/m3)；片碱(NaOH掺量19.5kg/m3)；水(掺量214.8kg/m3)；
实施例3：层布式水泥与MSWI底灰碱激发双胶凝体系材料的制备方法，其特征是：原料组成及其质量百分比如下：水泥胶凝材料占凝胶总量的60％(掺量351.5kg/m3)，MSWI底灰碱激发材料占凝胶总量的40％(掺量234.3kg/m3)。其中碱激发胶凝材料为磨细MSWI底灰23％(掺量132.8kg/m3)；磨细高炉粒化矿渣15％(掺量89.8kg/m3)；磨细熟石灰粉2％(掺量11.7kg/m3)；细骨料为中粗砂(掺量1757.7kg/m3)；模数为2.75的液态水玻璃(掺量62.5kg/m3)；片碱(NaOH掺量13kg/m3)；水(掺量240.9kg/m3)；
表1双胶凝体系材料试件配合比(g)
制备方法包括：MSWI底灰的破碎工艺、粉磨工艺、称量配料及混合工艺以及双胶凝体系材料的制备与浇筑工艺，具体方法如下：
(1)破碎工艺：MSWI底灰是城市生活垃圾焚烧后的产物，双胶凝体系材料中使用的MSWI底灰微粉经过烘干与破碎工艺。即MSWI底灰原料在60℃条件下持续烘干2小时，再采用破碎机破碎到直径d≤5mm的微粒。
(2)粉磨工艺：经过破碎的MSWI底灰微粒再经球磨机粉磨0.5小时，即可作为胶凝材料使用(比表面积为400m2/kg，粒径小于30μm的粉煤灰颗粒占总质量的90％以上)。高炉粒化矿渣微粉为S95级，比表面积为400m2/kg。熟石灰粉为工业级，密度约为2.7g/cm3，比表面积为300m2/kg。细骨料为级配良好中粗砂，细度模数为2.7；
(3)称量配料及混合工艺：首先将称量好的片碱放入到试验用水(2)中，按表1原料配方加入MSWI底灰，搅拌均匀形成MSWI底灰浆体，将浆体静置冷却4小时；然后按表1原料配方将矿渣与熟石灰粉进行称量配料并放入混料机中混合2分钟。
(4)制备工艺：将称量好的水泥置于搅拌锅中，按表1配方加入试验用水(1)，先慢搅10秒然后快搅20秒。然后加入试验用砂(1)并快搅60秒即可准备成型。在拌制水泥砂浆的同时将静置冷却4小时的MSWI底灰浆体放入另一个搅拌锅中，加入混合均匀的矿渣与熟石灰粉，先慢搅10秒然后快搅20秒。然后再加入液态水玻璃与试验用砂(2)并快搅60秒即可准备成型。
(5)浇筑工艺：首先将搅拌完成的水泥砂浆浇筑到模具中(40mm×40mm×160mm)，浇筑量为水泥砂浆总量的一半，然后开启振动台，持续振动15秒，将水泥砂浆内的空气排出。然后将全部的MSWI底灰碱激发材料浇筑到模具中，持续振动30秒。最后将剩余的水泥砂浆浇筑到模具中，持续振动15秒。振动过程中水泥砂浆与MSWI底灰碱激发材料分层状态明显，不会发生彼此混入对方的现象。

Claims (1)

1.层布式水泥与MSWI底灰碱激发双胶凝体系材料制备方法，其特征是：原料组成及其质量百分比如下：水泥胶凝材料占凝胶总量的20％-60％(掺量117.2-351.5kg/m3)，MSWI碱激发材料占凝胶总量的80％-40％(掺量468.7-234.3kg/m3)。其中碱激发胶凝材料为磨细MSWI底灰20％-60％(掺量273.4-132.8kg/m3)；磨细高炉粒化矿渣80％-40％(掺量183.6-89.8kg/m3)；磨细熟石灰粉2％(掺量11.7kg/m3)；细骨料为中粗砂(掺量1757.7kg/m3)；模数为1-3的液态水玻璃(掺量125-62.5kg/m3)；片碱(NaOH掺量26-13kg/m3)；水(掺量188.8-240.9kg/m3)；
制备方法包括：MSWI底灰的破碎工艺、粉磨工艺、称量配料及混合工艺以及双胶凝体系材料的制备与浇筑工艺，具体方法如下：
(1)破碎工艺：MSWI底灰是城市生活垃圾焚烧后的产物，双胶凝体系材料中使用的MSWI底灰微粉经过烘干与破碎工艺；即MSWI底灰原料在60℃条件下持续烘干2小时，再采用破碎机破碎到直径d≤5mm的微粒；
(2)粉磨工艺：经过破碎的MSWI底灰微粒再经球磨机粉磨0.5小时，即可作为胶凝材料使用(比表面积达到400m2/kg，粒径小于30μm的MSWI底灰颗粒占总质量的90％以上)；高炉粒化矿渣微粉为S95级，比表面积为400m2/kg；熟石灰粉为工业级，密度约为2.7g/cm3，比表面积为300m2/kg。细骨料为级配良好中粗砂，细度模数为2.7；
(3)称量配料及混合工艺：首先将称量好的片碱放入到试验用水(2)中，按表1原料配方加入MSWI底灰，搅拌均匀形成MSWI底灰浆体，将浆体静置冷却4小时；然后按表1原料配方将矿渣与熟石灰粉进行称量配料并放入混料机中混合2分钟。
(4)制备工艺：将称量好的水泥置于搅拌锅中，按表1配方加入试验用水(1)，先慢搅10秒然后快搅20秒。然后加入试验用砂(1)并快搅60秒即可准备成型。在拌制水泥砂浆的同时将静置冷却4小时的MSWI底灰浆体放入另一个搅拌锅中，加入混合均匀的矿渣与熟石灰粉，先慢搅10秒然后快搅20秒。然后再加入液态水玻璃与试验用砂(2)并快搅60秒即可准备成型。
(5)浇筑工艺：首先将搅拌完成的水泥砂浆浇筑到模具中(40mm×40mm×160mm)，浇筑量为水泥砂浆总量的一半，然后开启振动台，持续振动15秒，将水泥砂浆内的空气排出。然后将全部的MSWI底灰碱激发材料浇筑到模具中，持续振动30秒。最后将剩余的水泥砂浆浇筑到模具中，持续振动15秒。振动过程中水泥砂浆与MSWI底灰碱激发材料分层状态明显，不会发生彼此混入对方的现象。
表1 双胶凝体系材料胶砂试件配合比(g)
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