一种垃圾焚烧底渣再生高延性水泥基材料及制备方法与流程

本发明涉及高延性水泥基材料及制备方法，尤其涉及一种城市生活垃圾焚烧底渣再生高延性水泥基材料及制备方法。

背景技术：

城市生活垃圾的产生量不断提升，截至2017年底，中国城市生活垃圾的存量已超过80亿吨，且每年仍以5％～8％的速度增长。目前，生活垃圾“减量化、无害化、资源化”最有效的方法是生活垃圾焚烧发电。垃圾焚烧发电将产生大量的底渣、飞灰和混合底渣。底渣是指生活垃圾焚烧后从炉床尾端排出的残留物，其质量接近灰渣总重的80％，为灰渣的主要成分。底渣质量占原垃圾质量的20％～30％，而体积却只有原垃圾体积的10％左右，已经初步实现了垃圾减量化的目的。但是城市生活垃圾焚烧底渣的进一步无害化处理与资源化利用仍是急需解决的课题。

高延性水泥基材料(ecc)是一种特殊的高性能纤维增强水泥基材料。ecc材料基于断裂力学和微观力学理论进行设计，采用调整纤维、基质以及纤维与基质的界面性能等手段以提升ecc的力学性能。弯曲作用下，ecc材料展现出超高的变形能力，具有类似金属的应变-硬化行为。不同于普通水泥混凝土材料，为了改善ecc浆体的工作性能和提高纤维的分散性，从而能够有效控制基质的韧性和ecc材料的应变-硬化行为，ecc材料中未使用粗集料，这造成ecc材料具有相对偏高的水泥含量，导致较大的水化热与材料收缩，为了解决这个问题，在ecc材料中使用大量粉煤灰来代替水泥。

城市生活垃圾焚烧底渣属于典型的cao－sio2－al2o3－fe2o3化学体系，与粉煤灰具有类似的活性成分，具体见表1。使用城市生活垃圾焚烧底渣再生微粉替代粉煤灰制备高延性水泥基材料，不仅可以解决城市生活垃圾焚烧底渣处理的难题，还可以降低高延性水泥基材料的生产成本。但是，使用城市生活垃圾焚烧底渣再生微粉拌制高延性水泥基材料的材料配比鲜有研究，性能尚不明确，此外，城市生活垃圾焚烧底渣再生微粉的加工细度还需进一步的研究。

表1城市生活垃圾焚烧底渣主要化学成分

技术实现要素：

发明目的：本发明的目的是提出一种垃圾焚烧底渣再生高延性水泥基材料，利用城市生活垃圾底渣再生微粉替代粉煤灰制备高延性水泥基材料，能够提高其所制得试件的拉伸性能，降低高延性水泥基材料的生产成本。

本发明的另一目的是提出基于上述高延性水泥基材料的制备方法。

技术方案：本发明提供的技术方案如下：

一种垃圾焚烧底渣再生高延性水泥基材料，由以下质量份的原料混合拌和而成：垃圾焚烧底渣再生微粉200～220份、水泥80～110份、石英砂100～120份、减水剂1.0～1.5份、水70～90份、聚乙烯醇纤维13～26份，其中垃圾焚烧底渣再生微粉为第一粒径、第二粒径和第三粒径的再生微粉按比例混合而成。

优选的，所述第一粒径的大小为0.125mm～0.18mm，所述第二粒径的大小为0.075mm～0.125mm，所述第三粒径的大小为≤0.075mm。

优选的，所述第一粒径、第二粒径、和第三粒径的再生微粉分别按照质量百分比10～20％、20～30％和50～70％的比例混合均匀。

上述垃圾焚烧底渣再生高延性水泥基材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)制备再生微粉：将垃圾焚烧底渣浸水去除液面悬浮杂质，烘干；将烘干的底渣球磨、筛分，得再生微粉；

(2)配料：将再生微粉、水泥、石英砂、水和减水剂、聚乙烯醇纤维按以下质量份称重：再生微粉200～220份、水泥80～110份、石英砂100～120份、减水剂1.0～1.5份、水70～90份；聚乙烯醇纤维13～26份；

(3)拌和：将再生微粉、水泥和石英砂搅拌均匀，再添加水和减水剂搅拌均匀，最后加入聚乙烯醇纤维搅拌均匀，得垃圾焚烧底渣再生高延性水泥基材料。

优选的，步骤(1)中，所述筛分获取第一粒径、第二粒径、第三粒径三种类型的再生微粉，所述第一粒径的大小为0.125mm～0.18mm，所述第二粒径的大小为0.075mm～0.125mm，所述第三粒径的大小为≤0.075mm。

更优选的，所述第一粒径、第二粒径、和第三粒径的再生微粉分别按照质量百分比10～20％、20～30％和50～70％的比例混合均匀。

步骤(1)中，所述筛分用标准筛的目数为80目、120目和200目。

其中，所述减水剂为常用的聚羧酸系减水剂。

本发明的城市生活垃圾焚烧底渣经浸水、去除杂质、烘干、球磨和筛分，获得不同粒径的再生微粒，再生微粒颗粒的粒径越大，其活性越低，高延性水泥基材料的拉伸强度越小。但是不同粒径范围的再生微粒经过混合及颗粒级配，能够提高水泥基材料的密实度，进而提高其拉伸性能。高延性水泥基材料的拉伸强度主要由纤维的桥接应力来保证，纤维的桥接应力主要是指纤维和基质的粘结力和摩擦力，使用部分较粗颗粒粒径的再生微粉，改良再生微粉的级配，在保证纤维和基质具有良好粘结力的同时，可以提升纤维和基质的摩擦力，进而提高纤维的桥接应力，提升高延性水泥基材料的拉伸性能。

有益效果：本发明与现有技术相比，具有如下显著优点：(1)解决了城市生活垃圾底渣的处理难题；(2)采用不同粒径范围的再生微粉按比例掺配，改善了再生微粉的级配；(3)使用城市生活垃圾底渣再生微粉替代粉煤灰制备高延性水泥基材料，降低了高延性水泥基材料的生产成本。

附图说明

图1是本发明的制备方法流程图；

图2是利用本发明的高延性水泥基材料所制备的单轴拉伸“狗骨型”试件示意图，其中(a)为俯视图，(b)为侧视图。

具体实施方式

下面对本发明的技术方案作进一步的说明。

实施例1

(1)制备再生微粉：①将城市生活垃圾焚烧底渣浸入水中，充分搅拌以排除气泡，静置一昼夜以使底渣中的杂质和黏土悬浮在液面，去除液面悬浮杂质后，将水缓慢排出，将底渣置于干燥器中烘干至恒重；②将烘干后的底渣倒入球磨机中进行碾磨，然后，使用80目、120目和200目标准筛筛分底渣，获取粒径大小为0.125～0.18mm的第一粒径、粒径大小为0.075～0.125mm的第二粒径、粒径大小为≤0.075mm的第三粒径这三种类型的再生微粉；③将三种类型的再生微粉分别按照一定的质量百分比混合均匀，本实施例采用如下比例混合：

1-1混合再生微粉：第一粒径、第二粒径和第三粒径的再生微粉分别按15％、25％、60％重量比称重；

1-2混合再生微粉：第一粒径、第二粒径和第三粒径的再生微粉分别按10％、20％、70％重量比称重；

1-3混合再生微粉：第一粒径、第二粒径和第三粒径的再生微粉分别按20％、30％、50％重量比称重；

(2)配料：将1-1混合再生微粉、水泥、石英砂、水、聚羧酸系减水剂和聚乙烯醇纤维按以下质量份分别称重：1-1混合再生微粉200份、水泥100份、石英砂110份、聚羧酸系减水剂1.2份、水80份、聚乙烯醇纤维15.6份；

(3)拌和：将1-1混合再生微粉、水泥和石英砂，倒入搅拌机中低速搅拌，材料搅拌均匀后，添加水和聚羧酸系减水剂再高速搅拌，浆体拌和均匀后，缓慢添加聚乙烯醇纤维搅拌均匀，得1-1城市生活垃圾焚烧底渣再生高延性水泥基材料；

重复以上步骤(2)和步骤(3)，分别得1-2城市生活垃圾焚烧底渣再生高延性水泥基材料和1-3城市生活垃圾焚烧底渣再生高延性水泥基材料。

实施例2

本实施例与实施例1的区别在于，城市垃圾焚烧底渣球磨后过80目筛，获取粒径≤0.18mm的再生微粉。

实施例3

本实施例与实施例1的区别在于，城市垃圾焚烧底渣球磨后过120目筛，获取粒径≤0.125mm的再生微粉。

实施例4

本实施例与实施例1的区别在于，城市垃圾焚烧底渣球磨后过200目筛，获取粒径≤0.075mm的再生微粉。

实施例5

本实施例与实施例1中1-1的区别在于，聚乙烯醇纤维的质量份为13份；其中1-1混合再生微粉、水泥、石英砂、水和聚羧酸系减水剂按以下质量份称重：1-1混合再生微粉220份、水泥80份、石英砂100份、聚羧酸系减水剂1.0份、水90份。

实施例6

本实施例与实施例1中1-1的区别在于，聚乙烯醇纤维的质量份为26份；其中1-1混合再生微粉、水泥、石英砂、水和聚羧酸系减水剂按以下质量份称重：1-1混合再生微粉200份、水泥110份、石英砂120份、聚羧酸系减水剂1.5份、水70份。

对比例1

与实施例1的区别在于，用粉煤灰替代再生微粉。

对比例2

与实施例6的区别在于，聚乙烯醇纤维的质量份为32.5份。

取实施例1至6和对比例1至2拌和后的城市生活垃圾焚烧底渣再生高延性水泥基材料，分别制成如图2所示的“狗骨型”试件，进行单轴拉伸试验，测试其极限抗拉强度。其试验结果见表2。

表2高延性水泥基材料拉伸强度测试结果

由表2可知，实施例1至6同对比例1相比，以城市生活垃圾焚烧底渣再生微粉拌制的高延性水泥基材料，其拉伸性能优于或相当于粉煤灰拌制的高延性水泥基材料的拉伸性能。这是因为城市生活垃圾焚烧底渣再生微粉属于典型的cao－sio2－al2o3－fe2o3化学体系，与粉煤灰具有类似的活性成分，可以参与水泥水化反应，使高延性水泥基材料获得较高的拉伸强度。

实施例2和实施例3与实施例1和实施例4相比，所得水泥基材料的单轴拉伸强度较小，说明垃圾焚烧底渣再生微粉的颗粒粒径对高延性水泥基材料的拉伸强度具有一定的影响，颗粒粒径越大，再生微粉的活性越低，高延性水泥基材料的拉伸强度就越小。

实施例4与实施例1相比，实施例4所得水泥基材料的单轴拉伸强度大于实施例1中1-3混合再生微粉所得水泥基材料的单轴拉伸强度，但小于实施例1中1-1混合再生微粉和1-2混合再生微粉所得水泥基材料的单轴拉伸强度，说明高延性水泥基材料的单轴拉伸性能除受再生微粉颗粒粒径的影响，还受颗粒级配的影响，级配良好的再生微粉可拌制密实度更高的高延性水泥基材料，其拉伸性能更好。此外，高延性水泥基材料的拉伸强度主要取决于纤维的桥接应力，高延性水泥基材料的拉伸破坏主要是由于纤维被拉断或从基质中被拔出。纤维和基质的接触力主要由纤维和基质的粘结力和摩擦力来提供，使用部分颗粒粒径较大的再生微粉，可以提高纤维和基质的摩擦力，进而有助于高延性水泥基材料拉伸性能的提升。

与实施例1中的1-1相比，实施例5具有较低的拉伸强度。实施例5使用了较少的水泥，减少了基质强度，同时使用了较少的纤维，减少了纤维的桥接应力，因此，实施例5拉伸强度较低。

与实施例1中的1-1相比，实施例6具有较高的拉伸强度。实施例6使用了较多的水泥，提高了基质强度，同时使用了较多的纤维，提高了纤维的桥接应力，但是实施例6使用较多水泥，水泥水化放热过高，基质容易开裂，影响高延性水泥基材料的自愈合性能。此外实施例6采用了较少的用水量，影响高延性水泥基材料的流动性。

与实施例6相比，对比例2具有较高的拉伸强度。这主要是由于对比例2使用了较多的纤维掺量(2.5％)，高延性水泥基材料的拉伸强度主要由纤维的桥接应力提供，因此，对比例2具有较高的拉伸强度。但是，纤维掺量过高，存在纤维在基质中的分散难度增加，不易拌和，成本增加的问题。

综上所述，本发明将垃圾焚烧底渣不同粒径范围的再生微粒经混合及颗粒级配，提高水泥基材料的密实度，在保证纤维和基质具有良好粘结力同时，提升纤维和基质的摩擦力，提高纤维的桥接应力，进而提高了其拉伸性能，降低了其生产成本。