CN117843262A - 一种生物炭基地聚物及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种生物炭基地聚物及其应用，涉及环境生态工程技术领域。本发明通过采用高硅含量的稻壳基生物炭，与矿渣、粉煤灰形成三元体系，在碱激发剂的作用下发生水化反应，生成大量网格状水化产物包裹和填充在稻壳生物炭表面和孔隙中，并起到桥接作用连接粉煤灰颗粒，增强了地聚物胶凝材料的力学性能。本发明地聚物胶凝材料与产酸废石质量比在1:3的条件下就能表现出优秀的固化、钝化效果，具有优异的抗硫酸盐侵蚀性能，提供了一种低碳、环保、高效的矿山酸性矿石表面钝化材料。
Description
技术领域
本发明涉及环境生态工程技术领域，更具体的说是涉及一种生物炭基地聚物及其应用。
背景技术
矿山开采过程中产生的废石、尾矿中含有较高的硫化物。在氧气、水和微生物等作用下，硫化物发生氧化作用，产生大量酸性废水。矿山酸性废水具有pH值低、铁离子和重金属含量高等特点。矿山酸性废水污染防治是世界性难题。传统的末端治理方法，如通过投加碱性石灰药剂等，具有成本高，不可持续的特点。开发绿色低碳可持续的酸性废水源头防治技术，势在必行。
传统硅酸盐水泥的生产过程碳排放极高。碱激发胶凝材料是采用粉煤灰、矿渣等工业固废作为前驱体原料，在碱性激发剂的作用下，形成的一种新型的无机非金属材料。相比于传统硅酸盐水泥，碱激发材料不仅碳排放低，解决了环境污染问题，还能高效的利用废弃资源，减少能源浪费，符合“双碳战略”思想。同时碱激发材料具有更高的力学性能，其在抗硫酸盐侵蚀方面尤其具有优异的性能。因此碱激发材料在矿山产酸废石表面钝化方向具有广阔的应用前景。
生物炭是木质纤维类生物质经热解处理得到的炭产物，对固碳减排具有促进作用。生物质是一种可再生资源，正在逐步用于能源生产，长期目标是减少碳排放，这将进一步增加生物炭的产生量。生物炭含有大量的二氧化硅和氧化铝，因此可作为碱激发材料的前驱体原料，与工业固废合理配比，形成多元体系，同时可以进一步降低碱激发材料的碳排放，具有巨大的潜力。
目前，在高硫含量废石的治理中，多采用末端处理，成本高；酸性废水源头减量的技术有限，且源头处理多采用硅酸盐水泥，但传统水泥生产能耗大，不耐硅酸盐腐蚀。
因此，提供一种低碳、环保、高效型矿山酸性矿石表面钝化材料，消纳工业固废及生物炭，制备出高强度的碱激发胶凝材料是本领域技术人员亟需解决的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种生物炭基地聚物及其应用，具体为一种低碳、环保、高效性矿山高硫含量的酸性矿石表面钝化材料，具有优异的抗硫酸盐侵蚀性能。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种生物炭基地聚物，包括前驱体和碱激发剂和水；
所述前驱体包括质量比为48-72：12-18：10-40的高炉矿渣、粉煤灰和生物炭；
所述碱激发剂包括氢氧化钠和硅酸钠；
所述氢氧化钠与所述前驱体的质量比为5-15%；
所述硅酸钠与所述前驱体的质量比为0-10%；
所述水的用量为所述前驱体质量的50%。
采用上述技术方案的有益效果为：得到的28天抗压强度为60.56MPa，抗硫酸盐侵蚀系数为91.78%，耐酸性系数为92.28%。
优选的，所述前驱体包括质量比为60.27：15.07：24.66的高炉矿渣、粉煤灰和生物炭。
优选的，所述氢氧化钠与所述前驱体的质量比为10.2%，所述硅酸钠与所述前驱体的质量比为5.12%。
进一步的，所述高炉矿渣、粉煤灰和生物炭的粒度小于200目。
进一步的，所述生物炭为稻壳生物炭或水稻秸秆生物炭或其他高硅生物炭。
为了实现上述目的，本申请还提供一种生物炭基地聚物的制备方法，具体步骤如下：
将设计比例的稻壳灰、矿渣、粉煤灰混合均匀，加入按比例的NaOH、Na2SiO3碱性激发剂以及水。使用搅拌机搅拌2min，直至净浆混合均匀。随后将净浆注入试模，先注入试模的一半，振动30s以排除空气，再次注满试模，同样振动30s排除空气。最后刮去试模表面多余的胶凝材料，并将表面抹平。
检测力学性能的试件使用铸铁六联试模成型，尺寸为20mm*20mm*20mm；检测抗渗性能的试件使用抗渗试模成型。将制备好的试件放入标准养护箱中进行养护，养护温度为25℃，常温养护，湿度≥75%。
为了实现上述目的，本申请还提供一种生物炭基地聚物的应用，具体为，所述生物炭基地聚物在高硫含量废石钝化中的应用。
进一步的，所述生物炭基地聚物与所述高硫含量废石的质量比不小于1：3；所述高硫含量废石为硫铁矿废石或其他含硫的废石。
采用上述技术方案的有益效果为：本发明采用稻壳基生物炭-矿渣-粉煤灰三元体系在碱激发剂的作用下发生水化反应，反应生成大量网格状水化产物包裹和填充在稻壳生物炭表面和孔隙中，并起到桥接作用连接粉煤灰颗粒，增强材料力学性能。
经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种生物炭基地聚物及其应用，取得的有益效果为：
（1）本发明提供了一种稻壳生物基低聚物材料，具有高抗压强度和抗硫酸盐侵蚀能力，流动性好。
（2）本发明提供的生物基低聚物材料用于产酸废石的表面钝化，可以通过包裹等作用长期有效地从源头抑制酸性废水的产生。
（3）本发明制备的地聚物性能好：稻壳生物炭掺量24.66%，NaOH掺量10.2%，Na2SiO3掺量5.12%，预测得到的28天抗压强度为60.56MPa，抗硫酸盐侵蚀系数为91.78%，耐酸性系数为92.28%。
（4）本发明制备的地聚物对废石有很好的包裹效果。在废石和地聚物材料质量比为3：1条件下，仍能实现很好的固化效果。是一种绿色可持续的酸性废水源头减量方法。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1附图为矿渣、粉煤灰不同配比的抗压强度。
图2附图为28d抗压强度残差分析与正态分布图（a为预测值与实际值分布图，b为残差分析外部学生化残差概率图）。
图3附图为28d抗硫酸盐侵蚀残差分析与正态分布图（其中a为预测值与实际值分布图，b为残差分析外部学生化残差概率图）。
图4附图为28d耐酸性系数残差分析与正态分布图（其中a为预测值与实际值分布图，b为残差分析外部学生化残差概率图）。
图5附图为BBD响应面设计优化方案（其中A、B、C分别为影响因素稻壳生物炭掺量、NaOH掺量、Na2SiO3掺量，a、b、c分别为响应变量28d耐酸性系数、28d抗压强度、28d抗硫酸盐侵蚀系数）。
图6附图为最大胶凝材料与废石配比实验。
图7附图为长期养护实验不同龄期pH值。
图8附图为单位时间放热量及累计放热量对比图。
图9附图为等温反应放热速率曲线。
图10附图为水化反应过程不同时间XRD和FT-IR图（a为XRD，b为FT-IR）。
图11附图为胶凝材料在不同水化反应时间点的SEM图和EDS能谱。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
矿山开采过程中产生的废石、尾矿会产生大量的酸性废水，是污染防治的世界性难题。现有的大部分酸性废水治理多为末端处理，成本高、难度大且不可持续；且现有源头处理技术多采用硅酸盐水泥处理，但传统水泥生产能耗大、不耐硫酸盐腐蚀，持续性差。因此，本发明研发了一种低碳、绿色可持续的高硫含量废石钝化技术，开发了一种新型的生物炭基胶凝材料。
试验一：稻壳生物炭基地聚物制备实验条件优化
1、矿渣、粉煤灰配比优化实验
设计矿渣、粉煤灰的比例为9：1、8：2、7：3、6：4、5：5、4：6，NaOH掺量为总前驱体质量的5%，Na2SiO3掺量为总前驱体质量的5%，水灰比0.5。加入按比例的NaOH、Na2SiO3碱性激发剂以及水。搅拌均匀注模，养护24后脱模，再次养护到对应龄期测试抗压强度。
具体结果参见图1，经单因素实验可以看出，不同矿渣、粉煤灰配比的胶凝材料抗压强度也不同，最优的配比为矿渣：粉煤灰=8:2。
2、稻壳生物炭、NaOH、Na2SiO3掺量优化实验
基于已有研究结果，本研究单因素试验聚焦于稻壳生物炭（RHB）掺量、NaOH掺量、Na2SiO3掺量等因素开展，以获得各项因素对材料试样抗压强度的影响趋势，为响应面法的因素范围选择提供数据依靠。
随后选取Box-Behnken响应面设计（BBD），选取3个因素（稻壳生物炭（RHB）掺量、NaOH掺量、Na2SiO3掺量）分别命名为A、B、C，它们的变化影响了稻壳灰碱激发材料的抗压强度。选取28天抗压强度、28天抗硫酸盐侵蚀系数、28天耐酸性系数为响应变量，共设计17组试验。每组试验的抗压强度测试设置3组重复样，最终计算平均值作为试验结果。
以下所有生物炭胶凝材料性能优化实验中生物炭的掺量、NaOH掺量、Na2SiO3掺量均为占总前驱体的质量分数，其中前驱体中矿渣、粉煤灰的质量比皆为8:2，水的用量为前驱体总质量的50%。
表1.BBD实验胶凝材料各项性能数据
| 编号 | RHB掺量/% | NaOH掺量/% | Na2SiO3掺量/% | 28天抗压强度/MPa | 28天抗硫酸盐侵蚀系数/% | 28天耐酸性系数/% |
| 1 | 20 | 5 | 5 | 40.23 | 83.8 | 85.2 |
| 2 | 40 | 5 | 5 | 16.8 | 59 | 81 |
| 3 | 20 | 15 | 5 | 16.6 | 85.1 | 75.1 |
| 4 | 40 | 15 | 5 | 40.3 | 87 | 82.3 |
| 5 | 20 | 10 | 2 | 17.6 | 86.9 | 74.3 |
| 6 | 40 | 10 | 2 | 41.6 | 88.64 | 81.6 |
| 7 | 20 | 10 | 8 | 32.3 | 83.4 | 84.2 |
| 8 | 40 | 10 | 8 | 14.8 | 60.9 | 75.3 |
| 9 | 30 | 5 | 2 | 33.6 | 84.17 | 82.9 |
| 10 | 30 | 15 | 2 | 15.9 | 61.5 | 74.6 |
| 11 | 30 | 5 | 8 | 21.1 | 83.6 | 77.3 |
| 12 | 30 | 15 | 8 | 45.9 | 86.2 | 85.1 |
| 13 | 30 | 10 | 5 | 55.8 | 90.5 | 90.4 |
| 14 | 30 | 10 | 5 | 53.9 | 89.7 | 89.6 |
| 15 | 30 | 10 | 5 | 57.1 | 90.8 | 90.6 |
| 16 | 30 | 10 | 5 | 57.9 | 91.6 | 91.7 |
| 17 | 30 | 10 | 5 | 59.1 | 92.8 | 92.2 |
使用方差分析（ANOVA）评估二次多项式模型对稻壳生物炭碱激发材料的试验结果进行验证。
表2.28天抗压强度BBD模型方差分析
| 来源 | 平方和 | Df | 均方差 | F值 | P值 | 显著性 |
| 模型 | 6893.10 | 14 | 492.36 | 52.21 | <0.0001 | 极显著 |
| 因素A | 1103.23 | 1 | 1103.23 | 116.98 | <0.0001 | 极显著 |
| 因素B | 1769.28 | 1 | 1769.28 | 187.60 | <0.0001 | 极显著 |
| 因素C | 4.20 | 1 | 4.20 | 0.45 | 0.0454 | 显著 |
| AB | 0.01 | 1 | 0.01 | 0.001 | 0.0445 | 显著 |
| AC | 0.01 | 1 | 0.01 | 0.001 | 0.9745 | |
| BC | 0.022 | 1 | 0.022 | 0.002386 | 0.9617 | |
| A2 | 2676.42 | 1 | 2676.42 | 283.78 | <0.0001 | 极显著 |
| B2 | 1865.05 | 1 | 1865.05 | 197.75 | <0.0001 | 极显著 |
| C2 | 649.68 | 1 | 649.68 | 68.88 | <0.0001 | 极显著 |
| 余数 | 132.04 | 14 | 9.43 | |||
| 失拟 | 117.41 | 10 | 11.74 | 23.21 | 0.1362 | 不显著 |
| 纯误差 | 14.63 | 4 | 3.66 | |||
| 总离差 | 7025.14 | 28 |
表3.28天抗压强度BBD模型方差分析统计学数据
| 标准偏差 | 变异系数/% | 复相关系数 | 校正决定系数 | 预测复相关系数 | 信噪比 | |
| 数据 | 2.07 | 8.81 | 0.9812 | 0.9624 | 0.9005 | 26.736 |
P值＜0.05表示显著，P值＜0.01表示极显著。复相关系数为0.9812，代表回归模型可以解释实验数据98.12%的差异性。
变异系数=8.81%＜10%，表明实验的可信度和精确度高。信噪比值为26.736＞4，表明信号充足。
表4.28天抗硫酸盐侵蚀系数BBD模型方差分析
| 来源 | 平方和 | Df | 均方差 | F值 | P值 | 显著性 |
| 模型 | 3506.14 | 14 | 250.44 | 50.42 | <0.0001 | 极显著 |
| 因素A | 1911.93 | 1 | 1911.93 | 384.94 | <0.0001 | 极显著 |
| 因素B | 20.12 | 1 | 20.12 | 4.05 | 0.0238 | 显著 |
| 因素C | 5.21 | 1 | 5.21 | 1.05 | 0.0329 | 显著 |
| AB | 0.25 | 1 | 0.25 | 0.050 | 0.8257 | |
| AC | 0.007225 | 1 | 0.007225 | 0.001455 | 0.9701 | |
| BC | 0.0064 | 1 | 0.0064 | 0.001289 | 0.9719 | |
| A2 | 1546.50 | 1 | 1546.50 | 311.37 | <0.0001 | 极显著 |
| B2 | 24.84 | 1 | 24.84 | 5.00 | 0.0421 | 显著 |
| C2 | 49.44 | 1 | 49.44 | 9.95 | 0.0070 | 极显著 |
| 余数 | 69.53 | 14 | 4.97 | |||
| 失拟 | 63.14 | 10 | 6.31 | 3.95 | 0.0987 | 不显著 |
| 纯误差 | 6.39 | 4 | 1.60 | |||
| 总离差 | 3575.68 | 28 |
表5.28天抗硫酸盐侵蚀系数BBD模型方差分析统计学数据
| 标准偏差 | 变异系数/% | 复相关系数 | 校正决定系数 | 预测复相关系数 | 信噪比 | |
| 数据 | 2.23 | 2.78 | 0.9806 | 0.9611 | 0.8955 | 20.220 |
P值＜0.05表示显著，P值＜0.01表示极显著。复相关系数为0.9806，代表回归模型可以解释实验数据98.06%的差异性。
变异系数=2.78%＜10%，表明实验的可信度和精确度高。信噪比值为20.220＞4，表明信号充足。
表6.28天耐酸性系数BBD模型方差分析
| 来源 | 平方和 | Df | 均方差 | F值 | P值 | 显著性 |
| 模型 | 981.88 | 14 | 70.13 | 29.46 | <0.0001 | 极显著 |
| 因素A | 93.52 | 1 | 93.52 | 39.28 | <0.0001 | 极显著 |
| 因素B | 167.25 | 1 | 167.25 | 70.25 | <0.0001 | 极显著 |
| 因素C | 2.90 | 1 | 2.90 | 1.22 | 0.0483 | 显著 |
| AB | 0.0025 | 1 | 0.0025 | 0.00105 | 0.9746 | |
| AC | 0.090 | 1 | 0.090 | 0.038 | 0.8486 | |
| BC | 0.0025 | 1 | 0.0025 | 0.00105 | 0.9746 | |
| A2 | 284.62 | 1 | 284.62 | 119.54 | <0.0001 | 极显著 |
| B2 | 492.28 | 1 | 492.28 | 206.76 | <0.0001 | 极显著 |
| C2 | 77.17 | 1 | 77.17 | 32.41 | <0.0001 | 极显著 |
| 余数 | 33.33 | 14 | 2.38 | |||
| 失拟 | 28.52 | 10 | 2.85 | 2.37 | 0.2103 | 不显著 |
| 纯误差 | 4.81 | 4 | 1.20 | |||
| 总离差 | 1015.21 | 28 |
表7.28天耐酸性系数BBD模型方差分析统计学数据
| 标准偏差 | 变异系数/% | 复相关系数 | 校正决定系数 | 预测复相关系数 | 信噪比 | |
| 数据 | 1.54 | 1.87 | 0.9672 | 0.9343 | 0.8308 | 19.722 |
P值＜0.05表示显著，P值＜0.01表示极显著。复相关系数为0.9672，代表回归模型可以解释实验数据96.72%的差异性。
变异系数=1.87%＜10%，表明实验的可信度和精确度高。信噪比值为19.722＞4，表明信号充足。
进一步的，参见图2-4，对于模型的拟合精度分析中，对于三项性能，给出了残差的正态概率分布图、预测值与实际值分布图，从图中可以看出。残差的正态概率分布均在一条直线上；残差与预测值分布图在一条直线上。因此，利用响应面法拟合模型适应性较好，拟合精度较高。
综上所述，参见图5，稻壳生物炭基地聚物制备经综合优化后最佳值为：稻壳生物炭掺量24.66%，矿渣：粉煤灰=8:2，NaOH掺量10.20%，Na2SiO3掺量5.12%，预测得到的28天抗压强度为60.5637MPa，抗硫酸盐侵蚀系数为91.7842%，耐酸性系数为92.2763%。
试验二：地聚物材料应用
本实验所用钝化材料为稻壳生物炭-矿渣-粉煤灰碱激发胶凝材料，具体原料配比参照响应面法最优配比。产酸废石经破碎筛分后，分为-2mm、2-6mm、+6mm三个粒级。
按最优配比称取原材料置于塑料烧杯中，按碱激发胶凝材料制备方法制备胶凝材料。搅拌完成后，按设计胶凝材料与废石质量比（1:1，1:2，1:3，1:4，1:5）称取一定质量不同粒级的废石倒入胶凝材料中，继续搅拌1min，使胶凝材料均匀包裹住废石，注入模具，在标准养护条件下养护24h后脱模，取出试块（以下统称试块）以备后续实验使用。每个试块的体积均为2*2*2=8cm3。
将制备养护好的试块分别依次装入100mm烧杯中，向其中加入64ml（与试块体积比8:1）的3%H2O2进行氧化。同时设置未使用胶凝材料包裹钝化的产酸废石对照组，对照组的废石量体积也为2*2*2=8cm3（具体称量方法为将废石平铺在模具中并压实，尽量使得废石填充完全模具）。分别在0、6、24、48、72h测量pH。
具体结果参见图6，可以看出，胶凝材料与废石之间的比例达到1:3时，钝化效果已经很好，当比例继续增大，钝化效果持续稳定，差异不大。
试验三：长期氧化实验
在确定了不同粒径的最小胶凝材料与废石比例后，分别使用最小比例的胶凝材料对三种粒级的废石进行包裹钝化实验。养护24h后的试块装入100ml烧杯中，加入64ml（与试块体积比8:1）的3%H2O2进行氧化。开始计时，在3d、9d、15d、21d、27d多个时间点检测溶液的pH值和氧化还原电位（Eh）值，这个体系命名为废石+胶凝材料+H2O2。
参见图7，结果发现：地聚物对于产酸废石有较好的稳定化效果。即使是在双氧水（模拟氧化条件）作用下，其碱性环境存在周期可达数月，重金属浸出浓度极低。
实验四：水化-放热实验
为了研究稻壳灰、矿渣、粉煤灰三元体系的水化反应过程，更好的对比分析本发明三元固废配比优化后胶凝材料的放热行为，设置对照组（未掺入稻壳生物炭的矿渣-粉煤灰二元胶凝材料），开展了等温量热反应，记录了前24h的反应热。
通过两组水化放热速率和累积放热量可知，对照组的矿渣-粉煤灰二元体系由于高的Ca/Si比，Ca、Si在前期迅速水解，生成大量水化产物，在较短的时间内反应完成。对于三元体系，稻壳生物炭的添加，使矿渣的掺量降低，体系的Ca/Si比降低，在碱激发剂作用下，反应前期的水化产物较少；但是由于稻壳生物炭的保水性和高Si含量，反应后期稻壳灰剩余的Si再次参与反应，促进水化反应产物生成，提高后期强度，并且强度持续增长。
根据得到的反应放热速率曲线图9，选择具有代表性的时间点（5min、13h、18h、24h）中止反应过程，对在不同反应时间点得到的滤渣进行XRD，FT-IR，SEM等表征，参见图10。
综上，稻壳生物炭的掺入会在反应前期减少反应产物的形成，但由于稻壳生物炭优秀的保水性，使得体系的二次水化反应增强，最终使得碱激发材料的反应产物增加。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (7)
1.一种生物炭基地聚物，其特征在于，包括前驱体、碱激发剂和水；
所述前驱体包括质量比为48-72：12-18：10-40的高炉矿渣、粉煤灰和生物炭；
所述碱激发剂包括氢氧化钠和硅酸钠；
所述氢氧化钠与所述前驱体的质量比为5-15%；
所述硅酸钠与所述前驱体的质量比为0-10%；
所述水的用量为所述前驱体质量的50%。
2.根据权利要求1所述的一种生物炭基地聚物，其特征在于，所述前驱体包括质量比为60.27：15.07：24.66的高炉矿渣、粉煤灰和生物炭。
3.根据权利要求1所述的一种生物炭基地聚物，其特征在于，所述氢氧化钠与所述前驱体的质量比为10.2%，所述硅酸钠与所述前驱体的质量比为5.12%。
4.根据权利要求1所述的一种生物炭基地聚物，其特征在于，所述高炉矿渣、粉煤灰和生物炭的粒度小于200目。
5.根据权利要求4所述的一种生物炭基地聚物，其特征在于，所述生物炭为稻壳生物炭或水稻秸秆生物炭。
6.根据权利要求1-5任一所述的生物炭基地聚物的应用，其特征在于，所述生物炭基地聚物在高硫含量废石钝化中的应用。
7.根据权利要求6所述的生物炭基地聚物的应用，其特征在于，所述生物炭基地聚物与所述高硫含量废石的质量比不小于1：3。
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Citations (2)
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|---|---|---|---|---|
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|---|---|---|---|---|
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| CN117401956A (zh) * | 2023-10-31 | 2024-01-16 | 核工业北京化工冶金研究院 | 一种碱激发固化含硫铀废石的方法及其制备的含硫铀废石固化体 |
Non-Patent Citations (5)
| Title |
|---|
| HARSHANI EGODAGAMAGE等: "Effective use of biochar as an additive for alkali-activated slag mortar production", 《CONSTRUCTION AND BUILDING MATERIALS》, 17 March 2023 (2023-03-17), pages 1 - 13 * |
| 熊敬超等: "《矿山废弃地生态修复研究与实践》", vol. 1, 30 September 2021, 中国地质大学出版社, pages: 82 * |
| 胡曙光主编: "《特种水泥》", vol. 2, 31 January 2010, 武汉理工大学出版社, pages: 286 - 288 * |
| 郭世平等: "《榆林地区工业固体废物的现状及利用》", vol. 1, 31 May 2022, 天津大学出版社, pages: 17 * |
| 龙武剑等: "《高阻尼水泥基复合材料：设计、性能及机理》", vol. 1, 31 March 2022, 武汉理工大学出版社, pages: 41 * |
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