《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、標準制定的必要性

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)碳達峰實施方案》，

明確了水泥行業(yè)碳達峰主要目標，“十四五”期間產(chǎn)業(yè)結構調整需取得明顯進展，

行業(yè)節(jié)能低碳技術持續(xù)推廣，不斷降低產(chǎn)品單位能耗和碳排放強度，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)碳達峰。因此，開展我國建材行業(yè)碳達

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)結構調整和行業(yè)綠色低碳高質量發(fā)展具有重要意義。

地質膠凝聚合材料簡稱地聚物，是法國學者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)良力學性能的膠凝材料，其結構

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)絡結構，是近年來國際上

研究活躍的一種新型無機非金屬材料。地聚物優(yōu)良的結構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、道路建設等領域展現(xiàn)了良好的應用前景。地聚合物制備過程中不直

接釋放溫室氣體，被認為是21世紀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晶度

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

關鍵，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，因此從資源綜合利用和生態(tài)環(huán)境保護的角度出發(fā)，實現(xiàn)二次資源

在線循環(huán)和零排放尾渣的目標，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)濟效益。

二、標準編制原則及依據(jù)

1.按照GB/T1.1－2020《標準化工作導則第1部分：標準化文件的結構和起草

規(guī)則》要求進行編寫。

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

和可操作性。

三、項目背景及工作情況

（一）任務來源

根據(jù)《中國國際科技促進會標準化工作委員會團體標準管理辦法》的有關規(guī)

定，經(jīng)中國國際科技促進會標準化工作委員會及相關專家技術審核，批準《頁巖

提釩尾渣制造新型地聚合物膠凝材料》團體標準制定計劃，計劃編號為：

CI2023221。本標準由陜西五洲礦業(yè)股份有限公司、武漢科技大學提出，中國

國際科技促進會歸口。

根據(jù)計劃要求，本標準完成時限為6個月。

（二）標準起草單位

本標準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，負責

標準文檔起草及相關文件的編制，標準中重要技術點的研究和建議。

（三）標準研制過程及相關工作計劃

1．前期準備工作

項目立項前，標準編制小組查閱、研讀相關國內外文獻，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相關的材料。同時，開展頁巖提釩

尾渣制造地聚合物膠凝材料相關技術的研究，與相關行業(yè)人員進行調研、交流，

廣泛征求標準制定方面的意見和建議。

2．標準起草過程

團體標準立項通知公示后，標準編制小組首先組織了標注制定工作會議，各

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

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

于202X年7月完成了標準初稿及編制說明的撰寫?作。

3．征求意見情況

202X年8月標準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)專家相關意見和建議。針對征集的意見，標準編制小組召開了研討會，將收

集到的意見進行匯總處理分析，在充分吸納合理意見的基礎上，先后修改和完成

標準內容，于202X年9月底根據(jù)在各單位反饋意見基礎上，形成了標準征求意

見稿并由中國國際科技促進會提交全國標準信息平臺公示。

（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行礦物相組成分析，結

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

學反應活性，能夠用于調整頁巖尾渣原料性質。偏高嶺土的主要化學成分組成如

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

料。采用XRD衍射儀對偏高嶺土進行礦物相組成分析，結果如圖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

了晶體結構的高嶺土，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

機械活化是一種通過對固體物質施加剪切、壓縮、延伸、彎曲、沖擊等作用，

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

間的化學反應。固體物質受到機械力作用初期發(fā)生脆性破壞，如顆粒的細化、裂

紋和比表面積的變化等。大量的新鮮表面形成，同時會伴隨晶粒細化、晶體缺陷

和結晶度的變化，這些變化造成固體物質表面活性增加。

前期機械活化的研究結果表明，當機械活化渣中的＜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。機械活化導致提釩尾渣顆粒粒度變小，比表面積增

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

的活性表面?，F(xiàn)有相關研究針對石英機械活化參與地聚物反應的機理進行了研究，

表明機械活化的石英不會在地聚反應中提供活性的單體硅氧四面體，因為，雖然

石英晶體的結晶度降低，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，從而增強了石英顆粒與地聚物凝膠之間的鍵合作用，形成同質體結構使

得地聚物抗壓性能增強。

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

在壓力設備下，通過擠壓將物料緊密壓實成型，適用于預制產(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入模具中，養(yǎng)護后硬化成型，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），結果表

明，地聚合物制備條件為：機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度能夠達到

58MPa；前期研究結果表明，頁巖尾渣和地聚物的浸出毒性測試指標低于《危險

廢物鑒別標準-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，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)濟效

益，最終實現(xiàn)科技成果轉化成經(jīng)濟效益，為企業(yè)的硅鋁基固廢高值化利用和擴大

產(chǎn)能打下堅實基礎，形成新的經(jīng)濟增長點。

四、標準制定的基本原則

標準編制過程中，遵循了以下基本原則：

1)標準需要具有行業(yè)特點，指標及其對應的分析方法要積極參照采用國家

標準和行業(yè)標準。

2)標準能夠體現(xiàn)出產(chǎn)品的具有關鍵共性的技術要素。

3)標準能夠為產(chǎn)品的開發(fā)、改進指出明確的方向。

4)標準需要具有科學性、先進性和可操作性。

5)要能夠結合行業(yè)實際情況和產(chǎn)品特點。

6)與相關標準法規(guī)協(xié)調一致。

7)促進行業(yè)健康發(fā)展與技術進步。

五、標準主要內容

本標準規(guī)定了以頁巖提釩尾渣制造新型地聚合物膠凝材料的術語和定義、組

分與材料、技術要求、試驗方法、檢驗規(guī)則、包裝、標識、運輸和貯存等。

本標準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，

無機結合料穩(wěn)定材料、地下填充材料等其應用領域使用本膠凝材料可參照執(zhí)行。

本文件為技術文件，不涉及管理要求。

六、與有關法律法規(guī)和強制性標準的關系

遵守和符合相關法律法規(guī)和強制性標準要求。下列文件中的內容通過文中的

規(guī)范性引用而構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水泥化學分析方法

GB/T203用于水泥中的粒化高爐礦渣

GB/T18736高強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水泥標準稠度用水量、凝結時間、安定性檢驗方法

GB/T2419水泥膠砂流動度測定方法

GB5085.3危險廢物鑒別標準、浸出毒性鑒別

GB5086.1固體廢物、浸出毒性浸出方法（翻轉法）

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)和結果

本標準起草過程中沒有重大分