《頁巖提釩尾渣制造新型地聚合物膠凝材料》編制說明

《頁巖提釩尾渣制造新型地聚合物膠凝材料》

編制說明

一、標(biāo)準(zhǔn)制定的必要性

2022年11月，國家發(fā)改委等四部門聯(lián)合印發(fā)《建材行業(yè)碳達(dá)峰實施方案》，

明確了水泥行業(yè)碳達(dá)峰主要目標(biāo)，“十四五”期間產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整需取得明顯進(jìn)展，

行業(yè)節(jié)能低碳技術(shù)持續(xù)推廣，不斷降低產(chǎn)品單位能耗和碳排放強(qiáng)度，水泥熟料單

位產(chǎn)品綜合能耗水平降低3%以上；“十五五”期間基本建立綠色低碳循環(huán)發(fā)展的

產(chǎn)業(yè)體系，確保2030年前建材行業(yè)實現(xiàn)碳達(dá)峰。因此，開展我國建材行業(yè)碳達(dá)

峰路徑研究，尋找一條低能耗、高效率、多途徑生產(chǎn)其它新型膠凝材料的發(fā)展道

路，對推動產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整和行業(yè)綠色低碳高質(zhì)量發(fā)展具有重要意義。

地質(zhì)膠凝聚合材料簡稱地聚物，是法國學(xué)者Davidovits在1978年發(fā)現(xiàn)偏高

嶺土能夠被堿溶液激發(fā)形成一種無定形的具有優(yōu)良力學(xué)性能的膠凝材料，其結(jié)構(gòu)

為硅氧四面體與鋁氧四面體通過橋氧連接而成的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，是近年來國際上

研究活躍的一種新型無機(jī)非金屬材料。地聚物優(yōu)良的結(jié)構(gòu)決定了其與水泥相比具

有較高的抗壓性能、豐富的原料來源、耐久性好、耐高溫、綠色環(huán)保的優(yōu)勢，在

建筑、橋梁、道路建設(shè)等領(lǐng)域展現(xiàn)了良好的應(yīng)用前景。地聚合物制備過程中不直

接釋放溫室氣體，被認(rèn)為是21世紀(jì)最有可能取代水泥的堿激發(fā)膠凝材料。

釩頁巖尾渣是一種典型的鋁硅酸鹽材料，其中SiO2和Al2O3總含量達(dá)到70%

以上，主要的礦物組成為石英和長石，理論上，Si、Al含量較高的原料均可用來

制備地聚物，因此可以考慮利用釩尾渣制備地聚物，從而實現(xiàn)尾渣的二次資源利

用。釩頁巖提釩尾渣制備地聚物存在的問題是：釩頁巖提釩尾渣中的礦物結(jié)晶度

較高，其反應(yīng)活性低，需要經(jīng)活化預(yù)處理后再加以利用，尾渣活化是整個流程的

關(guān)鍵，是尾渣高效利用的前提；尾渣中的硅鋁比較高，需要添加合適的鋁質(zhì)校正

料以提高原料中鋁的含量。由于頁巖尾渣中硅鋁含量高，具有作為制備地聚物原

料的基本性質(zhì)，因此從資源綜合利用和生態(tài)環(huán)境保護(hù)的角度出發(fā)，實現(xiàn)二次資源

在線循環(huán)和零排放尾渣的目標(biāo)，利用其制備地聚物具有很大的環(huán)境效益、社會效

益和經(jīng)濟(jì)效益。

二、標(biāo)準(zhǔn)編制原則及依據(jù)

1.按照GB/T1.1－2020《標(biāo)準(zhǔn)化工作導(dǎo)則第1部分：標(biāo)準(zhǔn)化文件的結(jié)構(gòu)和起草

規(guī)則》要求進(jìn)行編寫。

2.參照相關(guān)法律、法規(guī)和規(guī)定，在編制過程中著重考慮了科學(xué)性、適用性

和可操作性。

三、項目背景及工作情況

（一）任務(wù)來源

根據(jù)《中國國際科技促進(jìn)會標(biāo)準(zhǔn)化工作委員會團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)管理辦法》的有關(guān)規(guī)

定，經(jīng)中國國際科技促進(jìn)會標(biāo)準(zhǔn)化工作委員會及相關(guān)專家技術(shù)審核，批準(zhǔn)《頁巖

提釩尾渣制造新型地聚合物膠凝材料》團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)制定計劃，計劃編號為：

CI2023221。本標(biāo)準(zhǔn)由陜西五洲礦業(yè)股份有限公司、武漢科技大學(xué)提出，中國

國際科技促進(jìn)會歸口。

根據(jù)計劃要求，本標(biāo)準(zhǔn)完成時限為6個月。

（二）標(biāo)準(zhǔn)起草單位

本標(biāo)準(zhǔn)的主要起草單位是陜西五洲礦業(yè)股份有限公司、武漢科技大學(xué)，負(fù)責(zé)

標(biāo)準(zhǔn)文檔起草及相關(guān)文件的編制，標(biāo)準(zhǔn)中重要技術(shù)點的研究和建議。

（三）標(biāo)準(zhǔn)研制過程及相關(guān)工作計劃

1．前期準(zhǔn)備工作

項目立項前，標(biāo)準(zhǔn)編制小組查閱、研讀相關(guān)國內(nèi)外文獻(xiàn)，廣泛搜集頁巖提釩

尾渣現(xiàn)狀和硅鋁基固廢制造新型地聚合物技術(shù)相關(guān)的材料。同時，開展頁巖提釩

尾渣制造地聚合物膠凝材料相關(guān)技術(shù)的研究，與相關(guān)行業(yè)人員進(jìn)行調(diào)研、交流，

廣泛征求標(biāo)準(zhǔn)制定方面的意見和建議。

2．標(biāo)準(zhǔn)起草過程

團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)立項通知公示后，標(biāo)準(zhǔn)編制小組首先組織了標(biāo)注制定工作會議，各

編寫人員根據(jù)工作計劃分工和編寫要求開展了相關(guān)工作。在標(biāo)準(zhǔn)起草期間，編制

小組主編單位及參編單位組織了數(shù)次內(nèi)部研討會和專家咨詢會，經(jīng)過多次修改，

于202X年7月完成了標(biāo)準(zhǔn)初稿及編制說明的撰寫?作。

3．征求意見情況

202X年8月標(biāo)準(zhǔn)編制小組先后通過現(xiàn)場會議、電話、微信等多種形式征集

?業(yè)專家相關(guān)意見和建議。針對征集的意見，標(biāo)準(zhǔn)編制小組召開了研討會，將收

集到的意見進(jìn)行匯總處理分析，在充分吸納合理意見的基礎(chǔ)上，先后修改和完成

標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容，于202X年9月底根據(jù)在各單位反饋意見基礎(chǔ)上，形成了標(biāo)準(zhǔn)征求意

見稿并由中國國際科技促進(jìn)會提交全國標(biāo)準(zhǔn)信息平臺公示。

（四）主要試驗（或驗證）情況分析

采用D/MAX-RB型XRD衍射儀對頁巖頁巖尾渣進(jìn)行礦物相組成分析，結(jié)

果如圖1所示，頁巖頁巖尾渣中主要的礦物相為石英，此外還含有少量的石膏。

因此頁巖尾渣中的硅組分主要以石英礦物的形式存在，頁巖尾渣中的鋁組分則主

要以鈉長石的礦物形式存在。

圖1頁巖頁巖尾渣XRD衍射圖譜

偏高嶺土是地聚合物制備中常見的原料，含有豐富的鋁組分，能夠作為鋁原

料來彌補(bǔ)頁巖尾渣鋁含量不足的缺點。本研究中所使用的偏高嶺土具有良好的化

學(xué)反應(yīng)活性，能夠用于調(diào)整頁巖尾渣原料性質(zhì)。偏高嶺土的主要化學(xué)成分組成如

表1所示，其中Al2O3含量高達(dá)40.09%，能夠作為頁巖尾渣硅鋁比率的調(diào)整原

料。采用XRD衍射儀對偏高嶺土進(jìn)行礦物相組成分析，結(jié)果如圖2所示。偏高

嶺土的XRD衍射圖譜較為彌散，說明其中含有大量的無定形組分，主要為破壞

了晶體結(jié)構(gòu)的高嶺土，此外還含有一定量的石英以及鉀云母。

表1偏高嶺土主要化學(xué)成分組成（wt.%）

成分/%SiO2Al2O3Na2OMgOK2OFe2O3LOI

偏高嶺土55.5340.090.090.221.470.761.40

圖2偏高嶺土XRD衍射圖譜

機(jī)械活化是一種通過對固體物質(zhì)施加剪切、壓縮、延伸、彎曲、沖擊等作用，

誘發(fā)固體物質(zhì)物理化學(xué)性質(zhì)變化的活化方式，從而導(dǎo)致固-液、固-氣和固-固相之

間的化學(xué)反應(yīng)。固體物質(zhì)受到機(jī)械力作用初期發(fā)生脆性破壞，如顆粒的細(xì)化、裂

紋和比表面積的變化等。大量的新鮮表面形成，同時會伴隨晶粒細(xì)化、晶體缺陷

和結(jié)晶度的變化，這些變化造成固體物質(zhì)表面活性增加。

前期機(jī)械活化的研究結(jié)果表明，當(dāng)機(jī)械活化渣中的＜10μm粒度占比不低于

95%，d50為2.62μm，d90為7.58μm時，機(jī)械活化效果較好，因此選用此活化

效果的提釩尾渣制備地聚物。機(jī)械活化導(dǎo)致提釩尾渣顆粒粒度變小，比表面積增

大，晶體顆粒在機(jī)械力的作用下發(fā)生磨剝、破裂，導(dǎo)致結(jié)晶度降低，暴露出更多

的活性表面?，F(xiàn)有相關(guān)研究針對石英機(jī)械活化參與地聚物反應(yīng)的機(jī)理進(jìn)行了研究，

表明機(jī)械活化的石英不會在地聚反應(yīng)中提供活性的單體硅氧四面體，因為，雖然

石英晶體的結(jié)晶度降低，但是硅氧鍵的鍵合方式并未改變，仍然主要以石英晶體

存在。但是，石英顆粒表面上出現(xiàn)了活性的硅氧鍵，這些活性硅氧鍵會參與地聚

物反應(yīng)，從而增強(qiáng)了石英顆粒與地聚物凝膠之間的鍵合作用，形成同質(zhì)體結(jié)構(gòu)使

得地聚物抗壓性能增強(qiáng)。

目前地聚合物有兩種成型方式，分別為澆筑成型和壓制成型。壓制成型是指

在壓力設(shè)備下，通過擠壓將物料緊密壓實成型，適用于預(yù)制產(chǎn)品，如磚、板材等。

澆筑成型是指將攪拌成的地聚合物漿體導(dǎo)入模具中，養(yǎng)護(hù)后硬化成型，是現(xiàn)今建

筑、工程施工的主要成型方式。鑒于發(fā)展一體化地聚合物的目的是為了地聚合物

能夠像硅酸鹽水泥那樣，直接加水拌合就能夠使用，更加適合在工程現(xiàn)場使用及

大規(guī)模應(yīng)用，本研究中地聚合物都采用澆筑成型的方式來制備（圖3），結(jié)果表

明，地聚合物制備條件為：機(jī)械活化使活化渣中的＜10μm粒度占比不低于95%

（d50=2.62μm，d90=7.58μm），各成分質(zhì)量比為活化提釩尾渣：活化赤泥：偏高

嶺土：堿激發(fā)劑：水=80：10：90：55：90，此時地聚合物的抗壓強(qiáng)度能夠達(dá)到

58MPa；前期研究結(jié)果表明，頁巖尾渣和地聚物的浸出毒性測試指標(biāo)低于《危險

廢物鑒別標(biāo)準(zhǔn)-浸出毒性鑒別》（GB5058.3-2007）的濃度上限值，不屬于危險固

廢，屬于一般固廢。

圖3地聚物制備研究路線

因此從資源綜合利用和生態(tài)環(huán)境保護(hù)的角度出發(fā)，實現(xiàn)二次資源在線循環(huán)和

零排放尾渣的目標(biāo)，利用其制備地聚物具有很大的環(huán)境效益、社會效益和經(jīng)濟(jì)效

益，最終實現(xiàn)科技成果轉(zhuǎn)化成經(jīng)濟(jì)效益，為企業(yè)的硅鋁基固廢高值化利用和擴(kuò)大

產(chǎn)能打下堅實基礎(chǔ)，形成新的經(jīng)濟(jì)增長點。

四、標(biāo)準(zhǔn)制定的基本原則

標(biāo)準(zhǔn)編制過程中，遵循了以下基本原則：

1)標(biāo)準(zhǔn)需要具有行業(yè)特點，指標(biāo)及其對應(yīng)的分析方法要積極參照采用國家

標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

2)標(biāo)準(zhǔn)能夠體現(xiàn)出產(chǎn)品的具有關(guān)鍵共性的技術(shù)要素。

3)標(biāo)準(zhǔn)能夠為產(chǎn)品的開發(fā)、改進(jìn)指出明確的方向。

4)標(biāo)準(zhǔn)需要具有科學(xué)性、先進(jìn)性和可操作性。

5)要能夠結(jié)合行業(yè)實際情況和產(chǎn)品特點。

6)與相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)協(xié)調(diào)一致。

7)促進(jìn)行業(yè)健康發(fā)展與技術(shù)進(jìn)步。

五、標(biāo)準(zhǔn)主要內(nèi)容

本標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了以頁巖提釩尾渣制造新型地聚合物膠凝材料的術(shù)語和定義、組

分與材料、技術(shù)要求、試驗方法、檢驗規(guī)則、包裝、標(biāo)識、運(yùn)輸和貯存等。

本標(biāo)準(zhǔn)適用于頁巖提釩尾渣制造新型地聚合物膠凝材料的生產(chǎn)、檢驗及驗收，

無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料、地下填充材料等其應(yīng)用領(lǐng)域使用本膠凝材料可參照執(zhí)行。

本文件為技術(shù)文件，不涉及管理要求。

六、與有關(guān)法律法規(guī)和強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)的關(guān)系

遵守和符合相關(guān)法律法規(guī)和強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)要求。下列文件中的內(nèi)容通過文中的

規(guī)范性引用而構(gòu)成本文件必不可少的條款。其中，注日期的引用文件，僅該日期

對應(yīng)的版本適用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改

單）適用于本文件。

GB/T176水泥化學(xué)分析方法

GB/T203用于水泥中的?；郀t礦渣

GB/T18736高強(qiáng)高性能混凝土用礦物外加劑

HG/T2568工業(yè)偏硅酸鈉

GB/T208水泥密度測定方法

GB/T750水泥壓蒸安定性試驗方法

GB/T1346水泥標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量、凝結(jié)時間、安定性檢驗方法

GB/T2419水泥膠砂流動度測定方法

GB5085.3危險廢物鑒別標(biāo)準(zhǔn)、浸出毒性鑒別

GB5086.1固體廢物、浸出毒性浸出方法（翻轉(zhuǎn)法）

GB6566建筑材料放射性核素限量

GB/T8074水泥比表面積測定方法勃氏法

GB/T9774水泥包裝袋

GB/T12573水泥取樣方法

GB/T17671水泥膠砂強(qiáng)度檢驗方法（ISO法）

GB31893水泥中水溶性鉻（VI）的限量及測定方法

JC/T313膨脹水泥膨脹率試驗方法

JC/T603水泥膠砂干縮試驗方法

七、重大意見分歧的處理依據(jù)和結(jié)果

本標(biāo)準(zhǔn)起草過程中沒有重大分