智程洋 智廣詢 智程程 智程琳 智程龍
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摘要：隨著人們環(huán)保意識的提升，道路用環(huán)保膠凝材料的研究與開發(fā)受到高度重視。廢棄物的處置與資源化是一個迫切需要解決的問題，將工業(yè)副產(chǎn)品、建筑廢棄物、城市生活垃圾等固廢轉(zhuǎn)變成“綠色膠凝材料”，既能有效地解決垃圾堆放問題，又能代替一些傳統(tǒng)材料，減少資源消耗，減少對環(huán)境的污染。將固體廢棄物基綠色膠凝材料用于道路，既可改善道路質(zhì)量，又可提升其耐久性與強度，具有廣泛的應(yīng)用前景與經(jīng)濟(jì)價值。基于此，本文探討了一種硅鋁基再生膠凝材料及其制備方法；涉及硅鋁基再生膠凝材料技術(shù)領(lǐng)域；解決現(xiàn)有技術(shù)中的硅鋁基再生膠凝材料早期強度不夠的問題；所述硅鋁基再生膠凝材料由以下組分制成：硅鋁基膠40％ 50％，超高細(xì)礦渣粉5 15％，無害化二次鋁灰渣粉20 30％，添加劑15 25％；所述硅鋁基再生膠凝材料早期強度較高，且含碳量低，符合綠色膠凝材料的要求。
關(guān)鍵詞：道路用固廢基；綠色膠凝材料；研發(fā)
道路用固廢基綠色膠凝材料是在物理和化學(xué)作用下，將塑料漿體轉(zhuǎn)變?yōu)橛操|(zhì)固體，并與其他材料結(jié)合形成具有一定強度的復(fù)合材料。主要包括硅酸鹽水泥、石灰、石膏以及硅鋁基的再生膠凝材料。雖然硅酸鹽水泥對現(xiàn)代建筑環(huán)境有重大影響，但同時也是大氣中二氧化碳的主要排放源。根據(jù)IEA的估算，單是水泥工業(yè)，就造成了全世界大約7%的二氧化碳排放量。這使得水泥工業(yè)成為繼鋼鐵業(yè)之后，全球第二大二氧化碳排放行業(yè)?！暗吞冀?jīng)濟(jì)”這一術(shù)語自從2009年在哥本哈根舉行的聯(lián)合國氣候變化大會上就已經(jīng)被提上了議事日程，“低碳”在環(huán)境保護(hù)方面的重要性早已深入人心，但作為一種不可缺少的建材——預(yù)拌混凝土，“低碳水泥”的出現(xiàn)可以說是它今后的“一片春天”。低碳膠凝材料是指通過對膠凝材料的制備過程進(jìn)行改造，達(dá)到減少膠凝材料生產(chǎn)、使用過程中碳排放的目的。低碳膠凝復(fù)合材料可使碳排放降低50%以上，獲得高品質(zhì)和長使用壽命的膠凝復(fù)合材料。硅鋁基再生膠凝材料以天然礦物、固廢和人造硅鋁化合物為主要原料，合成出三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的硅鋁基可再生膠凝材料，其制備過程可實現(xiàn)廢棄物資源化，減少碳排放，符合低碳膠凝材料的需求。
一、綠色膠凝材料的組分
（一）硅鋁基膠
硅鋁基膠是一種以硅和鋁為主的無機物質(zhì)，其中化學(xué)成分決定了其耐高溫、耐化學(xué)侵蝕能力強、耐腐蝕性好等特點。硅鋁基膠的生產(chǎn)工藝包括原材料的選擇、配比、攪拌和高溫?zé)蒣1]。首先，原料的選擇是非常重要的，一般選擇富含硅、鋁的高嶺土和膨潤土等礦物，并將其粉碎，然后再進(jìn)行下一道工序。材料配比的科學(xué)與否，對材料的綜合性能有著重要的影響，合理的硅鋁配比可以有效地改善材料的強韌性和耐久性。在攪拌過程中，必須掌握各成分的均勻度，才能使物料的綜合性能保持一致性。高溫?zé)墒枪?鋁基膠粘劑制備過程中最重要的一步，其燒結(jié)溫度及時間對材料的組織及宏觀力學(xué)性能有重要的影響。硅鋁基膠在使用時，可與礦渣、鋁粉等其他組分發(fā)生化學(xué)作用，生成高強、耐久的固化材料。該復(fù)合膠凝材料既可滿足道路施工對材料強度、耐久性等方面的需求，又可有效降低傳統(tǒng)水泥生產(chǎn)中的CO2排放量，且環(huán)境友好[2]。硅鋁樹脂在公路工程中的廣泛使用，既可提高公路施工材料的綜合性能，又可促進(jìn)建材工業(yè)向綠色轉(zhuǎn)變，具有重大的社會效益與經(jīng)濟(jì)效益。
?。ǘ┏呒?xì)礦渣粉
超高細(xì)礦渣粉是一種重要的綠色膠凝材料組分，對材料性能的優(yōu)化具有重要意義。爐渣是高爐冶煉的副產(chǎn)物，經(jīng)超細(xì)研磨后，可得到細(xì)小的爐渣。超高細(xì)礦渣粉由于其比表面大、活性高，可起到填充、激活等功能。超高細(xì)礦渣粉的充填效應(yīng)可有效改善膠凝材料的致密性、降低孔隙率，進(jìn)而提高膠凝材料的強度與耐久性[3]。利用超高細(xì)礦渣粉的激發(fā)效應(yīng)，在膠凝體水化反應(yīng)中生成的大量水化產(chǎn)物，可填補微細(xì)孔隙，進(jìn)而提升混凝土的密實度與強度。超高細(xì)礦渣粉還可以充分利用工業(yè)廢料，減少資源消耗，減少CO2排放量，具有環(huán)境友好的優(yōu)點。將超高細(xì)礦渣粉用于膠凝材料，既可改善其物理性質(zhì)，又可大幅提高其耐久、耐化學(xué)侵蝕能力。尤其是將超高細(xì)礦渣粉應(yīng)用于道路，可有效地延長路面使用年限，降低養(yǎng)護(hù)費用，經(jīng)濟(jì)、社會效果顯著。
?。ㄈo害化二次鋁灰渣粉
二次無害化鋁灰渣粉對資源的回收與環(huán)保有著十分重要的意義。鋁灰是電解鋁生產(chǎn)中產(chǎn)生的固體廢物，傳統(tǒng)的處置方法為填埋、堆放，既浪費了大量的土地資源，又帶來了二次污染[4]。將粉煤灰無害化，可使其成為環(huán)保膠凝材料的重要組分，從而達(dá)到資源回收的目的。二次處理是一種無害化的鋁灰渣粉處理方式，它包括預(yù)處理、分離、凈化和粉碎。首先，對鋁灰進(jìn)行預(yù)處理，消除其中的重金屬、氟化物等有害成分，保證其“無害化”。在此基礎(chǔ)上，對其進(jìn)行分離純化，將其有效組分進(jìn)行萃取，獲得具有膠凝材料要求的理化性質(zhì)。其次，對經(jīng)處理的鋁灰進(jìn)行破碎，得到具有較好分散、反應(yīng)活性的超細(xì)粉。最后，將二次無害化粉煤灰摻入到膠凝材料中，可明顯改善其抗壓、耐久、耐化學(xué)侵蝕能力。由于鋁灰中富含Al、Si等元素，在與其他組分作用時，會產(chǎn)生較多的水化產(chǎn)物，從而使其具有更高的強度和密實度。采用二次無害化處理的鋁灰渣粉，可以有效地減少鋁灰的填埋，減少對環(huán)境的污染，從而達(dá)到節(jié)能減排的目的。
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添加劑是綠色膠凝材料研究開發(fā)的一個重要環(huán)節(jié)，不僅可以優(yōu)化材料的性能，還可以使其具有特殊的功能。按性能可分為減水劑、引氣劑、緩凝劑、早強劑和防水劑。每一種添加劑都有各自的機理和適用場合。如減水劑可有效地減少用水量，改善材料的工作性能與強度。減水劑能有效地減少水的用量，其主要機理是通過改變水泥粒子的表面電荷分布，削弱其對水的吸附能力。引氣劑是指在膠凝材料中摻入微細(xì)氣泡，從而改善膠凝材料的耐凍性與耐久性。引氣劑主要作用是利用混凝土中的微氣泡來減緩混凝土凍融時的內(nèi)應(yīng)力，達(dá)到增強材料耐久性的目的。而緩速劑、早強劑等，可根據(jù)不同的施工條件，調(diào)整材料的凝結(jié)硬化時間。緩凝劑可使水泥的初凝時間延長，便于長距離輸送及大體積混凝土的施工；早強劑可以加速材料早期強度的提高，以滿足建筑施工及應(yīng)急搶險的需要。防水劑是指通過改變材料的微結(jié)構(gòu)來改善材料的致密性、抗?jié)B性、阻濕性等，達(dá)到增強材料耐久性的目的。通過合理應(yīng)用添加劑，可以有效地改善綠色膠凝材料的各項性能，從而更好地適應(yīng)各種工程的需要。
二、制備原理
本文所述硅鋁基再生膠凝材料由以下組分制成：硅鋁基膠40％ 50％，超高細(xì)礦渣粉5 15％，無害化二次鋁灰渣粉20 30％，添加劑15 25％；所述硅鋁基再生膠凝材料早期強度較高，且含碳量低，符合綠色膠凝材料的要求。
研究開發(fā)道路用固廢基綠色膠凝材料，對環(huán)保、經(jīng)濟(jì)都有重大意義。它的合成機理是以硅-鋁基膠結(jié)材料（簡稱土聚合物）的生成機理為基礎(chǔ)的。地聚合物是以富含Al2O3、SiO2為主要原料，經(jīng)高堿性激發(fā)劑誘導(dǎo)，在其表面形成三維網(wǎng)狀聚合物結(jié)構(gòu)，獲得高強、高穩(wěn)定性的凝膠。礦渣粉由高爐冶煉后產(chǎn)生的副產(chǎn)物，其主要成分為硅酸鹽、硅酸鋁等熔融物。在淬火過程中，熔融物質(zhì)會快速降溫并變成粒狀，并由此生成具有潛在膠凝能力的玻璃狀粒子。摻入高堿性激發(fā)劑后，礦渣微粉能明顯改善膠凝材料的早齡期強度及耐久性。在此基礎(chǔ)上，以二次無害化鋁灰粉和鋁灰渣粉為主體組分，與普通水泥助劑相結(jié)合，研制出鋁硅再生膠凝材料。鋁工業(yè)產(chǎn)生的二次鋁灰、鋁灰粉等固體廢物，如不加以妥善處置，既浪費了大量的土地資源，又帶來了嚴(yán)重的環(huán)境污染。通過對其進(jìn)行合理的處置與回收，可使其資源化，并作為一種新型的高性能膠凝材料。所制備的硅鋁基再生膠凝材料，既可提高其早強，延長壽命，又能滿足低碳環(huán)境要求。相對于傳統(tǒng)的膠凝材料，硅鋁基可再生膠凝材料因其原料為工業(yè)廢棄物，無需高溫煅燒，可大幅降低CO2排放。該材料的制造工藝低能耗，有利于降低制造成本，既可用于公路建設(shè)，又可實現(xiàn)固廢的高效回收，符合可持續(xù)發(fā)展思想。
三、具體應(yīng)用場景
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市政道路工程是固體廢棄物基綠色膠凝材料的典型應(yīng)用領(lǐng)域。城市道路既是城市的“大動脈”，又關(guān)系到城市的面貌與居民的生活品質(zhì)。以瀝青、水泥等為代表的傳統(tǒng)公路建筑材料在生產(chǎn)、使用時，會釋放出大量的CO2，給環(huán)境帶來了極大的污染。固廢基綠色膠凝材料的使用，為解決上述難題開辟了一條新途徑。首先，基于固體廢棄物的綠色膠凝材料能夠極大地降低對自然能源的依賴。以工業(yè)廢物、建筑廢棄物等為主體材料，既可減少對自然資源如石灰石、粘土等的開發(fā)要求，又可有效降低固廢的堆放與處置困難。其次，以固體廢棄物為原料的綠色膠凝材料，不僅可以大幅度降低能源消耗，而且可以降低碳排放，對于我國應(yīng)對氣候變化、推進(jìn)低碳城市的發(fā)展都有著十分重要的作用。更關(guān)鍵的是，這種新型的環(huán)保膠凝材料，在性能上并不比傳統(tǒng)的膠凝材料差多少。其抗壓、抗折強度優(yōu)良，耐磨、耐久性能也十分出色，可滿足重載、頻繁使用的市政道路的多種需求。另外，固廢基環(huán)保膠凝材料的組成及制備方法可因需而異，彈性大、適應(yīng)性強。如：在嚴(yán)寒地區(qū)，可加入抗凍劑，增強其抗凍能力；在較高溫度地區(qū)，可通過改變配方來改善材料的耐熱性?？傊?，將固體廢棄物基綠色膠凝材料用于市政道路建設(shè)，既能達(dá)到資源回收、環(huán)境保護(hù)的目的，又能提高公路的服役年限，促進(jìn)城市可持續(xù)發(fā)展。
（二）農(nóng)村道路建設(shè)
農(nóng)村道路是推進(jìn)城鄉(xiāng)融合、鄉(xiāng)村振興的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。農(nóng)村道路在建造、養(yǎng)護(hù)等方面的投資要比城市公路低，但對材料的耐久性、環(huán)保性能的要求卻要高得多。固廢基綠色膠凝材料在該領(lǐng)域有著特殊的優(yōu)勢與廣泛的應(yīng)用前景。首先，以農(nóng)作物秸稈、建筑垃圾等為原料，以生物質(zhì)為原料，制備基于固廢的綠色膠凝材料，既可降低原料成本，又可有效解決我國農(nóng)村生活垃圾的處置問題。其次，固廢基綠色膠凝材料對各種氣候變化具有較強的適應(yīng)能力，可在各種氣候環(huán)境中維持較高的使用壽命。我國北方地區(qū)氣候多變，部分地區(qū)夏熱冬冷，傳統(tǒng)膠凝環(huán)保膠凝材料在高溫、低溫、潮濕等環(huán)境中易出現(xiàn)開裂變形等問題。第三，固體廢棄物環(huán)保膠凝材料的施工方法較為簡便，適于鄉(xiāng)村建設(shè)。目前，我國農(nóng)村道路建設(shè)普遍存在著大量的機械設(shè)備及人才匱乏的問題，而基于固體廢棄物的綠色膠凝材料，其施工工藝簡單，便于推廣和應(yīng)用。固廢基綠色膠凝材料維修費用低，服役壽命長，可有效降低農(nóng)村道路養(yǎng)護(hù)維修次數(shù)，減少長期養(yǎng)護(hù)費用。總之，在農(nóng)村道路推廣固廢基綠色膠凝材料，具有重大的社會意義。通過推廣綠色建筑材料在鄉(xiāng)村的推廣，可以有效地改善農(nóng)村基礎(chǔ)設(shè)施，增強農(nóng)民的環(huán)境保護(hù)意識，促進(jìn)鄉(xiāng)村經(jīng)濟(jì)與環(huán)境的和諧發(fā)展。
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高速公路是我國公路網(wǎng)中最主要的一環(huán)，其原材料質(zhì)量要求是非常嚴(yán)苛的。將固體廢棄物基綠色膠凝材料用于高速公路施工，不僅可以達(dá)到高標(biāo)準(zhǔn)，而且可以產(chǎn)生明顯的環(huán)境效益和經(jīng)濟(jì)效益。首先，高速公路對路基及路面的承載能力及耐久性能提出了極高的需求，而固廢基綠色膠凝材料經(jīng)配方優(yōu)化及工藝改良后，可實現(xiàn)高強韌性能，可充分達(dá)到高速公路施工的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。其次，高速公路的建造與養(yǎng)護(hù)費用高昂，固廢基綠色膠凝材料在降低成本方面的優(yōu)勢十分突出。利用工業(yè)廢渣、爐渣和粉煤灰等固體廢物，既可節(jié)約原料，又可節(jié)約處理垃圾的費用，經(jīng)濟(jì)效益十分明顯。第三，高速公路建設(shè)周期長，傳統(tǒng)材料在運輸、貯存、服役等環(huán)節(jié)易受環(huán)境污染，而固廢基綠色膠凝材料因其穩(wěn)定、環(huán)保等特點，可在多種復(fù)雜環(huán)境中保持優(yōu)良的使用性能，保證了工程的順利實施與質(zhì)量。第四，由于我國高速公路的高頻次、大流量，使得道路的磨耗與損傷是不可避免的。固廢基綠色膠凝材料因其優(yōu)良的耐磨、耐疲勞等特性，可有效提高道路使用壽命、縮短養(yǎng)護(hù)用時、降低養(yǎng)護(hù)費用。
結(jié)束語：
總之，硅鋁基再生膠凝材料是采用天然礦物或固體廢棄物及人工硅鋁化合物為原料，制備的硅氧四面體與鋁氧四面體三維網(wǎng)絡(luò)聚合膠凝體，具有優(yōu)良的耐久性，其生產(chǎn)工藝廢物利用，對固體廢棄物進(jìn)行了再生利用，因此釋放的碳含量較少，滿足低碳膠凝材料的要求。
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