1、一种利用水洗预处理垃圾焚烧飞灰提高混凝土抗冻融性能的方法申请号：XXXXX申请日：XXXXX申请（专利权）人 地址 发明（设计）人 主分类号 分类号 开（公告）号 公开（公告）日专利代理机构代理人 发明名称一种利用水洗预处理垃圾焚烧飞灰提高混凝土抗冻融性能的方法 摘要一种利用水洗预处理垃圾焚烧飞灰提高混凝土抗冻融性能的方法，它由水泥、水洗预处理垃圾焚烧飞灰为胶凝材料，并用粉煤灰和外加剂（减水剂）按一定的配合比组成。该混凝土具有良好的力学性能及优异的抗冻融能力，同时能有效固化焚烧飞灰中的有害重金属元素，使其不易浸出，符合相关的国家安全标准。本发明将城市的垃圾焚烧飞灰再利用，响应了国家的资源再生可
2、持续发展战略目标，也有较高的实际社会效益和经济效益。 申请日 申请号 申请人地址 发明人 专利代理机构代理人权利要求书 第 1/1 页1、一种利用水洗预处理垃圾焚烧飞灰提高混凝土抗冻融性能的方法。其特征在于它由水泥、水洗预处理垃圾焚烧飞灰为胶凝材料，并配以外加剂（减水剂）按一定的配合比组成，其中各组分质量配比如下：胶凝材料（总质量为 100%）水泥 80-90%预处理焚烧飞灰 10-20%粉煤灰 54g减水剂 2.21%外加剂、预处理焚烧飞灰的用量百分比按胶凝材料为基数计算。2、如权利 1 所述的一种利用水洗预处理垃圾焚烧飞灰提高混凝土抗冻融性能的方法，其冻融试验方法按照 GB/T 50082
3、-2009普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准中抗冻性试验的“快冻法”进行。说明书 第 1/7 页技术领域本发明属建筑材料技术领域，具体涉及一种利用水洗预处理垃圾焚烧飞灰提高混凝土抗冻融性能的方法。背景技术垃圾焚烧飞灰是垃圾焚烧后的产物，约占灰渣总量的 20%左右，它的成分非常复杂，其主要化学组成是 SiO2、CaO、Al 2O3和 Fe2O3，然而，生活垃圾焚烧飞灰中含有的 Pb、Zn、Cd、Hg、Cr 以及二噁英和呋喃类有机剧毒污染物是飞灰重金属污染的主要元素，一旦处理不当将会造成严重的环境问题威胁人类的健康。传统的处理方法主要有安全填埋、水泥固化、熔融固化、沥青固化和化学药剂稳定化，
4、然而这都造成了垃圾焚烧飞灰这一潜在资源的浪费。由于垃圾焚烧飞灰的主要化学成分与目前正在大量应用的高炉矿渣、粉煤灰等掺合料非常接近，都含有大量的 CaO 、SiO 2和 Al2O3，因此它在理论上具有运用于混凝土中的可能。混凝土抵抗环境介质作用并长期保持其良好的使用性能和外观完整性，从而维持混凝土结构的安全、正常使用的能力称为耐久性。其中，混凝土在饱水状态下因冻融循环产生的破坏作用称为冻融破坏，混凝土的抗冻耐久性（简称抗冻性）即是指饱水混凝土抵抗冻融循环作用的性能。混凝土处于饱水状态和冻融循环交替作用是发生混凝土冻融破坏的必要条件，因此，混凝土的冻融破坏一般发生于寒冷地区经常与水接触的混凝土结构
5、物，如水位变化区的海工、水工混凝土结构物以及与水接触部位的道路、建筑物勒脚、阳台等。在我国东北、华北和西北地区的水利大坝，尤其是东北严寒地区的混凝土结构物，几乎100的工程局部或大面积地遭受不同程度的冻融破坏。凝土冻融循环产生的破坏作用主要有冻胀开裂和表面剥蚀两个方面，水在混凝土毛细孔中结冰造成的冻胀开裂使混凝土的弹性模量、抗压强度、抗拉强度等力学性能严重下降，危害结构物的耐用性，因此为了提高混凝土结构的耐久性能，保证人民群众财产及人身的安全，提高能源环境资源利用效率，研究提高混凝土的抗冻性有着极其重要意义。通常情况下,混凝土的冻融破坏是一个极其复杂的物理变化过程,而且受许多因素的影响。(诸如
6、:混凝土中孔隙的充水程度、水灰比、水泥品种及集料质量、含气量、环境温度以及反复冻融的次数等。) 因此，对于混凝土冻融破坏的机理难以得出一致性的定论，主要有以下一些具有代表性的理论:冰的分离层理论、充水系数理论、渗透压理论、水压力理论、孔结构理论。上述几种理论从不同角度阐述了混凝土冻融破坏的机理,尽管这些理论相互之间还有分歧,但是一般说明书 第 1/7 页可以认为混凝土的冻融破坏是一个由表及里,先大孔后小孔的物理变化过程。由于水结成冰产生体积膨胀,在混凝土中形成内压力，当这种内压力超过混凝土所能承受的极限时,引起混凝土内部孔隙和裂隙不断地发育,由小变大,由短变长,相互贯通,最终导致混凝土破坏。传
7、统的提高混凝土抗冻性的方法主要有：严格控制水灰比、添加引气剂、掺入适量的优质矿物掺合料以及采用树脂浸渍混凝土四种，但这些方法都不可避免地提高了混凝土的生产成本，消耗了更多的自然资源。由于焚烧飞灰具有填充作用，其本身较细，且在水化后期其二次反应产物填充了水泥石的较大孔隙，使孔径细化，降低了冰点，从而可以改善混凝土的抗冻性能。然而，通过对飞灰的资源化利用途径进行总结得出，飞灰中高含量的氯离子限制了飞灰资源化利用技术的广泛使用，尤其是作为辅助性胶凝材料时的影响较大，因此对飞灰进行预处理研究就显得越来越重要。水洗预处理技术是一种有效的飞灰稳定化技术，在水洗后飞灰中的 Cl-的含量大大降低，使其在混凝土
8、中的应用成为了可能。本发明的目的在于提出一种合理利用水洗预处理垃圾焚烧飞灰提高混凝土抗冻融性能的方法，以便对垃圾焚烧飞灰进行资源化再利用，从而保护环境、提高建筑行业的社会及经济效益。本发明提出了一种利用水洗预处理垃圾焚烧飞灰提高混凝土抗冻融性能的方法，以水泥、预处理水洗垃圾焚烧飞灰为胶凝材料，并配以外加剂（减水剂）按一定的配合比组成，其中各组分质量配比如下：胶凝材料（总质量为 100%）水泥 80-90%预处理焚烧飞灰 10-20%粉煤灰 54g减水剂 2.21%外加剂、预处理焚烧飞灰的用量百分比按胶凝材料为基数计算。本发明用垃圾焚烧飞灰代替部分水泥，并与粉煤灰以及外加剂等材料进行复合改性，提
9、高了混凝土的抗冻性能，在保证其强度和重金属固化效果的条件下有效地提高了该混凝土的抗冻融性，真正做到了使生活垃圾焚烧飞灰资源利用最大化、环境健康风险最小化的目标，不仅为我国垃圾飞灰处置打开了一条新的出路，有效处理了废弃物，改善了城市环境，节约了土地资源，同时也将为能耗巨大的建筑行业提供一条绿色环保之路，有利于推动全国垃圾焚烧飞灰的管理向“零填埋” 、 “零风险”方向发展，具有巨大的社会与经济效益。具体实施方式说明书 第 3/7 页本发明所用的垃圾焚烧飞灰原样取自上海浦东新区御桥生活垃圾焚烧厂，由焚烧炉收尘器收集而来，再由 PEF 60100 颚式破碎机破碎至粒度 5mm 以下，投入 500mmL
10、500mm 试验磨机粉磨 20 分钟后制得。经水洗预处理后的主要化学成分见表 1， 表 1 垃圾焚烧灰水洗预处理前后的主要化学成分化学组分 烧失量CaO SO3 SiO2 Al2O3 Fe2O3 Na2O K2O MgO Cl-水洗前水洗后22.018.423.239.112.04.324.519.47.47.04.02.34.01.04.00.22.73.010.00.47预处理焚烧飞灰的围观形貌如图 1 所示，从形态特征上可概括为球形体（a，b） 、不规则聚合体(c,d) 、絮状体(e) 以及棒状(f)。图 1.不同形状飞灰颗粒 SEM 图像表 2 是本发明中所用的水洗预处理垃圾焚烧飞灰的
11、颗粒粒径分布表 2 两种预处理飞灰的粒度分布粒径/um 3.674 5.800 11.65 29.22 54.16百分比（水洗飞灰）/% 10 25 50 75 90从中可以看出粉磨后的飞灰颗粒微细，粒度分布均匀，颗粒粒径大部分集中在 3-55um 之间；水洗飞灰粒径在 30um 以下的颗粒占了 75%。说明书 第 4/7 页表 3 为本发明所使用的水洗预处理垃圾焚烧飞灰的比表面积和 80um 的筛余量。表 3 水洗预处理焚烧飞灰细度比表/(m 2Kg-1) 80um 筛余量/%水洗飞灰 569 38.4表 4 是垃圾焚烧飞灰水洗预处理前后以及使用的粉煤灰的重金属含量对比。表 4 水洗后焚烧飞
12、灰、粉煤灰重金属含量 /(mg/kg) Zn Pb Cr Cd Cu Ni水洗焚烧飞灰 859 347 68 20 173 21粉煤灰 520 16 31 0.68 25 28在利用水洗预处理焚烧飞灰提高混凝土抗冻性能时，应注意以下几个方面：一、应使混凝土的各项基本性能满足工程条件；二、确保焚烧飞灰中的有害重金属元素的浸出率符合国家标准。由于混凝土的主要水化产物为 C-S-H 凝胶，所以当使用水泥对垃圾焚烧飞灰进行固化时，焚烧飞灰中的一些重金属在水泥水化过程中，会同硅酸盐形成含钙的盐类或者取代 Ca2+进入 C-S-H 凝胶中被禁锢，降低其在水相中的迁移率，使得重金属浸出毒性大大降低。为了观察
13、水泥基材料对焚烧飞灰中的重金属元素的固化能力，将预处理垃圾焚烧飞灰分别按水泥质量 10%、20% 、30% 、40% 的掺比制成水泥净浆试块（记作 Bx，x 为掺量）养护 28 后破碎磨细，参照 HJ 557-2010固体废物浸出毒性浸出方法 水平振荡法提取重金属浸出液，利用 ICP-AES 分析浸出液中重金属Cr、Cd 、Hg 、As、Pb 、Ni 、Cu 、Zn 的浓度，将试块破碎磨细，参照 HJ 557-2010固体废物浸出毒性浸出方法 水平振荡法 提取重金属浸出液测定重金属浓度（记作 Bx-I100）水胶比为 0.5，表 5 是水泥基材料在常温下以及冻融后对重金属离子的固化效果，表 5
14、 常温下掺水洗预处理焚烧飞灰后水泥净浆重金属浸出浓度/(mg/L)项目 Cr Cd Hg As Pb Ni Cu Zn单位 mg/LB10 0.019 0.0006 0.0002 0.005 0.029 0.0003 0.036 0.186说明书 第 5/7 页B20 0.024 0.0005 0.0002 0.009 0.031 0.0003 0.020 0.155B30 0.038 0.0003 0.0002 0.008 0.047 0.0003 0.019 0.144B40 0.038 0.0004 0.0002 0.009 0.073 0.0003 0.015 0.102限值 # 15
15、 1 - 5 5 5 100 100#：参考 GB 5085.3-2007危险废物鉴别标准 浸出毒性鉴别从上表可知，水泥基材料对焚烧飞灰中的重金属固化能力都十分优秀，符合国家相关的浸出规定，在水泥基材料中掺入一定量的焚烧飞灰安全可靠。在掺入粉煤灰后，由于其填充效应以及与水泥水化过程中产生的 Ca(OH)2发生火山灰反应，产生了更多的 C-S-H 凝胶并促使混凝土内部孔结构更加密实，从而进一步提高了混凝土对重金属元素的固化能力。本发明提出的利用水洗预处理焚烧飞灰提高混凝土抗冻融能力的具体配合比见表 6，掺加的焚烧飞灰的量以水泥的质量为基准。表 6 掺预处理水洗焚烧飞灰抗冻融混凝土配合比每立方米混
16、凝土用料量 /编号粉煤灰 水泥 焚烧飞灰 中砂 石 水 减水剂D0 54 326 0 774 1026 170 2.21D5 54 309.7 16.3 774 1026 170 2.21D10 54 293.4 32.6 774 1026 170 2.21D15 54 277.1 48.9 774 1026 170 2.21其主要性能如表 7、表 8 所述，表 7 抗冻融混凝土坍落度及坍落度保留值 /mm试样 D0 D5 D10 D15坍落度 210 205 195 1751h 后坍落度 85 80 70 45表 8 抗冻混凝土抗压强度/MPa抗压强度编号3d 7d 28d 90dD0 23
17、.1 30.7 38.6 50.0D5 23.9 31.1 36.1 49.9说明书 第 6/7 页D10 24.7 31.7 41.8 45.3D15 23.0 31.4 37.3 46.2从以上数据可以看出，本发明所提出的抗冻混凝土具有良好的各项基本性能，并且能在一定程度上提高混凝土的早期强度。该混凝土的抗冻融实验按照GB/T 50082-2009 中的“快冻法”进行测定，该标准规定试件达到破坏和终止试验的标准为： 已达到 300 次循环，便可终止试验； 相对动弹性模量降到 60%以下或质量损失率达 5%，即表明试件已被冻坏。冻融试验结果见表 9 和表 10，表 9 混凝土抗冻性能（质量损
18、失率）测试结果质量损失率(%)冻融循环次数编号焚烧飞灰掺量(%)50 100 150 200 250 300D0 0 0 0 0.1 0.2 0.5 0.7D5 5 0 0.1 0.1 0.2 0.3 0.5D10 10 0 0.1 0.1 0.2 0.3 0.4D15 15 0 0 0.1 0.3 0.5 0.6表 10 混凝土抗冻性能（相对动弹模量）测试结果相对动弹性模量(%)冻融循环次数编号焚烧飞灰掺量(%)50 100 150 200 250 300D0 0 99.3 98.7 89.3 83.0 77.6 69.8D5 5 98.9 96.0 91.5 88.6 84.4 78.3D
19、10 10 99.9 99.0 93.0 89.6 85.6 79.2D15 15 99.6 98.6 91.5 85.8 81.4 75.2从上述数据可知，在掺入一定量的水洗预处理焚烧飞灰后混凝土的抗冻性能相较于基准组都有较大程度的提高，可见本发明中提出的利用水洗预处理焚烧飞灰来提高混凝土的抗冻性能是十分有效的，但是由于抗冻融混凝土特殊服役说明书 第 7/7 页环境的影响，当试样经受冻融后水化硅酸钙凝胶对重金属的吸附能力可能会减弱从而增加重金属浸出的风险，所以必须保证水泥及材料在受冻融的情况下仍能保证良好的金属固化能力。表 11 为水泥净浆在受到冻融循环 100 次破坏后其内部重金属元素的浸
20、出含量，表 11 冻融后掺预处理飞灰水泥净浆重金属浸出浓度/(mg/L)项目 Cr Cd Hg As Pb Ni Cu Zn单位 mg/LB10- I100 0.0012 0.0003 0.00005 0.003 0.003 0.003 0.0015 0.002B20- I100 0.018 0.002 0.00005 0.004 0.020 0.0003 0.019 0.018B30- I100 0.022 0.0009 0.00005 0.006 0.044 0.0003 0.025 0.017B40- I100 0.020 0.0003 0.00005 0.007 0.064 0.000
21、3 0.021 0.020限值 # 15 1 - 5 5 5 100 100#：参考 GB 5085.3-2007危险废物鉴别标准 浸出毒性鉴别由表 11 可以得出，掺入预处理水洗焚烧飞灰混凝土经过 100 次冻融循环后，其对飞灰中的重金属元素的固化能力保持良好，浸出浓度仍远低于国家标准。从以上数据可以看出在掺入一定量的垃圾焚烧飞灰之后能够有效提高混凝土的抗冻融性能，其质量损失率和相对动弹模量的测试结果均优于不掺焚烧飞灰的试组，同时在冻融后水泥及材料对垃圾焚烧飞灰中的重金属元素仍能保证良好的固化效果。因此本发明中提出的利用水洗预处理垃圾焚烧飞灰提高混凝土的抗冻性能的方法安全、有效，具有良好的实用性和经济性。
