[发明专利]一种污泥-高钙粉煤灰碱激发水泥及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于材料领域，涉及以高钙粉煤灰作为硅铝源原材料，以热活化污泥为矿物外加剂，以钠水玻璃和氢氧化钠配制所得溶液为复合化学外加剂制备得到的一种新型低碳排放的碱激发水泥及其制备方法。

背景技术

水泥是一种传统的胶凝材料，为人类经济发展与社会进步做出了巨大贡献，然而硅酸盐水泥的原材料的紧缺已是全球必须面对的十分紧迫的实际问题，在本世纪中叶就将耗尽。加之，硅酸盐水泥不仅高能源消耗，而且其生产过程是一个高碳排放的过程，生产1吨水泥将排放约1吨的温室气体。因此，各国纷纷出台相应的措施限制水泥工业规模的发展，同时由于国家经济建设迫切需要，各国也相继发展新型的绿色胶凝材料，以取代这种传统的胶凝材料水泥，使胶凝材料在为人类造福的同时不至于给环境造成严重的负担。

污泥是一种主要的城市废弃物，随着人们环境意识的加强和水质量指标的日趋严格，水和污水处理过程所产生的污泥已成为水污染治理工艺不可避免的特殊废弃物。我国城市污水处理厂每年排放的污泥量巨大，尤其是在我国大城市，污泥出路问题已经十分突出。这些污泥目前只能占地填埋或单独焚烧处理，尚无合理的处理办法。而粉煤灰是火力发电厂排放出来的一种以硅、铝为主要成分的工业副产品。普通粉煤灰是烟煤作为动力燃料而排放出来的氧化钙含量很低的低钙粉煤灰，而高钙粉煤灰则是褐煤、亚烟煤或次烟煤作为动力燃料而排放出来的，其(SiO₂+Al₂O₃+Fe₂O₃)的质量百分含量≥50％，CaO的质量百分含量≥10％。随着电力工业的飞速发展和煤炭资源的耗竭，具有高挥发分的褐煤、亚烟煤或次烟煤也常常被用作动力燃料，导致越来越多的高钙粉煤灰的大量排出，并由于其游离氧化钙含量高而难以在水泥基材料中得到有效利用并堆积形成新的污染源，亟需加以处置利用。相对于低钙粉煤灰，高钙粉煤灰中除含有大量的硅铝质成分外，还含有一定的钙质成分。

地聚合物是碱激发水泥中的一种。地聚合物是以硅铝质材料为原料通过矿物聚缩反应而生成的一种低能耗、长寿命、无CO₂排放的高性能无机聚合物。随着人类对环境保护意识的加强，利用固体废弃物研制新型碱激发水泥前景可观。

发明内容

本发明以高钙粉煤灰为主要原料，以热活化污泥为矿物外加剂，以钠水玻璃和氢氧化钠制得的溶液为复合化学外加剂，确定污泥处置方式和复合化学外加剂的的模数和掺量，并在一定的养护环境中使该体系具有较好的性能，在一定范围内能部分取代或优于水泥使用。

高钙粉煤灰中大部分是细小的玻璃质球状颗粒，当高钙粉煤灰被复合化学外加剂激发时，部分铝硅相从高钙粉煤灰的球壳溶出并发生地聚合反应，这与碱激发低钙粉煤灰类似。风干污泥经热活化处理后其主要物相组成为CaO、MgO和SiO₂，当热活化污泥掺入到高钙粉煤灰中，其含有的硅铝质矿物成分，可以用其作为地聚合物材料的硅铝源先驱相，而大量钙质成分以及碱性物质K₂O和Na₂O，可以作为地聚合反应的碱性激发剂，为地聚合反应提供更高的碱性环境，增大热活化污泥-高钙粉煤灰地聚合物反应体系的碱度，有利于高钙粉煤灰硅铝相的解聚以及解聚的硅铝配合物的溶出和扩散，加速碱激发水泥的形成。

该发明利用的是工业废弃物高钙粉煤灰和污泥，首先给废弃物的利用提供了途径，减轻了环境的负担，也降低了成本，减少了资源消耗，符合节能减排且满足我国国情的要求；同时它是一种无熟料水泥，节约了能源消耗；同时这种新型碱激发水泥仅有少量温室气体的排放，是一种低碳排放的环保型的胶凝材料。另外，它在一定程度上可以取代水泥，可以减少水泥的生产，也就是减少了水泥生产过程中的高资源、能源消耗，高碳排放，也减少了其对环境造成的巨大压力。所以，这种低碳排放的碱激发水泥是一种绿色环保型的胶凝材料，符合当前社会发展的趋势，具有良好的经济效益与社会效益。

本发明的技术方案如下：