【摘要】：由于缺少良好的垃圾焚燒底灰回收利用技術(shù),導(dǎo)致垃圾焚燒底灰大量堆積、占用土地資源、造成嚴(yán)重的環(huán)境污染。然而垃圾焚燒底灰與硅酸鹽水泥基材料不兼容,無(wú)法實(shí)現(xiàn)在水泥基材料中廣泛應(yīng)用。本文以垃圾焚燒底灰為主要原料,在常溫下制備高強(qiáng)、耐久、綠色環(huán)保的堿激發(fā)MSWI底灰膠凝材料,完善養(yǎng)護(hù)機(jī)制。逐步實(shí)現(xiàn)對(duì)硅酸鹽水泥的替代,緩解對(duì)水泥的需求,減輕水泥生產(chǎn)所帶來(lái)的高耗能、高污染問(wèn)題,實(shí)現(xiàn)MSWI底灰的大規(guī)模安全消納與資源化利用。在以下幾個(gè)方面做了探索性和創(chuàng)新性的工作:(1)堿激發(fā)MSWI底灰膠凝材料的預(yù)陳化消泡機(jī)制研究通過(guò)設(shè)計(jì)MSWI底灰遇堿發(fā)泡膨脹試驗(yàn),觀察發(fā)泡膨脹現(xiàn)象,剖析發(fā)泡膨脹的破壞機(jī)理,提出了堿陳化預(yù)處理消泡機(jī)制,消除了發(fā)泡膨脹的影響。結(jié)果表明:MSWI底灰中殘留的鋁是產(chǎn)生發(fā)泡膨脹的主要原因,鋁與強(qiáng)堿反應(yīng)放出氫氣,導(dǎo)致MSWI底灰堿激發(fā)試件膨脹變形,形成“海綿體”結(jié)構(gòu)。堿陳化預(yù)處理可以徹底消除發(fā)泡膨脹的影響,不額外增加制備成本,同時(shí)對(duì)MSWI底灰的活性也不造成影響。(2)堿激發(fā)MSWI底灰膠凝材料的改性增強(qiáng)研究(增硅與增鈣)通過(guò)研究活性硅與活性鈣在堿激發(fā)MSWI底灰膠凝材料聚合反應(yīng)與強(qiáng)度發(fā)展過(guò)程中發(fā)揮的作用,提出增加活性硅與活性鈣含量并調(diào)整鈣硅比的方法,實(shí)現(xiàn)了高強(qiáng)MSWI底灰堿激發(fā)材料的組成設(shè)計(jì)與性能調(diào)控。結(jié)果表明:提升活性硅與活性鈣的含量可以促進(jìn)聚合產(chǎn)物的形成,顯著提升MSWI底灰堿激發(fā)試件的抗壓強(qiáng)度。液態(tài)硅酸鈉提供的活性硅完全以液態(tài)形式存在,不需經(jīng)過(guò)溶出過(guò)程,提高了聚合反應(yīng)環(huán)境中活性硅的含量,避免硅酸鈉沉淀的形成。因此液態(tài)硅酸鈉的增硅作用明顯優(yōu)于固態(tài)硅酸鈉。Ca(OH)_2提供的活性鈣只需經(jīng)過(guò)溶解的過(guò)程,克服了礦渣增鈣導(dǎo)致的活性鈣溶出率低下的難題,而且解決了礦渣增鈣帶來(lái)的“溶出時(shí)差”問(wèn)題,繼續(xù)實(shí)現(xiàn)增鈣增強(qiáng)的目的。(3)NaOH摻量對(duì)強(qiáng)度發(fā)展以及堿轉(zhuǎn)化機(jī)制研究(自由堿向結(jié)合堿轉(zhuǎn)化)通過(guò)研究NaOH摻量對(duì)MSWI堿激發(fā)材料內(nèi)部pH值的影響以及自由堿與結(jié)合堿之間轉(zhuǎn)化規(guī)律的影響,建立了NaOH摻量與MSWI堿激發(fā)材料強(qiáng)度發(fā)展之間的關(guān)系。結(jié)果表明:提升NaOH摻量有助于促進(jìn)自由堿向結(jié)合堿轉(zhuǎn)化,有利于聚合產(chǎn)物的形成,增強(qiáng)試件的抗壓強(qiáng)度。然而NaOH摻入過(guò)量,導(dǎo)致聚合反應(yīng)環(huán)境的堿度過(guò)高,不利于C-S-H凝膠的形成與生長(zhǎng),影響試件強(qiáng)度的發(fā)展。(4)MSWI底灰堿激發(fā)材料的養(yǎng)護(hù)機(jī)制研究(消除OH~-與自由堿析出的影響)通過(guò)研究不同養(yǎng)護(hù)方式下,MSWI底灰堿激發(fā)材料的強(qiáng)度發(fā)展規(guī)律。結(jié)合微觀分析手段,剖析自由堿與OH~-析出對(duì)試件強(qiáng)度發(fā)展的影響,以及溫度裂縫與干縮裂縫的形成與發(fā)展規(guī)律。結(jié)果表明:水泥混凝土的養(yǎng)護(hù)方法不適合MSWI底灰堿激發(fā)材料。密封養(yǎng)護(hù)可以有效防止自由堿與OH~-流失,維持試件內(nèi)高堿度環(huán)境,提升聚合反應(yīng)速率,促進(jìn)自由堿向結(jié)合堿轉(zhuǎn)化,進(jìn)一步提升試件的抗壓強(qiáng)度。同時(shí)密封養(yǎng)護(hù)還可以防止試件內(nèi)外形成過(guò)大溫差,維持試件內(nèi)濕度均衡,有效防止溫度裂縫與干縮裂縫的形成,增強(qiáng)試件的整體性、剛度與耐久性。(5)MSWI底灰堿激發(fā)混凝土抗碳化機(jī)制研究(Ca(OH)_2內(nèi)生成)通過(guò)復(fù)摻Ca(OH)_2或硅酸鹽水泥,在MSWI底灰堿激發(fā)混凝土內(nèi)生成Ca(OH)_2,提高抗碳化物質(zhì)的含量,增強(qiáng)抗碳化能力。結(jié)果表明:Ca(OH)_2與硅酸鹽水泥都可以提升堿激發(fā)試件抗碳化能力,而且硅酸鹽水泥的改善作用明顯優(yōu)于Ca(OH)_2。由于聚合反應(yīng)對(duì)Ca(OH)_2的吸收作用,當(dāng)Ca(OH)_2的摻量小于30%,無(wú)法發(fā)揮改善作用。只有當(dāng)Ca(OH)_2的摻量大于30%,超過(guò)聚合反應(yīng)的吸收量,才能確保Ca(OH)_2在混凝土內(nèi)剩余,發(fā)揮改善抗碳化能力的作用。硅酸鹽水泥的摻入,既可以確保Ca(OH)_2的內(nèi)生成,又能夠克服聚合反應(yīng)的吸收,顯著提升了抗碳化能力。(6)MSWI底灰堿激發(fā)混凝土碳化反擴(kuò)散機(jī)制研究通過(guò)加速碳化試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)MSWI底灰堿激發(fā)混凝土具有碳化反擴(kuò)散能力。結(jié)果表明:碳化反擴(kuò)散現(xiàn)象可以顯著提升MSWI底灰堿激發(fā)混凝土完全碳化區(qū)的堿度,改善抗碳化能力。麥烴硅鈉石在低堿度條件下發(fā)生溶解,釋放出大量OH~-,提升了完全碳化區(qū)的堿度,是反擴(kuò)散現(xiàn)象產(chǎn)生的根本原因。
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TU52
【圖文】：

激發(fā)材料聚合反應(yīng)動(dòng)力學(xué)特性，研究礦物添加劑的組成和激發(fā)劑摻量與激發(fā)材料力學(xué)性能發(fā)展之間的關(guān)系，探索增硅增鈣改性 MSWI 底灰堿激能設(shè)計(jì)的基本原理和方法。在上述研究的基礎(chǔ)上結(jié)合工程應(yīng)用要求，研究激發(fā)材料的流變性能、力學(xué)性能和耐久性能，為 MSWI 底灰在堿激發(fā)材用奠定基礎(chǔ)。并有望為其他固體廢棄物的大規(guī)模安全消納與資源化利用與技術(shù)支持。2 研究現(xiàn)狀及分析(Research Statues and Analysis).2.1 城市生活垃圾帶來(lái)的環(huán)境污染著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展、 城市化進(jìn)程的不斷加快，以及生活水平的民在生產(chǎn)與生活過(guò)程中產(chǎn)生的垃圾廢物也隨之增加[18]。當(dāng)前我國(guó)城市生量接近 2 億噸，平均每人每年生產(chǎn)垃圾量約 300 kg，且近年來(lái)基本以 10增長(zhǎng)[19](如圖 1-1 所示)。諸多資料顯示，我國(guó)的大中型城市中約有 2/3 被圍”，形成了“生活垃圾包圍城市”的局面，造成了一系列危害，嚴(yán)重影活[20]。

1 緒論.2.2 MSWI 底灰的形成與處理1) MSWI 底灰的形成二十世紀(jì)七十年代起，發(fā)達(dá)國(guó)家便開(kāi)始使用燃燒垃圾時(shí)產(chǎn)生的熱能發(fā)電00 以后也逐步開(kāi)始采用生活垃發(fā)電(如圖 1-2 所示)。城市生活垃圾的焚燒 所示，城市生活垃圾焚燒（municipal solid waste incineration）后的產(chǎn)物[24]：一類是飛灰(fly ash)，約占灰渣總量的 20%。飛灰顆粒細(xì)小(<200 u揮發(fā)性元素、重金屬與高毒性有機(jī)污染物組成，如 Cl-、S2-等易揮發(fā)性d、Hg、Zn、Cu 等重金屬，以及二VA英、呋喃等高毒性有機(jī)污染物。因被定為嚴(yán)格管控的危險(xiǎn)廢物[25]。

嚴(yán)格管控的危險(xiǎn)廢物[25]。(a) 垃圾焚燒電廠 (b) 垃圾發(fā)電廠內(nèi)部作業(yè)圖 1-2 生活垃圾焚燒發(fā)電(a) Refuse incineration power plant (b) Internal operation of power pFigure 1-2 MSW generates electricity底灰(bottom ash)，約占灰渣總量的 80%。底灰通常收集于燃燒同類型的大顆粒物(<45mm)組成，包括熔融渣塊、玻璃、石塊灰的化學(xué)成分主要由高沸點(diǎn)元素組成，例如 Si4+、A13+、Fe3+和無(wú)機(jī)化合物主要富集于底灰中(如圖 1-3 所示)。根據(jù)歐洲廢氣物險(xiǎn)廢棄物，而且底灰在中國(guó)屬于可直接回收利用的固體廢棄物

本文編號(hào)：2748751