工業(yè)固體廢棄物膠凝材料水化熱力學研究

1、工業(yè)固體廢棄物膠凝材料水化熱力學研究    2012-08-03     論文導讀:根據(jù)工業(yè)固體廢棄物的特性將其分為6類,又根據(jù)6類工業(yè)固體廢棄物之間以及固體廢棄物與人造膠凝材料(水泥熟料、石灰、石膏)之間的有效組配形式將工業(yè)固體廢棄物膠凝材料分為6種不同的膠凝材料體系。 列出各體系可能的水化反應形式,并通過收集文獻中的各物質的.    根據(jù)工業(yè)固體廢棄物的特性將其分為6類,又根據(jù)6類工業(yè)固體廢棄物之間以及固體廢棄物與人造膠凝材料(水泥熟料、石灰、石膏)之間的有效組配形式將工

2、業(yè)固體廢棄物膠凝材料分為6種不同的膠凝材料體系。列出各體系可能的水化反應形式,并通過收集文獻中的各物質的熱力學常數(shù)計算了相應反應的熱力學參數(shù),分析了工業(yè)固體廢棄物膠凝材料的水化過程的反應推動力,以及各種水化最終產(chǎn)物及其穩(wěn)定性,探討了工業(yè)固體廢棄物的活性及改善途徑。隨著制造業(yè)的迅速發(fā)展,我國工業(yè)固體廢棄物產(chǎn)生量也日益增多,2006年的產(chǎn)生量已經(jīng)達到15.4億噸,成為經(jīng)濟和社會可持續(xù)發(fā)展的嚴峻挑戰(zhàn)。同時我國迅猛的基礎設施建設需要大量的膠凝材料,大多數(shù)工業(yè)固體廢棄物的化學成分與膠凝材料相近,而且大多處于介穩(wěn)態(tài),具有一定的膠凝活性和潛在膠凝性,工業(yè)固體廢棄物在膠凝材料領域應用不僅消納了大量的工業(yè)廢渣也

3、節(jié)省大量的人造膠凝材料。工業(yè)固體廢棄物在膠凝材料中的水化反應是其應用的基礎,其反應熱力學決定了其反應產(chǎn)物以及其膠凝性能。通過對工業(yè)固體廢棄物的化學特性的研究,將工業(yè)固體廢棄物分為6類,通過6類工業(yè)固體廢棄物的有效組配形式將其分為6種工業(yè)固體廢棄物膠凝材料體系:石膏系、石灰系、石灰-火山灰系、水硬體系、水泥-火山灰系、石灰-火山灰-石膏系。根據(jù)熱力學的基本原理,計算了各種體系的膠凝材料的水化熱力學參數(shù),并對水化反應過程中的產(chǎn)物進行了分析,分析了各膠凝材料體系的水化活性、水化反應、水化產(chǎn)物。工業(yè)固體廢棄物的特點和分類工業(yè)固體廢棄物的特點固體廢棄物是指在社會的生產(chǎn)、流通、消費等一系列活動中產(chǎn)生的一般

4、不再具有原使用價值而被丟棄的以固態(tài)賦存的物質。工業(yè)固體廢棄物是指工業(yè)生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的廢渣、粉末、碎屑、污泥等。固體廢棄物具有一些與工業(yè)原料相當?shù)奈锢韺W性質,又被稱為"放錯了地方的資源"、"二次資源"、"再生資源"。大多數(shù)工業(yè)固體廢棄物的物相組成較為穩(wěn)定,化學成分與建材原料相近甚至具有更高的品位,有些工業(yè)固體廢棄物具有潛在的膠凝活性,能夠作為膠凝材料和輔助膠凝材料使用,并能改善原膠凝材料的一些性質:如混凝土中加入礦渣微粉或粉煤灰后可以起到改善工作性,降低水化熱,提高耐久性的作用。工業(yè)固體廢棄物的分類根據(jù)工業(yè)固體廢棄物的化學組成、礦物特征

5、以及膠凝固結特征,將工業(yè)固體廢棄物分為以下幾類。石灰類:主要成分是CaO或Ca(OH)2的工業(yè)固體廢棄物,石灰類工業(yè)固體廢棄物中最典型的是電石渣。石灰類工業(yè)廢渣可以和硅鋁質工業(yè)廢渣中的活性SiO2、活性Al2O3發(fā)生火山灰反應,是火山灰反應的堿性激發(fā)劑。石膏類:主要成分為CaSO4·2H2O、CaSO4·12H2O和CaSO4的工業(yè)固體廢棄物。其最典型的為磷石膏、氟石膏、黃石膏鹽、鹽田石膏以及固硫石膏等。石膏類工業(yè)固體廢棄物可以激發(fā)火山灰反應,是良好的"硫酸鹽型激發(fā)劑",和鈣鋁成分反應能引起固相體積增加,產(chǎn)生一定的膨脹性,合理利用石膏可以起到增加體系的密

6、實程度和補償收縮作用?；鹕交翌?化學成分的特點是含有較多的無定形(介穩(wěn)態(tài))的SiO2和Al2O3,不含或只含少量的CaO。這類工業(yè)固體廢棄物自身不能產(chǎn)生膠凝作用,但其中活性SiO2和Al2O3可以和Ca(OH)2等堿和堿金屬鹽反應,產(chǎn)生一定的水硬性?；鹕交翌惞I(yè)固體廢棄物排放量大,利用率低,典型的有粉煤灰、煤矸石、沸騰爐渣、液態(tài)渣、煤渣和硅灰。潛在水硬性類:這類工業(yè)固體廢棄物的化學組成特點是除含有SiO2和Al2O3外,尚含有一定量的CaO(一般低于熟料中的CaO含量),單獨存在時只能緩慢發(fā)生水硬反應,但在激發(fā)劑(如石灰、熟料、堿類、石膏等)的激發(fā)作用下,可呈現(xiàn)較強的水硬性。典型的有高爐礦渣、

7、黃磷渣、錳鐵礦渣、化鐵礦渣、鉻鐵渣和熱電增鈣液態(tài)渣以及赤泥。水硬性類:這類工業(yè)固體廢棄物的特點是具有較高的CaO含量,一般含有C3S、C2S、C3A等礦物,能單獨水化形成一定的水硬性,具有類似水泥熟料的性質,C3S型和C2S型鋼渣是典型的水硬性工業(yè)固體廢棄物。惰性和有害類:有些廢渣溶解度小,處于比較穩(wěn)定的結晶形態(tài),沒有或只有很低的膠凝活性,如一些尾礦和回收粉塵,在膠凝體系中只能起到填充作用,還有一些含有有害成分如粘土云母以及有機物和影響水泥水化的物質,不能大量直接用于膠凝材料但可以作為生產(chǎn)水泥的燃原材料使用。2008年5月將以上6類工業(yè)固體廢棄物之間以及固體廢棄物與人造膠凝材料(水泥熟料、石灰

8、、石膏)之間進行有效地組配,可以得到6個系列的膠凝材料系統(tǒng)。工業(yè)固體廢棄物膠凝材料系統(tǒng)石膏系統(tǒng)石膏的使用起源于公元前2000-3000年埃及的金字塔就曾經(jīng)用過煅燒的石膏膠泥。石膏類工業(yè)固體廢棄物排放量大,目前的利用率在我國還很低。表2給出了石膏在水中的化學反應以及反應熱力學參數(shù)。無水石膏以及半水石膏向二水石膏的轉化過程中都伴隨自由焓的降低,也就是轉變?yōu)楦€(wěn)定的形態(tài),形成了強度。只要能消除工業(yè)廢石膏中有害雜質的影響,工業(yè)廢石膏完全能代替天然石膏在膠凝材料中的應用,如日本的工業(yè)廢石膏的利用率幾乎是100%。石灰系統(tǒng)石灰與石膏一樣是最早使用的膠凝材料,石灰的膠凝性主要來自氫氧化鈣的碳化反應,早期氫氧化鈣的晶化作用也對強度的形成有一定的作用,石灰的水化過程見表4。石灰水化速度快,水化熱較大,所以水化過程溫度上升很快,前期形成Ca(OH)2晶體,再經(jīng)過長期的緩慢碳化反應,最后形成更為穩(wěn)定堅硬的CaCO3膠凝物質,這些反應都伴隨著明顯的自由焓降低,同時材料的強度和穩(wěn)定性也逐漸增長。石灰類工業(yè)廢渣也可以利用其氣硬性作為建筑材料使用,如電石渣(主要成分為Ca(OH)2)砂漿也能代替普通的石灰砂漿用于砌筑工程。石灰火山灰系統(tǒng)石灰火山灰是應用最早的水硬性膠凝材料。古羅馬的"龐貝"城和羅馬圣廟斗獸場都是由這類材