CN114394774A - 一种地质聚合物及其制备前驱体、制备方法和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明属于固体废物资源化技术领域，具体涉及一种地质聚合物前驱材料，包括气化粉煤灰、钢渣和偏高岭；其中，钢渣重量占比15％‑90％；偏高岭土重量占比1％‑10％；余量为气化粉煤灰。本发明还涉及将所述的前驱体材料碱激发制备地质聚合物的方案。本发明所述的方法制得的材料在抗压、抗折、抗冻融循环、抗高温、耐酸碱性、抗盐腐蚀性、浸出毒性等方面显示出良好的力学性能和长期稳定性。

Description

一种地质聚合物及其制备前驱体、制备方法和应用
技术领域
本发明属于固体废物资源化技术领域，具体涉及一种地质聚合物的制备方法。
背景技术
随着全球不可再生资源的大量减少，资源、能源的节约与集约是推动绿色发展的重要途径。众多节能热解技术应运而生，气化技术作为一种饱受争议的热解焚烧技术于上世纪80年代末开始发展。在西欧、美国、日本等发达国家地区，气化技术已经开始广泛应用于燃煤、发电、废弃物处理等方面。而在国内，因为处理能力与成本原因，大多数气化技术还停留在发展的初步阶段。据统计，截至 2019年底，中国的大型煤气化装置拥有80多套，其中60％已经投产运行；近五年来，各类煤气化装置相继投入使用；气化技术是将燃烧质置于无氧或者缺氧的条件下，添加水蒸气、CO等气化剂辅助气化，从而达到将燃烧质在高温条件下的气化炉内完全裂解、热解的目的，其过程会产生气化粉煤灰、气化炉底渣(统称气化灰渣)等固体废物。我国每年气化粉煤灰的排放量达8000万吨，占粉煤灰总量的15.1％并逐年增加。现阶段气化粉煤灰的利用途径主要包括制墙体建筑材料、提取高品质硅灰、制作微晶玻璃、掺入水泥制混凝土、制作功能性材料、道路表面铺设等。
气化粉煤灰在综合利用方面仍然处于起步阶段，现有研究仅将其作为比F 级燃煤粉煤灰更细致的普通粉煤灰使用。由于其与水泥融合性比普通粉煤灰差，所以消纳能力不足50％。气化粉煤灰颗粒细小不便储存、难以减量化，颗粒绝对密度小、有很强扩散性，容易进入大气增加PM2.5。仅将它当作工业固体废弃物添加剂混入胶凝材料或作路面铺设又是对这种具有巨大潜在活性资源的浪费。因此，对于气化粉煤灰的未来发展方向是高值的材料化利用，而新材料开发目的在于激发气化粉煤灰潜在活性使其消纳能力最大化。
钢渣是钢铁企业炼钢过程中排出的主要副产物之一，排放量约为钢产量的 15％～20％，主要成分为金属炉料被氧化后生成的氧化物，如CaO、Fe2O3、SiO2等。我国目前的钢渣整体利用效率不到30％，不及发达国家平均水平。钢渣的处理方式与利用途径有限是造成其低效用的主要原因。钢渣中结晶矿物分布致密，晶体颗粒比较大，水化速率比较缓慢，所以钢渣只是一种具有微弱胶凝性能的工业废渣，其水化胶凝活性远低于硅酸盐水泥熟料。此外，钢渣中含有的大量游离氧化钙(f-CaO)与游离氧化镁(f-MgO)，未经处置的堆弃会造成周围土壤的盐碱化，掺入传统硅酸盐胶凝材料体系又会造成水化热膨胀，如此，严重阻碍了钢渣的资源化利用。而合理解决钢渣的碱度过高甚至高效利用其中的碱性成分物质如CaO/f-CaO、f-MgO是提高钢渣资源化利用的重要途径。
地质聚合物是法国人Joseph Davidovits在1976年首先提出的一种采用天然矿物或者固体废弃物以及人工硅铝化合物为原料制备的硅氧四面体与铝氧四面体三维网状的聚合凝胶体。地质聚合物由于具有原料来源非常丰富、工艺简单、节能减耗、干密度低、强度高、耐酸碱腐蚀性强等优良特性，在短短数十年内已经逐渐成为工程应用上的成熟材料。国内外地质聚合物应用范围也一直在扩大。主要应用包括；新型建筑材料、快速凝胶化材料、防腐蚀、耐高温涂层、吸附材料、毒害源固封材料等。
地质聚合物虽然拥有更优秀的理化性质、极强抗外界干扰能力与出色的长期稳定性，但是至今还未大面积应用推广的根本原因是由于强碱性激发下的聚合物中含有大量未完全反应的可溶性碱。强碱析出后经过雨水溶解入侵土壤、地下水，造成严重的土壤盐碱化；混凝土中碱性过强会对建筑体造成热膨胀而出现裂缝，碱性盐通过裂缝通道与内部接触而腐蚀钢筋。因此，无论地质聚合物应用在道路混凝土、建筑材料还是功能性材料开发方面，降低或消除碱对环境带来的负面影响是地质聚合物的应用发展的主要目标。
工业固体废弃物是可以循环利用的重要资源，中央提出“加强资源的高值化、规模化、集约化利用。围绕粉煤灰、冶炼渣、化工废渣等各类工业固体废物，打造完整的综合利用产业链”。当今气化热解处理技术是提高燃烧利用率与减少排放量的最热门技术，气化粉煤灰作为气化热处理的工业副产物，极具潜在活性，却利用率极低。另外，钢渣作为我国钢铁冶炼的常见固体废物，本身含有的有害物质较少，然而因为其活性较低、碱度较高，利用率仍然有限。
发明内容
针对现有气化粉煤灰资源化技术不足及地质聚合物在应用中存在的缺陷，本发明的目的是在于提供一种地质聚合物前驱材料，旨在通过特殊成分、含量联合控制，实现废料的利用，并制备在抗压、抗折、抗冻融循环、抗高温、耐酸碱性、抗盐腐蚀性、浸出毒性等方面显示出良好的力学性能和长期稳定性的地质聚合物。
本发明第二目的在于，提供一种地质聚合物及其制备方法和应用。
一种地质聚合物前驱材料，包括气化粉煤灰、钢渣和偏高岭土；
其中，钢渣重量占比15％-90％；偏高岭土重量占比1％-10％；余量为气化粉煤灰。
本发明研究发现，创新地采用气化粉煤灰、钢渣和偏高岭土联合，进一步配合成分比例的联合控制，能够意外地实现协同，能够显著改善制备的地质聚合物在抗压、抗折、抗冻融循环、抗高温、耐酸碱性、抗盐腐蚀性、浸出毒性等方面显示出良好的力学性能和长期稳定性。
本发明中，所述的三元成分、比例的联合控制是协同改善地聚物力学以及长期稳定性的关键。
所述的气化粉煤灰为典型石化行业气化灰渣，来自湖南省中国石化某分公司的Shell煤气化装置燃煤飞灰，布袋除尘捕集。粒径小于或等于75um，优选为 1um～10um；
优选地，所述的钢渣取自湖北省某钢铁厂的转炉渣。优选为粒径为 10um～20um；
本发明中，所述的偏高岭土为高岭土在650℃～800℃下的煅烧产物；优选地，所述的煅烧时间为0.5h～3.0h。优选的粒径为5um～10um。
优选地，地质聚合物前驱材料中，钢渣重量占比20％-40％；偏高岭土重量占比2％-5％；余量为气化粉煤灰。研究发现，在所述的成分以及比例下，可以进一步协同改善制得的地聚物的抗压、抗折、抗冻融循环、抗高温、耐酸碱性、抗盐腐蚀性、浸出毒性等性能。
本发明还提供了一种地质聚合物的制备方法，将所述的前驱材料和碱激发剂溶液混合浆化，随后浇筑成型、养护、脱模，即得。
本发明中，得益于所述的特殊的前驱材料下，可以通过常规的碱激发，即可获得优异力学以及长期稳定性的地质聚合物。
作为优选，所述的碱激发剂溶液为包含水玻璃、氢氧化钠的水溶液。
作为优选，所述碱性激发剂溶液由NaOH溶液、水玻璃溶液与去离子水按照匀混得到；其中，NaOH溶液浓度为5mol/L～10mol/L；水玻璃Na2SiO3溶液的模数为3～5；NaOH溶液、水玻璃溶液与去离子水按照质量比25～35：40～55：10～20。
匀混的方式例如为机械搅拌或磁力搅拌。
本发明中，碱激发剂溶液添加量为气化粉煤灰、钢渣、偏高岭土总质量的 20％-40％。本发明研究发现，得益于所述比例的三元前驱体材料的协同下，具有一定的辅助激发功能，可以在更少的碱下，即可激发反应，并能够得到优异力学以及长期稳定性的地质聚合物材料。
本发明中，所述的浆化、浇筑、脱模等工艺均可以是常规的。
例如，养护过程在室温(如20～35℃)条件下进行；养护时间为18h～36h。
本发明一种更具体的实施方式，包括以下步骤：
步骤(1)：原料预处理：
(i)将一定质量分数的NaOH溶液和水玻璃溶液与去离子水按照质量分数比进行匀混，得到混合激发剂；NaOH溶液和水玻璃溶液与去离子水按照一定的质量比为25～35：40～55：10～20；操作在常温条件下进行，搅拌时间为5min～10min；水玻璃Na2SiO3溶液的模数为3～5；NaOH溶液浓度为5mol/L～10mol/L。
(ii)气化粉煤灰、钢渣置于电热鼓风干燥箱干燥；干燥温度为90℃～110℃，干燥时间为20h～28h。
(iii)钢渣置于球磨机中粉磨，并过筛筛分，得到钢渣粉，干燥冷却备用；粉磨转速为2500r/min～3500r/min，时间35min～45min；所得钢渣粉粒径为 30um～65um；，钢渣粉干燥温度为90℃～110℃，干燥时间为20h～28h。
(iv)高岭土在马弗炉中煅烧至成偏高岭土，冷却后置于干燥皿中备用；，所述煅烧温度为650℃～800℃，煅烧时间为0.5h～3.0h。
步骤(2)：将粉磨、干燥后的气化粉煤灰、钢渣、偏高岭土共混置于行星搅拌器搅拌，粉料充分混匀；碱激发混合溶液按一定比例加入搅拌锅与粉料一起搅拌混合至呈光泽性的“黏性溶液”，得到地质聚合物前驱体；粉料搅拌在常温条件下进行，搅拌时间为5min～10min。
步骤(3)：前驱体浆体浇注至20mm×20mm×20mm的不锈钢制方形模具中进行浇注成型，在一定条件下进行养护后脱模处理，即可得到地质聚合物材料。养护在常温条件下进行；养护时间为18h～36h；养护期间用塑料薄膜密封，以防止水分过快过度散失。
本发明还提供了一种所述制备方法制得的地质聚合物。
本发明中，基于所述的特殊的含量的三元前驱体下，可以激发得到物相成分以及微观结构的全新地质聚合物材料。
本发明还提供了所述的地质聚合物的应用，该地质聚合物材料可应用于重金属污染治理和道路基层材料等领域
有益效果：
1、创新地采用气化粉煤灰、钢渣和偏高岭土联合，进一步配合成分比例的联合控制，能够意外地实现协同，能够显著改善制备的地质聚合物在抗压、抗折、抗冻融循环、抗高温、耐酸碱性、抗盐腐蚀性、浸出毒性等方面显示出良好的力学性能和长期稳定性。
2、本发明中，以气化粉煤灰、钢渣、偏高岭土等固体废物为原料，在一定工艺条件下制备固废基地质聚合物材料，可以实现固体废物资源化利用。
3、现有研究条件下，固废基地质聚合物材料的制备通常需要在高温条件下进行养护，本发明以气化粉煤灰为主要原料制质地质聚合物，可在常温条件下实现材料合成，制备工艺简单，能一定程度上降低能耗。
4、现有研究条件下，固废基地质聚合物材料的合成需要在高浓度NaOH类强碱溶剂激发条件下进行，本发明通过前驱体成分-含量联合，可以起到辅助激发效果，可以在更低含量的碱下即可实现良好的激发，不仅如此，还有助于改善制得的地聚物的力学以及长期稳定性。
附图说明
图1为实施例1不同比例的地质聚合物养护3d无侧限抗压强度
图2为实施例1不同比例的地质聚合物养护7d无侧限抗压强度
图3为实施例1不同比例的地质聚合物养护28d无侧限抗压强度
图4为实施例2地质聚合物SMS-1与SMS-2分别在3天、7天、14天、28 天以及60天的XRD矿物分析(1-水钙硅石：2-紫脆石：3-堇青石：4-钙水碱：5-钙铝榴石)；
图5为实施例2地质聚合物在不同养护龄期下的微观形貌(其中(A)、(B)、 (C)和(D)分别为SMS-1在3天、7天、14天、28天的微观形貌，(E)、 (F)、(G)和(H)分别为SMS-2在3天、7天、14天、28天的微观形貌)。
具体实施方式
为了更好地解释本发明的技术方案及优点，下面结合实施例，对本发明做进一步的详细说明。有必要在此指出的是以下实施例只用于对本发明作进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，该领域的技术熟练人员根据上述本发明内容对本发明做出一些非本质的改进和调整，仍属于本发明的保护范围。
本实施例中的气化粉煤灰来自湖南省中国石化某分公司的Shell煤气化装置燃煤飞灰，布袋除尘捕集；以下案例，所述的气化粉煤灰粒径为1μm-10μm；
普通粉煤灰采用岳阳长岭地区某燃煤电厂的F级粉煤，粒径10-20μm；
钢渣取自湖北省某钢铁厂的转炉渣，粒径10μm-20μm；
高岭土为实验室分析纯高岭土。偏高岭土为高岭土在700℃下煅烧2h的产物。粒径5μm-10μm。
无侧限抗压强度测试方法按照中华人民共和国水泥标准JGJ/T70-2009；抗折强度根据《水泥胶砂强度规范》(GB/T17671-1999)；抗冻融循环测试根据 GBT50082-2009混凝土标准；重金属浸出测试根据TCLP醋酸浸出方法
实施例1：
气化粉煤灰于105℃烘干24h冷却，钢渣置于球磨机中粉磨，并通过0.075mm 孔径的筛子筛分为钢渣粉，于105℃下干燥24h后冷却，高岭土在马弗炉中灼烧 1h成偏高岭土，冷却后置于干燥皿，将一定质8.2mol/L的NaOH溶液和模数为 3.3的水玻璃溶液与去离子水按照质量分数比31.9％：53.2％：14.9％进行匀混配成混合激发剂，气化粉煤灰、钢渣、偏高岭土三元组分按照下表所示的配合比共混，置于行星搅拌器搅拌，粉料搅拌5min待充分混匀，将碱激发混合溶液按三元组分总质量的33.3％加入搅拌锅与粉料一起搅拌5～10min至混合成带光泽性的“黏性溶液”，将浆体浇注至20mm×20mm×20mm的不锈钢制方形模具中进行浇注成型，在常温条件下覆膜进行养护24h后脱模，分别测试地质聚合物材料在养护3d、7d和28d的无侧限抗压强度。
原材料配合比设计(按质量百分比计)
Figure RE-GDA0003561308520000071
Figure RE-GDA0003561308520000081
等高线清晰表明碱性硅酸钠激发下的偏高岭土在三个不同养护龄期的无侧限抗压强度都显现出极值。尤其在早期经过3天的养护，材料物理强度可达35 MPa以上，随着气化粉煤灰与钢渣的加入，抗压强度大幅降低，尤其是气化粉煤灰含量较高的组分，最大的3天强度不足10MPa。然而，当气化粉煤灰含量≤10％且钢渣：气化粉煤灰≈1:4时，部分组分的抗压强度相比临近点组分有较大的回升(≥26.8MPa)。
当养护龄期到达7天时，抗压强度最低值从气化粉煤灰高含量组分区域内消失，在偏高岭土≤10％且1:1≤钢渣：气化粉煤灰≤3:1时，各组分抗压强度不足30MPa。值得注意的是，同样在偏高岭土组分较少的情况下，钢渣:气化粉煤灰≈1:3的组分出现高于周围点组分的强度，其抗压强度超过38.5MPa。
同样的区域组分在28天养护后的抗压强度增加明显，即使偏高高岭土激发地质聚合物的物理强度在此龄期不再是最高。
实施例2：
气化粉煤灰于105℃烘干24h冷却，钢渣置于球磨机中粉磨，并通过0.075 mm孔径的筛子筛分为钢渣粉，于105℃下干燥24h后冷却，高岭土在马弗炉中灼烧1h成偏高岭土，冷却后置于干燥皿，将8.2mol/L的NaOH溶液和模数为3.3 的水玻璃溶液与去离子水按照质量分数比31.9％：53.2％：14.9％进行匀混配成混合激发剂，气化粉煤灰、钢渣、偏高岭土三元组分分别按照68％气化粉煤灰：29％钢渣：3％偏高岭土和8％气化粉煤灰：88％钢渣：4％偏高岭土的质量百分比共混，置于行星搅拌器搅拌，粉料搅拌5min待充分混匀，将碱激发混合溶液按三元组分总质量的33.3％加入搅拌锅与粉料一起搅拌5～10min至混合成带光泽性的“黏性溶液”，将浆体浇注至20mm×20mm×20mm的不锈钢制方形模具中进行浇注成型，在常温条件下覆膜进行养护24h后脱模，分别测试地质聚合物材料在1、 3、5、7、10、14、20、28天养护龄期无侧限抗压强度和抗折强度。
地质聚合物各龄期下抗压强度(MPa)
Figure RE-GDA0003561308520000091
从增长规律可以看出，SMS-1地质聚合物的强度增长存在两个状态时期，即快速增长时期与稳定时期。此两种状态交替进行，抗压强度快速增长阶段分别位于3到5天、7到10天、15到20天等。每个增长阶段的速率随着龄期的延长而减缓；稳定时段随着养护龄期的增长而延长，强度在此时期增长明显变慢。聚合物强度增长规律明显与水泥的类对数曲线增长不同，这种间歇性强度增长维持的时间很可能要比硅酸盐水泥更长。因此，通过规律可以推断，即使过了28天的养护龄期，地质聚合物的强度增长仍然会继续。SMS-2随养护龄期的强度增长显然要缓慢得多，而且随着时间变化增长速率明显下降。从第5天起，SMS-2的强度已经小于SMS-1，并且随着时间增加相差变大。SMS-2的强度增长并没有停滞期或缓慢时期，增长速率变化均匀且呈减小趋势。此类聚合物初期强度增长较快可能与钢渣中CaO含量较高有关，CaO的水化反应或者与Na+碱的置换反应使得初期体系中生成的Ca(OH)2凝胶提供了大部分强度。
地质聚合物各龄期下抗折强度(MPa)
Figure RE-GDA0003561308520000092
根据曲线增长规律可以判断，相同养护条件下SMS-1的抗折强度增长时期会比水泥长，最终抗折强度也会比同龄期的水泥高。通过对比水泥与SMS-1的凝结时间，由于其前期凝结速度要远小于水泥，地质聚合物聚合体间的自由水比例含量要远大于水泥，试块聚合度此时较低，故矿物未链接成整体、试块普遍偏脆，相应的抗折强度必然较弱；到10天后，聚合物基本形成整体，抗折强度大幅度提升，说明SMS-1聚合物的延展性与粘结性要比普通水泥更优秀。SMS-2的抗折强度增长规律类似水泥熟料水化，虽然直到7天的抗折强度仍然不足于325水泥，但是后期的抗折强度增长趋势也会超过水泥。
实施例3：
气化粉煤灰于105℃烘干24h冷却，钢渣置于球磨机中粉磨，并通过0.075 mm孔径的筛子筛分为钢渣粉，于105℃下干燥24h后冷却，高岭土在马弗炉中灼烧1h成偏高岭土，冷却后置于干燥皿，将一定质8.2mol/L的NaOH溶液和模数为3.3的水玻璃溶液与去离子水按照质量分数比31.9％：53.2％：14.9％进行匀混配成混合激发剂，气化粉煤灰、钢渣、偏高岭土三元组分分别按照68％气化粉煤灰：29％钢渣：3％偏高岭土和8％气化粉煤灰：88％钢渣：4％偏高岭土的质量百分比共混，置于行星搅拌器搅拌，粉料搅拌5min待充分混匀，将碱激发混合溶液按三元组分总质量的33.3％加入搅拌锅与粉料一起搅拌5～10min至混合成带光泽性的“黏性溶液”，将浆体浇注至20mm×20mm×20mm的不锈钢制方形模具中进行浇注成型，在常温条件下覆膜进行养护24h后脱模，继续养护至 28d，对试块进行快速冻融循环测试。将常温、标准湿度的空气养护24天的试块取出，置于(20±2)℃的水中浸泡，浸泡时，水面高出试块顶部20％高度。在水中浸泡时间为4天，于28天龄期正式开始测试冻融。将28天上述试块擦除表面明显水渍，称量试块的初始质量W0。向冻融箱中充入去离子水，水面稍浸没过试块，放入冰箱(-18±2℃)中进行循环冰冻-融化实验，每次循环在2～4h之内完成，融化时间不少于单次循环时间的1/4。分别测试10次、25次、50次与 100次循环的试块冻融循环抗压强度损失率和抗折强度损失率
冻融循环抗压强度损失率(％)
Figure RE-GDA0003561308520000101
冻融循环抗折强度损失率(％)
Figure RE-GDA0003561308520000102
Figure RE-GDA0003561308520000111
不论是SMS-1还是SMS-2，经过冻融抗折强度损失要普遍明显于抗压强度，仅10次循环抗折强度损失率就已经超过了30％。100次循环更是超过55％。 SMS-2比SMS-1在抗折强度损失方面要略小。随着冻融循环次数的增加，抗压强度变化较抗折强度变化明显，然抗折强度在少量冻融次数时就开始显现出较强烈的负增长。由此推断，抗冻融循环次数增加，抗折强度损失要比抗压强度损失严重，但是随着次数增加，抗压强度损失增长率要高于抗折强度。
原因可能是由于地质聚合物的成分与水化产物成分差别较大，自由水在聚合物中间扮演重要角色，大部分地质聚合体都经过缩聚脱水过程。由于冻融的循环，新形成的聚合体受到自由水冻结分子膨胀的压力，初形成的小分子聚合体片段间粘结力遭到破坏，所以抗折强度大不如普通条件下的地质聚合物。抗压强度主要检验聚合体分子间的排斥力，由于聚合物本身的SiO4与AlO4四面体在前期要比水泥聚合度高很多，所以，抗压的冻融损失较小。由于SMS-2中含有大量钢渣，钢渣矿物相与孰料类似，所以，SMS-2矿物形成较SMS-1更类似于水泥中的硅酸钙水化。如此，聚合物SMS-1中的聚合体结构含量更加丰富，相应其受冻融影响更小。聚合物的反应机理各有不同，从冻融试块的表面上观察到SMS-1聚合物经过100次冻融表面依然光滑，而SMS-2的表面已经开始出现角边的破损，所以经过冻融后的SMS-1地质聚合物几乎没有质量损失，而SMS-2聚合物质量损失约3％～4％。
实施例4：
气化粉煤灰于105℃烘干24h冷却，钢渣置于球磨机中粉磨，并通过0.075 mm孔径的筛子筛分为钢渣粉，于105℃下干燥24h后冷却，高岭土在马弗炉中灼烧1h成偏高岭土，冷却后置于干燥皿，将一定质8.2mol/L的NaOH溶液和模数为3.3的水玻璃溶液与去离子水按照质量分数比31.9％：53.2％：14.9％进行匀混配成混合激发剂，气化粉煤灰、钢渣、偏高岭土三元组分分别按照68％气化粉煤灰：29％钢渣：3％偏高岭土和8％气化粉煤灰：88％钢渣：4％偏高岭土的质量百分比共混，置于行星搅拌器搅拌，粉料搅拌5min待充分混匀，将碱激发混合溶液按三元组分总质量的33.3％加入搅拌锅与粉料一起搅拌5～10min至混合成带光泽性的“黏性溶液”，将浆体浇注至20mm×20mm×20mm的不锈钢制方形模具中进行浇注成型，在常温条件下覆膜进行养护24h后脱模，分别测定地质聚合物在3d、7d和28d重金属浸出浓度。
地质聚合物中重金属浸出浓度(mg/L)
Figure RE-GDA0003561308520000121
根据欧盟EPA标准，所有样品浸出均在其限值以下二至三个数量级。SMS-1 经过3天养护浸出重金属浓度均在地下水三级标准(GBT14848-2017)限值以下， Mn与Zn重金属浸出比例最大，SMS-1对Mn的稳定化效率不及SMS-2明显，28 天浸出浓度反而比7天高。Zn在3天内稳定化率已经达到了99.3％。Pb在3天养护期的稳定效果最明显，SMS-1浸出浓度仅为0.008mg/L。28天SMS-1的Pb 浸出浓度仅0.003mg/L是地下水标准的30％。SMS-2的3天稳定化效率Cd：91.32％， Cu：88.64％，Mn：72.30％，Ni：90.38％，Pb：92.80％，Zn：67.12％。但是SMS-2 在7天的大多数重金属浸出浓度要高于3天，28天浓度才显著减小。SMS-1的 28天重金属稳定化效率Cd：94.66％，Cu：93.64％，Mn：68.95％，Ni：99.20％， Pb：92.80％，Zn：65.71％。长期浸出总体效果SMS-2不及SMS-1，但是短期浸出效果SMS-2要明显更优秀。
对比例1：
分别将粉煤灰、气化粉煤灰于105℃烘干24h冷却，钢渣置于球磨机中粉磨，并通过0.075mm孔径的筛子筛分为钢渣粉，于105℃下干燥24h后冷却，高岭土在马弗炉中灼烧1h成偏高岭土，冷却后置于干燥皿，将8.2mol/L的NaOH溶液和模数为3.3的水玻璃溶液与去离子水按照质量分数比31.9％：53.2％：14.9％进行匀混配成混合激发剂，气化粉煤灰、钢渣、偏高岭土三元组分分别按照68％气化粉煤灰：29％钢渣：3％偏高岭土质量百分比共混；粉煤灰(F级粉煤)、钢渣、偏高岭土三元组分分别按照68％粉煤灰：29％钢渣：3％偏高岭土质量百分比共混置于行星搅拌器搅拌，粉料搅拌5min待充分混匀，将碱激发混合溶液按三元组分总质量的33.3％加入搅拌锅与粉料一起搅拌5～10min至混合成带光泽性的“黏性溶液”，将浆体浇注至20mm×20mm×20mm的不锈钢制方形模具中进行浇注成型，在常温条件下覆膜进行养护24h后脱模，分别测试地质聚合物材料在1、3、5、7、10、14、20、28天养护龄期无侧限抗压强度和抗折强度。
地质聚合物各龄期下抗压强度(MPa)
Figure RE-GDA0003561308520000131
A1组为气化粉煤灰-钢渣基地质聚合物，A2组为粉煤灰-钢渣基地质聚合物，在相同原料配合比及制备条件下合成的地质聚合物，A1组在养护3d后，抗压强度接近A2组两倍，7d抗压强度远远超过32.5水泥，养护至28d后，地质聚合物抗压强度接近70MPa。明显优于粉煤灰-钢渣基地址聚合物。
地质聚合物各龄期下抗折强度(MPa)
Figure RE-GDA0003561308520000132
在各养护龄期下，A1组抗折强度均明显优于A2组，在养护28d后，抗折强度超过A2组3倍，气化粉煤灰-钢渣基地质聚合物具有较好的抗折强度。
通过对比试验可知，采用本发明方法，可以获得更优的效果。

Claims (10)

1.一种地质聚合物前驱材料，其特征在于，包括气化粉煤灰、钢渣和偏高岭；
其中，钢渣重量占比15％-90％；偏高岭土重量占比1％-10％；余量为气化粉煤灰。
2.如权利要求1所述的地质聚合物前驱材料，其特征在于，所述的气化粉煤灰为石化行业的燃煤飞灰；粒径小于或等于75um，优选为1um～10um；
所述的钢渣为钢铁厂的转炉渣，优选为粒径为10um20um；
所述的偏高岭土为高岭土在650℃～800℃下的煅烧产物；优选地，所述的煅烧时间为0.5h～3.0h；优选的粒径为5um～10um。
3.如权利要求1所述的地质聚合物前驱材料，其特征在于，钢渣重量占比20％-40％；偏高岭土重量占比2％-5％；余量为气化粉煤灰。
4.一种地质聚合物的制备方法，其特征在于，将权利要求1～3任一项所述的前驱材料和碱激发剂溶液混合浆化，随后浇筑成型、养护、脱模，即得。
5.如权利要求4所述的地质聚合物的制备方法，其特征在于，所述的碱激发剂为包含水玻璃、氢氧化钠的水溶液。
6.如权利要求5所述的地质聚合物的制备方法，其特征在于，所述碱性激发剂溶液由NaOH溶液、水玻璃溶液与去离子水按照匀混得到；
其中，NaOH溶液浓度为5mol/L～10mol/L；水玻璃Na2SiO3溶液的模数为3～5；
NaOH溶液、水玻璃溶液与去离子水按照质量比25～35：40～55：10～20。
7.如权利要求5所述的地质聚合物的制备方法，其特征在于，碱激发剂溶液添加量为气化粉煤灰、钢渣、偏高岭土总质量的20％-40％。
8.如权利要求5所述的地质聚合物的制备方法，其特征在于，养护过程在室温条件下进行；养护时间为18h～36h。
9.一种权利要求4～8任一项所述制备方法制得的地质聚合物。
10.一种权利要求9所述的地质聚合物的应用，其特征在于，将地质聚合物材料用作重金属污染治理材料和/或、道路基层材料中。
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