碱激发MSWI底灰的改性增强与抗碳化能力研究
发布时间：2020-07-10 09:42
【摘要】：由于缺少良好的垃圾焚烧底灰回收利用技术,导致垃圾焚烧底灰大量堆积、占用土地资源、造成严重的环境污染。然而垃圾焚烧底灰与硅酸盐水泥基材料不兼容,无法实现在水泥基材料中广泛应用。本文以垃圾焚烧底灰为主要原料,在常温下制备高强、耐久、绿色环保的碱激发MSWI底灰胶凝材料,完善养护机制。逐步实现对硅酸盐水泥的替代,缓解对水泥的需求,减轻水泥生产所带来的高耗能、高污染问题,实现MSWI底灰的大规模安全消纳与资源化利用。在以下几个方面做了探索性和创新性的工作:(1)碱激发MSWI底灰胶凝材料的预陈化消泡机制研究通过设计MSWI底灰遇碱发泡膨胀试验,观察发泡膨胀现象,剖析发泡膨胀的破坏机理,提出了碱陈化预处理消泡机制,消除了发泡膨胀的影响。结果表明:MSWI底灰中残留的铝是产生发泡膨胀的主要原因,铝与强碱反应放出氢气,导致MSWI底灰碱激发试件膨胀变形,形成“海绵体”结构。碱陈化预处理可以彻底消除发泡膨胀的影响,不额外增加制备成本,同时对MSWI底灰的活性也不造成影响。(2)碱激发MSWI底灰胶凝材料的改性增强研究(增硅与增钙)通过研究活性硅与活性钙在碱激发MSWI底灰胶凝材料聚合反应与强度发展过程中发挥的作用,提出增加活性硅与活性钙含量并调整钙硅比的方法,实现了高强MSWI底灰碱激发材料的组成设计与性能调控。结果表明:提升活性硅与活性钙的含量可以促进聚合产物的形成,显著提升MSWI底灰碱激发试件的抗压强度。液态硅酸钠提供的活性硅完全以液态形式存在,不需经过溶出过程,提高了聚合反应环境中活性硅的含量,避免硅酸钠沉淀的形成。因此液态硅酸钠的增硅作用明显优于固态硅酸钠。Ca(OH)_2提供的活性钙只需经过溶解的过程,克服了矿渣增钙导致的活性钙溶出率低下的难题,而且解决了矿渣增钙带来的“溶出时差”问题,继续实现增钙增强的目的。(3)NaOH掺量对强度发展以及碱转化机制研究(自由碱向结合碱转化)通过研究NaOH掺量对MSWI碱激发材料内部pH值的影响以及自由碱与结合碱之间转化规律的影响,建立了NaOH掺量与MSWI碱激发材料强度发展之间的关系。结果表明:提升NaOH掺量有助于促进自由碱向结合碱转化,有利于聚合产物的形成,增强试件的抗压强度。然而NaOH掺入过量,导致聚合反应环境的碱度过高,不利于C-S-H凝胶的形成与生长,影响试件强度的发展。(4)MSWI底灰碱激发材料的养护机制研究(消除OH~-与自由碱析出的影响)通过研究不同养护方式下,MSWI底灰碱激发材料的强度发展规律。结合微观分析手段,剖析自由碱与OH~-析出对试件强度发展的影响,以及温度裂缝与干缩裂缝的形成与发展规律。结果表明:水泥混凝土的养护方法不适合MSWI底灰碱激发材料。密封养护可以有效防止自由碱与OH~-流失,维持试件内高碱度环境,提升聚合反应速率,促进自由碱向结合碱转化,进一步提升试件的抗压强度。同时密封养护还可以防止试件内外形成过大温差,维持试件内湿度均衡,有效防止温度裂缝与干缩裂缝的形成,增强试件的整体性、刚度与耐久性。(5)MSWI底灰碱激发混凝土抗碳化机制研究(Ca(OH)_2内生成)通过复掺Ca(OH)_2或硅酸盐水泥,在MSWI底灰碱激发混凝土内生成Ca(OH)_2,提高抗碳化物质的含量,增强抗碳化能力。结果表明:Ca(OH)_2与硅酸盐水泥都可以提升碱激发试件抗碳化能力,而且硅酸盐水泥的改善作用明显优于Ca(OH)_2。由于聚合反应对Ca(OH)_2的吸收作用,当Ca(OH)_2的掺量小于30%,无法发挥改善作用。只有当Ca(OH)_2的掺量大于30%,超过聚合反应的吸收量,才能确保Ca(OH)_2在混凝土内剩余,发挥改善抗碳化能力的作用。硅酸盐水泥的掺入,既可以确保Ca(OH)_2的内生成,又能够克服聚合反应的吸收,显著提升了抗碳化能力。(6)MSWI底灰碱激发混凝土碳化反扩散机制研究通过加速碳化试验,发现MSWI底灰碱激发混凝土具有碳化反扩散能力。结果表明:碳化反扩散现象可以显著提升MSWI底灰碱激发混凝土完全碳化区的碱度,改善抗碳化能力。麦烃硅钠石在低碱度条件下发生溶解,释放出大量OH~-,提升了完全碳化区的碱度,是反扩散现象产生的根本原因。
【学位授予单位】：中国矿业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TU52
【图文】：
激发材料聚合反应动力学特性，研究矿物添加剂的组成和激发剂掺量与激发材料力学性能发展之间的关系，探索增硅增钙改性 MSWI 底灰碱激能设计的基本原理和方法。在上述研究的基础上结合工程应用要求，研究激发材料的流变性能、力学性能和耐久性能，为 MSWI 底灰在碱激发材用奠定基础。并有望为其他固体废弃物的大规模安全消纳与资源化利用与技术支持。2 研究现状及分析(Research Statues and Analysis).2.1 城市生活垃圾带来的环境污染着我国社会经济的快速发展、 城市化进程的不断加快，以及生活水平的民在生产与生活过程中产生的垃圾废物也随之增加[18]。当前我国城市生量接近 2 亿吨，平均每人每年生产垃圾量约 300 kg，且近年来基本以 10增长[19](如图 1-1 所示)。诸多资料显示，我国的大中型城市中约有 2/3 被围”，形成了“生活垃圾包围城市”的局面，造成了一系列危害，严重影活[20]。
1 绪论.2.2 MSWI 底灰的形成与处理1) MSWI 底灰的形成二十世纪七十年代起，发达国家便开始使用燃烧垃圾时产生的热能发电00 以后也逐步开始采用生活垃发电(如图 1-2 所示)。城市生活垃圾的焚烧 所示，城市生活垃圾焚烧（municipal solid waste incineration）后的产物[24]：一类是飞灰(fly ash)，约占灰渣总量的 20%。飞灰颗粒细小(<200 u挥发性元素、重金属与高毒性有机污染物组成，如 Cl-、S2-等易挥发性d、Hg、Zn、Cu 等重金属，以及二VA英、呋喃等高毒性有机污染物。因被定为严格管控的危险废物[25]。
严格管控的危险废物[25]。(a) 垃圾焚烧电厂 (b) 垃圾发电厂内部作业图 1-2 生活垃圾焚烧发电(a) Refuse incineration power plant (b) Internal operation of power pFigure 1-2 MSW generates electricity底灰(bottom ash)，约占灰渣总量的 80%。底灰通常收集于燃烧同类型的大颗粒物(<45mm)组成，包括熔融渣块、玻璃、石块灰的化学成分主要由高沸点元素组成，例如 Si4+、A13+、Fe3+和无机化合物主要富集于底灰中(如图 1-3 所示)。根据欧洲废气物险废弃物，而且底灰在中国属于可直接回收利用的固体废弃物
本文编号：2748751
【学位授予单位】：中国矿业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TU52
【图文】：
激发材料聚合反应动力学特性，研究矿物添加剂的组成和激发剂掺量与激发材料力学性能发展之间的关系，探索增硅增钙改性 MSWI 底灰碱激能设计的基本原理和方法。在上述研究的基础上结合工程应用要求，研究激发材料的流变性能、力学性能和耐久性能，为 MSWI 底灰在碱激发材用奠定基础。并有望为其他固体废弃物的大规模安全消纳与资源化利用与技术支持。2 研究现状及分析(Research Statues and Analysis).2.1 城市生活垃圾带来的环境污染着我国社会经济的快速发展、 城市化进程的不断加快，以及生活水平的民在生产与生活过程中产生的垃圾废物也随之增加[18]。当前我国城市生量接近 2 亿吨，平均每人每年生产垃圾量约 300 kg，且近年来基本以 10增长[19](如图 1-1 所示)。诸多资料显示，我国的大中型城市中约有 2/3 被围”，形成了“生活垃圾包围城市”的局面，造成了一系列危害，严重影活[20]。
1 绪论.2.2 MSWI 底灰的形成与处理1) MSWI 底灰的形成二十世纪七十年代起，发达国家便开始使用燃烧垃圾时产生的热能发电00 以后也逐步开始采用生活垃发电(如图 1-2 所示)。城市生活垃圾的焚烧 所示，城市生活垃圾焚烧（municipal solid waste incineration）后的产物[24]：一类是飞灰(fly ash)，约占灰渣总量的 20%。飞灰颗粒细小(<200 u挥发性元素、重金属与高毒性有机污染物组成，如 Cl-、S2-等易挥发性d、Hg、Zn、Cu 等重金属，以及二VA英、呋喃等高毒性有机污染物。因被定为严格管控的危险废物[25]。
严格管控的危险废物[25]。(a) 垃圾焚烧电厂 (b) 垃圾发电厂内部作业图 1-2 生活垃圾焚烧发电(a) Refuse incineration power plant (b) Internal operation of power pFigure 1-2 MSW generates electricity底灰(bottom ash)，约占灰渣总量的 80%。底灰通常收集于燃烧同类型的大颗粒物(<45mm)组成，包括熔融渣块、玻璃、石块灰的化学成分主要由高沸点元素组成，例如 Si4+、A13+、Fe3+和无机化合物主要富集于底灰中(如图 1-3 所示)。根据欧洲废气物险废弃物，而且底灰在中国属于可直接回收利用的固体废弃物
本文编号：2748751
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