1.徐州一中综合实践活动（研究性学习）课题实施方案申报表

2.徐州一中综合实践活动（研究性学习）记录表

注：1、由课题组长指派专人负责填写，备追踪课题研究过程时使用。

   2、本表一式三份，交由年级处、指导教师、课题组长存档。

3.徐州一中综合实践活动（研究性学习）课题研究成果报告

4. 城市垃圾焚烧底灰的资源化利用—基于城市垃圾焚烧底灰的碱激发胶凝材料的制备研究

徐州市第一中学高一14班   王思涵

【摘要】

本研究以城市垃圾焚烧底灰为主要原料，结合粒化高炉矿渣，采用碱激发技术制备地聚物胶凝材料，探索其资源化利用的可行性与优化配比。通过正交试验设计，考察了矿渣占比、碱激发剂模数、碱激发剂掺量及水灰比对材料抗压强度和初凝时间的影响。结果表明，矿渣占比增加有助于提高抗压强度并缩短初凝时间；碱激发剂模数和掺量对强度影响呈先升后降趋势，水灰比则显著影响凝结时间。在矿渣占比70%、碱激发剂模数1.6、掺量18%、水灰比0.4的条件下，制备的胶凝材料抗压强度达35.58 MPa，初凝时间小于1小时，表现出良好的速凝高强性能。本研究为城市垃圾焚烧底灰的高值化利用提供了可行路径，也为低碳胶凝材料的开发提供了参考依据。

【关键词】城市垃圾焚烧底灰；碱激发；地聚物；胶凝材料

一、研究背景

随着我国城市化进程的加快和人口的增长，城市垃圾的产生量逐年增加。中国是全球最大的城市垃圾产生国之一，据统计，2022年城市垃圾年产生量超过 2.5亿吨，因此，如何处理城市生活垃圾成为社会广泛关注的问题。目前，城市垃圾的处理技术包括填埋、焚烧、回收利用等。其中，焚烧技术因其具有能够减少体积和重量以及解毒和回收能源的好处，通常被认为是减轻环境影响的最佳和最有前途的战略之一。然而，垃圾焚烧后产生了大量的固体焚烧渣，其中底灰占总量的80%~90%，因此，城市生活垃圾焚烧底灰的资源化利用已成为目前固体废弃物资源化利用的主要研究对象之一。

普通硅酸盐水泥是当前全球应用最广泛、用量最大的胶凝材料。自1824年波特兰水泥被发明以来，历经近两百年的持续发展，其熟料煅烧工艺、水化机理认知及工程应用体系均已高度成熟，构成了现代土木基础设施建设的核心物质基础。伴随我国国民经济持续增长与新型城镇化纵深推进，城市建成区面积稳步扩张、基础设施更新迭代加速，对水泥等胶凝材料的总量需求与性能要求同步提升。然而，水泥生产过程中大量排放二氧化碳，不符合“碳达峰、碳中和”的战略发展需求，亟需解决其低碳排放的问题。

以固体废弃物为原料制备的地聚物胶凝材料，具备优异的早期强度发展特性、良好的力学性能、突出的耐久性，以及显著低于传统水泥的碳排放强度，已被视为硅酸盐水泥最具潜力的低碳替代胶凝体系。城市垃圾焚烧底灰富含活性SiO₂、Al₂O₃组分，并含有适量CaO、Fe₂O₃及碱金属氧化物（如Na₂O、K₂O），其化学组成与矿物结构特征满足地聚物前驱体的基本要求。如果能将城市垃圾焚烧底灰制备成地聚物胶凝材料，既可以实现城市垃圾焚烧底灰的资源化利用，又可以提供一种可替代水泥的低碳胶凝材料。因此，小组成员开展了以垃圾焚烧底灰为原料的地聚物胶凝材料的制备研究，以胶凝材料的抗压强度和初凝时间为优化指标，以期获得基于垃圾焚烧底灰的地聚物胶凝材料配方。

二、实验材料

实验使用的实验原料及主要试剂如表1所示。所使用的垃圾焚烧底灰为200目，矿渣为500目。

表1 实验材料

实验使用的主要仪器如表2所示。

表2 实验主要仪器

三、研究过程

垃圾焚烧底灰作为一种以硅铝酸盐为主要成分的材料，其地质聚合反应一般分为三步：（1）Si、Al活性单体通过碱的激活作用从底灰中析出；（2）硅氧四面体与铝氧四面体构成低聚物；（3）低聚物进一步缩聚重排以获得聚合物。

制备地聚物材料的水灰比一般控制在0.3～0.5，本课题实验选定材料的水灰比为0.5。实验选用钠水玻璃和氢氧化钠作为激发剂，其中氢氧化钠的作用为调节水玻璃模数和碱性环境。通过调研文献发现，一般采用水玻璃碱激发前体材料时，为达到最佳力学性能，水玻璃的模数可选择为1.2～2.0，掺量可选择为10～20% wt%，因此，实验选择的碱激发剂模数和掺量分别为1.2和20 wt%。

由于城市生活垃圾焚烧底灰中游离CaO含量普遍偏低（通常<2 wt%），且玻璃相中Ca²⁺溶出能力有限，导致其单独碱激发时难以形成足量钙硅铝凝胶，抗压强度往往较低，难以满足通用建筑结构材料的力学要求。为此，本课题研究采用高钙矿渣（CaO含量≥35 wt%）与底灰复配作为复合前驱体：矿渣不仅可提供充足活性Ca²⁺参与凝胶网络构建，还可通过Ca²⁺对硅铝酸盐网络的解聚–重排作用，协同提升底灰中Si/Al组分的反应活性，从而在保障材料低碳属性的同时，实现抗压强度的显著提升。

实验时首先称取适量水玻璃、氢氧化钠和水，配制成碱激发剂备用；按比例准确称取适量垃圾焚烧底灰和矿渣置于搅拌机并搅拌均匀，加入事先配制好的碱激发剂，搅拌2 min。待搅拌完成后，将浆液注入ABS水泥模具中，置于混凝土标准养护箱中，温度为20±1 ℃，湿度≥95%，养护1 d后脱模制得40 mm×40 mm×40 mm标准试块，并在室温下继续养护至7天，使用压力试验机（如图1）测试其抗压强度，抗压强度测试采用位移控，液压试验台的上升速度为2 mm/min、上升最大高度为20 mm，测得试块最大抗压强度。

图1 微机控制电液式压力试验机

实验以抗压强度为指标，通过L₁₆（4⁴）正交设计优选垃圾焚烧底灰-矿渣基胶凝材料的配方，其4因素和4水平如表3所示。根据正交表确定的每组各因素水平，准确称取各组材料，并按照上述实验方法制得标准试块并测试抗压强度，每组均制备3个试块用于测试，取平均值。

各组材料的初凝时间测定方法如下：胶凝材料浆液的制备如上，将浆液倒入维卡仪试模中并放入混凝土标准养护箱中，养护箱内温度为20±1℃，湿度≥95%。按照GB/T 1346-2011《水泥标准稠度用水量、凝结时间、安定性检验方法》使用维卡仪（如图2）测得材料初凝时间。

表3 正交试验设计表头

图2 维卡仪测试材料凝结时间

四、结果与分析

1. 各因素对材料力学性能的影响分析

实验结果如图3所示。

图3 各因素对抗压强度影响

(a: 矿渣占比，b: 碱激发剂模数，c: 碱激发剂掺量，d: 水灰比)

从图3a中可以看出，当矿渣占比从40 wt %增加到50 wt %时，垃圾焚烧底灰-矿渣基胶凝材料的抗压强度 急剧增大，此后，随着矿渣占比进一步增加，胶凝材料的抗压强度缓慢增加。

从图3b可以看出，垃圾焚烧底灰-矿渣基胶凝材料的抗压强度随碱激发剂模数的增加先上升后降低。当模数从1.2增加至1.6时，垃圾焚烧底灰-矿渣基胶凝材料的抗压强度增加，这是由于体系中的可溶性硅酸盐增多而导致的；而当模数继续增加到2.4时，胶凝材料的力学性能出现了下降，这是因为进一步提高碱激发剂模数降低了反应体系中NaOH的浓度，而NaOH浓度的降低减慢了底灰中硅铝活性单体的溶出速度，削弱了反应体系中低聚物的缩聚进程，进而直接影响了地质聚合物材料的强度发展，因此，当模数过大时，胶凝材料的力学强度出现了下降的现象。

从图3c可以看出，随着碱激发剂掺量的增加，垃圾焚烧底灰-矿渣基胶凝材料的抗压强度也出现了先上升后下降的趋势。这种影响与碱激发剂的模数对胶凝材料抗压强度的影响类似，碱激发剂掺量的增加意味着可溶性硅酸盐和OH^-浓度的增加。当碱激发剂掺量从10 wt %增加到18 wt %时，反应体系中可溶性硅酸盐增多，同时，NaOH浓度的增加加快了硅铝活性单体的溶解速率，二者共同作用促进了地质聚合反应的进行，生成更多的铝硅酸凝胶，提高了力学性能。当掺量从18 wt %增加到22 wt %时，过高的NaOH浓度反而抑制前体水化从而降低地聚物的生成速度，过量的OH-也将导致铝硅酸盐凝胶过早析出，使抗压强度降低，同时过量的碱还会导致胶凝体碳酸化，部分碳酸盐的析出也会破坏地聚物结构，降低抗压强度。

从图3d可以看出，垃圾焚烧底灰-矿渣基胶凝材料的抗压强度随水灰比的提高先上升后下降。当水灰比从0.35增加到0.4时，材料的抗压强度有所提升，这可能是因为当水灰比较低时，浆液的和易性差，浆液的凝结速度快，大量活性物质未能充分反应。随着水的增多，碱激发剂与前体材料的混合更充分，浆液和易性增强，加快了硅铝活性单体的溶解速率，加剧了地质聚合物的反应程度；而当水灰比进一步增加时，水的增加导致反应体系中离子浓度的降低，从而减缓了地聚合反应，降低了抗压强度。

2. 各因素对材料初凝时间的影响分析

实验结果如图4所示。

图4 各因素对初凝时间影响

(a: 矿渣占比，b: 碱激发剂模数，c: 碱激发剂掺量，d: 水灰比)

从图4a可以看出，随着矿渣占比的增加，胶凝材料的初凝时间不断缩短。这可能是因为实验所使用的矿渣为S95级，目数约为500目，而使用的垃圾焚烧底灰则为200目。矿渣占比的提高导致了底灰整体粒径减小，而粒径对初凝时间的影响体现在非晶态材料的量和表面积的变化两方面。颗粒越小，非晶态材料越多，反应程度越大。此外，地质聚合物反应是一种基于溶解、水解和缩聚过程的反应，底灰颗粒越小，比表面积越大，与碱激发剂作用的底灰越多，因此硅铝活性单体溶解得越快，参与反应的物质越多，反应速度越快。

从图4b可以看出，胶凝材料的初凝时间随着碱激发剂模数的增加不断延长。这可能是因为溶解的OH^-破坏Si-O-Si键，导致其解离并形成各种小分子硅酸盐，加速铝硅酸盐凝胶的形成。因此，碱激发剂模数越高，凝结速度越慢。同时高模数的水玻璃溶液具有较大粘度，不利于反应体系中各碱金属阳离子的迁移，从而减慢反应速率，增加初凝时间。

从图4c可以看出，随着碱激发剂掺量的提高，胶凝材料的初凝时间出现了先下降后上升的趋势。当碱激发剂掺量由10 wt %增加到18 wt %时，材料的初凝时间缩短，这可能是因为碱激发剂掺量的增加导致浆液中溶出活性硅增多，并与铝酸盐缩聚成水化硅铝酸盐凝胶，同时，OH^-增多，也将大量破坏硅氧键，使其解聚，加速地质聚合物三维网络的构建。而当碱激发剂掺量由18 wt %上升到22 wt %时，反应体系中因碱含量过高，底灰中硅、铝活性单体溶出再缩聚的过程受到抑制，降低了地聚物的形成速率从而导致地质聚合物凝结时间延长。

从图4d可以看出，水灰比对初凝时间的影响最大。胶凝材料的初凝时间随着水灰比的提高不断延长。由地质聚合物反应原理可知，水作为反应时的介质对凝胶时间有较大影响。水灰比较低时，虽然有大量反应物质未充分反应，但已有部分底灰与激发剂充分作用并迅速反应，吸收水分子进入凝胶体系并硬化，导致地质聚合物材料出现速凝的现象；随着水的增多，虽然反应体系中碱激发剂与前体材料的混合更加充分，但也从客观上降低了活性单体的浓度，减缓了聚合反应速率，导致材料的初凝时间延长。

五、结论

根据矿渣占比、碱激发剂模数、碱激发剂掺量和水灰比各因素对垃圾焚烧底灰-矿渣基胶凝抗压强度及初凝时间的影响，综合选定垃圾焚烧底灰-矿渣基胶凝材料的最优配比为70 wt %的矿渣占比、1.6的碱激发剂模数、18 wt %的激发剂掺量和0.4的水灰比，在该配方条件下，垃圾焚烧底灰-矿渣基胶凝抗压强度为35.58 MPa，初凝时间<1 h，为一速凝、高抗压强度的胶凝材料，既实现了垃圾焚烧底灰的资源化利用，又提供了一种速凝高强型胶凝材料。

参考文献

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