CN113896460A - 垃圾焚烧飞灰固化体浇筑材料、制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种垃圾焚烧飞灰固化体浇筑材料，主要由以下重量份的原料制成：焚烧飞灰35‑75份、碱性激发剂12‑18份、尾矿10‑32份、水15‑30份。垃圾焚烧飞灰固化体浇筑材料的制备过程为将各原料按顺序混合搅拌即可。本发明还公开了垃圾焚烧飞灰固化体浇筑材料及制备方法在防沙固沙领域的应用。本发明提供的垃圾焚烧飞灰固化体浇筑材料硬化速度快、便于施工造型，其可用于制作沙漠或者隔壁地区的防护建筑，由其制备的防护建筑造价低、寿命长、环保价值高、防沙效益高。
Description
技术领域
本发明涉及防沙、固沙技术领域，尤其涉及一种垃圾焚烧飞灰固化体浇筑材料、制备方法和应用。
背景技术
随着我国西部地区经济建设的迅猛发展，铁路、公路、城市开发等基础设施建设在我国西北沙漠、戈壁等地区广泛展开。而风沙对铁路、公路的危害比较严重，如不采取必要的防护措施，铁路、公路等基础设施将会受到严重的损害，甚至还会影响到其他基础设施的安全运营。目前，现有的工程阻沙措施主要包括固沙措施和阻沙措施，其中阻沙措施运用较为普遍，阻沙措施主要包括混凝土插板式挡沙墙、混凝土挂板式挡沙墙、轨枕式挡沙墙、铃铛式挡沙墙、高立PE网沙障、芦苇挡沙栅栏等，这些工程防沙措施在既有铁路、公路等风沙灾害防治工程中起到了一定的作用，但普遍存在施工难度大、造价高、防沙效益低等问题。尤其是在“百里风区”、“烟墩风区”等大风区进行防沙时，一般结构的阻沙措施其耐久性及稳定性较差，而虽然轨枕式挡沙墙和混凝土挡沙墙其耐久性强、结构稳定，但是存在成本较高等问题而无法得到大面积的推广。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中所述的缺陷，从而提供一种垃圾焚烧飞灰固化体浇筑材料、制备方法和应用，该垃圾焚烧飞灰固化体浇筑材料硬化速度快、便于施工造型，其可用于制作沙漠或者隔壁地区的防护建筑，由其制备的防护建筑造价低、寿命长、环保价值高、防沙效益高。
为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种垃圾焚烧飞灰固化体浇筑材料，主要由以下重量份的原料制成：
焚烧飞灰35-75份、碱性激发剂12-18份、尾矿10-32份、水15-30份。
作为一种可实施的方式，所述垃圾焚烧飞灰固化体浇筑材料，主要由以下重量份的原料制成：
焚烧飞灰55份、碱性激发剂15份、尾矿27份、水25份。
本申请以焚烧飞灰和尾矿两种固体废物为主料，充分利用焚烧飞灰中含有的大量的硅和钙元素，以及尾矿(例如赤泥、煤矸石)中含有的大量铝元素，在碱性激发剂的作用下，根据地聚化学原理，形成硅-氧四面体和铝-氧四面体的微观物理结构，快速成型为高强度较、耐腐蚀性的挡沙材料。该挡沙材料的结构极其稳定，且对污染有较好的固化、化合和包埋作用。其由上述组分的原料组成，不仅硅铝混掺比例合理，能形成化学结构稳定的地聚化合物，而且焚烧飞灰的掺比最高可做到70％，最大程度的实现废物利用，当然也可以在所述的配比范围内适当降低飞灰掺比，同时提高尾矿的比例，获取性能更为优越的挡沙材料，同时可再辅以外掺剂，灵活调整获取更高标准的挡沙材料。
作为一种可实施的方式，所述碱性激发剂为苛性碱、含碱性元素的硅酸盐、铝酸盐、磷酸盐、硫酸盐、碳酸盐或氢氧化钙中的一种或多种。
作为一种可实施的方式，所述尾矿为赤泥和/或煤矸石。
赤泥亦称红泥，是从铝土矿中提炼氧化铝后排出的工业固体废物。一般含氧化铁量大，外观与赤色泥土相似，因而得名。赤泥是制铝工业提取氧化铝时排出的污染性废渣，一般平均每生产1吨氧化铝，附带产生1.0～2.0吨赤泥。赤泥中含有多种微量元素，而放射性主要来自于镭、钍、钾，一般内外照白指数均在2.0以上，所以属于危险固体废物。中国作为世界第四大氧化铝生产国，每年排放的赤泥高达数百万吨。大量的赤泥不能充分有效的利用，只能依靠大面积的堆场堆放，占用了大量土地，也对环境造成了严重的污染。全世界每年产生的赤泥约7000万吨，我国每年产生的赤泥为3000万吨以上。大量的赤泥的产生已经对人类的生产、生活造成多方面的直接和间接的影响，所以最大限度的减少赤泥的产量和危害，实现多渠道、大数量的资源化已迫在眉睫。
煤矸石是采煤过程和洗煤过程中排放的固体废物，是一种在成煤过程中与煤层伴生的一种含碳量较低、比煤坚硬的黑灰色岩石。包括巷道掘进过程中的掘进矸石、采掘过程中从顶板、底板及夹层里采出的矸石以及洗煤过程中挑出的洗矸石。其主要成分是Al2O3、SiO2，另外还含有数量不等的Fe2O3、 CaO、MgO、Na2O、K2O、P2O5、SO3和微量稀有元素(镓、钒、钛、钴)。煤矸石弃置不用，占用大片土地。煤矸石中的硫化物逸出或浸出会污染大气、农田和水体。矸石山还会自燃发生火灾，或在雨季崩塌，淤塞河流造成灾害。中国积存煤矸石达10亿吨以上，每年还将排出煤矸石1亿吨。
作为一种可实施的方式，所述垃圾焚烧飞灰固化体浇筑材料还包括1-5 重量份的外掺剂，所述外掺剂为膨胀剂和/或流动剂。膨胀剂的添加可以避免固化体浆料在成型过程中产生裂隙，流动剂的添加可以提高固化体浇筑材料的强度和干化时间。
作为一种可实施的方式，所述外掺剂为质量比为1.6-2.4:1的膨胀剂与流动剂的混合物，优选所述外掺剂为质量比为2:1的膨胀剂与流动剂的混合物。当膨胀剂与流动剂的质量比高于2:1时，膨胀剂效果不明显，由于尾矿中包含的铝、钙、硅、铁等元素，过量参加膨胀剂会与其他材料产生屏蔽效应。当膨胀剂与流动剂的质量比低于2:1时，由于膨胀剂掺量较少，可能达不到补偿收缩的要求。
作为一种可实施的方式，所述膨胀剂为硫铝酸钙类混凝土膨胀剂或氧化钙类混凝土膨胀剂，所述流动剂为混凝土减水剂或早强剂。
膨胀剂是一种可以通过理化反应引起体积膨胀的材料，通常呈固态粉末状，其用途不在于粘合，较为常见的有混凝土膨胀剂、耐火材料膨胀剂。混凝土与不定形耐火材料硬化过程中，常因为原材料本身的收缩特性造成开裂。引用膨胀剂是为了引入定量的体积膨胀，补偿材料本身的收缩值，防止材料出现收缩开裂，影响其结构、功能与外观。复合材料的强度是从零到有的过程，其收缩主要也出现在前期硬化过程，此时给予一定值域的膨胀，即可带来有利的结果。而到了硬化后期，复合材料强度与结构形态已经趋于稳定，体积膨胀不但无法带来有利结果，反而会引发结构破坏。通常分内掺、外掺两种。内掺外掺描述的是一种材料用量计算方式，内掺就是“计算配比时把膨胀剂当作胶凝材料看”，外掺就是在原配比之外定量加入，通常需要因此少量增加减水剂用量。
在本申请中流动剂作用主要为提高固化浆料的凝结时间，并增加材料的抗压强度，由于沙地地区雨水资源缺乏，气候干旱，养护相对较为困难。因此。增加早强剂和减水剂可快速促进浆料成型并达到足够的强度，以此来保证产品质量达到要求。
混凝土减水剂是建材的一种化学助剂，化学名称为：亚甲基二甲基二萘磺酸钠聚合物。通常是以甲基萘和三氧化硫为原料，经磺化、缩合、中和等反应，最后经干燥得成品。
早强剂是指能提高混凝土早期强度，并且对后期强度无显著影响的外加剂。早强剂的主要作用在于加速水泥水化速度，促进混凝土早期强度的发展；既具有早强功能，又具有一定减水增强功能。早强剂按照化学成分可分为强电解质无机盐类、水溶性有机物类、有机类和无机物复合的复合早强剂三类。
一种制备垃圾焚烧飞灰固化体浇筑材料的方法，包括以下步骤：
(1)将碱性激发剂溶于水中，配制为碱性激发剂溶液；
(2)将垃圾焚烧飞灰、尾矿和水混合搅拌，得混合物料；
(3)将所述碱性激发剂溶液与所述混合物料进行混拌，得垃圾焚烧飞灰固化体浇筑材料。
作为一种可实施的方式，还可以在步骤(2)中添加外掺剂，所述外掺剂与所述垃圾焚烧飞灰的质量比为0.01-0.1：1。
作为一种可实施的方式，所述外掺剂为膨胀剂和/或流动剂。优选地，所述膨胀剂为硫铝酸钙类混凝土膨胀剂或氧化钙类混凝土膨胀剂，所述流动剂为混凝土减水剂或早强剂；优选地，所述外掺剂由膨胀剂和流动剂混合而成，所述膨胀剂和流动剂的质量比为2:1。
本发明还提供了所述垃圾焚烧飞灰固化体浇筑材料，用作制备沙漠、戈壁地区的防护建筑。本发明的垃圾焚烧飞灰固化体浇筑材料硬化时间短、硬化后强度高，由其制备成的防护建筑优越于混凝土制成的挡沙墙等防护建筑，施工后不需要任何养护与维护，成型后具有如天然岩石一样的硬度、耐久度和热稳定性，使用寿命超越千年。
在一些实施例中，所述防护建筑为挡沙墙、公路覆盖层或浇筑公路。本发明的垃圾焚烧飞灰固化体浇筑材料可以根据需要施工成不同尺寸、不同形状或不同构造的防护建筑，可以为立式的挡沙墙，也可以为平铺的浇筑公路，或者覆盖在风沙地区受损公路上方的覆盖层。
在一些实施例中，所述防护建筑的制备方法包括以下步骤：
S1、采集现场全景信息，建立沿线地理信息的管理系统，并进行有限元分析，优化设计出防护建筑的施工图纸；
S2、在所述管理系统的控制下，根据所述施工图纸直接在现场的指定位置进行往返浇筑；
S3、浇筑完成后，硬化6-10h，即可得到所述防护建筑。
有限元分析(FEA，Finite Element Analysis)是利用数学近似的方法对真实物理系统(几何和载荷工况)进行模拟。利用简单而又相互作用的元素，即单元，就可以用有限数量的未知量去逼近无限未知量的真实系统。有限元分析是用较简单的问题代替复杂问题后再求解。它将求解域看成是由许多称为有限元的小的互连子域组成，对每一单元假定一个合适的(较简单的)近似解，然后推导求解这个域总的满足条件(如结构的平衡条件)，从而得到问题的解。这个解不是准确解，而是近似解，因为实际问题被较简单的问题所代替。由于大多数实际问题难以得到准确解，而有限元不仅计算精度高，而且能适应各种复杂形状，因而成为行之有效的工程分析手段。
在一些实施例中，S1中所述全景信息通过地理信息系统采集整个施工地区表层空间中的相关地理分布数据获得，所述地理信息系统会再对所述全景信息进行储存、管理形成GIS数据库，并在GIS数据库的基础上建立所述防护建筑的管理系统，以对所述防护建筑的沿线地理信息进行综合管理。
在一些实施例中，S1中所述优化设计为采用计算机辅助设计进行数值计算和图形处理，得到所述防护建筑的图形显示输出。
计算机辅助设计(ComputerAided Design)简称CAD，由计算机自动产生的设计结果，可以快速作出图形，使设计人员及时对设计作出判断和修改；利用计算机可以进行与图形的编辑、放大、缩小、平移、复制和旋转等有关的图形数据加工工作。其系统通常以具有图形功能的交互计算机系统为基础，主要设备有计算机主机、图形显示终端、图形输入板、绘图仪、扫描仪、打印机、磁带机以及各类软件。
在一些实施例中，S2中所述往返浇筑采用智能摊铺机进行，所述智能摊铺机与所述地理信息系统信号连接，包括控制系统和摊铺执行部，所述控制系统用于根据所述地理信息系统的数据信息将所述摊铺执行部的各个动作进行联动，同时自动检测、反馈调节防护建筑的密实度和平整度，并对防护建筑的进程进行监控和检测。
本发明还提供所述方法，或者所述垃圾焚烧飞灰固化体浇筑材料，在沙漠、戈壁地区的防沙中的应用。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明对工业固体废弃物进行资源化利用，不仅能减少环境污染，还可为建材原料开辟出一条新的途径。本申请以垃圾焚烧飞灰为主要原料，碱溶液作为碱性激发剂，在适当的水灰比下，制备出了高性能的飞灰固化体浇筑材料，该垃圾焚烧飞灰固化体浇筑材料聚合后的终产物具有牢笼型的结构，能有效的固定所有重金属离子。不仅可最大限度地减少资源和能源的消耗，而且最大限度地消耗掉垃圾焚烧飞灰固体废物，同时最大限度地提高了固体废物资源的综合利用，取得巨大的环境和经济效益。其效果类似水泥却优于水泥，采用该材料施工具有快硬早强的优点，经验证，在20℃条件下硬化4h，其强度可达15-20MPa，由该垃圾焚烧飞灰固化体浇筑材料摊铺的场地，2h即可步行，6h即可通车，安定性良好。
该垃圾焚烧飞灰固化体浇筑材料制备可应用于沙漠、戈壁地区等的固沙领域，制备为如挡沙墙、公路等的防护建筑，由其制备成的防护材料相对于水泥等混凝土材料来说，造价低、功能强大、使用寿命长、环保价值高、防沙效益高，以防护公路为例，其制备方法与采用混凝土制备的路面不同的是，在制备过程中无需在路面内部布置横向纵向钢筋网络、无需整平碾压处理地基、无需安设模板等步骤，直接采用工程机械进行往返浇筑即可。本申请中防护建筑的浇筑方法还结合了如地理信息系统、计算机辅助设计、智能摊铺机等设备和手段进行智能化铺设，可全过程监控垃圾焚烧飞灰固化体浇筑材料的生产及防护建筑的浇筑等，实时记录统计数据，不需要人工去做任何操作，包括作业人员所有的信息均可在智能终端(如手机、电脑、平板等)上查看得到，省时省力。
附图说明
在阅读通过非限制性实例示出的实施方案的以下详细描述时，可很好地理解本发明，并且本发明的优点更清楚地呈现。所述描述参考随图，其中：
图1为本发明一个实施例所提供的挡沙墙的结构示意图；
图2为本发明另一个实施例所提供的公路的结构示意图。
具体实施方式
下面通过具体实施方式进一步详细说明，在下述实施例中，若无特别指出，则1份代指1g：
实施例1
本实施例提供了一种垃圾焚烧飞灰固化体浇筑材料，其组分如下表所示：
| 焚烧飞灰 | 苛性碱 | 尾矿 | 水 |
| 60份 | 12份 | 28份 | 20份 |
在本实施例中，垃圾焚烧飞灰来自生活垃圾焚烧厂，成分主要为氧化硅、氧化钙等，苛性碱为市售产品，尾矿为赤泥。
所述垃圾焚烧飞灰固化体浇筑材料的制备方法为：
S1、将碱性激发剂溶于水中，配制为碱液；
S2、将垃圾焚烧飞灰与赤泥和和水按照上表配比进行混合搅拌，得混合物料；
S3、将碱性激发剂溶液与混合物料一起按比例搅拌，便可得到垃圾焚烧飞灰固化体浇筑材料。
实施例2
与实施例1不同的是，本实施中垃圾焚烧飞灰固化体浇筑材料的组分如下表所示：
在本实施例中，外掺剂由膨胀剂和流动剂混合而成，二者的质量比为2:1，外掺剂相对于焚烧飞灰的重量比为0.05：1，其中，膨胀剂为硫铝酸钙，流动剂为市售的早强剂。
在制备方法的S2步骤中加入外掺剂，即在加入激发剂前加入，能够使其充分与本申请的其他材料进行化合反应，提高产品的性能。
实施例3
与实施2不同的是，本实施中垃圾焚烧飞灰固化体浇筑材料的组分如下表所示：
在本实施例中，外掺剂由膨胀剂和流动剂混合而成，二者的质量比为2:1，外掺剂相对于焚烧飞灰的重量比为0.05：1，其中，膨胀剂为硫铝酸钙，流动剂为市售的早强剂，相对于实施例2，本实施例增加了煤矸石，相对减少了焚烧飞灰的加入量，具有更好的抗压强度(20MPa以上)和耐候性。
实施例4
本实施例提供了由实施2中垃圾焚烧飞灰固化体浇筑材料制备而成的挡沙墙1，该挡沙墙1可用作沙漠、戈壁地区的防护建筑，挡沙墙1的具体施工方法为：
S1、首先，通过地理信息系统采集整个施工地区表层空间中的相关地理分布数据，获得现场全景信息，该相关地理分布数据以浇筑过程中的几何信息为基础，包括防护建筑及其所在区域各方面的信息，所得到的现场全景信息由地理信息系统进行储存、管理形成GIS数据库，然后在GIS数据库的基础上建立防护建筑的管理系统，以对防护建筑的沿线地理信息进行综合管理；
S2、根据GIS数据库呈现的内容，采用计算机辅助设计对数值进行有限元分析和计算，对图形进行处理，优化设计出防护建筑的施工图纸，得到如图1所示的截面呈梯形结构的挡沙墙1构造；
S3、通过运输车辆将混合好的垃圾焚烧飞灰浇筑材料倾倒在施工现场的指定位置，将由控制系统和摊铺执行部组成的智能摊铺机与地理信息系统信号连接，然后，启动智能摊铺机，在由地理信息系统形成的管理系统的控制下，使智能摊铺机的控制系统根据地理信息系统的数据信息将摊铺执行部的各个动作进行联动，直接在现场的指定位置据施工图纸进行往返浇筑，智能摊铺机可一次成型完成摊铺工作，挡沙墙1的上层表面可以根据需要自动摊铺出不同的形式。
在往返浇筑的过程中，管理系统与控制系统协同作用，可通过对垃圾焚烧飞灰固化体浇筑材料的生产及挡沙墙1的浇筑等全过程进行监控，实时记录统计数据，自动检测、反馈调节防护建筑的密实度和平整度，不需要人工去做任何操作，通过如手机、计算机等的智能终端查看作业人员所有的信息。此往返式浇筑摊铺的施工方式速度快、施工价格低。
S4、浇筑完成后，硬化6-10h，即可得到高约为3m，上部宽度为8m，下部宽度为12米，两侧坡度约为34度的挡沙墙1。
实施例5
请参阅图2，本实施例提供了由实施2中垃圾焚烧飞灰固化体浇筑材料制备而成的公路2，该公路2可用作沙漠、戈壁地区的防护建筑，公路2的具体施工方法与实施例4不同的是：将垃圾焚烧飞灰固化体浇筑材质浇筑成公路2 形式，公路2表层可以双向行驶汽车。公路2的两侧均设有挡沙墙1，两侧的挡沙墙1按规定距离均修筑有楼梯11，用于应急使用，根据地理位置的需要，另外修筑出分叉路口21，方便运输车辆通行。
以上所述仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
Claims (10)
1.一种垃圾焚烧飞灰固化体浇筑材料，其特征在于，主要由以下重量份的原料制成：
焚烧飞灰35-75份、碱性激发剂12-18份、尾矿10-32份、水15-30份；
优选地，所述垃圾焚烧飞灰固化体浇筑材料，主要由以下重量份的原料制成：
焚烧飞灰55份、碱性激发剂15份、尾矿27份、水25份。
2.根据权利要求1所述的垃圾焚烧飞灰固化体浇筑材料，其特征在于，所述碱性激发剂为苛性碱、含碱性元素的硅酸盐、铝酸盐、磷酸盐、硫酸盐、碳酸盐或氢氧化钙中的一种或多种。
3.根据权利要求1所述的垃圾焚烧飞灰固化体浇筑材料，其特征在于，所述尾矿为赤泥和/或煤矸石。
4.根据权利要求1所述的垃圾焚烧飞灰固化体浇筑材料，其特征在于，所述垃圾焚烧飞灰固化体浇筑材料还包括1-5重量份的外掺剂，所述外掺剂为膨胀剂和/或流动剂；
优选地，所述外掺剂为质量比为2:1的膨胀剂与流动剂的混合物。
优选地，所述膨胀剂为硫铝酸钙类混凝土膨胀剂或氧化钙类混凝土膨胀剂，所述流动剂为混凝土减水剂或早强剂。
5.一种制备如权利要求1-4中任一项所述垃圾焚烧飞灰固化体浇筑材料的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将碱性激发剂溶于水中，配制为碱性激发剂溶液；
(2)将垃圾焚烧飞灰、尾矿和水混合搅拌，得混合物料；
(3)将所述碱性激发剂溶液与所述混合物料进行混拌，得垃圾焚烧飞灰固化体浇筑材料。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，还可以在步骤(2)中添加外掺剂，所述外掺剂与所述垃圾焚烧飞灰的质量比为0.01-0.1：1，所述外掺剂为膨胀剂和/或流动剂；
优选地，所述膨胀剂为硫铝酸钙类混凝土膨胀剂或氧化钙类混凝土膨胀剂，所述流动剂为混凝土减水剂或早强剂；
优选地，所述外掺剂由膨胀剂和流动剂混合而成，所述膨胀剂和流动剂的质量比为1.6-2.4:1。
7.根据权利要求1-4中任一项所述的垃圾焚烧飞灰固化体浇筑材料，或者根据要求5或6所述的方法，其特征在于，在沙漠、戈壁地区的防护建筑中应用；
优选地，所述防护建筑为挡沙墙、公路覆盖层或浇筑公路。
8.根据权利要求7所述的应用，其特征在于，所述防护建筑的制备方法包括以下步骤：
S1、采集现场全景信息，建立沿线地理信息的管理系统，并进行有限元分析，优化设计出防护建筑的施工图纸；
S2、在所述管理系统的控制下，根据所述施工图纸直接在现场的指定位置进行往返浇筑；
S3、浇筑完成后，硬化6-10h，即可得到所述防护建筑。
9.根据权利要求7所述的应用，其特征在于，S1中所述全景信息通过地理信息系统采集整个施工地区表层空间中的相关地理分布数据获得，所述地理信息系统会再对所述全景信息进行储存、管理形成GIS数据库，并在GIS数据库的基础上建立所述防护建筑的管理系统，以对所述防护建筑的沿线地理信息进行综合管理。
10.根据权利要求7所述的应用，其特征在于，S2中所述往返浇筑采用智能摊铺机进行，所述智能摊铺机与所述地理信息系统信号连接，包括控制系统和摊铺执行部，所述控制系统用于根据所述地理信息系统的数据信息将所述摊铺执行部的各个动作进行联动，同时自动检测、反馈调节防护建筑的密实度和平整度，并对防护建筑的进程进行监控和检测。
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