碳中和与固废资源化利用——“固废与生态材料”专题(第二辑)序

王栋民

2022, 41(2): 365-366.

摘要 ( 151 )

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玻璃材料对我国碳中和目标实现的贡献浅析

贾子强, 方广, 牛晨晨, 贾瑞东, 赵修建, 徐凯

2022, 41(2): 367-375.

摘要 ( 203 )

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力争2030年前碳排放达峰,2060年前实现碳中和是我国应对气候问题作出的战略部署。这一目标的实现需要在能源消费端与能源供应端减少对化石能源的依赖。玻璃行业在实现碳中和目标过程中发挥着重要作用。玻璃行业通过燃料替换、高效用能、原料替代、碎玻璃回收以及产品减薄等方式释放巨大的节能、减排潜力,各种节能玻璃产品也将在能源消费端起到更加显著的节能效果。在能源供应端,玻璃又是支持光伏发电、风力发电以及核电等清洁能源发展的关键材料。玻璃行业将为我国碳中和目标做出更大贡献。

火山灰质材料活性评价方法研究综述

屈孟娇, 田青, 张苗, 祁帅, 姚田帅, 许鸽龙, 蔡基伟

2022, 41(2): 376-389.

摘要 ( 280 )

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火山灰质材料的高效、合理利用是实现混凝土环境友好与高性能的重要途径,而科学、准确评价火山灰质材料的活性发挥程度则是提高其综合应用效果的关键之一。通过对国内外文献的研读分析,概述了化学试验法、物理试验法、微观结构分析法与动力学模型法等火山灰质材料的主要活性评价方法,并对各种评价方法的理论依据及适用特点进行了讨论分析,最后探讨了当前火山灰质材料活性评价方法存在的不足之处,旨在为火山灰质材料的高效利用与深入研究提供借鉴与参考。

花岗岩废砂粉对水泥基材料性能影响的研究进展

曾昊, 谭幸淼, 梁超锋

2022, 41(2): 390-400.

摘要 ( 94 )

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花岗岩加工过程中产生大量的废泥浆,废泥浆的随意倾倒将对环境和人类健康造成危害。近年来,一些研究者利用花岗岩废泥浆制备花岗岩废砂粉,并将其作为细骨料和胶凝材料应用于水泥基材料中。本文概述了花岗岩废砂粉的物理和化学特性,在此基础上,综述了花岗岩废砂粉分别作为细骨料和胶凝材料,对水泥基材料的工作性、力学性能、抗渗性、抗硫酸侵蚀、抗硫酸盐侵蚀以及抗钢筋锈蚀等性能的影响和作用机理,分析了掺花岗岩废砂粉水泥基材料现阶段研究中存在的不足,这为花岗岩废砂粉的高效和高附加值资源化利用提供支持。

矿物及废灰渣合成Na-X分子筛研究进展

杨宁伟, 安良成, 吕俊敏, 刘素丽, 王正, 庹杰, 高新华, 范素兵

2022, 41(2): 401-414.

摘要 ( 77 )

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多孔Na-X分子筛比表面积大,离子交换能力强,常被应用于废水处理、气体吸附分离等领域,通常由硅、铝无机盐原料合成得到。粉煤灰、煤矸石、高岭土、油页岩、稻壳灰、甘蔗渣等矿物及废渣含有高含量的硅、铝元素,经过预处理可用于合成Na-X分子筛。本文综述了多种天然矿物和工业固体废料的组成及合成Na-X分子筛的最新研究进展,讨论了不同矿物和固体废料合成Na-X的活化工艺、晶化动力学及机理,重点分析了合成条件对矿物和固体废料合成Na-X的影响,包括硅铝比、晶化温度、晶化时间、阴阳离子、水硅比、碱灰比、超声条件和有机添加剂的影响。

超硫水泥混凝土抗盐冻性能及提升研究

彭泽川, 周扬, 陈鲁川, 王亮

2022, 41(2): 415-424.

摘要 ( 121 )

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通过测试不同盐冻循环次数后超硫水泥混凝土的表面剥落质量和超声波相对动弹性模量,并对气泡结构参数进行表征,系统探究了引气剂对超硫水泥混凝土抗盐冻性能的影响规律,以及弱碱性激发剂——乳酸钠对超硫水泥混凝土抗盐冻性能的提升效果。研究结果表明,添加引气剂可有效提高超硫水泥混凝土抗盐冻性能,但会降低强度,复合掺加乳酸钠可避免强度降低。加入胶凝材料质量0.3%的引气剂,剥落质量仅为919.7 g/m²,较基准组降低了36.8%,且超声波相对动弹性模量未明显降低。引气剂的加入,改善了超硫水泥混凝土的气孔结构,降低了内部气孔间距系数和弦长大于100 μm的气孔数占比。这可以减缓冻融作用下内部微裂纹的发展速率,延缓冻融破坏过程。此外,乳酸钠通过促进超硫水泥水化使得混凝土抗盐冻性能得到增强,但提升效果主要体现在测试后期,且对混凝土气孔结构参数影响不大(28 d龄期)。

CFB灰渣抹灰砂浆的组成设计与性能研究

周明凯, 叶青, 陈潇, 张嘉琛, 陈立顺, 王怀德

2022, 41(2): 425-432.

摘要 ( 63 )

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为了提高抹灰砂浆的强度和体积稳定性,研究了水泥用量和灰渣比(循环硫化床(CFB)飞灰和CFB炉渣的质量比)对CFB灰渣抹灰砂浆2 h稠度损失率、抗压强度和体积稳定性的影响,并采用扫描电子显微镜、X射线能谱仪和X射线衍射仪对砂浆的微观形貌、元素分布和物相组成进行测试表征。结果表明,当水泥用量为5%、8%、12%(质量分数)时,CFB灰渣抹灰砂浆分别达到抹灰砂浆M10、M15、M20的强度等级。当胶凝材料用量一定时,随着水泥用量增大,砂浆2 h稠度损失率减小;当水泥用量一定时,随着灰渣比增大,砂浆2 h稠度损失率增大,膨胀效应减弱。CFB灰渣抹灰砂浆中生成的膨胀性钙矾石有效填充了颗粒之间的孔隙,从而提高砂浆的强度和体积稳定性。

粉煤灰渣替代细骨料对砂浆混凝土强度及抗冻性影响

张卉, 潘慧敏, 石雨轩, 周美茹, 王冬丽

2022, 41(2): 433-440.

摘要 ( 77 )

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通过筛分和破碎两种方式分别获得粒径区间为0.6~1.18 mm、0.3~0.6 mm的粉煤灰渣,并用其等体积替代对应粒径区间的细骨料,分析粉煤灰渣对砂浆工作性和强度的影响,探究粉煤灰渣的最优替代粒径区间。结合扫描电镜(SEM)、能谱分析(EDS)等方法分析了粉煤灰渣替代细骨料后砂浆试件的强度变化机理。基于砂浆最优替代粒径区间结果,验证了砂浆混凝土试件的强度和抗冻性。研究结果表明:分别以筛分方式和破碎方式得到的0.3~0.6 mm粒径区间粉煤灰渣替代对应区间细骨料后,其砂浆试件强度均与基准组(未替代)基本一致;而以筛分方式得到的0.3~0.6 mm粒径区间粉煤灰渣替代对应区间细骨料后,其混凝土试件强度和抗冻性与基准组基本一致。在水泥提供的氢氧化钙环境下粉煤灰渣表面生成水化硅酸钙,从而增加了水泥和粉煤灰渣界面胶结强度,强化水泥与粉煤灰渣界面区域,凹凸不平的粉煤灰渣表面与水泥浆咬合嵌锁,保证了试件的强度。

考虑骨料表面强化的再生混凝土内氯离子传输细观数值模拟

延永东, 刘甲琪, 徐鹏飞, 王鑫

2022, 41(2): 441-449.

摘要 ( 52 )

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采用纳米强化再生骨料表面的措施来改善再生骨料性能,建立多相再生混凝土细观数值模型,进行氯离子在再生混凝土内部传输的模拟和试验验证,并预测了氯盐环境下再生骨料表面强化混凝土耐久性寿命。结果表明:数值模拟得到的氯离子在再生混凝土内的分布与试验结果吻合较好;同一深度处,越靠近骨料表面,氯离子浓度越大,其中未强化再生骨料表面的氯离子浓度要大于强化再生骨料表面的氯离子浓度;增加保护层厚度可以有效提高纳米强化再生混凝土在氯盐环境下的耐久性寿命;随纳米包裹层氯离子扩散系数的减小,再生混凝土的耐久性寿命有所增加。

重金属污泥磨细粉对硅酸盐水泥基材料性能的影响

高琦, 张宇驰, 巴明芳, 张丹蕾, 成伟, 周书夙

2022, 41(2): 450-460.

摘要 ( 55 )

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为了更好地实现对重金属污泥的资源化利用,研究了高温无害化处理重金属污泥与建筑渣土混合渣料磨细粉对硅酸盐水泥基材料工作性、力学性能、早期收缩变形、抗氯离子渗透性能及重金属浸出的影响及机理。研究结果表明,随着磨细粉掺量的增加,硅酸盐水泥基材料的工作性没有降低,但其力学性能均有一定程度下降,这说明磨细粉与硅酸盐水泥的需水比相差不大,但其掺量越大水泥基材料中水泥的量越低,其强度均会有一定程度下降。磨细粉不会引起硅酸盐水泥基材料的体积安定性问题,可以提高早期抗裂性,但会降低其抗氯离子渗透性能。含磨细粉试件中重金属的浸出浓度、水胶比的下降与龄期的上升呈负相关,且在28 d龄期下含40%(质量分数)磨细粉的硅酸盐水泥基材料中重金属Cu、Ni、Zn和Cr的浸出量均低于GB 30760—2014《水泥窑协同处置固体废弃物技术规范》规定的浸出浓度限值。

超细高活性矿物掺合料对UHPC水化和收缩性能的影响

卫煜, 陈平, 明阳, 骆俊辉, 张革芬, 吴勇

2022, 41(2): 461-468.

摘要 ( 94 )

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本试验研究了超细高活性矿物掺合料(超细掺合料)与硅灰以单掺、复掺的方式制备超高性能混凝土(UHPC),分析了复掺不同掺量超细掺合料对UHPC的工作性、力学性能、水化热和收缩性能的影响。结果表明:UHPC流动性随超细掺合料掺量的增加而增加,跳桌流动度最高为275 mm;将超细掺合料与质量分数为10%的硅灰以复掺的方式制备UHPC时,随超细掺合料掺量的增加,UHPC抗折强度先增加后降低,抗压强度先增加后趋于平稳,最大抗折强度和抗压强度分别为25.9 MPa和150.0 MPa;超细掺合料与质量分数为10%的硅灰复掺制备的UHPC水化热随超细掺合料掺量增加,先增大后减小;复掺质量分数为10%的超细掺合料与质量分数为10%的硅灰制备的UHPC早期收缩量最小,比单掺质量分数为20%的硅灰制备的UHPC低50.92%。

含沥青路面再生骨料的自密实混凝土损伤本构关系

刘赫, 段广超, 张景怡, 杨彦海, 张怀志

2022, 41(2): 469-478.

摘要 ( 74 )

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为了研究沥青路面再生骨料(RAP)掺量对RAP自密实混凝土(SCC)力学性能的影响,采用单轴压缩方法研究RAP掺量为0%、30%、60%、90%和100%(质量分数)的自密实混凝土的应力-应变关系和韧性指数。基于应变等价假说和统计损伤理论建立单轴压缩本构关系模型,探讨了RAP掺量与损伤变量和损伤速率之间的关系。结果表明,随着RAP掺量的增加,试件峰值应力和弹性模量下降,峰值应变和韧性指数增加,所建立的损伤本构关系可以较好地描述不同RAP掺量下自密实混凝土的应力-应变关系。在应变小于0.002时,掺入RAP的自密实混凝土损伤变量值大于基准自密实混凝土,且随着RAP掺量的增大其损伤值越大;当应变大于0.002时,掺入RAP自密实混凝土的损伤变量值低于基准自密实混凝土,且随RAP掺量增大不断减小。随着RAP掺量增大,RAP自密实混凝土损伤速率不断下降,且损伤速率呈先增大后减小的趋势。

基于混菌矿化增强粗骨料的再生混凝土裂缝自修复性能

范月东, 王玉珍, 许顺顺, 孟庆玲, 张家广

2022, 41(2): 479-487.

摘要 ( 97 )

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微生物矿化(MICP)能够有效实现混凝土的裂缝自修复,但水泥水化和高碱环境会对微生物生存产生不利影响,因此需要选择一种合适载体。再生粗骨料可作为微生物的良好载体以制备裂缝自修复混凝土,同时MICP可以有效地修复再生粗骨料缺陷并增强其物理力学性能。本文提出一种基于混菌矿化增强粗骨料的裂缝自修复再生混凝土制备方法,确保其既有足够的力学性能又具备良好的裂缝自修复性能。首先筛选一种矿化效率较高的好氧嗜碱混菌,然后采用混菌矿化增强后的再生骨料制备再生混凝土,并考察其裂缝自修复能力。试验结果表明:混菌矿化能够显著增强再生骨料物理力学性能,经混菌矿化增强5 d后的再生骨料可以有效地固载混菌;基于混菌矿化的再生混凝土呈现出比纯菌更优异的裂缝自修复能力;采用再生骨料为混菌载体的混凝土裂缝自修复能力优于以陶粒固载混菌的混凝土,其最大完全修复裂缝宽度达0.47 mm。该成果可为建筑垃圾资源化利用和再生混凝土耐久性能研究提供参考。

自来水厂污泥超细粉对再生混凝土力学性能的影响

汤薇, 任佳栋

2022, 41(2): 488-495.

摘要 ( 54 )

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自来水厂污泥是水处理后的副产物,是一种重要的固体废弃物。本文研究了机械力活化后的自来水厂污泥超细粉(WTSP)对再生混凝土(RC)力学性能和微观结构的影响。研究结果表明,WTSP的掺入使RC早期力学性能略有降低,但后期力学性能有所提高,其中含20%(质量分数,下同)WTSP试样60 d的抗压强度和弹性模量较基准组分别提高了13%和9%。在RC中掺入10%和20%WTSP后,试样中有害孔(＞100 nm)数量分别减少了37.5%和54.6%,其微观结构得到明显改善。纳米压痕分析显示,掺入20%WTSP后,RC试样中界面过渡区(ITZ)的宽度减小了20%~25%,并且ITZ和新砂浆的弹性模量均有所增加。这可能与WTSP的晶核作用、微集料填充作用和火山灰活性有关。

焚烧垃圾渣生态型超高性能混凝土研究

郭晓宁, 李兆恒, 吕亚军, 管俊峰, 郝颖, 杨龙宾

2022, 41(2): 496-505.

摘要 ( 53 )

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制备一种低成本、环保型焚烧垃圾渣超高性能混凝土(UHPC)。根据修正后的Andreasen and Andersen模型进行配合比设计,将处理后焚烧垃圾渣替代河砂,制备不同替换率超高性能混凝土,并对其进行工作性能、力学性能、孔隙特征、水化过程、微观特征以及毒性固结性能测试。结果表明,随着垃圾渣的加入,UHPC的工作性能和抗压强度有所下降,但流动性不低于240 mm,抗压强度不低于117 MPa,累计孔隙含量增加,孔隙大部分分布在＜20 nm无害孔范围内,混凝土界面过渡区裂缝增多,混凝土中锌(Zn)、铅(Pb)和铬(Cr)重金属的离子浸出浓度均低于国标限值,有效地实现了对重金属元素的固结。

硅灰掺量对免烧粉煤灰陶粒性能的影响

许事成, 苏壮飞, 刘泽, 王栋民, 张彤

2022, 41(2): 506-512.

摘要 ( 44 )

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以粉煤灰为原料,辅掺硅灰制备了碱激发免烧陶粒。采用筒压强度试验、吸水率试验、含泥量试验、磨破率试验、耐腐蚀试验、X射线衍射仪和扫描电子显微镜试验,系统地研究了硅灰掺量对陶粒性能的影响。结果表明,3 d、7 d、14 d龄期时,随着硅灰掺量增加,粉煤灰陶粒的筒压强度呈逐渐增加趋势,磨破率与吸水率呈逐渐下降趋势,耐腐蚀性能也得到提高。当硅灰掺量为15%和20%(质量分数)时,龄期为14 d时,陶粒的筒压强度分别达到19.43 MPa和20.37 MPa。由微观分析知,适量的硅灰掺量可以提高粉煤灰的水化程度,增加陶粒结构密实性,但当掺量达到15%~20%时,水化程度有所减弱。

矿渣微粉与珍珠岩尾矿复合对免烧陶粒性能的影响

丁正东, 孙家瑛

2022, 41(2): 513-519.

摘要 ( 44 )

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以珍珠岩尾矿、粒化高炉矿渣微粉、水玻璃为原材料研制无熟料免烧陶粒。以水玻璃作为激发剂,探究其模数和掺量对矿渣微粉强度的影响,研究矿渣微粉与珍珠岩尾矿粉复合对陶粒筒压强度和堆积密度的影响。结果表明:当矿渣微粉、水玻璃质量比为90∶10,水玻璃最佳模数为1.06,矿渣微粉、珍珠岩尾矿质量比为90∶10时,可以使陶粒标养28 d达到筒压强度为7.50 MPa,密度等级为900 kg/m³,孔隙率为31.84%,软化系数为0.92,含泥量为2.25%,煮沸质量损失为2.84%;对陶粒表面进行防水处理后,吸水率由11.68%降到4.88%。采用陶粒配制LC30轻集料混凝土进行道路窨井周围道路基层应用,其28 d抗压强度为35.5 MPa,密度等级为1 700 kg/m³,压缩系数为0.001,应用效果良好,防止了城市道路窨井沉陷。

TiO₂改性煤气化粗渣基地质聚合物的微观结构与性能

张彤, 刘泽, 苏壮飞, 朱思雨

2022, 41(2): 520-525.

摘要 ( 50 )

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煤气化渣可分为粗渣和细渣,其有在碱激发领域应用的潜力。本文对煤气化粗渣的理化性能进行了研究,使用煤气化粗渣制备了地质聚合物,并对其进行了TiO₂的改性研究。结果表明,在煤气化粗渣基地质聚合物中掺入一定量的TiO₂可明显改善其力学性能。当掺入质量分数为10.0%的TiO₂时,样品28 d的抗压强度可从23.4 MPa提高到42.9 MPa。此外,通过对样品进行物相分析与微观结构分析, TiO₂的掺入明显改善了地质聚合物的微观结构,促进了碱激发反应,提高了材料的力学性能。

减缩剂对碱激发煤矸石-矿渣胶凝材料性能的影响

张文艳, 林华夏, 王帅, 薛孟芬, 冉俊生, 朱建平

2022, 41(2): 526-535.

摘要 ( 58 )

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本文探讨了减缩剂(SRA)对碱激发煤矸石-矿渣(AACGS)胶凝材料力学性能和干燥收缩的影响,进一步分析掺入SRA后水化热、水化产物及微观结构的变化规律。结果表明:掺入3%(质量分数)SRA明显降低了AACGS胶凝材料的力学性能,但随着水化的进行,降低幅度逐渐减小;随着SRA掺量的增加,干燥收缩显著减小。微观分析表明,SRA的掺入没有导致新的水化产物生成,但延缓了水化反应,抑制了碱激发材料早期的聚合反应,增加了碱激发胶凝材料的孔隙率,这也是SRA使AACGS胶凝材料力学性能降低的原因。SRA并没有明显改变孔隙溶液中碱金属离子的浓度,水化进程的延缓和固相结构的形成是其降低AACGS砂浆干燥收缩的主要原因。

钢渣尾泥-矿渣-脱硫石膏三元体系水化硬化特性

李云云, 梁文特, 倪文, 牟欣丽, 李玥, 樊康

2022, 41(2): 536-544.

摘要 ( 101 )

PDF (9414KB) ( 80 )

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为促进大宗化利用钢渣尾泥,以河北迁安的钢渣尾泥为研究对象,借助X射线衍射(XRD)、场发射扫描电镜(FE-SEM)、傅里叶红外光谱(FT-IR)、热重-差热分析(TG-DTA)测试方法,研究了钢渣尾泥在矿渣-脱硫石膏体系中的水化硬化特性。研究表明,经机械粉磨后的钢渣尾泥仍表现出较好的水硬胶凝特性,与普通钢渣-矿渣-脱硫石膏体系相比具有早期强度高的优势,其水化产物主要为钙矾石(AFt)和水化硅酸钙(C-S-H)凝胶。在水化反应过程中:钢渣尾泥为体系提供碱性环境,促使矿渣中玻璃体解离;矿渣水化不断消耗羟基,进一步促进了钢渣尾泥的水化;脱硫石膏为体系提供大量的Ca²⁺和SO^2-₄,这些离子与体系中的凝胶反应生成AFt。三者相互渗透协同反应推动了水化反应持续进行。

热处理时间对磷石膏基复合胶凝材料劈裂抗拉性能的影响

安红芳, 付汝松, 陆跃贤, 孔德文, 罗双, 王琳, 吕方涛

2022, 41(2): 545-552.

摘要 ( 41 )

PDF (6777KB) ( 42 )

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通过恒温烘箱对磷石膏(PG)进行热处理,复掺灰钙粉、普通硅酸盐水泥、缓凝剂及减水剂制备磷石膏基复合胶凝材料(PGCM),研究热处理时间对PGCM的劈裂抗拉强度、轴心抗压强度与劈裂抗拉强度折减系数、破坏形态、劈裂抗拉应力-应变曲线的影响规律。结果表明:PGCM的劈裂抗拉强度随热处理时间的延长先增加后减小,当热处理时间为90 min时,PGCM的劈裂抗拉强度最大达到1.68 MPa;轴心抗压强度与劈裂抗拉强度折减系数随热处理时间的延长几乎都减小,PGCM的劈裂抗拉强度为轴心抗压强度的4.2%~9.2%;PGCM的破坏形态主要有中心开裂破坏、局部破坏和次要裂缝破坏;PGCM的劈裂抗拉应力-应变曲线先逐渐上升后呈直线下降。结合试验数据,得到PGCM的轴心抗压强度与劈裂抗拉强度的换算关系以及劈裂抗拉应力-应变上升段曲线方程,拟合结果与试验数据较吻合。

机械活化和不锈钢渣掺量对矿渣胶凝材料性能的影响

张涛, 陈铁军, 陈永亮, 潘料庭, 黄学忠, 陈兴

2022, 41(2): 553-561.

摘要 ( 68 )

PDF (9994KB) ( 69 )

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为了促进不锈钢厂废渣的资源化利用,以红土镍矿酸性高炉渣和不锈钢渣为主要原料制备胶凝材料,研究机械活化和不锈钢渣质量掺量对矿渣胶凝材料性能的影响,并利用XRD、SEM对胶凝材料的水化产物及微观结构进行分析。结果表明,机械活化主要通过改变原料的比表面积和颗粒级配来影响胶凝材料性能,且矿渣中细颗粒占比是影响其胶凝活性的关键因素,适宜的球磨时间为45 min,此时矿渣比表面积达到524.66 m²/kg。不锈钢渣与酸性矿渣之间存在协同作用,当不锈钢渣质量掺量为20%时,胶砂试块3 d、7 d、28 d抗压强度分别为17.8 MPa、24.3 MPa 和34.8 MPa,抗折强度分别为4.5 MPa、6.2 MPa和6.8 MPa,达到P·S 32.5R矿渣硅酸盐水泥强度标准。不锈钢渣的掺入在水化早期和后期都促进钙矾石及C-S-H凝胶的生成,对胶砂试块各龄期强度都有促进作用,而未水化的钢渣细颗粒也起着微集料填充作用,有利于胶凝材料早期强度的提高。

钢渣基多孔地质聚合物的制备及吸附性能研究

桑明明, 赵恒泽, 吴培益, 冯静霞, 朱令起, 李晔

2022, 41(2): 562-571.

摘要 ( 91 )

PDF (9273KB) ( 42 )

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以钢渣为主要原料,水玻璃为激发剂,H₂O₂为发泡剂,制备多孔地质聚合物材料。采用XRD、FTIR、SEM、BET等对原料及最终试样进行表征,研究钙硅比、激发剂和H₂O₂掺量对该材料性能的影响。将所制备的多孔地质聚合物用作吸附剂,初步考察该材料对Cu²⁺的吸附效果。试验表明:当钙硅比为1.0,水玻璃掺量为20.4%(质量分数),发泡剂掺量为4%(质量分数)时,该材料性能良好,总孔隙率86.4%,抗压强度0.5 MPa,体积密度0.408 g/cm³,体积吸水率56.31%,钢渣使用率65.85%,比表面积与孔容显著提高。吸附结果显示:该材料对Cu²⁺吸附效果良好,去除率可达91.44%,平衡吸附量达到15.239 mg/g,吸附过程符合准二级动力学模型。

激发剂对钢渣基掺合料性能的影响研究

梁延秋, 许世斌, 夏举佩, 谭艳霞

2022, 41(2): 572-581.

摘要 ( 63 )

PDF (12255KB) ( 59 )

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本文以钢渣基掺合料(steel slag based admixtures, GKF)为研究对象,在单因素试验的基础上,通过正交试验探索了激发剂Na₂SO₄、硅渣和脱硫石膏三类激发剂复配最佳方案,最优质量配比为Na₂SO₄ 2.0%,硅渣0.5%,脱硫石膏1.5%。研究表明,在最佳复合激发剂掺量及配合比下,用50%的GKF替代P·Ⅰ 42.5制备的胶砂试件在3 d、7 d和28 d活性分别为77.3%、85.9%和96.6%,与未加激发剂组相比,活性分别提高量了24.2%、25.4%和22.4%。借助XRD、SEM对其水化物矿物结构及微观形貌分析,结果表明,复合激发剂有助于GKF的水化,提高试件C-S-H和AFt的含量,使其结构更加紧密。

水玻璃-Na₂CO₃激发富镁镍渣-粉煤灰基地质聚合物的制备及性能

刘云, 封春甫, 刘洋, 杨圣玮, 王觅堂

2022, 41(2): 582-588.

摘要 ( 50 )

PDF (5918KB) ( 35 )

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本文使用正交试验法,研究了富镁镍渣与粉煤灰的质量比、复合碱激发剂(水玻璃-Na₂CO₃)掺量及水胶比对富镁镍渣-粉煤灰基地质聚合物力学性能的影响,通过XRD、SEM、EDS及TG等测试方法对水化产物进行表征。结果表明,最优试样28 d抗压强度可达37.50 MPa。XRD结果显示,7 d与28 d的水化产物中含有水化硅酸钙凝胶,结合SEM、EDS分析可知,产物中还有菱沸石(N-A-S-H)与钠镁硅铝酸盐(N-M-A-S)无定形凝胶相,这些凝胶相是地质聚合物强度增加的主要原因。

电解锰压滤渣高温脱硫研究

卢清华, 林明跃, 金胜明

2022, 41(2): 589-596.

摘要 ( 50 )

PDF (3262KB) ( 31 )

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采用直接煅烧法、还原法及添加脱硫剂煅烧法对电解锰压滤渣进行了高温脱硫,研究了不同方法得到的脱硫产物的物相、残硫量和活性,并比较了几种方法的工业适用性。结果表明:直接煅烧法的脱硫渣和坩埚粘连严重,实际操作困难;加入煤粉并没有改善脱硫渣和坩埚的粘连问题,且脱硫渣中残硫量高;石灰石虽能减弱脱硫渣和坩埚的粘连,但由于生成惰性物质石英,降低了脱硫渣的活性;采用铝矾土作为脱硫剂进行脱硫,脱硫渣的残硫量低,脱硫渣和坩埚不粘连,脱硫渣活性高。铝矾土添加量为42%(质量分数),脱硫温度为1 250 ℃,脱硫保温时间为5 min时,脱硫渣中硫含量为0.089 4%(质量分数),达到脱硫要求。

相变介质组成对粉煤灰基高温定形复合相变材料蓄热性能的影响

刘汉昌, 朱桂花, 吕硕, 赵妤, 张盼, 陈丰

2022, 41(2): 597-606.

摘要 ( 60 )

PDF (10143KB) ( 43 )

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分别以Al粉、Al-12Si、Al-20Si合金粉为相变介质,粉煤灰为基体材料,采用混合烧结法在空气、真空两种烧结氛围下制备金属/陶瓷基高温定形复合相变材料,探讨相变介质中硅铝相对含量及烧结氛围对材料蓄热性能的影响。结果表明:分别用三种金属粉制备复合相变材料时,Al的氧化难以避免,致使Si的相对含量均超过共晶点组成,凝固时其状态点始终处于共晶相+Si相的两相区,未被氧化的Al都转变成为Al-Si共晶相。空气中烧结有利于Al形成致密氧化膜从而阻止其进一步反应,材料的密度、相变潜热都比真空中烧结高。三种复合相变材料中,由Al粉制备的热稳定性最差,由Al-12Si合金粉制备的相变潜热、保留率最高,热稳定性及蓄热性能突出。

以煤矸石为原料制备Al₂O₃-SiO₂气凝胶的工艺与性能

夏晨康, 李淑敏, 胡博, 郝名远, 陈欢乐, 尚阳, 刘维海, 张鑫源, 武泽民, 苗洋, 高峰

2022, 41(2): 607-615.

摘要 ( 75 )

PDF (9477KB) ( 63 )

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煤矸石作为固体废弃物虽然被用作发电燃料、煤矿填料与建筑材料,但其利用率仍然不高,如何提高煤矸石的高值化利用率成为了目前研究的热点。本文以山西煤矸石为原料,采用一步酸溶和溶胶-凝胶法,并经过常压干燥得到了Al₂O₃-SiO₂气凝胶粉体。在溶剂置换与改性过程中引入超声波,研究了其对气凝胶的制备与性能的影响。采用BET、XRD、SEM、FT-IR、TG-DSC及接触角测试对所得Al₂O₃-SiO₂气凝胶粉体的结构与性能进行表征。结果表明,超声波的引入加快了反应速率,缩短了气凝胶的制备周期,所制备的Al₂O₃-SiO₂气凝胶是一种具有纳米三维网络结构的介孔材料,堆积密度低至0.120 g/cm³,比表面积为635 m²/g,高温下收缩性小于传统水玻璃制备的SiO₂气凝胶,并具有较好的疏水性。

水泥浆粉去除废水中铅离子效果及行为研究

常辉, 崔素萍, 王亚丽, 刘世杰, 徐海英, 时晓轩

2022, 41(2): 616-624.

摘要 ( 77 )

PDF (3222KB) ( 51 )

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水泥浆粉含有可吸附重金属离子的成分,可作为吸附剂来处理重金属离子废水。本文利用硅酸盐水泥制备了不同水化龄期的水泥浆粉来处理含Pb²⁺废水,通过X射线衍射仪、同步热分析仪、电感耦合等离子体发射光谱仪等测试方法,研究了水泥浆粉龄期、浆粉用量、Pb²⁺浓度、pH值、温度、时间对Pb²⁺去除效果及吸附行为的影响。结果表明,水泥浆粉对废水中的Pb²⁺去除率普遍大于80%。在35 ℃、pH=2、吸附时间200 min时,0.04 g水灰比为0.50、水化龄期为60 d的水泥浆粉对初始浓度为700 mg/L的Pb²⁺溶液的Pb²⁺去除率为96.06%,吸附容量为336.22 mg/g。水泥浆粉对Pb²⁺的吸附热力学符合Freundlich吸附等温模型,吸附动力学符合拟一级动力学模型。

醇胺钛酸酯改性磁化赤泥对Pb(Ⅱ)的吸附性能研究

李宸, 鲁镜镜, 蒙梅, 刘境, 谢燕, 陈前林, 敖先权, 曹阳, 杨敏

2022, 41(2): 625-633.

摘要 ( 49 )

PDF (6215KB) ( 19 )

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以工业固体废弃物赤泥(RM)为原料,经还原煅烧和接枝改性,制备得到一种醇胺钛酸酯改性的磁化赤泥吸附材料(ATMMRM)。利用XRD、FT-IR、SEM、BET、VSM等测试方法对RM和ATMMRM进行表征和对比,发现ATMMRM表面成功引入了羟基和胺基官能团,而且其比表面积及饱和磁化强度较RM分别提高6.0倍和9.6倍,这些特性为ATMMRM提供了更多活性吸附位点并赋予了材料磁分离能力。对Pb(Ⅱ)的静态吸附实验结果表明,在pH=6,T=25 ℃条件下,ATMMRM对水体中Pb(Ⅱ)的饱和吸附容量达213 mg·g^-1,吸附过程符合Langmuir等温吸附模型和准二级动力学方程,为自发、吸热、熵增的化学吸附控制过程,吸附机理主要为物理吸附以及ATMMRM表面接枝的羟基和胺基与Pb(Ⅱ)的螯合作用。

硅锰渣复合粉煤灰水热合成NaA沸石及其表征

朱思雨, 李丽, 刘泽, 张彤, 韩凤兰, 马真非, 刘佳钰

2022, 41(2): 634-639.

摘要 ( 61 )

PDF (5997KB) ( 29 )

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对硅锰渣进行高温煅烧预处理,并复合粉煤灰作为原料,采用水热法合成了结晶度良好的NaA沸石。研究了硅铝比(n(SiO₂)/n(Al₂O₃))、碱度(c(NaOH))、水热温度以及水热时间等条件对合成产物的影响。结果表明:在煅烧硅锰渣与粉煤灰以质量比为1∶1,n(SiO₂)/n(Al₂O₃)=2.2,反应温度为90 ℃,碱度为2 mol/L,反应时间为4 h的条件下即可合成结晶度良好且具备一定热稳定性的NaA沸石。相较于传统的以粉煤灰为原料合成NaA沸石,本实验掺入硅锰渣形成复合体系,为硅锰渣的资源化利用提供了新途径。

利用黄金尾矿制备陶瓷清水砖的研究

吴建锋, 吴昌虎, 徐晓虹, 田克忠, 刘洋, 马思童

2022, 41(2): 640-648.

摘要 ( 42 )

PDF (17701KB) ( 33 )

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为了实现黄金尾矿高效资源化利用,以黄金尾矿为主要原料,采用无压烧结制备了陶瓷清水砖样品,研究了黄金尾矿添加量对样品相组成、显微结构及性能的影响。结果表明,当烧成温度为1 100 ℃,黄金尾矿添加量为70%(质量分数)时,样品性能最优,其抗折强度达73.42 MPa,吸水率为0.10%,气孔率为0.25%,体积密度为2.46 g/cm³,烧成收缩为8.64%,达到GB/T 4100—2015《陶瓷砖》中瓷质砖的要求。样品的相组成为钙长石、石英、白榴子石和赤铁矿。清水砖坯釉结合性好,釉面光滑,色泽均匀。

油页岩半焦作为水泥混合材的可行性研究

李文举, 曹贵, 李波

2022, 41(2): 649-656.

摘要 ( 53 )

PDF (11982KB) ( 35 )

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选取4种热解温度(300 ℃、400 ℃、500 ℃、600 ℃)半焦,通过扫描电镜(SEM)对油页岩半焦的微观结构进行分析,然后采用油页岩半焦等质量(0%、5%、10%、15%、20%、25%)替代水泥,测试标准稠度需水量、胶砂流动度和不同龄期的水泥胶砂的抗折、抗压强度。结果表明:油页岩半焦呈层片状、且表面多孔,随着热解温度的升高,微孔和小孔数量逐渐减少,中、大孔数量增加;掺入油页岩半焦会增加水泥标准稠度需水量,降低胶砂流动度,半焦替换量和水泥标准稠度需水量之间存在较强的线性关系;随着油页岩半焦热解温度的升高,水泥胶砂抗折和抗压强度先增大后减小,在500 ℃时力学性能达到最佳;随着油页岩半焦替换量的增加,水泥胶砂抗折和抗压强度都逐渐降低,当油页岩半焦替换量为15%时,500 ℃热解半焦水泥胶砂56 d力学性能与P·Ⅰ 42.5基准水泥胶砂接近。

玄武岩纤维对钢渣沥青混合料性能影响研究

陈改霞, 尹艳平, 罗要飞

2022, 41(2): 657-666.

摘要 ( 57 )

PDF (2353KB) ( 39 )

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为改善钢渣沥青混合料(SAM)抗裂性能,并尽可能降低钢渣(SS)膨胀特性对混合料耐久性的影响,基于车辙试验、SPT动态模量试验、低温弯曲试验、冻融劈裂试验、弯曲疲劳试验、SEM试验等,对不同掺量玄武岩纤维(BF)对SAM高、低温性能和水稳定及疲劳性能的影响及增强机理进行研究。结果表明:BF可显著增强SAM高温抗变形能力,且对不同SS掺量SAM低温柔韧性均有一定的提高;随着冻融循环次数增加,玄武岩纤维-钢渣沥青混合料(BF-SAM)的水稳定性降低幅度较SAM明显减小;BF的加筋、阻裂作用提高了SAM的疲劳寿命。综合各项路用性能,BF-SAM的推荐掺量为0.4%(质量分数)的BF,45%~55%(质量分数)的SS。

钢渣沥青混合料微波加热自愈合性能研究

向阳开, 刘威震, 赵毅, 张庆宇, 张艳娟

2022, 41(2): 667-677.

摘要 ( 83 )

PDF (9801KB) ( 52 )

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为了研究钢渣沥青混合料微波加热自愈合性能,制备了全石型、粗石细钢型、粗钢细石型、全钢型4种沥青混合料,采用热常数分析仪和矢量网络分析仪测试了沥青混合料的热参数和电磁参数,利用热电偶温度传感器和红外测温仪测试了沥青混合料的温度分布,并对比分析了COMSOL软件数值模拟温度场与试验温度分布;最后,采用三点弯曲破坏试验评价了沥青混合料的自愈合性能。结果表明:4种沥青混合料具有不同的微波吸收性能和传热性能,会对沥青混合料的加热速率产生一定影响;钢渣的掺入大大提高了沥青混合料的微波加热性能,且3种钢渣沥青混合料中粗石细钢型表现出较好的加热均匀性;COMSOL软件能够较好地模拟沥青混合料在微波加热下的温度分布;相比于全石型沥青混合料,粗石细钢型、粗钢细石型、全钢型沥青混合料的自愈合性能分别提高了1.11倍、1.14倍、1.11倍,钢渣的掺入较好地提高了沥青混合料的自愈合性能。

尾矿制备气泡混合轻质土的力学与抗冻性能研究

段龙飞, 刘赫然, 房泽志, 于海洋, 孔宁, 王聿梁, 王林, 孙仁娟

2022, 41(2): 678-684.

摘要 ( 54 )

PDF (7482KB) ( 29 )

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以尾矿制备气泡混合轻质土,研究了湿密度和尾矿质量掺量对轻质土力学和抗冻性能的影响,并研究了尾矿对轻质土气孔结构的影响。结果表明,气泡混合轻质土的抗压强度与湿密度成正相关,与尾矿掺量成负相关。当尾矿掺量达到45%(质量分数,下同)时,湿密度为700 kg/m³和800 kg/m³的轻质土抗压强度分别为0.97 MPa和1.40 MPa,相比未掺尾矿的轻质土强度分别下降约69%和66%。尾矿制备气泡混合轻质土具有良好的抗冻性,30次冻融循环中,湿密度为700 kg/m³尾矿掺量为0%~45%的轻质土抗压强度损失率均在15%以内,且抗压强度均大于0.80 MPa,提高湿密度等级可以进一步改善轻质土的抗冻性。尾矿的掺入会导致轻质土孔隙率和平均孔径增大,孔圆度降低,相比于未掺尾矿的轻质土,当尾矿掺量达到30%时,孔隙率增大3.58%、平均孔径增大16.7%、圆度值增加7.4%。

磷石膏-铜尾矿砂混合料的土工性能及微观机理研究

从金瑶, 杨恒, 涂博, 祁庆龙, 王海龙

2022, 41(2): 685-692.

摘要 ( 65 )

PDF (5841KB) ( 19 )

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为实现固废资源大宗利用及“以废治废”的目的,将磷石膏与铜尾矿砂拌和制备成混合料,外掺水泥用于公路路基填筑。通过对混合料进行土工性能试验,探索磷石膏与铜尾矿砂的质量比对混合料土工性能的影响,结合现代分析测试方法,对混合料的硬化机理及微观变化进行研究。结果表明:磷石膏液限较高而铜尾矿砂强度特性较低,两者都无法单独作为路基填筑材料使用,当磷石膏与铜尾矿砂按质量比4∶6混合使用时,混合料的土工性能较佳;混合料硬化是水泥水化导致的,水化产物中的钙矾石、C-S-H凝胶等能够填补混合料颗粒间隙,形成紧密集合体,致使混合料硬化。

矿渣-粉煤灰地聚物固化淤泥力学性能和路用性能研究

杨振甲, 何猛, 吴杨, 史钰鹏, 孙亮, 潘竹, 张默

2022, 41(2): 693-703.

摘要 ( 102 )

PDF (10243KB) ( 89 )

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为实现河底淤泥的资源化处置,常采用水泥等胶凝材料固化淤泥提高承载力作为路基材料。传统固化材料能耗大、碳排放量高。为开发可持续性固化材料,本研究采用矿渣-粉煤灰二元地聚物固化淤泥,研究其力学性能及路用性能。通过研究Si/Al摩尔比、Na/Al摩尔比对地聚物凝结时间和抗压强度的影响规律,确定地聚物配合比设计。依据优化配合比固化淤泥,研究地聚物掺量、养护龄期对固化淤泥力学性能的影响,并对固化淤泥进行水稳性、加州承载比、干缩和温缩试验,以评估其路用性能;采用扫描电镜和X射线衍射等试验方法对固化淤泥进行微观分析,揭示其固化机制。试验结果表明,矿渣-粉煤灰基地聚物地质聚合产物为无定形地聚物凝胶、水化硅酸钙、水化铝酸钙等,增强了土颗粒之间的胶结并且填充了孔隙,提高了固化淤泥的力学性能和路用性能。研究结果为地聚物固化淤泥土工程应用提供了实验基础。

温拌胶粉改性沥青低温性能及其与集料黏附性分析

陈白银霜, 王岚, 张琪, 周晓东, 罗学东

2022, 41(2): 704-714.

摘要 ( 57 )

PDF (9868KB) ( 38 )

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通过弯曲梁流变(BBR)试验、接触角测量及原子力显微镜(AFM)测试等方法,从宏观和微观角度对老化前后温拌胶粉改性沥青(WCR)低温抗裂性及其与集料黏附性的变化规律进行研究,并以热拌胶粉改性沥青(HCR)作为对比。结果表明:随着老化程度的加深,HCR、WCR的蠕变速率(m)和弯曲蠕变劲度(S)的比值(m/S)减小,低温抗裂性能变差,WCR的低温抗裂、抗老化性能均优于HCR;老化前后HCR、WCR与三种集料的黏附性能大小依次为石灰岩＞玄武岩＞花岗岩,WCR与集料的黏附性均优于HCR;老化前后两种沥青的微观Derjaguin-Muller-Toporov(DMT)模量与低温流变参数(m/S)呈良好线性关系,且基于Johnson-Kendall-Roberts(JKR)力学模型得到的微观表面能、黏附功分别与基于表面能理论得到的宏观表面能、黏附功呈较强相关性。

电解锰渣中氨氮的草酸浸取工艺及机理研究

刘士朋, 张欢欢, 程金科

2022, 41(2): 715-724.

摘要 ( 58 )

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电解锰渣中氨氮是限制其综合利用的主要因素,草酸浸取可高效脱除电解锰渣中氨氮。本文研究影响电解锰渣氨氮浸出的工艺条件,通过FT-IR、XRD、XPS、SEM和EDS等技术表征物质变化,通过动力学分析和热力学计算建立氨氮浸出模型、探讨浸出机理。结果表明:用浸取-洗渣二级洗涤工艺,在液固比为2、草酸用量为10%、浸取时间为20 min时,氨氮剩余浓度13.85 mg/L,除氨率达98%。电解锰渣磷酸铵盐主要存在于难溶的硫酸钙晶格中,草酸促进硫酸钙晶格间磷酸铵盐的释放。氨氮浸出速率受化学反应和界面传质混合控制,铵根离子与草酸分子1∶1配位时释放能量最多,结构最稳定。

钛石膏-H₂SO₄-H₂O体系中石膏-硬石膏的相变规律

王倩, 彭同江, 孙红娟, 丁文金, 林艳

2022, 41(2): 725-732.

摘要 ( 39 )

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本文研究了在常压下钛石膏-H₂SO₄-H₂O体系中石膏相向硬石膏相的转化,探索了反应时间、硫酸浓度和温度对石膏-硬石膏转化的影响。结果表明:提高反应温度、增大硫酸浓度和增加反应时间都有利于石膏向硬石膏转化;当石膏转化为硬石膏后,延长反应时间硬石膏不再发生转变;在温度为70 ℃和80 ℃时,体系中石膏与硬石膏共存,二者的微观形貌差异明显,石膏呈片状,硬石膏呈长方板状;当温度升温至90 ℃以上时,石膏完全转变为硬石膏,其微观形貌为长方板状;常压下,在50~100 ℃内,在钛石膏-H₂SO₄-H₂O体系中发生的石膏-硬石膏的相变是石膏直接脱水形成硬石膏,没有中间产物形成。

电石渣激发钢渣-矿渣固化淤泥质土的试验研究

王旭影, 乔京生, 赵建业, 蔡田明, 梁晨达

2022, 41(2): 733-739.

摘要 ( 88 )

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钢渣和矿渣是常见的两种工业废渣,大量堆放且资源化利用困难。以钢渣粉和矿渣粉为基础材料,电石渣粉作为激发剂,可对淤泥质土进行固化处理。通过开展无侧限抗压强度试验,分析固化淤泥质土的强度特性和应力-应变关系,利用X射线衍射(XRD)和扫描电镜(SEM)等微观测试,探索电石渣激发钢渣-矿渣固化淤泥质土的作用机理。结果表明,电石渣粉质量掺量为6%时,电石渣-钢渣-矿渣固化淤泥质土无侧限抗压强度最大,28 d固化淤泥质土强度与同龄期水泥土相当,且具有较好的延性。电石渣可以提供碱性环境和大量钙离子,有效激发钢渣和矿渣的水化活性,促进C-S-H凝胶的大量生成,同时促进离子交换和团粒化作用,使固化淤泥质土强度显著提高。

免烧结微生物垃圾焚烧飞灰砖的抗压强度研究

谢伸皓, 贾冠华, 崔娟玲, 李珠

2022, 41(2): 740-746.

摘要 ( 55 )

PDF (3375KB) ( 41 )

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针对当前城市垃圾焚烧飞灰(MSWI)处置费用高昂、环境污染严重等问题,提出一种利用微生物矿化原理制备免烧结垃圾焚烧飞灰砖的方法。通过在飞灰砖固结体中加入微生物菌液,利用微生物诱导碳酸盐沉积原理,实现飞灰中重金属的固化和稳定化。本文以垃圾焚烧飞灰、Ca(OH)₂、砂子、微生物菌液为原材料,通过单因素试验,探究了制备微生物飞灰砖最优的飞灰掺量、菌液浓度、营养液中钙离子浓度。试验结果表明,当飞灰掺量为40%(质量分数),菌液OD₆₀₀值为0.60,营养液中钙离子浓度为0.30 mol/L时,飞灰砖力学性能最优。此时规格为100 mm×100 mm×50 mm免烧结微生物飞灰砖的干密度为1 937.40 kg/m³,抗压强度达到33.90 MPa,并且重金属浸出浓度满足限值要求,实现垃圾焚烧飞灰的资源化利用。

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