工業(yè)固體廢棄物膠凝材料水化熱力學(xué)研究

1、工業(yè)固體廢棄物膠凝材料水化熱力學(xué)研究    2012-08-03     論文導(dǎo)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(yīng)形式,并通過(guò)收集文獻(xiàn)中的各物質(zhì)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(yīng)形式,并通過(guò)收集文獻(xiàn)中的各物質(zhì)的熱力學(xué)常數(shù)計(jì)算了相應(yīng)反應(yīng)的熱力學(xué)參數(shù),分析了工業(yè)固體廢棄物膠凝材料的水化過(guò)程的反應(yīng)推動(dòng)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(guó)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(dá)到15.4億噸,成為經(jīng)濟(jì)和社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。同時(shí)我國(guó)迅猛的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)需要大量的膠凝材料,大多數(shù)工業(yè)固體廢棄物的化學(xué)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(lǐng)域應(yīng)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(yīng)是其應(yīng)用的基礎(chǔ),其反應(yīng)熱力學(xué)決定了其反應(yīng)產(chǎn)物以及其膠凝性能。通過(guò)對(duì)工業(yè)固體廢棄物的化學(xué)特性的研究,將工業(yè)固體廢棄物分為6類,通過(guò)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(xué)的基本原理,計(jì)算了各種體系的膠凝材料的水化熱力學(xué)參數(shù),并對(duì)水化反應(yīng)過(guò)程中的產(chǎn)物進(jìn)行了分析,分析了各膠凝材料體系的水化活性、水化反應(yīng)、水化產(chǎn)物。工業(yè)固體廢棄物的特點(diǎn)和分類工業(yè)固體廢棄物的特點(diǎn)固體廢棄物是指在社會(huì)的生產(chǎn)、流通、消費(fèi)等一系列活動(dòng)中產(chǎn)生的一般

4、不再具有原使用價(jià)值而被丟棄的以固態(tài)賦存的物質(zhì)。工業(yè)固體廢棄物是指工業(yè)生產(chǎn)過(guò)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(dāng)?shù)奈锢韺W(xué)性質(zhì),又被稱為"放錯(cuò)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(xué)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(zhì):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(xué)組成、礦物特征

5、以及膠凝固結(jié)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(zhì)工業(yè)廢渣中的活性SiO2、活性Al2O3發(fā)生火山灰反應(yīng),是火山灰反應(yīng)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(yīng),是良好的"硫酸鹽型激發(fā)劑",和鈣鋁成分反應(yīng)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(shí)程度和補(bǔ)償收縮作用?；鹕交翌?化學(xué)成分的特點(diǎn)是含有較多的無(wú)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(yīng),產(chǎn)生一定的水硬性。火山灰類工業(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(xué)組成特點(diǎn)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(dú)存在時(shí)只能緩慢發(fā)生水硬反應(yīng),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(qiáng)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(diǎn)是具有較高的CaO含量,一般含有C3S、C2S、C3A等礦物,能單獨(dú)水化形成一定的水硬性,具有類似水泥熟料的性質(zhì),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(jié)晶形態(tài),沒(méi)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(jī)物和影響水泥水化的物質(zhì),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(jìn)行有效地組配,可以得到6個(gè)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(guò)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(guó)還很低。表2給出了石膏在水中的化學(xué)反應(yīng)以及反應(yīng)熱力學(xué)參數(shù)。無(wú)水石膏以及半水石膏向二水石膏的轉(zhuǎn)化過(guò)程中都伴隨自由焓的降低,也就是轉(zhuǎn)變?yōu)楦€(wěn)定的形態(tài),形成了強(qiáng)度。只要能消除工業(yè)廢石膏中有害雜質(zhì)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(yīng)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(lái)自氫氧化鈣的碳化反應(yīng),早期氫氧化鈣的晶化作用也對(duì)強(qiáng)度的形成有一定的作用,石灰的水化過(guò)程見(jiàn)表4。石灰水化速度快,水化熱較大,所以水化過(guò)程溫度上升很快,前期形成Ca(OH)2晶體,再經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的緩慢碳化反應(yīng),最后形成更為穩(wěn)定堅(jiān)硬的CaCO3膠凝物質(zhì),這些反應(yīng)都伴隨著明顯的自由焓降低,同時(shí)材料的強(qiáng)度和穩(wěn)定性也逐漸增長(zhǎng)。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(yīng)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(chǎng)都是由這類材