碱激发固废基胶凝材料的科学基础及其在废水处理和制氢中的应用do

碱激发胶凝材料研究现状摘要：本文综述了碱激发胶凝材料的研究背景、发展现状、制备工艺、形成机理以及潜在的应用前景进行了综述;碱激发胶凝材料的活性激发方式做了分析，综合分析了碱激发胶凝材料作为结构材料研究的局限性，并提出当前研究存在的问题和今后研究的发展方向。

关键词：碱激发胶凝材料;混凝土；力学性能；耐久性；综述1.研究背景硅酸盐水泥是建筑工程中不可或缺的建筑工程材料，其用量之大，使它成为人类使用量最大的人工材料。

硅酸盐水泥在近二百年的实验中，将其生产工艺、生产设备、粉磨设备、质量检验及控制方法等都取得了巨大的进步。

其性能相对硅酸盐水泥稳定，价格相对低廉，可以满足社会基础建设的需要。

从工业与民用建筑到水利、公路、桥梁、隧道等都大量地使用硅酸盐水泥(1)。

然而，硅酸盐水泥本身存在固有的不足，其一，能源与资源消耗大，污染大。

在制作过程中会产生诸多缺点：①需消耗大量优质的燃料②需消耗大量的电能③需消耗近4亿吨石灰石和大量粘土这些不可再生的矿物资源④因石灰石分解和燃料燃烧释放出大量的，以及，等有毒气体，导致严重的环境污染，其中尤以巨大的排放量给地球的温室效应不断添加沉重砝码。

随着工业的发展，产生了大量的工业废渣，如废渣不能被有效利用，一定造成环境污染、能源与资源浪费等许多问题。

这些问题迫使我们去研究和开发更多更加符合科学发展观的新材料。

因此，研究胶凝材料是近年来新发展起来的一种新型无机非金属胶凝材料，它的抗压抗折强度、抗酸碱侵蚀性、抗冻融性、耐久性能、渗透率、耐高温性能、隔热等性能均优于普通硅酸盐水泥。

另外，碱激发胶凝材料制备工艺简单、无需烧制、能耗低、成本低、市场广，是21世纪最具发展潜力的一种胶凝材料。

这类材料多以铝硅酸盐类矿物为主要原材料。

许多工业固体废弃物如：钢渣、矿渣、粉煤灰等，主要矿物成分均为硅酸盐或铝硅酸盐类。

所以这些工业固体废弃物均可作为制备碱激发胶凝材料的主要原材料，这将为充分利用工业固体废弃物开辟一条新的途径。

大量反应性AI2O3,在反应初期释放到 中，表现 出较好的性能& ASSI等旳也在对 灰基地
凝早期抗压强度的研究中 ，凝土的抗压 强度直接受 灰等和质的影响&
1.2.2 高
偏高 是高岭土经过500-800 !锻烧，脱9
去大部分化学 水，成的莫来矿质，
在
胶凝材料的 中主要
“类陶瓷”的
和 模实验室研究，因其层状结构使需水量
和水的混合物代替NaOH溶液、Na2SiO3和水的混合
物制备
合物混凝土试件&将NaOH溶 水
中，加入硅粉搅拌2 min。硅粉与NaOH和水混合放
热&在75 !的烘箱封闭保存12 h，以确保NaOH和
硅粉完全溶 。
明&与使用NaOH溶液、
Na2SiO3和水的混合物相&若在化溶液中使用硅
粉&固化条件对 度的
% 等。
图1火山灰质材料的分类
1.2.1
灰
根据ASTM C618—2003《粉煤灰和混凝土用天
然火山灰原料或者煨烧料
》
，将
50%＜（SiO,+A12O3+Fe,O3（＜70%的粉煤灰划分为 C
级灰，将（SiO2+A12O3+Fe2O3）＞70%的粉煤灰划分为F
级灰&
灰外和大小没有
，但F
灰
，而C
灰粒
有
3.1二次激发 二次激发方式和普遍为的化学激发方式一
样，主要是指通过化学试剂使原材料的性得到
激发&使其 有胶凝材料的特性。
化学试剂的
化学性 以将激发剂为:酸性激发、碱性激发、
盐激发和复合激发四种。在高浓度激发剂的作用

碱激发胶凝材料研究现状及未来发展孔令炜【摘要】随着气候变暖环境污染问题的日益加重,环境保护意识的提升,人们对于绿色环保材料的要求与需求也与日剧增.碱激发胶凝材料,它是一种以硅铝质废弃物为原料的低碳胶凝材料.因其能耗低、排放少、强度高、耐久性好等优势性能,被许多研究学者一致认为是一种具有广阔应用前景的绿色胶凝材料.与此同时,绿色建筑材料领域中的碱激发胶凝材料的研究及应用一直成为研究热点.碱激发胶凝材料作为一种绿色胶凝材料,还需要引起更大的社会认知度,本文将从碱激发胶凝材料自身的研究现状及其未来的发展方向展开论述,详细介绍这种绿色胶凝材料.【期刊名称】《四川水泥》【年(卷),期】2015(000)011【总页数】1页(P91)【关键词】碱激发胶凝材料;未来发展【作者】孔令炜【作者单位】吉林建筑大学材料科学与工程学院,吉林长春 130118【正文语种】中文【中图分类】G322在强烈呼吁环境保护的二十一世纪，碱激发胶凝材料因其绿色环保的鲜明特征映入人们的视野，即将在未来的材料市场占据重要地位。

在火山灰质类材料和部分工业废弃尾渣中，含有一定数量的二氧化硅、氧化铝等活性组分，当它们与氢氧化钙反应时，就会生成水化硅酸钙、水化铝酸钙、水化铝硅酸钙和水化硫铝酸钙等的反应产物，通常把这种能生成水化硅酸钙等凝胶，对砂浆起到增强作用的效应称之为火山灰活性效应。

把这种加入碱性材料进而使之具备胶凝特性的方法，即所谓的碱激发。

通常使用的激发有多种，化学激发是其中一种，也是相对有效的方法，化学激化方法是碱性激发、硫酸盐激发和碳酸盐激发，这种具有热力学活性的材料通过碱性激发的方法得到的具有一定胶凝特性的材料，就称之为碱激发胶凝材料。

碱激发胶凝材料作为一种绿色胶凝材料，还需要引起更大的社会认知度，因而本文将从碱激发胶凝材料自身的研究现状及其未来的发展方向展开论述，详细介绍这种绿色胶凝材料。

我们都知道，在工业产出时都会产生很多含有SiO2、Al2O3、CaO等的工业废渣材料，如果对它们置之不理，不仅由于这些工业废渣材料自身没有或有很微弱胶凝性，不能自发形成有用的产品，还可能造成严重的环境污染。

碱激发胶凝材料基本原理及其应用碱激发胶凝材料基本原理及其应用05207146 周素华在一些火山灰质的混合料中，存在着一定数量的活性二氧化硅、活性氧化铝等活性组分。

这些活性组分与氢氧化钙反应，生成水化硅酸钙、水化铝酸钙或水化硫铝酸钙等反应产物，其中，氢氧化钙可以来源于外掺的石灰，也可以来源于水泥水化时所放出的氢氧化钙。

这就是火山灰反应，也就是碱性激发的原理。

xCa(OH)2+SiO2+mH2O→xCaO·SiO2·nH2O xCa(OH)2+Al2O3+mH2O→xCaO·Al2O3·nH2O众所周知，工业废渣成分大都为SiO2、Al2O3、CaO等，这类废渣自身没有或有很微弱胶凝性，但其大都是经急冷形成的玻璃体，本身具有热力学活性，因而可用机械、热力、化学方法激活，使之具有胶凝性。

通用的方法是碱性激发或硫酸盐激发(即化学激发)。

传统高钙体系水泥，碱含量很高，尤其是Ca(OH)2 含量，当建筑物和土壤接触后，不同类型的粘土就开始与建筑物发生反应，消耗水泥基结构物内部的Ca(OH)2，当碱度低于维持水泥水化产物稳定所需的碱度时，水泥水化产物开始分解来维持其碱度，随着Ca(OH)2的不断消耗，水泥基材料的水化产物开始变成无胶凝性能的物质，建筑物的耐久性遭到破坏。

凝石是碱激发材料的一个典型的代表，与水泥相比，它存在一定的优势：第一，更环保。

10吨水泥就要消耗7吨石灰石，产生6吨毒气；而凝石的原料，95%为工业废料，无需开山炸石取原料，更无需烧制，“绿色化”生产工艺完全无烟、无粉尘、无废水排放??第二，更优质。

结构决定性能，水泥是硅钙体系，凝石是硅铝体系，“地球上的绝大部分石头都是后者，凝石在固结粘土细沙上的能力，在低温下抗冻的能力，和在特殊环境下受酸碱腐蚀的能力，普遍超出同标号水泥3倍以上！”在各个领域，凝石都能发挥作用： 1、建筑领域建筑凝石除了具有普通水泥所不具有的一些特殊优异性能外，完全满足目前建筑常用水泥的各项性能指标，因此技术上可替代水泥应用于所有的建筑领域，如现浇混凝土、预制件、砌筑、抹面、地基处理，以及适应于普通水泥的所有墙体材料和屋面材料。

碱激发胶凝材料在充填领域的应用及发展
周天璧;蒋波;罗正东
【期刊名称】《山西建筑》
【年(卷),期】2024(50)7
【摘要】碱激发胶凝材料是一种由硅铝酸盐矿物在碱激发剂的激发活化作用下形成的无机胶凝材料,具有强度高、耐久性优异、绿色环保等优点。

为明确碱激发胶凝材料在溶洞等充填领域的应用现状,简要介绍了碱激发胶凝材料胶结骨料的反应机理,分别阐述了碱激发矿渣、粉煤灰、尾矿和有色金属冶炼渣等胶凝材料在充填领域的研究进展,概括提出了碱激发胶凝材料在充填领域的下一步研究发展趋势。

结论表明,碱激发胶凝材料胶结骨料的反应机理主要包括溶解、解聚、缩聚和固化等阶段,相较于水泥基胶结充填体,碱激发矿渣、粉煤灰、尾矿和有色金属冶炼渣胶结充填体表现出了更为显著的力学特性、工作性能、成本低廉和环境相容性。

【总页数】4页(P108-111)
【作者】周天璧;蒋波;罗正东
【作者单位】岳阳路桥集团有限公司;湘潭大学土木工程学院
【正文语种】中文
【中图分类】TU526
【相关文献】
1.复合激发胶凝材料在有色金属矿山尾砂胶结充填中的应用
2.碱激发胶凝材料与硅酸盐水泥基材料碱骨料反应的比较
3.碳酸盐激发胶凝材料性能优化及其在铅锌矿尾砂胶结充填中的应用
4.碱激发胶凝材料发展瓶颈在哪里
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(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 202010659568.X(22)申请日 2020.07.09(71)申请人 大连理工大学地址 116000 辽宁省大连市甘井子区凌工路2号(72)发明人 张婷婷　韩俊南　智士伟　(74)专利代理机构 北京超凡宏宇专利代理事务所(特殊普通合伙) 11463代理人 刘桐亚(51)Int.Cl.C04B 28/00(2006.01)C04B 12/00(2006.01)C04B 7/153(2006.01)(54)发明名称一种碱激发铜镍渣胶凝材料及其制备方法和应用(57)摘要本发明提供了一种碱激发铜镍渣胶凝材料及其制备方法和应用，涉及固废利用技术领域。

所述碱激发铜镍渣胶凝材料包括固体粉料和水，其中：按质量百分数计，所述固体粉料包括以下组分：铜镍渣粉50～65wt％、掺合料28～45wt％和固体激发剂5～15.2wt％。

由上述原料制备得到的碱激发铜镍渣胶凝材料，通过由铜镍渣粉、掺合料和固体激发剂按特定比例组成的固体粉料和水制得，上述碱激发铜镍渣胶凝材料可以将铜镍渣粉进行规模化利用，进而有效缓解了现有铜镍渣粉堆放或填埋造成的环境污染以及占用农田的问题；同时将其应用于矿井填充中，也能降低矿山充填的成本，具有较好的社会经济效益。

权利要求书1页 说明书8页CN 111747697 A 2020.10.09C N 111747697A1.一种碱激发铜镍渣胶凝材料，其特征在于，所述碱激发铜镍渣胶凝材料包括固体粉料和水；其中，按质量百分数计，所述固体粉料包括以下组分：铜镍渣粉50～65wt％、掺合料28～45wt％和固体激发剂5～15.2wt％，所述固体粉料中各组分的质量百分数之和为100％。

2.根据权利要求1所述的碱激发铜镍渣胶凝材料，其特征在于，按质量百分数计，所述固体粉料包括以下组分：铜镍渣粉65wt％、掺合料28wt％和固体激发剂7wt％，所述固体粉料中各组分的质量百分数之和为100％。

专利名称：一种利用工程渣土制备碱激发胶凝材料的方法和碱激发胶凝材料
专利类型：发明专利
发明人：周傲,刘铁军,邹笃建,肖津东
申请号：CN202010216642.0
申请日：20200325
公开号：CN111454011A
公开日：
20200728
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：本发明属于固体废弃物资源化利用技术领域，特别涉及一种利用工程渣土制备碱激发胶凝材料的方法和碱激发胶凝材料。

本发明提供的利用工程渣土制备碱激发胶凝材料的方法，包括以下步骤：将工程渣土进行粉碎，得到渣土粉末；将所述渣土粉末进行煅烧，得到煅烧渣土；将所述煅烧渣土和碱激发剂溶液混合，得到碱激发胶凝材料；所述工程渣土中包括30wt.％以上的高岭土；所述煅烧的温度为750～850℃。

本发明以工程渣土为原料制备碱激发胶凝材料，无需经过泥沙分离处理，也无需掺入水泥，能够对工程渣土进行充分再利用，相较于传统水泥，本发明在制备碱激发胶凝材料时，煅烧温度较低，且生产过程中低碳环保。

申请人：哈尔滨工业大学(深圳)(哈尔滨工业大学深圳科技创新研究院)
地址：518055 广东省深圳市南山区桃源街道深圳大学城哈尔滨工业大学校区
国籍：CN
代理机构：北京高沃律师事务所
代理人：王术娜
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收稿日期：2020-05-03作者简介：何月（1995~），女，四川省南充市人，在读硕士研究生，主要从事碱激发混凝土材料的研究。

*通信作者：丁锐（1981~），男，吉林省长春市人，副教授，博士，主要从事混凝土材料的研究，E-mail ：**************碱激发胶凝材料一般是利用碱性激发剂（Na -SiO 3，NaCO 3，NaSO 4和NaOH 等）激发工业废渣（粒化高炉矿渣、火山灰和钢渣等）获得，如碱激发掺混合材的硅酸盐水泥及其他的复合材料、碱激发矿渣水泥等。

碱激发胶凝材料的生产除可以利用于工业副产品外，还可应用于废弃物的综合处理领域。

与传统硅酸盐水泥基材料相比，碱激发胶凝材料具有能耗低、强度高、绿色环保的特点。

按目前的生产水平计算，每生产1t 硅酸盐水泥，要消耗1.2t 石灰石、0.18t 黏土、90kW ·h~120碱激发胶凝材料的进展何月,李星辰,丁锐*（吉林建筑大学材料科学与工程学院，吉林长春130118）摘要:随着环境污染问题和全球气候变暖问题的日益严重,人们对于绿色环保建筑材料的需求也与日俱增。

硅酸盐水泥作为目前使用量最大的胶凝材料,在生产过程中会消耗大量的不可再生资源及矿物燃料,并排放出大量的温室气体及有害气体,使其面临可持续发展的挑战。

碱激发胶凝材料作为硅酸盐水泥的可替代产品之一,具有能耗低、耐久性好和绿色环保等优点,符合建筑行业领域可持续发展的要求。

本文通过对目前国内外碱激发胶凝材料的研究内容和研究热点进行分析归纳,总结出碱激发胶凝材料发展现状及未来的发展趋势。

通过利用工业废渣制备性能优良的胶凝材料,使其符合科学发展观的原则,符合可持续发展的战略,符合“绿水青山就是金山银山”发展理念。

关键词:碱激发胶凝材料;混凝土;化学组成;发展趋势中图分类号:TU528.01文献标识码:A文章编号:2096-2118(2020)04-0047-05Development of Alkali Activated Cementitious MaterialsHE Yue ，LI Xingchen ，DING Rui *（School of Materials Science and Engineering ，Jilin Jianzhu University ，Changchun Jilin130118，China ）Abstract ：With the increasing problem of environmental pollution and global warming ，the demand for environ -mental protection is also increasing.As the most widely used cementitious material ，which the productions of Port -land cement consumed a lot of non-renewable resources and fossil fuels ，also released lots of greenhouse gases.Alkali-activated materials ，as one of the alternative products of Portland cement ，have the advantages of low en -ergy consumption ，good durability ，and environmental protection ，and which meet the requirements of sustainable development in the construction industry.In this paper we analyzed and summarized the current research content and hotspots of alkali-activated materials world widely ，and summarized the development status and future devel -opment trend of alkali-activated materials.Through the use of industrial waste to prepare cementitious materials with excellent performance ，it is in line with the principle of scientific development concept ，the strategy of sus -tainable development ，and the development concept of “green water and green mountains are golden mountains and silver mountains ”.Keywords ：alkali-activated materials ；concrete ；chemical composition ；developing trend■建筑材料第5卷第4期2020年8月kW·h电力和0.15t标准煤，同时还要排放0.8t左右的CO2。

碱激发钢渣矿渣胶凝材料凝结硬化性能研究??【摘要】本研究旨在探讨碱激发对钢渣矿渣胶凝材料凝结硬化性能的影响。

通过对钢渣矿渣胶凝材料的特点和碱激发对其性能的影响进行分析，设计了实验方法与流程，并进行了实验结果的分析。

研究发现，碱激发可以显著提高钢渣矿渣胶凝材料的凝结硬化性能。

性能改善措施可以进一步提升材料性能。

本研究为钢渣矿渣胶凝材料的应用提供了重要的理论和实验基础。

未来可以深入探讨碱激发对材料性能的影响机制，并开展更多的性能改善措施研究。

综合以上研究结果，碱激发对钢渣矿渣胶凝材料凝结硬化性能具有重要的促进作用，为该类材料的应用和研究提供了新的思路和方向。

【关键词】碱激发、钢渣矿渣、胶凝材料、凝结硬化性能、研究、实验方法、实验结果、性能改善、结论、展望、总结。

1. 引言1.1 研究背景钢渣矿渣是冶金工业生产过程中产生的一种废弃物，大量的钢渣矿渣排放对环境造成了严重污染。

寻找一种能够有效利用钢渣矿渣的方法，不仅可以降低环境污染，还可以实现资源的再利用，具有重要的经济和环境意义。

近年来，随着建筑工程的发展和需求的增加，对胶凝材料提出了更高的要求。

钢渣矿渣由于其含有大量的氧化铁、钙、镁等成份，使其具有潜在的胶凝活性。

研究碱激发钢渣矿渣胶凝材料凝结硬化性能，对于提高胶凝材料的综合性能，推动矿渣资源的综合利用具有重要意义。

本研究旨在通过添加不同类型的碱激发剂，探究其对钢渣矿渣胶凝材料性能的影响，从而提高其凝结硬化性能，为实现钢渣矿渣资源化利用提供技术支持。

通过实验研究和数据分析，深入探讨碱激发对胶凝材料性能的影响机制，为今后的研究和工程应用提供参考依据。

1.2 研究意义本研究旨在通过碱激发的方式改善钢渣矿渣胶凝材料的凝结硬化性能，探讨碱激发对胶凝材料性能的影响机理，为该材料在工程领域的应用提供技术支撑。

通过实验方法与流程的设计，以及对实验结果的分析，可以深入了解碱激发的作用机制，找到钢渣矿渣胶凝材料的性能改善措施。

(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 202010273949.4(22)申请日 2020.04.09(71)申请人 华电国际电力股份有限公司朔州热电分公司地址 036012 山西省朔州市经济开发区友谊东街东首申请人 华电电力科学研究院有限公司(72)发明人 李艳　王晋锋　范文磊　(74)专利代理机构 北京集佳知识产权代理有限公司 11227代理人 豆贝贝(51)Int.Cl.C04B 28/00(2006.01)C04B 40/02(2006.01)(54)发明名称一种全固废型碱激发混凝土及其制备方法(57)摘要本发明提供一种全固废型碱激发混凝土及其制备方法，混凝土包括粉体A、碱性激发剂A、粉体B和碱性激发剂B；粉体A选自富含硅铝钙的工业固体废弃物，粉体A中10％≤钙含量＜50％，50％≤硅铝含量＜100％，硅铝摩尔比值为2.0～3.5，玻璃体含量超过50％；粉体B选自富含硅铝钙的工业固体废弃物，粉体B中0＜钙含量＜10％，75％≤硅铝含量＜100％，硅铝摩尔比值1.5～4.0，玻璃体含量超过50％；碱性激发剂A和B分别包括不同质量比的碱金属硅酸盐、碱性氢氧化物和水。

全固废型碱激发混凝土的强度为43.28～58.74MPa。

权利要求书1页 说明书9页 附图1页CN 111362631 A 2020.07.03C N 111362631A1.一种原位制备全固废型碱激发混凝土，包括粉体A、碱性激发剂A、粉体B和碱性激发剂B；以质量含量计，所述粉体A选自富含硅铝钙的工业固体废弃物，所述粉体A中10％≤钙含量＜50％，50％≤硅铝含量＜100％，硅铝摩尔比值为2.0～3.5，玻璃体含量超过50％；所述粉体B选自富含硅铝钙的工业固体废弃物，所述粉体B中0＜钙含量＜10％，75％≤硅铝含量＜100％，硅铝摩尔比值1.5～4.0，玻璃体含量超过50％；所述碱性激发剂A包括质量比为48～88：4～14：1～42的碱金属硅酸盐、碱性氢氧化物和水；所述碱性激发剂B包括质量比为45～71：8～13：20～44的碱金属硅酸盐、碱性氢氧化物和水。

碱激发钢渣-镁渣基胶凝材料的制备及其光催化性能研究碱激发钢渣-镁渣基胶凝材料的制备及其光催化性能研究摘要：钢渣和镁渣是工业生产中常见的废弃物，将其转化为可用的胶凝材料对于资源的循环利用具有重要意义。

本研究以氢氧化钠为碱激发剂，将钢渣和镁渣固体废弃物转化为胶凝材料，并对其光催化性能进行了研究。

通过适当的实验设计和材料制备过程，得到了具有优异光催化性能的碱激发钢渣-镁渣基胶凝材料。

其催化活性的提升主要是由于碱激发过程中氢氧化钠能够在钢渣和镁渣中形成氢氧根离子，并激活光催化反应。

1. 引言随着现代工业的发展，钢铁和镁合金等材料的生产不断增加，同时也带来了大量的钢渣和镁渣等废弃物。

传统处理方式通常是将这些废弃物直接填埋或堆放，这不仅浪费了有限的资源，还对环境造成了严重的污染。

因此，将废弃物转化为可循环利用的材料成为了一个重要的研究方向。

光催化技术是一种利用可见光或紫外光激发材料表面与光反应发生化学反应的方法，可以用来降解有机污染物或产生清洁能源。

本研究将钢渣和镁渣作为原料，采用碱激发方法制备一种新型胶凝材料，并研究其光催化性能，旨在实现废弃物的资源化利用和环境净化。

2. 实验方法2.1 原料的制备收集工业生产中的钢渣和镁渣，并经过研磨和筛分处理，得到粒径为0.1-0.2 mm的试样。

2.2 材料制备将钢渣和镁渣试样混合，并加入适量的氢氧化钠溶液，通过搅拌将其充分混合，并将混合物置于恒温水槽中固化。

3. 结果与讨论3.1 材料性能表征通过扫描电子显微镜观察和X射线衍射分析，对制备的钢渣-镁渣基胶凝材料进行表征。

结果显示，材料表面均匀致密，颗粒之间形成良好的结合。

X射线衍射分析结果表明，材料中存在各种晶相，其中主要包括硅酸盐、氢氧化物和氧化物。

3.2 光催化性能研究采用紫外-可见光光谱仪测量材料的吸收光谱，并通过降解亚甲基蓝溶液来评估材料的光催化性能。

结果显示，制备的钢渣-镁渣基胶凝材料对可见光具有较好的吸收，且在紫外-可见光照射下对亚甲基蓝具有良好的降解效果。

固废制备碱激发胶凝材料配比研究
王悠悠;袁浩;谌世英
【期刊名称】《化工矿物与加工》
【年(卷),期】2022(51)12
【摘要】我国工业固体废弃物排放量巨大,开展资源化利用研究不仅可以降低其对环境的危害,还有助于资源的可持续利用。

采用粉煤灰、钛石膏、电石渣为原料制备了碱激发胶凝材料,通过正交试验确定了最佳配比,分析了各因素对不同龄期胶凝材料力学性能的影响,采用XRD分析了胶凝体系的物相组成,结果表明:当NaOH、钛石膏、电石渣掺量分别占粉煤灰质量的7%、20%、25%,水胶比为0.64时,胶凝体系的力学性能最佳;NaOH掺量较高对早期强度有利,掺量较低对后期强度有利;抗压强度随水胶比的降低而升高;钛石膏、电石渣主要参与后期水化反应,提供的
Ca^(2+)、SO_(4)^(2-)促进了水化硅铝酸钙(C-(A)-S-H)凝胶和钙矾石(AFt)的生成,从而提高了胶凝体系强度。

【总页数】6页(P1-6)
【作者】王悠悠;袁浩;谌世英
【作者单位】河南理工大学资源环境学院
【正文语种】中文
【中图分类】X705;TU502
【相关文献】
1.碱激发胶凝材料基稻壳粉复合材料制备技术研究
2.玄武岩石粉-矿渣碱激发胶凝材料的制备研究
3.赤泥基碱激发胶凝材料的制备及机理研究
4.CO_(2)矿化养护全固废碱激发胶凝材料固碳特性及性能强化
5.结圈导致停窑事故的分析及处理
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专利名称：碱激发胶凝材料及其使用方法
专利类型：发明专利
发明人：王钧,陈斌,王欣然,伊心宇,段玉鑫,刘奇申请号：CN202010539400.5
申请日：20200614
公开号：CN111606612A
公开日：
20200901
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：一种碱激发胶凝材料及其使用方法，本发明属于建筑材料技术领域，它解决了制备液体碱激发剂施工工序繁杂和凝结时间过快的问题。

本发明碱激发胶凝材料，在粒化高炉矿渣磨细粉中加入固体碱激发剂而成，所述固体碱激发剂为偏铝酸钠和硅酸钠，固体碱激发剂为所述的矿渣磨细粉的质量的3‑11％，偏铝酸钠和硅酸钠的质量比为4:1～1:4。

使用方法为按照配合比要求称取相应组分的质量，先慢速干拌，缓慢倒入适量水后，先慢速搅拌，再快速搅拌。

该胶凝材料的最优配合比28d抗压强度为PO 42.5R水泥1.5倍，且其可直接加水拌合使用，凝结时间适中且可以通过偏铝酸钠和硅酸钠不同比例进行调节，低碳绿色环保具有良好的工程应用前景。

申请人：东北林业大学
地址：150040 黑龙江省哈尔滨市香坊区和兴路26号
国籍：CN
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第43卷第3期2024年3月硅㊀酸㊀盐㊀通㊀报BULLETIN OF THE CHINESE CERAMIC SOCIETYVol.43㊀No.3March,2024矿化养护碱激发固废胶凝材料性能与环境影响的综合评价王一晓1,许耀群2,张㊀昂1,3,林新昊1,杨嫚嫚1(1.中原科技学院土木建筑学院,郑州㊀451400;2.郑州大学水利与交通学院,郑州㊀450001;3.武汉大学继续教育学院,武汉㊀430072)摘要:CO2矿化养护固废胶凝材料可实现固废的多样化㊁减量化消纳,同时固定封存CO2,具有双重减碳效益㊂为综合考虑材料的力学性能㊁固碳效果与环境影响,选取抗压强度㊁固碳率㊁固碳程度㊁碳化效率㊁碳排放和能源消耗为评价指标,设计11组配合比试件进行综合性能的量化分析和评分㊂结果表明,与标准养护相比,矿化养护碱激发固废胶凝材料的抗压强度和整体固碳效果有显著提升㊂固废具有优异的减排和降耗优势,但碱激发剂的使用对环境影响较大㊂当粉煤灰㊁赤泥和钢渣质量比为7ʒ2ʒ1,水固比㊁碱胶比和水玻璃模数分别为0.28㊁0.26㊁1.2时,矿化养护碱激发固废胶凝材料的综合性能最优㊂CO2矿化养护技术与固废资源化利用相结合可释放巨大的固碳潜能,是推动减污㊁降碳协同增效的重要举措㊂关键词:CO2矿化养护;固废胶凝材料;固碳;碳排放;能源消耗;综合评价中图分类号:TU528㊀㊀文献标志码:A㊀㊀文章编号:1001-1625(2024)03-0977-10 Comprehensive Evaluation of Performance and Environmental Impact of Mineralization Curing Alkali Activated SolidWaste Cementitious MaterialsWANG Yixiao1,XU Yaoqun2,ZHANG Ang1,3,LIN Xinhao1,YANG Manman1(1.School of Civil Engineering,Zhongyuan Institute of Science and Technology,Zhengzhou451400,China;2.School of Water Conservancy and Transportation,Zhengzhou University,Zhengzhou450001,China;3.College of Continuing Education,Wuhan University,Wuhan430072,China) Abstract:CO2mineralization curing solid waste cementitious materials can achieve diversified and reduced consumption of solid waste,while fixing and storing CO2,which has dual carbon reduction benefits.To comprehensively consider the mechanical properties,carbon sequestration effect,and environmental impact of materials,this article selected compressive strength,carbon sequestration rate,carbon sequestration degree,carbonization efficiency,carbon emission,and energy consumption as evaluation indicators,and designed11sets of mixed proportion specimens for quantitative analysis and evaluation of comprehensive performance.The results show that compared with standard curing,the compressive strength and carbon sequestration effect of mineralization curing alkali activated solid waste cementitious materials have been significantly improved.Solid waste has excellent emission and consumption reduction advantages,but the use of alkali activator has a significant impact on the environment.When the mass ratio of fly ash,red mud,and steel slag is7ʒ2ʒ1, the water-solid ratio,alkali adhesive ratio,and water glass modulus are0.28,0.26,and1.2,the comprehensive performance of mineralization curing alkali activated solid waste cementitious materials is the best.The combination of CO2 mineralization curing technology and solid waste utilization can unleash enormous carbon sequestration potential,which is an important measure to promote the synergistic effect of pollution reduction and carbon reduction.Key words:CO2mineralization curing;solid waste cementitious material;carbon sequestration;carbon emission;energy consumption;comprehensive evaluation收稿日期:2023-10-18;修订日期:2023-11-30基金项目:河南省科技攻关项目(232102230129);国家自然科学基金(52130901);许昌市科技攻关项目(20230213058)作者简介:王一晓(1993 ),女,讲师㊂主要从事固废资源化利用与低碳材料的研究㊂E-mail:wyx2811004@978㊀资源综合利用硅酸盐通报㊀㊀㊀㊀㊀㊀第43卷0㊀引㊀言CO2矿化技术是利用天然矿石以及其他具有矿化活性的原料中的碱性组分进行碳酸化反应,实现CO2固定封存的技术,在应对全球气候变化的 双碳 目标中已展现出了巨大的潜力㊂天然矿石(如蛇纹石㊁橄榄石等)所需的研磨和活化阶段通常在高温㊁高压下进行,成本高且碳化率低㊂相比之下,碱性固废由于相对较高的反应活性,具有快速反应动力学,更适合CO2矿化固定[1]㊂钢铁和水泥等能源密集型行业是全球CO2排放的主要贡献者,同时在资源开采和生产过程中会产生大量的碱性固废[2]㊂利用碱性固废进行CO2矿化可减少原料生产阶段的碳排放,同时可以有效捕获㊁利用与封存CO2[3-4],是协同解决碱性固废处理问题和对抗全球变暖的重要途径之一㊂马卓慧等[5-6]利用碱性矿物材料激发水化活性,促使水化硅酸钙凝胶和钙矾石的生成,碳化产物具有胶凝特性,可用作建筑材料㊂任国宏等[7]对粉煤灰-电石渣进行了制浆矿化,矿化后的试件抗压强度可提升37.1%~82.1%,碳化度为7.9% ~10.2%㊂矿化养护后试件的抗压强度通常取决于矿化养护温度㊁压力㊁时间,以及原料配比㊁添加剂等,试件微观结构较自然养护更为致密,具有良好的固碳增强效应[8]㊂我国每年通过CO2矿化技术可实现超1ˑ109t工业废物的资源再利用,同时可减少碳排放超1ˑ108t,预计到2050年全球CO2排放量将减少(5.5~8.2)ˑ108t[9-10]㊂目前,CO2矿化养护胶凝材料的研究主要集中于力学性能和固碳率,大多数研究结果只是针对单一性能的分析[11-12],对环境综合影响效应的研究和评估方法仍比较模糊㊂生命周期评价法是国内外量化胶凝材料潜在环境影响的方法之一,已在熟料生产过程碳足迹和碳排放评估方面得到了广泛的应用[13-14]㊂同时,降低能源消耗也是实现低碳经济的有效方式,有必要对能耗进行核算㊂目前同时考虑减碳㊁降耗的需求,结合力学性能㊁固碳效果和环境影响等多方面的综合评价体系还需要深入系统地研究㊂本研究以固废为原材料,在CO2矿化养护条件下,选取抗压强度㊁固碳率㊁固碳程度㊁碳化效率㊁碳排放和能源消耗分析结果为评价指标,对CO2矿化养护碱激发固废胶凝材料进行多维度的综合性能评价,量化碳排放和能耗差异㊂在满足力学强度的基础上,为选取固碳潜力大㊁环境效益良好的配合比提供支撑㊂1㊀实㊀验1.1㊀原材料粉煤灰为河南铂润铸造材料有限公司生产,采用细度(45μm筛余)为10.5%㊁含水量为0.35%的中钙粉煤灰㊂赤泥为河南省许昌市某铝厂的烧结法赤泥㊂钢渣由钢厂的转炉钢渣粉碎筛分得到,来自巩义市铂润耐火材料有限公司㊂粉煤灰㊁赤泥和钢渣的主要化学成分如表1所示㊂碱激发剂为水玻璃(Na2SiO3)和NaOH调整模数后的试剂,为灰色半透明液体㊂水玻璃模数为2.4,Na2O㊁SiO2和水不溶物的质量分数分别为14.91%㊁35.48%和0.72%㊂表1㊀粉煤灰㊁赤泥和钢渣的主要化学成分Table1㊀Main chemical composition of fly ash,red mud and steel slagMaterial Mass fraction/%SiO2Al2O3CaO Fe2O3MgO SO3 Fly ash54.9424.8612.63 2.520.810.35Red mud22.867.6445.328.42 1.26Steel slag19.72 6.3939.2123.62 6.120.791.2㊀试验配合比为研究不同固废掺量㊁水玻璃模数㊁碱胶比对碱激发固废胶凝材料性能和环境效益的影响,保证水固比为不变,共设计了11组不同配合比,如表2所示㊂第3期王一晓等:矿化养护碱激发固废胶凝材料性能与环境影响的综合评价979㊀表2㊀碱激发固废胶凝材料的配合比Table2㊀Mix proportion of alkali activated solid waste cementitious materialsGroup Fly ashmass fraction/%Red mudmass fraction/%Steel slagmass fraction/%Water-solidratioAlkali adhesiveratioWater glassmodulusF606030100.280.26 1.5F707020100.280.26 1.5F808010100.280.26 1.5M1.27020100.280.26 1.2M1.47020100.280.26 1.4M1.77020100.280.26 1.7M1.97020100.280.26 1.9A0.227020100.280.22 1.5A0.247020100.280.24 1.5A0.287020100.280.28 1.5A0.307020100.280.30 1.51.3㊀试件制备及试验方法将粉煤灰㊁钢渣㊁赤泥混合搅拌,并在搅拌过程中加入碱激发剂和水,拌和均匀后倒入钢模中成型,振捣密实㊂部分试件因碱激发剂模数较大,制备过程中出现凝固较慢的现象,因此所有试件均在72h后脱模㊂设置标准养护和矿化养护对照,标准养护环境设置相对湿度不低于95%,温度为(20ʃ2)ħ,矿化养护环境设置养护压力㊁温度分别为1.0MPa和25ħ,通入纯度为99.9%(体积分数)的CO2气体矿化养护4h后将试件取出并进行称重,后续置于标准养护环境中继续养护至7㊁28d指定龄期㊂试验所用试件为40mmˑ40mmˑ160mm的立方体㊂参照‘水泥胶砂强度检验方法(ISO法)“(GB/T17671 2021)测定胶凝材料的抗压强度㊂1.4㊀试验数据处理固碳率可直观体现出碱激发固废胶凝材料对CO2的矿化固定能力,基于Steinour公式[15-16],对碱激发固废胶凝材料的理论固碳率进行计算㊂理论固碳率是假设材料中所有可与CO2进行碳酸化反应的组分100%充分反应而得到的,为材料理想状态下的最大固碳率㊂CaO㊁MgO㊁Na2O和K2O组分都可以与CO2进行碳酸化反应,因为Na2O和K2O的含量较少,本文未考虑Na2O和K2O组分的碳酸化反应活性,同时扣除CaO组分与SO3结合生成硫酸盐的部分㊂结合组分分析中氧化物与CO2反应的化学计量数的配比来估算原材料的理论固碳率,根据式(1)计算得到㊂ω理论=0.785(ωCaO-0.7ωSO3)+1.091ωMgO(1)式中:ω理论为理论固碳率,%;ωCaO㊁ωSO3㊁ωMgO分别为CaO㊁SO3和MgO的质量分数,%㊂实际固碳率一般与理论固碳率存在较大偏差,通过计算矿化养护后试件质量的变化率来评估碱激发固废胶凝材料的实际固碳能力,计算公式如式(2)所示㊂ω实际=m2-m1m2ˑ11+w/b()ˑ100%(2)式中:ω实际为实际固碳率,%;m2为矿化养护后试件质量,g;m1为矿化养护前试件质量,g;w/b为剩余水灰比㊂为了量化实际固碳率与理论固碳率之间的差异,综合分析不同材料对CO2的捕获量以及固化能力,用实际固碳率与理论固碳率的比值表示固碳程度,用实际固碳率与单位质量的CaO含量的比值表示碳化效率㊂试件的固碳程度及碳化效率分别根据式(3)和式(4)得到㊂ε=ω实际ω理论ˑ100%(3)η=ω实际ωCaOˑ100%(4)980㊀资源综合利用硅酸盐通报㊀㊀㊀㊀㊀㊀第43卷式中:ε为固碳程度,%;η为碳化效率,%㊂2㊀结果与讨论2.1㊀力学性能不同配合比碱激发固废胶凝材料在标准养护和矿化养护条件下7㊁28d 抗压强度如图1所示㊂由图1可知,与标准养护相比,所有配合比试件经矿化养护后,抗压强度显著提升㊂矿化养护后,F60~80组试件28d 抗压强度可提升13.00%~57.83%,M1.2~1.9组试件28d 抗压强度可提升18.90%~29.84%,A0.22~0.30组试件28d 抗压强度可提升27.74%~37.39%,说明矿化养护对碱激发固废胶凝材料的抗压强度有明显的增强效应,其中7d 抗压强度提升效果更显著㊂图1㊀碱激发固废胶凝材料在标准㊁矿化养护下的抗压强度Fig.1㊀Compressive strength of alkali activated solid waste cementitious material under standard and mineralization curing 2.2㊀固碳效果2.2.1㊀粉煤灰掺量对固碳效果的影响图2㊀粉煤灰掺量对试件固碳效果的影响Fig.2㊀Influence of fly ash content on carbonsequestration effect of specimens F60~80组试件的理论固碳率分别为21.15%㊁18.52%和15.88%,标准养护28d 后,实际固碳率仅为2.9%~3.4%,28d 固碳程度为16.08%~18.26%,碳化效率仅为13.55%~15.63%㊂图2为矿化养护条件下F60~80组试件的固碳效果㊂由图2可知,矿化养护后F60~80组试件的实际固碳率有明显提高,7d 实际固碳率分别为6.42%㊁5.97%和5.68%,28d 实际固碳率分别为7.11%㊁6.50%和6.05%,固碳程度和碳化效率均有相应提高㊂但由于试件组分中存在不参与矿化反应的成分,实际固碳率与理论固碳率仍存在一定差值㊂矿化养护后,试件的实际固碳率随粉煤灰掺量的增加而不断减小,与理论固碳率基本吻合,当试件中粉煤灰掺量从60%提高至70%㊁80%时,28d 实际固碳率分别降低8.58%㊁15.05%㊂在钢渣掺量相同的情况下,矿化反应中赤泥的活性大于粉煤灰,具有更好的固碳效果和矿化潜力㊂试件的固碳程度和碳化效率随粉煤灰掺量的增加反而增大㊂F60~80组试件的7d 实际固碳率为28d 实际固碳率的90%~94%,由此可知在前7天内矿化反应速率较高,矿化反应基本在前7天内完成㊂2.2.2㊀水玻璃模数对固碳效果的影响图3为水玻璃模数对试件固碳效果的影响㊂由图3可以看出,随着水玻璃模数的增加,试件的实际固碳率㊁固碳程度和碳化效率均呈逐渐下降的趋势㊂当水玻璃模数为1.2时,碱激发固废胶凝材料的固碳效果最第3期王一晓等:矿化养护碱激发固废胶凝材料性能与环境影响的综合评价981㊀佳,28d 实际固碳率达到7.21%,固碳程度为38.93%,碳化效率为33.03%㊂当水玻璃模数为1.9时,28d 实际固碳率为5.44%,固碳程度为29.37%,碳化效率为24.92%,与水玻璃模数为1.2的试件的28d 实际固碳率㊁固碳程度和碳化效率相比均降低约25%㊂水玻璃模数是通过调配NaOH 的浓度而改变的,NaOH 添加越少,水玻璃模数越高,游离Na +和OH -的数量越少㊂随着模数的增加,水玻璃中的双电层变薄,生成的类沸石和莫来石产物数量减少,结构变得松散,这也是图1中M1.2~1.9组试件的抗压强度随水玻璃模数的增加而逐渐减低的原因㊂2.2.3㊀碱胶比对固碳效果的影响图4为碱胶比对试件固碳效果的影响,当水玻璃模数保持1.5不变,碱胶比在0.22~0.30时,随碱胶比的增加,试件的实际固碳率㊁固碳程度和碳化效率均呈先升高再降低的趋势㊂试件在碱胶比为0.28时的固碳效果最佳,28d 实际固碳率㊁固碳程度和碳化效率均达到最大值,分别为6.72%㊁36.29%和30.79%㊂当碱胶比较低(0.22~0.26)时,增大碱胶比可有效提高碱激发固废胶凝材料的固碳效果㊂当碱胶比超过0.28时,试件的固碳效果有小幅度下降㊂图3㊀水玻璃模数对试件固碳效果的影响Fig.3㊀Influence of water glass modulus on carbon sequestration effect ofspecimens 图4㊀碱胶比对固碳效果的影响Fig.4㊀Influence of alkali adhesive ratio on carbon sequestration effect of specimens 3㊀环境影响评价根据文献[17-22],胶凝材料在全生命周期对环境的影响可分为原材料生产阶段㊁原材料运输阶段㊁胶凝材料制备阶段㊁胶凝材料运输阶段和建造施工阶段㊂考虑到胶凝材料运输阶段和建造施工阶段中不同配合比的材料影响差别较小,选取原材料生产和胶凝材料制备两个阶段,量化分析水泥胶凝材料与碱激发固废胶凝材料标准养护和矿化养护的CO 2排放和能源消耗情况㊂3.1㊀原材料生产阶段表3为水泥胶凝材料和固废胶凝材料中各主要原材料在生产过程中产生的环境影响㊂表3中,水泥㊁水的碳排放量来自文献[17-18]㊂粉煤灰㊁赤泥和钢渣都属于固废,在原材料获取过程中的碳排放可以忽略不计,仅考虑在加工处理过程中产生的碳排放,因此粉煤灰㊁赤泥和钢渣的单位碳排放量均较低,固废数据来自文献[18-21]㊂水玻璃㊁NaOH 在生产过程中能耗较大,碳排放较高,数据来自中国生命周期基础数据库(Chinese Life Cycle Database,CLCD)和文献[18]㊂表3㊀单位原材料的环境影响清单Table 3㊀Environmental impact list of unit raw materialsRaw material Cement Fly ashRed mudSteel slag Water Sodium silicate NaOHCarbon emission /(kgCO 2㊃t -1)84222.8 4.76 1.010.1891238745Energy consumption /(MJ㊃t -1)33302850131811 2.51020020557胶凝材料在生产过程中产生的碳排放和能源消耗,根据式(5)和式(6)计算㊂982㊀资源综合利用硅酸盐通报㊀㊀㊀㊀㊀㊀第43卷C =ðn i =1(C i CO 2ˑm i )(5)E =ðn i =1(E i PED ˑm i )(6)式中:C 为胶凝材料生产阶段的碳排放量,kgCO 2/m 3;C i CO 2为第i 种原材料的单位碳排放量,kgCO 2/t;m i 为第i 种原材料的用量,t /m 3;E 为胶凝材料生产阶段的能源消耗,MJ /m 3;E i PED 为第i 种原材料的单位能源消耗,MJ /t;n 为原材料种类㊂图5㊀原材料生产阶段的碳排放和能源消耗Fig.5㊀Carbon emission and energy consumption during production stage of raw materials 不同配合比的碱激发固废胶凝材料在原材料生产阶段的碳排放和能源消耗及其占比如图5和图6所示㊂由图5可知,在11组不同配合比试件中,A0.30组试件的碳排放和能源消耗最大,分别为308.35kgCO 2/m 3和3889.84MJ /m 3,A0.22组试件的碳排放和能源消耗最小,分别为233.62kgCO 2/m 3和3274.12MJ /m 3㊂选取传统的水泥胶凝材料作为对照组,经计算可知,若水灰比设置为0.28,则传统水泥胶凝材料的碳排放和能源消耗分别为378.92kgCO 2/m 3和1498.8MJ /m 3㊂碱激发固废胶凝材料因采用固废全部替代水泥,碳排放较传统水泥胶凝材料可减少18.62%~38.35%,但由于在制备过程中采用了高能耗的碱激发剂,碱激发固废胶凝材料的能源消耗高于传统水泥胶凝材料㊂图6㊀原材料生产阶段各原材料的碳排放占比和能源消耗占比Fig.6㊀Proportion of carbon emission and energy consumption of various raw materials during production stage of raw materials 粉煤灰㊁赤泥和钢渣都属于固废,在原材料获取过程中的碳排放均小于30kgCO 2/t,能源消耗也处于相对较低水平,分别约为水泥能源消耗的85.6%㊁39.6%和0.3%㊂因此,当粉煤灰㊁赤泥和钢渣掺比改变时,碱激发固废胶凝材料碳排放的波动很小,能源消耗为3513.04~3650.93MJ /m 3㊂当水玻璃模数从1.2逐渐增加至1.9时,碱激发固废胶凝材料的碳排放逐渐增加,而能源消耗逐渐降低㊂分析其原因,随着水玻璃模数逐渐增加,氢氧化钠的用量逐渐减少,水玻璃的碳排放为氢氧化钠的1.66倍,但能源消耗约为氢氧化钠的一半㊂水玻璃模数每增加0.2,碱激发固废胶凝材料的碳排放增加1.94%~3.09%,能源消耗降低1.45%~2.04%㊂由图5可以看出,碳排放和能源消耗随碱胶比的增大均显著提升,由表3的单位原材料的环境影响清单可知,水玻璃的碳排放和能源消耗为所有原材料中最高水平,分别为水泥的1.47倍和3.06倍㊂水玻璃的用量增加,在原材料生产阶段产生的环境影响也更加显著㊂碱胶比每增加0.02,碱激发固废胶凝材料的碳排放增加6.45%~8.00%,能源消耗增加4.12%~4.70%㊂由图6可以看出,粉煤灰㊁赤泥和钢渣对碳排放的贡献可忽略不计,对能源消耗的贡献在30%以下㊂水㊀第3期王一晓等:矿化养护碱激发固废胶凝材料性能与环境影响的综合评价983玻璃在各原材料中的碳排放和能源消耗占比均最高,分别达85.1%和49.3%以上㊂在碱激发固废胶凝材料的配合比设计中,从环境影响角度分析,采用粉煤灰㊁赤泥等固废取代水泥,可有效降低对环境的影响,在减排和降耗方面有显著的正向优势,在配合比设计中可尽量降低水泥的用量㊂同时,碱激发剂的使用是原材料中碳排放和能源消耗的大户,在满足基本性能的基础上,有必要合理减少碱激发剂的用量,从而有效降低能源消耗,减少环境成本㊂在配合比设计中可以选用其他碳排放和能源消耗相对较少的激发剂,并与矿化养护技术相结合,增大绿色低碳胶凝材料的发展空间和综合效益㊂3.2㊀胶凝材料制备阶段水泥胶凝材料与固废胶凝材料在制备阶段中的碳排放和能源消耗主要来自于搅拌㊁浇筑和养护环节,如碳酸盐分解过程㊁电耗㊁蒸汽能耗等,大部分情况下不作为胶凝材料生产过程碳排放和能源消耗的主要考虑因素[22-23]㊂标准养护过程中,碳排放和能源消耗相对较小,可取为0㊂矿化养护过程中,胶凝材料能够固定CO2,碳排放应为负值,对减少碳排放的贡献随各组试件的实际固碳率增加而提升㊂以矿化养护F60组试件为例,28d实际固碳率为7.11%,则1t碱激发固废胶凝材料可以吸收71.1kgCO2㊂矿化养护与传统标准养护相比,单位质量的胶凝材料可矿化固定54.4~72.1kgCO2㊂矿化养护时长仅为4h,在此过程中较标准养护额外产生的能耗忽略不计㊂仅依靠胶凝材料在制备阶段固定CO2产生的减碳效果有限,在确保基本力学性能的基础上,将矿化养护技术与固废的资源化利用相结合,可实现原材料生产阶段和胶凝材料制备阶段的综合环境效益最大化㊂4㊀综合性能评价为评估CO2矿化养护碱激发固废胶凝材料的综合性能,以28d龄期的材料各项性能为指标,选取抗压强度㊁实际固碳率㊁固碳程度㊁碳化效率㊁胶凝材料在生产制备过程中的碳排放量以及能源消耗六个方面进行综合分析㊂将抗压强度㊁实际固碳率㊁固碳程度和碳化效率最大值设为1,碳排放量和能源消耗最小值设为1,其他按照比例关系赋予相应分值㊂图7给出了F60~80组㊁M1.2~1.9组和A0.22~0.30组试件综合性能分析结果㊂图7㊀碱激发固废胶凝材料的综合性能分析Fig.7㊀Comprehensive performance analysis of alkali activated solid waste cementitious materials984㊀资源综合利用硅酸盐通报㊀㊀㊀㊀㊀㊀第43卷以碱激发固废胶凝材料的力学性能㊁固碳效果和环境影响三方面为指标建立综合评价体系,一级权重设置为0.333㊂参考文献[18],根据层次分析法量化矩阵元素的重要程度,构造判断矩阵A 1作为环境影响评价判断矩阵,分为碳排放(a 1)和能源消耗(a 2)两个指标㊂构造判断矩阵A 2作为固碳效果评价判断矩阵,分为固碳率(b 1)㊁固碳程度(b 2)和碳化效率(b 3)三个指标㊂判断矩阵A 1和A 2见式(7)㊂各评价指标的综合权重如表4所示㊂根据图7得到的性能分析基础数据,得到碱激发固废胶凝材料的综合性能评分和评价结果,如表5所示㊂总分为100分,90分以上为一级,80~90分为二级,80分以下为三级㊂A 1=13131éëêêêùûúúú,A 2=133********éëêêêêêêùûúúúúúú(7)表4㊀碱激发固废胶凝材料各性能的综合权重Table 4㊀Comprehensive weights of various properties of alkali activated solid waste cementitious materialsPerformance Weight Index Weight Comprehensive weight Mechanical property0.333Compressive strength 1.000.3330Carbon sequestration effect0.333Carbon sequestration rate0.600.1998Carbon sequestration degree 0.200.0666Carbonization efficiency 0.200.0666Environmental impact 0.333Carbon emission 0.750.2497Energy consumption 0.250.0833表5㊀碱激发固废胶凝材料综合性能评分和评价结果Table 5㊀Comprehensive performance score and evaluation results of alkali activated solid waste cementitious materialsGroupCompressive strength Carbon sequestration rate Carbon sequestration degree Carbonization efficiency Carbon emission Energy consumption Comprehensive score Evaluate F6024.6919.70 5.75 5.7121.597.7685.21Level 2F7025.1518.01 6.00 6.0021.537.6184.31Level 2F8026.8816.74 6.51 6.5621.467.4785.62Level 2M1.233.3019.98 6.66 6.6622.487.3996.47Level 1M1.427.5718.87 6.29 6.2921.817.5488.38Level 2M1.722.1916.82 5.61 5.6121.047.7479.01Level 3M1.919.2715.08 5.02 5.0220.647.8572.89Level 3A0.2217.9716.13 5.38 5.3824.978.3378.15Level 3A0.2422.1617.10 5.70 5.7023.127.9681.74Level 2A0.2820.6018.62 6.21 6.2120.147.3079.07Level 3A0.3017.7817.57 5.86 5.8618.927.0172.99Level 3根据表5的评价结果,抗压强度㊁碳排放和固碳率为影响评价结果的最重要的三个因素,抗压强度越高㊁碳排放越低㊁固碳率越高,胶凝材料会取得更显著的综合性能优势㊂其中,M1.2组试件综合性能最好,即粉煤灰㊁赤泥㊁钢渣质量比为7ʒ2ʒ1,水固比为0.28,碱胶比为0.26,水玻璃模数为1.2,抗压强度和固碳率最高,碳排放量相对稍高,但能源消耗较低,综合评价等级为一级㊂F60~80组㊁M1.4组㊁A0.24组的综合性能较好,评价等级为二级㊂M1.7组㊁M1.9组㊁A0.22组㊁A0.28组和A0.30组试件的综合性能较差,评价等级为三级㊂在后续的研究中,提高矿化反应速度以实现更优的增强效应和固碳效益是核心问题,可以通过调整矿化养护压力㊁温度㊁时间等环境参数,改进制备工艺,同时进一步对配合比进行设计和优化,选用减碳潜力大的固废和活性激发剂等原材料,实现矿化养护胶凝材料的规模化应用㊂随着国家碳交易价格的提高,挖掘矿化养护胶凝材料的巨大潜能,可为实现 双碳 目标提供有力支撑㊂5㊀结㊀论为分析不同因素对矿化养护碱激发固废胶凝材料性能的影响,选取力学性能㊁固碳效果和环境影响为指㊀第3期王一晓等:矿化养护碱激发固废胶凝材料性能与环境影响的综合评价985标进行综合性能分析和评价,得出以下结论:1)碱激发固废胶凝材料的固碳率随CaO含量增大而增加,随水玻璃模数增大而降低,随碱胶比的增大先增加后降低,固碳率最高可达7.21%㊂不同配合比的试件的固碳程度和碳化效率波动范围较小,分别在29.37%~38.93%㊁24.92%~33.03%㊂2)固废胶凝材料的碳排放较传统水泥胶凝材料可减少18.62%~38.35%㊂水玻璃在原材料生产阶段的碳排放㊁能源消耗占比最高,分别达85.1%和49.3%以上,对环境影响较大㊂CO2矿化养护过程中的碳排放为负值,环境效益随各组试件的实际固碳率增加而提升㊂3)当粉煤灰㊁赤泥和钢渣质量比为7ʒ2ʒ1,水固比㊁碱胶比和水玻璃模数分别为0.28㊁0.26㊁1.2时,CO2矿化养护碱激发固废胶凝材料的综合性能最优㊂4)CO2矿化养护技术与固废资源化利用相结合具有显著的正向环境效益㊂为进一步推广矿化养护固废胶凝材料,需要对矿化反应机理进行深入研究,实现更优的增强效应和固碳效益㊂同时,在配合比设计中,选用减排㊁节能潜力大的固废和活性激发剂等原材料,实现固废胶凝材料的绿色生产和综合减排㊂参考文献[1]㊀MATTER J M,STUTE M,SNÆBJÖRNSDOTTIR SÓ,et al.Rapid carbon mineralization for permanent disposal of anthropogenic carbon dioxideemissions[J].Science,2016,352(6291):1312-1314.[2]㊀SCRIVENER K L,JOHN V M,GARTNER E M.Eco-efficient cements:potential economically viable solutions for a low-CO2cement-basedmaterials industry[J].Cement and Concrete 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碱激发胶凝材料原理及应用说起碱激发胶凝材料，可能很多人一听就觉得头大，心里想着：“这又是什么东西？”别急，咱们慢慢聊。

简单来说，碱激发胶凝材料就是一种利用强碱与其他物质反应，制造出来的“超级黏合剂”。

这个过程有点像化学界的“奇妙配方”，就像我们做菜时，不小心加多了点盐，结果味道竟然变得格外独特，甚至能让人惊艳。

咱们今天就来看看，碱激发胶凝材料到底是怎么一回事，怎么运作的，又是怎么在实际中大显身手的。

你得明白，咱们日常见的水泥，大家都不陌生吧。

可是你知道吗，水泥可不是无所不能的“万金油”。

它虽然在建筑行业中霸占了大半个江山，但也有缺点。

比如生产过程中，水泥会排放大量的二氧化碳，造成环境污染，还非常依赖矿产资源。

这个问题一摆在面前，工程师们就开始琢磨：有没有一种更环保、能替代水泥的材料呢？而碱激发胶凝材料就应运而生了，它不仅能减少对自然资源的消耗，还能大幅降低碳排放，堪称环保界的“新星”！这玩意儿咋做的呢？很简单，用强碱溶液来“激活”一些天然材料，比如工业废渣、矿渣啥的。

这些废弃物，原本是“丢了才是最好的”，结果一经碱激发，竟然变成了能够凝固硬化的神奇物质。

你想啊，原本是被丢弃的废渣，结果还能变得如此有用，谁能不感叹科技的伟大呢？说白了，碱激发胶凝材料就是通过化学反应，把这些废料变成“新材料”，重新焕发光彩。

不仅减少了污染，还节约了资源，简直是环境保护的“救星”！不过，说实话，虽然它的原理看起来很简单，但在实际应用中，还是有些技术门槛的。

要让这些废弃物“激活”成胶凝材料，得掌握好碱液的浓度、反应时间和温度。

这些细节稍微不注意，可能就会出现问题。

就像做饭一样，火候掌握不好，菜肴可能会变得四不像。

虽然难度大了点，但随着研究的深入，这项技术也逐渐成熟。

比如，现在的碱激发胶凝材料已经不仅仅局限于建筑领域，还开始在路面修复、土壤加固等方面大展拳脚了。

可以说，它已经成为了现代工程中一个不可忽视的“神兵利器”。

碱激发胶凝材料的应用范围究竟有多广呢？我们就来举几个例子。

专利名称：碱激发胶凝材料及其凝结硬化性能的调整剂及制备方法和应用
专利类型：发明专利
发明人：史迪,张文生,叶家元,孙俊民,孙振斌,陈晓霞
申请号：CN201510703208.4
申请日：20151026
公开号：CN105384366A
公开日：
20160309
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：本发明公开了一种碱激发胶凝材料及其凝结硬化性能的调整剂及制备方法和应用，调整剂由如下质量百分含量的组分组成：8-12％第一粒径组分，为硅钙渣微粉，或硅钙渣微粉和粉煤灰微粉混合物，其中粉煤灰微粉占调整剂的质量百分含量不超过5％，第一粒径组分的粒径不大于1.5μm；60-70％第二粒径组分，为硅钙渣微粉，或硅钙渣微粉和粉煤灰微粉混合物，其中粉煤灰微粉占调整剂的质量百分含量不超过20％，第二粒径组分的粒径为大于1.5μm不大于25μm；18-32％第三粒径组分，为硅钙渣微粉，粒径为大于25μm不大于900μm。

本发明在保证强度的同时实现以硅钙渣为主要原料的碱激发胶凝材料凝结硬化性能的可调控性。

申请人：中国建筑材料科学研究总院,内蒙古大唐国际再生资源开发有限公司
地址：100024 北京市朝阳区管庄东里1号
国籍：CN
代理机构：北京鼎佳达知识产权代理事务所(普通合伙)
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建筑固体废弃物的再利用是当前建筑行业和环保领域关注的重要课题之一。

基于碱激发原理的建筑固体废弃物道路基层材料研究与工程应用可以是一个非常有前景的研究方向。

在这个研究方向下，可以考虑以下内容：
1. 碱激发原理的理论研究：深入探讨碱激发原理对固体废弃物材料特性的影响，包括其力学性能、稳定性和耐久性等方面。

2. 固体废弃物材料的筛选和改性：针对不同类型的建筑固体废弃物，进行筛选和改性处理，以提高其在道路基层材料中的适用性和性能。

3. 碱激发原理在道路基层材料中的应用：探索将经过处理的固体废弃物材料应用于道路基层的可行性和效果，从实验室试验到工程应用进行系统研究。

4. 环境影响评价：对采用碱激发原理的固体废弃物道路基层材料在工程应用中的环境影响进行评价，包括对土壤、地下水和大气环境的影响等方面。

5. 经济性分析：进行固体废弃物再利用道路基层材料工程应用的经济性分析，考虑成本、资源节约和社会效益等因素。

在工程应用方面，需要充分考虑材料的性能、施工工艺、质量控制等方面，并结合现行的建筑标准和规范进行设计和施工。

这一研究方向既涉及到建筑材料科学，也涉及到土木工程技术，同时也具有环保和可持续发展的重要意义。

希望这些思路能够为您的研究提供一些启示。