CN114907061A - 一种垃圾焚烧飞灰地聚物复合材料的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种垃圾焚烧飞灰地聚物复合材料的制备方法，属于废弃物资源化利用技术领域，包括垃圾焚烧飞灰和以下重量份数的原料：粉煤灰300～600份、偏高岭土50～600份、河砂400～1200份、水玻璃300～500份、氢氧化钠50～60份、十二烷基苯磺酸钠10～15份、磷酸二氢钙1～2份、聚丙烯纤维10～20份、水40～50份、减水剂15～20份；垃圾焚烧飞灰的添加量为粉煤灰、偏高岭土和垃圾焚烧飞灰总质量的10～35％。以本发明的原料制备得到的垃圾焚烧飞灰地聚物复合材料具有优异的工作性能和力学性能，在减少固体废弃物的排放的同时，解决城市环境治理问题，同时也产生了长远的经济效益。
Description
技术领域
本发明涉及废弃物资源化利用技术领域，特别是涉及一种垃圾焚烧飞灰地聚物复合材料的制备方法。
背景技术
地质聚合物是近年来国际上研究非常活跃的无机非金属材料之一。它是以粘土、工业废渣或矿渣等为主要原料，碱或酸为激发剂，经适当的工艺处理，在较低温度条件下通过化学反应得到的一类新型无机聚合物材料。地质聚合物具有强度高、硬化快、耐酸碱腐蚀等优于普通硅酸盐水泥的独特性能，同时具有材料丰富、价格低廉、节约能源等优点，因此引起了国内外材料专家的极大兴趣。地质聚合物的成型原理主要是碱性激发剂激发硅铝源材料，引起硅氧键和铝氧键的断裂-重组，形成无机链式结构，类似于高分子聚合反应形成链式结构。地质聚合物的聚合反应如下：在碱激发剂作用下，硅铝源材料中的SiO2和Al2O3共价键破坏断裂，形成类似有机高分子单体的低聚硅氧四面体和铝氧四面体；然后再进行一个缩聚的过程，这些低聚氧四面体和铝氧四面体以水为介质，重新组合，排出多余的水，形成新的Si-O-Al的网络结构体系。地质聚合物的三维网络结构由硅氧四面体和铝氧四面体共用桥氧键连接而成，这种三维氧化物网络结构决定了它的优良性能，从而决定了它的多用途。
目前，针对垃圾焚烧飞灰地聚合物复合材料的研究主要集中于地聚合物对飞灰中的重金属的固化机理和效果方面，虽然也有对于提升力学性能的研究，但提升的方法一般是借助其他增强剂来实现，既增加了成本，又使加工工艺复杂化，而如何制备得到一种工作性能和力学性能优异的垃圾焚烧飞灰地聚物复合材料，降低制备成本，成为本领域技术人员亟待解决的技术难题。
发明内容
本发明的目的是提供一种垃圾焚烧飞灰地聚物复合材料的制备方法，以解决现有技术中存在的问题。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
本发明的技术方案之一：一种垃圾焚烧飞灰地聚物复合材料，包括垃圾焚烧飞灰和以下重量份数的原料：粉煤灰300～600份、偏高岭土50～600份、河砂400～1200份、水玻璃300～500份、氢氧化钠50～60份、十二烷基苯磺酸钠10～15份、磷酸二氢钙1～2份、聚丙烯纤维10～20份、水40～50份、减水剂15～20份；
所述垃圾焚烧飞灰的添加量为粉煤灰、偏高岭土和垃圾焚烧飞灰总质量的10～35％。
进一步地，所述垃圾焚烧飞灰地聚物复合材料，包括垃圾焚烧飞灰和以下重量份数的原料：粉煤灰600份、偏高岭土300份、河砂1200份、水玻璃500份、氢氧化钠50份、十二烷基苯磺酸钠15份、磷酸二氢钙1份、聚丙烯纤维15份、水48份、减水剂18份；
所述垃圾焚烧飞灰的添加量为粉煤灰、偏高岭土和垃圾焚烧飞灰总质量的30％。
进一步地，所述粉煤灰的吸水量为87～120％、堆积密度为0.531～1.261g/cm3、标准稠度为27.3～60.7％、密度为1.90～2.90g/cm3。
进一步地，所述偏高岭土的白度为70～80％、石灰活性度为1350ml、强度活性指数为12％、平均粒径为1.2μm、烧失量为0.5％。
进一步地，所述垃圾焚烧飞灰的比表面积为16800m2/kg，粒径范围为1μm～100μm。
进一步地，所述水玻璃的模数为1～4。
进一步地，所述减水剂为聚羧酸高效减水剂。
本发明的技术方案之二：一种上述垃圾焚烧飞灰地聚物复合材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)按重量份数称取各个原料；
(2)将粉煤灰、偏高岭土、垃圾焚烧飞灰、河砂和聚丙烯纤维混合均匀，加入水玻璃、氢氧化钠、十二烷基苯磺酸钠搅拌静置，加入磷酸二氢钙、水和减水剂搅拌均匀，得到所述垃圾焚烧飞灰地聚物复合材料。
进一步地，其特征在于，所述搅拌速度为400～800r/min；所述静置时间为10～14h。
本发明公开了以下技术效果：
(1)本发明制备得到的垃圾焚烧飞灰地聚物复合材料具有良好的工作性能和力学性能。其中，十二烷基苯磺酸钠具有很好的乳化分散作用和良好的润滑作用，可显著提高水玻璃的激发性能，氢氧化钠、十二烷基苯磺酸钠与水玻璃共同作用，可激发垃圾焚烧飞灰地聚物复合材料活性的叠加效应，所得碱性激发剂的激发活性大大增强，显著提粉煤灰、偏高岭土和垃圾焚烧飞灰的水化活性，进而提升地聚物复合材料的强度。
(2)本发明采用的磷酸二氢钙可水解产生H+，促进水玻璃快速水解生成更多的氢氧根离子，进而促进原料中的氧化铝和二氧化硅的结构解体，使Si-O和Al-O共价键被破坏断裂，解离出[SiO4]4 -和[AlO4]5 -等离子团，然后在水和碱作用下重新聚合，形成Si-OAl-O空间网络结构，增强地聚物复合材料的力学性能。
(3)本发明原料中的聚丙烯纤维具有良好的塑性，可以减少垃圾焚烧飞灰地聚物复合材料试块中裂缝的产生，进一步提升垃圾焚烧飞灰地聚物复合材料的力学性能。
(4)本发明通过材料的合理配比及相互作用，使制备得到的垃圾焚烧飞灰地聚物复合材料具有良好的工作性能，为高效资源化应用提供一条新途径。
(5)本发明利用垃圾焚烧飞灰他替代偏高岭土制备垃圾焚烧飞灰地聚物复合材料，通过十二烷基苯磺酸钠具有很好的乳化分散作用和良好的润滑作用，提高了垃圾焚烧飞灰的替代量，在垃圾焚烧飞灰的替代量高达30％时，还能有效保证垃圾焚烧飞灰地聚物复合材料的力学性能，为废弃物的处理提供了良好的应用途径。
具体实施方式
现详细说明本发明的多种示例性实施方式，该详细说明不应认为是对本发明的限制，而应理解为是对本发明的某些方面、特性和实施方案的更详细的描述。
应理解本发明中所述的术语仅仅是为描述特别的实施方式，并非用于限制本发明。另外，对于本发明中的数值范围，应理解为还具体公开了该范围的上限和下限之间的每个中间值。在任何陈述值或陈述范围内的中间值以及任何其他陈述值或在所述范围内的中间值之间的每个较小的范围也包括在本发明内。这些较小范围的上限和下限可独立地包括或排除在范围内。
除非另有说明，否则本文使用的所有技术和科学术语具有本发明所述领域的常规技术人员通常理解的相同含义。虽然本发明仅描述了优选的方法和材料，但是在本发明的实施或测试中也可以使用与本文所述相似或等同的任何方法和材料。本说明书中提到的所有文献通过引用并入，用以公开和描述与所述文献相关的方法和材料。在与任何并入的文献冲突时，以本说明书的内容为准。
在不背离本发明的范围或精神的情况下，可对本发明说明书的具体实施方式做多种改进和变化，这对本领域技术人员而言是显而易见的。由本发明的说明书得到的其他实施方式对技术人员而言是显而易见的。本申请说明书和实施例仅是示例性的。
关于本文中所使用的“包含”、“包括”、“具有”、“含有”等等，均为开放性的用语，即意指包含但不限于。
以下实施例所述的“份”均为“重量份”。
实施例1
一种垃圾焚烧飞灰地聚物复合材料的制备方法：
垃圾焚烧飞灰地聚物复合材料，由以下重量份数的原料组成：粉煤灰(粒径200目)600份、偏高岭土300份、垃圾焚烧飞灰386份、河砂(粒径≤2mm)1200份、水玻璃500份、氢氧化钠50份、十二烷基苯磺酸钠15份、磷酸二氢钙1份、聚丙烯纤维(长25mm，长径比600)15份、水48份、减水剂18份。
其中，粉煤灰的主要化学成分和物理性能如表1和表2所示。
表1粉煤灰的主要化学成分
| 化学成分 | SiO<sub>2</sub> | Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub> | Fe<sub>2</sub>O<sub>3</sub> | CaO | MgO | f-CaO | SO<sub>3</sub> | 其他 |
| 含量(％) | 60.98 | 24.47 | 6.70 | 4.90 | 0.68 | 0.58 | 0.52 | 1.17 |
表2粉煤灰的主要物理性能
偏高岭土的主要化学成分和物理性能如表3和表4所示。
表3偏高岭土的主要化学成分
| 化学成分 | SiO<sub>2</sub> | Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub> | Fe<sub>2</sub>O<sub>3</sub> | CaO+MgO | K<sub>2</sub>O+Na<sub>2</sub>O |
| 含量(％) | 54±2 | 43±2 | ≤1.3 | ≤0.8 | ≤0.7 |
表4偏高岭土的主要物理性能
垃圾焚烧飞灰的比表面积为16800m2/kg，平均粒径为35.8μm，其主要粒径范围在1μm～100μm之间，约占飞灰总质量的90％，其中1μm～10μm约占20％，10μm～100μm占约70％；主要化学成分如表5所示。
表5垃圾焚烧飞灰主要化学成分
水玻璃的模数为1.5。
水的主要指标如表6所示。
表6试验用水的主要指标
减水剂为聚羧酸高效减水剂，主要指标如表7所示。
表7减水剂主要指标
| 检测指标 | 减水率 | 泌水率 | 含气量 | 收缩率比 |
| 检测结果 | 25％ | 30％ | 4.0％ | 98％ |
制备方法：
(1)按重量份数称取各个原料；
(2)将粉煤灰、偏高岭土、垃圾焚烧飞灰、河砂和聚丙烯纤维混合后，以400r/min的搅拌速度搅拌2min，混合均匀，加入水玻璃、氢氧化钠、十二烷基苯磺酸钠以600r/min的搅拌速度搅拌2min，静置12h后以700r/min的搅拌速度搅拌2min，加入磷酸二氢钙、水和减水剂，以1000r/min的搅拌速度搅拌2min，得到垃圾焚烧飞灰地聚物复合材料。
实施例2
同实施例1，区别在于，垃圾焚烧飞灰地聚物复合材料，由以下重量份数的原料组成：粉煤灰(粒径200目)300份、偏高岭土50份、垃圾焚烧飞灰39份、河砂(粒径≤2mm)400份、水玻璃300份、氢氧化钠50份、十二烷基苯磺酸钠10份、磷酸二氢钙1份、聚丙烯纤维(长25mm，长径比600)10份、水40份、减水剂15份。
实施例3
同实施例1，区别在于，垃圾焚烧飞灰地聚物复合材料，由以下重量份数的原料组成：粉煤灰(粒径200目)500份、偏高岭土50份、垃圾焚烧飞灰296份、河砂(粒径≤2mm)800份、水玻璃500份、氢氧化钠60份、十二烷基苯磺酸钠15份、磷酸二氢钙2份、聚丙烯纤维(长25mm，长径比600)20份、水50份、减水剂20份。
对比例1
同实施例1，区别在于，水玻璃的模数为1。
对比例2
同实施例1，区别在于，水玻璃的模数为3。
对比例3
同实施例1，区别在于，聚丙烯纤维的用量为30份。
对比例4
同实施例1，区别在于，聚丙烯纤维的用量为5份。
对比例5
同实施例1，区别在于，垃圾焚烧飞灰地聚物复合材料，由以下重量份数的原料组成：粉煤灰(粒径200目)600份、偏高岭土300份、垃圾焚烧飞灰300份、河砂(粒径≤2mm)350份、水玻璃500份、氢氧化钠65份、磷酸二氢钙1份、聚丙烯纤维(长25mm，长径比600)15份、水48份、减水剂18份。
对比例6
同实施例1，区别在于，垃圾焚烧飞灰地聚物复合材料中不含有磷酸二氢钙。
效果例1
坍落扩展度试验
采用标准坍落度筒，上口直径100mm、下口直径200mm、筒高为300mm。具体试验方法如下：
(1)试验前，需要清洗垫板和坍落度筒，使坍落度筒的内壁和垫板上湿润且无积水，然后在地面平整的处将垫板铺平，将坍落度筒置于垫板上，并用双脚固定住坍落度筒。
(2)将实施例1～3和对比例1～6制备的垃圾焚烧飞灰地聚物复合材料分别分3次装入坍落度筒内，每次装入的垃圾焚烧飞灰地聚物复合材料体积大致相等，用振捣棒将砂浆由内而外按螺旋形振捣25次，底层插到垫板上，中上层插入到下层垃圾焚烧飞灰地聚物复合材料的2～3cm处。
(3)插捣完毕后，用刮子刮去多余的垃圾焚烧飞灰地聚物复合材料并抹平表面，清除筒底四周渗出的垃圾焚烧飞灰地聚物复合材料，在5～10s内平顺竖直地提起坍落度筒，使垃圾焚烧飞灰地聚物复合材料从筒内自由流动在垫板上。
(4)待垃圾焚烧飞灰地聚物复合材料不再流动时，用卷尺测量垃圾焚烧飞灰地聚物复合材料在两个垂直方向上的直径，取二者的平均值作为坍落扩展度的试验结果(见表8)。
表8垃圾焚烧飞灰地聚物复合材料的坍落扩展度
从表8中可以看出，本发明实施例1～3制备的垃圾焚烧飞灰地聚物复合材料的流动性较强，具有优异的工作性能。
效果例2
立方体抗压强度试验
立方体抗压强度试验参照《建筑砂浆基本性能试验方法JGJ70-2009》中的试验方法。
具体操作如下：
(1)利用实施例1～3和对比例1～6制备的垃圾焚烧飞灰地聚物复合材料，浇筑尺寸为70.7mm×70.7mm×70.7mm试块，测定浇筑28d后的试块的抗压强度(结果见表9)。
(2)试验开始前，将试块从标准养护室中取出，用抹布擦干表面，检查试件并测量尺寸，随后将试件放置在压力试验机下压板的正中心位置。
(2)为保证承压面的平整，需选择除成型面和底面外的其余四个侧面作为承压面，随后通过按钮调节压力机的上压板。
(3)在上压板与试件的承压面即将接触时适当调节试件的位置，使承压面受力均匀，随后开始加压，直到试件破坏，记录最终的荷载值，立方体抗压强度按照如下公式计算：
式中：fcu—立方体抗压强度，MPa；
F—试件的破坏荷载，N；
A—试件的承压面面积，mm2。
表9垃圾焚烧飞灰地聚物复合材料的试块的抗压强度
| 试验编号 | 抗压强度(MPa) |
| 实施例1 | 28.5 |
| 实施例2 | 36.3 |
| 实施例3 | 22.8 |
| 对比例1 | 26.2 |
| 对比例2 | 25.8 |
| 对比例3 | 21.6 |
| 对比例4 | 23.8 |
| 对比例5 | 20.5 |
| 对比例6 | 23.3 |
从表中9可以看出，以本发明制备的垃圾焚烧飞灰地聚物复合材料制备的试块，抗压强度达到22.8～36.3MPa，性能优异，并且从对实施例1和对比例1的抗压强度中可以看出，不使用十二烷基苯磺酸钠的对比例5，在垃圾焚烧飞灰的添加量为30％时，抗压强度显著降低，而本发明实施例通过添加十二烷基苯磺酸钠使垃圾焚烧飞灰地聚物复合材料的抗压强度达到28.5MPa。
以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。
Claims (9)
1.一种垃圾焚烧飞灰地聚物复合材料，其特征在于，包括垃圾焚烧飞灰和以下重量份数的原料：粉煤灰300～600份、偏高岭土50～600份、河砂400～1200份、水玻璃300～500份、氢氧化钠50～60份、十二烷基苯磺酸钠10～15份、磷酸二氢钙1～2份、聚丙烯纤维10～20份、水40～50份、减水剂15～20份；
所述垃圾焚烧飞灰的添加量为粉煤灰、偏高岭土和垃圾焚烧飞灰总质量的10～35％。
2.根据权利要求1所述的垃圾焚烧飞灰地聚物复合材料，包括垃圾焚烧飞灰和以下重量份数的原料：粉煤灰600份、偏高岭土300份、河砂1200份、水玻璃500份、氢氧化钠50份、十二烷基苯磺酸钠15份、磷酸二氢钙1份、聚丙烯纤维15份、水48份、减水剂18份；
所述垃圾焚烧飞灰的添加量为粉煤灰、偏高岭土和垃圾焚烧飞灰总质量的30％。
3.根据权利要求1所述的垃圾焚烧飞灰地聚物复合材料，其特征在于，所述粉煤灰的吸水量为87～120％、堆积密度为0.531～1.261g/cm3、标准稠度为27.3～60.7％、密度为1.90～2.90g/cm3。
4.根据权利要求1所述的垃圾焚烧飞灰地聚物复合材料，其特征在于，所述偏高岭土的白度为70～80％、石灰活性度为1350ml、强度活性指数为12％、平均粒径为1.2μm、烧失量为0.5％。
5.根据权利要求1所述的垃圾焚烧飞灰地聚物复合材料，其特征在于，所述垃圾焚烧飞灰的比表面积为16800m2/kg，粒径范围为1μm～100μm。
6.根据权利要求1所述的垃圾焚烧飞灰地聚物复合材料，其特征在于，所述水玻璃的模数为1～4。
7.根据权利要求1所述的垃圾焚烧飞灰地聚物复合材料，其特征在于，所述减水剂为聚羧酸高效减水剂。
8.一种权利要求1～7任一项所述的垃圾焚烧飞灰地聚物复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)按重量份数称取各个原料；
(2)将粉煤灰、偏高岭土、垃圾焚烧飞灰、河砂和聚丙烯纤维混合均匀，加入水玻璃、氢氧化钠、十二烷基苯磺酸钠搅拌静置，加入磷酸二氢钙、水和减水剂搅拌均匀，得到所述垃圾焚烧飞灰地聚物复合材料。
9.根据权利要求8所述的垃圾焚烧飞灰地聚物复合材料的制备方法，其特征在于，所述搅拌速度为400～800r/min；所述静置时间为10～14h。
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|---|---|---|---|---|
| JP2001137823A (ja) * | 1999-11-15 | 2001-05-22 | Fujisash Co | 都市ごみ焼却飛灰の安定化処理方法 |
| CN102515824A (zh) * | 2011-11-30 | 2012-06-27 | 南京航空航天大学 | 一种超轻泡沫水泥混凝土及其制备方法 |
| CN108409176A (zh) * | 2018-05-18 | 2018-08-17 | 萧县沃德化工科技有限公司 | 一种生活垃圾焚烧飞灰地聚合物及其制备方法 |
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