利用热等离子体技术处理城市垃圾后的熔融残渣在泡沫混凝土中的应用

本发明属于建筑材料技术领域，具体涉及利用热等离子体技术处理城市垃圾后的熔融残渣在泡沫混凝土中的应用。

背景技术：

随着全球经济的迅速发展，对能源的消耗日益增多，我国作为一个能源大国，能源节约已经成为热门话题。其中，建筑消耗的能源约占总能耗的30％，因此，节能建筑材料的开发具有非常重要的价值。泡沫混凝土是由水泥，发泡剂，适量的外加剂和硅质材料(可视情况添加)经过搅拌、浇筑、发泡、切割等工艺而成的多孔轻质材料。泡沫混凝土作为一种多孔轻质材料，因能耗低，耗材少，运输成本低等优点而被广泛运用于建筑保温材料，或者用于沟渠和挖掘填方材料、桥台、地面工程和边坡稳定性、预制构件等，比如用于墙壁和地板、矿井和隧道衬砌等。

目前，还有部分企业利用聚苯乙烯颗粒(eps)制备轻质保温混凝土，但eps颗粒保温混凝土耐火性差，且燃烧会释放大量的有毒气体，不符合环保的要求。为此，很多欧洲国家已经禁止eps保温颗粒在建筑材料中的使用。而无机泡沫混凝土由于耐火性好，保温性能良好，因而被广泛应用于建筑保温轻质材料。随着人们对节能环保的关注度越来越高，开发出更加符合节能环保要求的新型节能环保材料是必然趋势。

利用热等离子技术处理城市垃圾后的熔融残渣(municipalwasteresiduesaftertreatedbythermalplasmatechnology,mwtpt)是一种硅氧四面体结构的残渣，能很好的包裹重金属使重金属的浸出率符合国家标准，相比其他垃圾处理技术，mwtpt相对更加清洁和环保。等离子体技术可以用来处理各种废物，包括固体，液体，气体等。此外，等离子体反应器还可用于熔化玻璃或与玻璃形成剂一起，将废物玻璃化，形成稳定的、不可浸出的玻璃状残渣产品，其中的危险物质被困在玻璃网中，使得玻璃化产品具有可重复使用的潜力。等离子体是物质的第四种状态，包括电子、离子、中性粒子，整体上呈电中性。等离子体技术涉及通过气体电流产生持续电弧的过程称为电击穿，且具有高温、高强、高能量密度以及非电离辐射的优点。目前利用等离子技术处理生活垃圾的工艺大概为：前处理系统—进料系统—气化裂解+催化重整炉—除渣系统—余热回收—烟气急冷—湍流脱酸—除尘器—引风机—烟囱排放(wangq,yanj,tux,etal.thermaltreatmentofmunicipalsolidwasteincineratorflyashusingdcdoublearcargonplasma[j].fuel,2009,88(5):955-958.)。由于其高温裂解等作用，mwtpt是一种硅氧四面体结构，能很好的包裹重金属使重金属的浸出率符合国家标准。

目前，mwtpt作为一种废料，其被再利用的途径一般为制作微晶玻璃，尚未看到将mwtpt废料作为掺合料取代水泥制备泡沫混凝土的相关报道。

技术实现要素：

为了克服上述现有技术的不足，本发明提出了利用热等离子体技术处理城市垃圾后的熔融残渣(mwtpt)在泡沫混凝土中的应用，既开发了mwtpt的新用途，又达到了环保节能，废物回收利用的目的。

为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：

本发明提供了热等离子体技术处理城市垃圾后的熔融残渣(mwtpt)作为矿物掺合料在泡沫混凝土中的应用，即在制备泡沫混凝土时，利用所述熔融残渣(mwtpt)替代部分水泥。

优选地，所述熔融残渣(mwtpt)替代水泥的量不超过水泥重量的10％。

本发明还提供了一种包含城市垃圾熔融残渣的泡沫混凝土，所述泡沫混凝土包括热等离子体技术处理城市垃圾后的熔融残渣(mwtpt)、普通硅酸盐水泥、高锰酸钾、羟丙基甲基纤维素醚、双氧水和水，所述熔融残渣(mwtpt)的用量不超过普通硅酸盐水泥与熔融残渣总重量的10％。

作为本发明的一个优选实施方式，上述的一种包含城市垃圾熔融残渣的泡沫混凝土中，每立方米泡沫混凝土包含以下重量份的成分：

普通硅酸盐水泥720份，热等离子体技术处理城市垃圾后的熔融残渣(mwtpt)80份，高锰酸钾0.2份，羟丙基甲基纤维素醚4份,水400份，双氧水40份。

本发明以普通硅酸盐水泥为胶凝原材料，用mwtpt替代10％质量的水泥作为一种矿物掺合料，双氧水作为发泡剂，羟丙基甲基纤维素醚(hpmc)作为增稠剂和稳泡剂，高锰酸钾作为双氧水分解催化剂，按照合理的搭配、科学的质量配比，制备得到一种包含城市垃圾熔融残渣的泡沫混凝土；经测试发现，mwtpt作为一种矿物掺合料制备泡沫混凝土，虽然降低了总放热量，但对水化速率无影响；虽然抗压强度和抗折强度有所降低，但是降低的程度不大，还能满足规范要求。可见，在合适的添加量下，mwtpt作为一种新型矿物掺合料应用于制备泡沫混凝土是可行的，从而开发了mwtpt的新用途，达到了环保节能，废物回收利用的目的。

优选地，所述熔融残渣(mwtpt)在使用前先进行球磨处理，使得到的熔融残渣粉末的粒径主要分布于0.075mm以下。进一步地，粒径不大于0.075mm的熔融残渣粉末的含量大于熔融残渣粉末总量的89％。

优选地，所述熔融残渣(mwtpt)主要包含o、na、si三种元素，且o元素含量最多。进一步地，o、na、si三种元素的总含量大于熔融残渣元素总含量的89％，且o元素含量大于熔融残渣元素总含量的60％，na元素含量与si元素含量接近。

本发明还提供了上述的包含城市垃圾熔融残渣的泡沫混凝土的制备方法，具体为：先将高锰酸钾溶于水制成高锰酸钾水溶液；再将水泥、熔融残渣(mwtpt)、hpmc混合搅拌均匀制成混合料；然后将混合料和高锰酸钾水溶液混合搅拌均匀，最后加入双氧水搅拌8-12秒，得到混凝土预成型料，最后对混凝土预成型料进行浇模、养护后制备得到。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

mwtpt是利用热等离子技术处理城市垃圾后，所残留的熔融物质,本发明利用mwtpt作为一种新型矿物掺合料替代部分水泥，制备得到一种包含城市垃圾熔融残渣的泡沫混凝土，mwtpt作为掺合料虽然使泡沫混凝土的抗压强度和抗折强度有所降低，但是降低的程度不大，还能满足规范要求，可见mwtpt可作为矿物掺合料应用于制备泡沫混凝土。因此，本发明不仅解决了垃圾堆放问题，达到了环保节能，废物回收利用的目的，而且提出了mwtpt的新用途，提供了一种新的泡沫混凝土。

附图说明

图1为mwtpt粉末的电子扫描分析图；

图2为实施例1的mwtpt粉末(c)、对比例1的纯水泥混凝土试样粉末(a)以及实施例2的mwtpt泡沫混凝土粉末(b)的xrd分析图；

图3为实施例2的mwtpt泡沫混凝土和对比例1的纯水泥混凝土的水化放热量曲线；

图4为实施例2的mwtpt泡沫混凝土和对比例1的纯水泥混凝土分别在7d(a,b)和32d(c,d)的微观结构图(放大倍数均为1000倍，二次电压为10kv)；

图5为实施例2的mwtpt泡沫混凝土的能谱分析图。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式作进一步说明。在此需要说明的是，对于这些实施方式的说明用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

下述实施例中的实验方法，如无特殊说明，均为常规方法，下述实施例中所用的试验材料，如无特殊说明，均为可通过常规的商业途径购买得到的。

实施例1利用热等离子技术处理城市垃圾后的熔融残渣(mwtpt)的预处理

对mwtpt熔渣(购于武汉天和技术股份有限公司)通过球磨机球磨20min磨碎成粉，再通过标准筛对其进行筛分，得到mwtpt粉末，备用。

其筛分结果见表1，可见mwtpt粉末的粒径主要分布在≤0.075mm范围。

将mwtpt粉末置于60℃的鼓风干燥箱中烘干，用phenompharos场发射电子扫描电镜观察其微观结构，结果见图1，并且利用扫描电镜配置的能谱分析软件对图1进行分析，分析mwtpt粉末的化学成分，结果见表2。从表2可以看出，mwtpt粉末主要为o、na、si元素，其中o元素含量最多，还含有少量的al、ca、mg等元素；从图1可以观察到mwtpt粉末为不定型的多边形颗粒。

表1mwtpt粉末经过标准筛的筛分结果

表2mwtpt粉末的能谱分析结果

实施例2一种包含mwtpt的泡沫混凝土

每立方米泡沫混凝土包含以下重量份的成分(如表3所示)：

42.5级普通硅酸盐水泥720kg，mwtpt粉末80kg，高锰酸钾(分析纯)0.2kg，羟丙基甲基纤维素醚(hpmc)4kg,水400kg，双氧水40kg。

制备方法为：先将高锰酸钾溶于水制成高锰酸钾水溶液；再将水泥、mwtpt、hpmc混合搅拌均匀制成混合料；然后将混合料和高锰酸钾水溶液混合搅拌均匀，最后加入双氧水搅拌8-12秒，得到混凝土预成型料，最后将混凝土预成型料浇筑入40mm×40mm×160mm的模具中，1d后拆模且在标准养护条件下养护至测试龄期(32d)。

对比例1一种泡沫混凝土

每立方米泡沫混凝土包含以下重量份的成分(如表3所示)：

42.5级普通硅酸盐水泥800kg，高锰酸钾(分析纯)0.2kg，羟丙基甲基纤维素醚(hpmc)4kg,水400kg，双氧水40kg。

制备方法为：先将高锰酸钾溶于水制成高锰酸钾水溶液；再将水泥、hpmc混合搅拌均匀制成混合料；然后将混合料和高锰酸钾水溶液混合搅拌均匀，最后加入双氧水搅拌8-12秒，得到混凝土预成型料，最后将混凝土预成型料浇筑入40mm×40mm×160mm的模具中。

表3实施例2和对比例1的泡沫混凝土的配合比(单位：kg)

实验例1性能测试

(1)对实施例2和对比例1的泡沫混凝土的的流动度(采用nld-3型水泥胶砂流动度测定仪程控器测定)、抗压强度(采用nyl-300压力试验机测定)和抗折强度(采用kzj-6000水泥抗折试验机测定)进行测试，其结果见表4和表5。

从表4和表5可以看出，和纯水泥制备的泡沫混凝土相比，掺杂mwtpt制备的泡沫混凝土，其抗压强度和抗折强度都有一定的降低，但降低的程度不大，还能满足jg/t266-2011规范的要求。说明mwtpt可作为一种新型的矿物掺合料用于制备泡沫混凝土。

表4对比例1的泡沫混凝土的的流动度、抗压强度和抗折强度

表5实施例2的泡沫混凝土的流动度、抗压强度和抗折强度

(2)利用德国布鲁克d8-advancedx射线衍射仪分析了实施例1的mwtpt、实施例2和对比例1的泡沫混凝土(标准养护32d后)的物相，实验结果见图2；还利用美国ta八通道微量热仪分析水化热，分别测定了实施例2和对比例1的泡沫混凝土的水化热，其实验结果见图3；还利用phenompharos场发射电子扫描电镜扫描电镜分析了实施例2和对比例1的泡沫混凝土的微观结构，实验结果见图4。

图2为实施例1的mwtpt、对比例1以及实施例2利用mwtpt替代10％水泥(质量分数)后的泡沫混凝土粉末水化32d后的xrd分析图像。即mwtpt粉末(c)、纯水泥试样粉末(a)、mwtpt泡沫混凝土(b)粉末的xrd分析结果。

利用mdijade6软件分析上述xrd测试的结果，通过对比物相卡可得出，不同衍射峰对应的晶体名称。从图2(c)可以看出，mwtpt的xrd分析无明显的凸出衍射峰，说明mwtpt本身为无定型晶体的结构。而纯水泥试样和mwtpt泡沫混凝土试样的xrd衍射图无明显区别，说明mwtpt替代水泥进行水化反应无新的物质生成。但是在2θ为30-35之间的ch峰值强度明显增加，在25-30之间的cc晶体的衍射强度降低。这说明在水化32d后，说明利用mwtpt替代部分水泥的泡沫混凝土在后期碳化程度降低，这可能是由于mwtpt在泡沫混凝土中的微填料作用，填补部分小孔从而降低碳化程度，从而消耗的ch晶体减少，因此ch晶体数量增加，cc晶体数量减少。

图3为泡沫混凝土的水化放热曲线，图中表示实施例2利用mwtpt替代10％水泥后的泡沫混凝土(ce-mw)以及对比例1的泡沫混凝土(ce)的水化放热量。从图3中可以看出，掺有mwtpt的样本放热量低于纯水泥水化的放热量，这说明mwtpt对水泥水化为抑制作用，且由于mwtpt代替了10％的水泥，导致ce-mw样本的放热量降低。根据上述的xrd分析以及这里的水化热分析可知，mwtpt粉末对水泥的水化在早期为抑制作用，在后期为微填料的作用。

图4为mwtpt泡沫混凝土和纯水泥泡沫混凝土的微观结构，图中的a为纯水泥泡沫混凝土试样龄期为7d，放大倍数为1000倍的微观图；b为mwtpt泡沫混凝土试样龄期为7d，放大倍数为1000倍的微观图；c为纯水泥泡沫混凝土试样龄期龄期为32d，放大倍数为1000倍的微观图；d为试样mwtpt泡沫混凝土龄期为32d，放大倍数为1000倍的微观图。

从图4可以看出，利用mwtpt替代10％水泥的试样和纯水泥试样在7d龄期时，两者的微观结构无明显变化(本实施例是利用扫描电镜从低倍到高倍的观察，从全局到点的观察)。而对比32d龄期的试样，mwtpt泡沫试样出现大量明显的板状结构，通过扫描电镜配制的能谱分析结果显示该板状结构的主要组成元素为o和ca，含有极少量的al和si，说明这种大板状的晶体为氢氧化钙晶体(能谱分析结果见图5)。这种大片板状结构出现是由于龄期在32d时，试样内部泡沫混凝土本身的多孔结构易发生碳化而导致的结构疏松，从而增加了ch晶体的生长空间，使ch晶体能生长为大片板状。掺入mwtpt对试样的微观晶体并无明显影响，这也证明了xrd分析中mwtpt并不会与水泥发生反应而产生新的晶体种类(物相)。再一次证明mwtpt对水泥的水化反应仅为抑制作用。综合上述的xrd、水化热以及微观分析可知，mwtpt在泡沫水泥中早期主要为抑制水泥水化反应，而后期能发挥微填料的作用。

以上对本发明的实施方式作了详细说明，但本发明不限于所描述的实施方式。对于本领域的技术人员而言，在不脱离本发明原理和精神的情况下，对这些实施方式进行多种变化、修改、替换和变型，仍落入本发明的保护范围内。