一种碱激发胶凝材料及其制备方法和应用

本发明属于建筑材料，具体涉及一种碱激发胶凝材料及其制备方法和应用。

背景技术：

1、碱激发胶凝材料是新发展起来的一种新型低碳环保胶凝材料，通过碱性激发剂活化硅酸盐和铝酸盐等原料中的活性物质形成胶凝体系，与传统的硅酸盐水泥胶凝材料相比，制备过程简单、能耗低、排放小、废弃物利用率高，同时具有较高的强度和较好的耐久性，碱激发胶凝材料原材料混合材主要是火山灰活性比较高的材料，比如粉煤灰、硅灰等固体废弃物，因此它能够有效利用固体废弃物，减少资源的浪费。常见的固体废弃物有煤矸石、焚烧飞灰、底渣等，当前我国每年固体废弃物产生量与日俱增，据统计，2020年我国所产生的煤矸石总量超过7亿吨，生活垃圾焚烧后产生的飞灰和底渣超过1000万吨，这些固体废弃物没有得到有效的回收利用与处理,对资源造成了很大的浪费，同时对人体和环境也造成了严重危害。

2、煤矸石是煤矿开采过程中产生的一种固体废弃物，主要成分是煤岩、石灰石等，通常用作填埋处理，但占用大量土地资源，同时会产生大量的渗滤液和甲烷等有害气体，对环境造成污染；飞灰是垃圾焚烧后产生的细小颗粒物质，主要特点是含水量低、比表面积大以及高孔隙率，主要成分是无机物质，含有大量氯盐、重金属和二噁英，其中重金属是飞灰中潜藏较深的危害物质，重金属不仅会导致土壤出现退化同时还会使地下水造成—定污染，人体长期接触重金属，会给人身体造成极为严重的伤害，二噁英是乙级致癌物质，其所含有的毒性极高，一旦长期接触，会给人体造成极大的影响；底渣是指垃圾焚烧后残留在炉膛底部的固体废弃物，通常呈细粒状，主要成分是sio2、al2o3、fe2o3。底渣产生量占垃圾焚烧总量10％左右，相比焚烧飞灰产量非常高，通常进行填埋处理，但会占用大量的土地资源，同时还会对环境造成污染。目前，我国主要能源仍以煤炭为主，煤矸石产量逐年累增，同时随着生活垃圾的不断增加，垃圾焚烧处理后产生的飞灰和底渣也急剧增加，而我国仍然主要采用填埋方式处理固体废弃物，但是由于可用的填埋场地越来越少，并且利用填埋法处理固体废弃物将给环境带来严重的二次污染。因此，如何加强和完善对固体废弃物，尤其是危险废弃物的管理和利用，研究固体废弃物的资源化利用途径已经成为了一个亟待去解决的问题。

技术实现思路

1、针对如何有效回收利用固体废弃物问题，本发明的目的一是提供了一种新型环保碱激发胶凝材料，目的二在于提供上述碱激发胶凝材料的制备方法，目的三在于提供上述碱激发胶凝材料的应用，目的四在于提供一种固体废弃物中重金属的固化方法。本发明所述的碱激发胶凝材料完全采用固体废弃物煤矸石、飞灰和底渣作为复合前驱体材料，进而在碱溶液激发下制备胶凝材料，具有原料来源广、制备简单、强度高等优势，能够充分回收利用固体废弃物，能耗低、排放低，且能够有效固化稳定废弃物中的重金属，对生态环境和人体健康都有积极意义。

2、为了实现上述目的，本发明采用的具体方案为：

3、一种碱激发胶凝材料，包括复合前驱体材料和碱激发剂；所述复合前驱体材料是由煤矸石与飞灰或底渣复合而成；所述碱激发剂包括naoh和na2sio3溶液中的一种或两种。

4、本发明所述胶凝材料中，基于所述复合前驱体材料的总质量，所述煤矸石的质量百分比为60％-95％，例如60％、70％、80％、85％、95％或它们之间的任意值，优选80％-90％；所述飞灰的质量百分比为5％-40％，例如5％、10％、15％、20％或它们之间的任意值，优选10％-20％。

5、本发明所述胶凝材料中，基于所述复合前驱体材料的总质量，所述煤矸石的质量百分比为60％-90％；所述底渣质量百分比为10％-40％，例如10％、20％、30％、40％或它们之间的任意值，优选20％-30％。

6、本发明所述胶凝材料中，所述碱激发剂质量占所述复合前驱体材料总质量的50％，其中naoh与na2sio3质量比为1:0—1:3，例如1:0、1:0.3、1:1、1:3优选1:1—1:3。

7、第二方面，本发明提供第一方面所述的新型环保胶凝材料的制备方法，包括如下步骤：

8、(1)取煤矸石60～95重量份、飞灰5～40重量份或取煤矸石60～90重量份、底渣10～40重量份，在常温、干燥条件下搅拌混合，得到复合粉体；

9、(2)将占复合粉体50％的naoh溶液与na2sio3溶液按重量比1:0—1:3混合搅拌均匀，得到碱激发剂溶液；

10、(3)将步骤(1)得到的复合粉体按与步骤(2)得到的碱激发剂溶液混合利用净浆搅拌机搅拌得到胶凝材料；

11、(4)将胶凝材料净浆倒入模具中，在水泥胶砂振实台振实0.5～5min，静置1～3天后脱模成型取出，并进行养护，养护温度20±3℃，即得。

12、本发明的有益效果是：

13、(1)本发明制备工艺简单，制备过程无需加热煅烧，无co2排放，低能耗，制备成本低，具有显著的经济效益和社会效益。

14、(2)本发明可回收利用煤矸石、飞灰、底渣固体废弃物，解决了其大量堆积问题，所用原料全部是固体废弃物，提高了固体废弃物的利用率，减少其对周围环境的影响。

15、(3)本发明利用固体废弃物制备环保胶凝材料，其强度能满足工程建设要求，可有效替代硅酸盐水泥。

16、(4)本发明以废治废，所制备的胶凝材料能有效稳定固化飞灰或底渣中的重金属，大大降低其对人体和环境的影响。

技术特征：

1.一种碱激发胶凝材料，其特征在于：包括复合前驱体材料和碱激发剂；所述复合前驱体材料是由煤矸石与飞灰或底渣复合而成；所述碱激发剂包括naoh和na2sio3溶液中的一种或两种。

2.根据权利要求1所述的胶凝材料，其特征在于：所述复合前驱体材料由煤矸石与飞灰复合而成；基于所述复合前驱体材料的总质量，所述煤矸石的质量百分比为60％-95％，所述飞灰的质量百分比为5％-40％。

3.根据权利要求1所述的胶凝材料，其特征在于：所述煤矸石的质量百分比为80％-90％，所述飞灰的质量百分比为10％-20％。

4.根据权利要求1所述的胶凝材料，其特征在于：所述复合前驱体材料由煤矸石与底渣复合而成；基于所述复合前驱体材料的总质量，所述煤矸石的质量百分比为60％-90％；所述底渣质量百分比为10％-40％。

5.根据权利要求1所述的胶凝材料，其特征在于：所述碱激发剂质量占所述复合前驱体材料总质量的50％，其中naoh与na2sio3质量比为1:1—1:4。

6.根据权利要求1任意一种所述的新型环保胶凝材料的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：

7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于：取煤矸石和飞灰制备复合粉体，所述煤矸石与飞灰的质量比为85:15；碱激发溶液中naoh与na2sio3的质量比为1:3。

8.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于：取煤矸石和底渣制备复合粉体，所述煤矸石与底渣的质量比为85:15；碱激发溶液中naoh与na2sio3的质量比为1:3。

9.权利要求1-5任意一种所述的胶凝材料或权利要求6-8任意一种所述的制备方法制备的胶凝材料在制备建筑材料中的应用。

10.一种固体废弃物中重金属的固化方法，其特征在于：

技术总结
本发明提供一种胶碱激发胶凝材料及其制备方法和应用，属于建筑材料技术领域。所述胶凝材料包括复合前驱体材料和碱激发剂，其中，所述复合前驱体材料由煤矸石和垃圾焚烧飞灰或底渣复合而成；所述碱激发剂包括NaOH和Na<subgt;2</subgt;SiO<subgt;3</subgt;溶液中的一种或两种。本发明所采用的材料大部分为固体废弃物材料，其生产工艺简单，无需煅烧，成本较低，CO<subgt;2</subgt;排放量小，所得高强环保碱激发胶凝材料力学性能较为优异，且能够有效固化废物中的重金属，对环境友好，具有广阔的市场推广前景。

技术研发人员：冯德銮,陈东尧,王杰,梁仕华
受保护的技术使用者：广东工业大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/16