梯度分级利用垃圾焚烧底灰制备的零熟料超高性能混凝土及其制备方法与流程

本发明属于固废资源化利用，特别是涉及一种梯度分级利用垃圾焚烧底灰制备的零熟料超高性能混凝土及其制备方法。

背景技术：

1、垃圾焚烧发电技术可实现对城市生活垃圾的大规模减量化、资源化处理处置，目前已在全世界范围内得到广泛应用。垃圾焚烧灰是垃圾焚烧发电后产生的副产物，约占所焚烧生活垃圾质量的20％～30％，其中垃圾焚烧底灰约占垃圾焚烧灰总量的80％。垃圾焚烧底灰在我国属于一般工业固体废物，可进行填埋处置。但随着我国工业化和城市化进程加快、城市生活垃圾焚烧处理量增长，垃圾焚烧底灰的产生量正逐年攀升且堆存量巨大。一味地对垃圾焚烧底灰进行填埋处置势必会占用大量土地资源，并对填埋场周边环境及地下水产生二次污染风险。由于垃圾焚烧底灰基本化学组成为cao、sio2、al2o3和fe2o3，具有建材化利用的潜力。目前国内外已有垃圾焚烧底灰制备水泥混凝土材料、路基材料、免烧结砖等的建材化利用实例，但是对于垃圾焚烧底灰的综合利用率以及产品附加值仍普遍较低。因此亟待开发新型高性能建筑材料及其制备工艺以实现垃圾焚烧底灰的大规模消纳和高附加值资源化综合利用。

2、超高性能混凝土(以下简称uhpc)作为新一代混凝土技术，是由水泥、掺合料、骨料、纤维、外加剂、水等原材料制成的具有高韧性、结构可靠性、耐久性和超高强度的新型水泥基复合材料。其核心设计理论是通过改善水泥石基体微结构和水泥石与骨料间的界面结构来获得超高性能，具体包括：限制骨料最大粒径来提高uhpc基体均匀性，以减少内部缺陷；优化颗粒级配来提高uhpc的堆积密度；掺加硅灰等超细活性矿物掺合料发挥其微集料效应和火山灰效应，从而降低基体孔隙率、提高密实度；引入钢纤维或其他种类纤维来提升uhpc韧性。上述因素也使得uhpc的力学性能和耐久性远优于传统混凝土，在现代化工程领域具有巨大的应用潜力和广阔的应用前景。但与此同时，由于uhpc在制备过程中大量使用高标号硅酸盐水泥、硅灰、细石英砂、高性能减水剂等原材料，使其不可避免的存在高成本、高能耗、高碳排放的问题。若考虑将垃圾焚烧底灰作为原材料制备uhpc，可在有效降低uhpc的制备成本和综合碳排放同时，实现垃圾焚烧底灰的大规模消纳和高附加值资源化利用，形成巨大经济与环境效益。

3、但由于垃圾焚烧底灰火山灰活性低、胶凝性差，普通硅酸盐水泥基uhpc的水化环境难以激发垃圾焚烧底灰的火山灰活性。因此若将垃圾焚烧底灰作为掺合料掺入普通硅酸盐水泥基uhpc势必会对uhpc的力学性能和耐久性产生严重不利影响。

技术实现思路

1、本发明为解决现有技术存在的问题，提供了一种梯度分级利用垃圾焚烧底灰制备的零熟料超高性能混凝土及其制备方法，本发明以垃圾焚烧底灰协同矿粉和硅灰为前体的碱激发材料作为基体胶凝材料来制备低碳uhpc，一方面可以为垃圾焚烧底灰提供匹配的碱性激发环境，从而充分激发垃圾焚烧底灰的反应活性，增强基体力学性能；另一方面可以协同利用多种工业固废制备零水泥熟料uhpc，大大降低uhpc的生产成本、能耗及碳排放。

2、本发明是这样实现的，一种梯度分级利用垃圾焚烧底灰制备的零熟料超高性能混凝土，包括如下重量份的原料：垃圾焚烧底灰660-700份；矿粉460-500份；硅灰35-45份；细石英砂380-420份；激发剂370-380份；改性剂15-17份；钢纤维110-130份。

3、在上述技术方案中，优选的，所述垃圾焚烧底灰由城市生活垃圾焚烧底灰原灰依次经过磨细、分级分选成不同粒度，再将不同粒度垃圾焚烧底灰充分混合均化得到，包括如下粒度和重量份的垃圾焚烧底灰：8μm以下的垃圾焚烧底灰35-45份；8-40μm的垃圾焚烧底灰75-85份；40-150μm的垃圾焚烧底灰150-170份；150-500μm的垃圾焚烧底灰380-420份。

4、在上述技术方案中，优选的，所述矿粉为粒化高炉矿渣经磨细至40μm以下得到。

5、在上述技术方案中，优选的，所述硅灰中sio2含量大于95％，粒度在8μm以下。

6、在上述技术方案中，优选的，所述细石英砂粒度为150-500μm。

7、在上述技术方案中，优选的，所述激发剂包括如下重量份原材料：含量≥90％的工业级氢氧化钠38-43份；模数范围在3.41-3.60的水玻璃230-235份；水95-105份。

8、在上述技术方案中，优选的，所述改性剂包括如下重量份原材料：含量≥98％的工业级葡萄糖酸钠3-5份；含量≥95％的生石灰粉10-14份。

9、在上述技术方案中，优选的，所述钢纤维，长度为10mm，直径为0.12mm。

10、上述梯度分级利用垃圾焚烧底灰制备零熟料超高性能混凝土的制备方法，包括如下制备步骤：

11、步骤一：按照配方量分别称取不同颗粒粒度垃圾焚烧底灰、矿粉、硅灰、细石英砂、激发剂、改性剂和钢纤维；

12、步骤二：将称取好的垃圾焚烧底灰、矿粉、硅灰、细石英砂和改性剂倒入行星式砂浆搅拌机中，搅拌2～3分钟使其混合均匀；

13、步骤三：将激发剂倒入步骤二得到的混合物中，继续搅拌3～5分钟；

14、步骤四：将钢纤维倒入步骤三得到的混合物中，继续搅拌2～3分钟，经浇注成型和养护，得到梯度分级利用垃圾焚烧底灰制备的零熟料超高性能混凝土。

15、在上述技术方案中，优选的，所述激发剂的配制过程：按照配方量分别称取氢氧化钠、水玻璃和水，将氢氧化钠溶解于水中并充分搅拌后与水玻璃混合，充分混合后密封静置，冷却至室温，得到激发剂。

16、本发明具有的优点和积极效果是：

17、(1)由于垃圾焚烧底灰颗粒粒度分布宽、胶凝活性差，本发明在利用垃圾焚烧底灰制备零熟料uhpc时创新性的利用分级分选技术，将宽粒径分布的垃圾焚烧底灰先粒度分级再重新进行颗粒粒度匹配优化：以150-500μm的粗粒级垃圾焚烧底灰作为uhpc骨料，用来部分替代细石英砂；以40-150μm的垃圾焚烧底灰作为uhpc胶凝材料中的惰性填充料；以8-40μm的垃圾焚烧底灰作为uhpc胶凝材料中的胶凝反应料，用来部分替代矿粉；以8μm以下的细粒级垃圾焚烧底灰作为uhpc胶凝材料中的活性细填充料，用来部分替代硅灰。使得一方面可将垃圾焚烧底灰由宽粒度变窄粒度，从而充分发挥各个粒度垃圾焚烧底灰的充填/胶凝理化特性，降低uhpc中细石英砂、矿粉和硅灰的用量，大幅减少uhpc制备成本；另一方面通过不同颗粒粒级垃圾焚烧底灰的颗粒粒度匹配优化，达到最紧密堆积效果，在零熟料使用的前提下保证uhpc力学性能，实现uhpc的低碳化制备和垃圾焚烧底灰的高附加值利用。

18、(2)由于零熟料uhpc中所用碱激发胶凝材料凝结时间短、干燥收缩大，本发明在利用垃圾焚烧底灰制备零熟料uhpc时创新性的引入了葡萄糖酸钠和生石灰粉作为改性剂：利用葡萄糖酸钠在胶凝材料离子环境中所发挥的吸附-络合效应，抑制胶凝材料早期的碱-硅铝酸盐反应，从而延长零熟料uhpc的凝结时间，改善其施工性；引入生石灰粉补充胶凝材料反应体系的钙含量，诱导胶凝体系反应产物由n-a-s-h凝胶向c-a-s-h凝胶转化，增强产物空间填充性，从而降低零熟料uhpc干燥收缩，改善其长期性能。

19、(3)本发明中梯度分级利用垃圾焚烧底灰制备的零熟料uhpc，在标准养护条件下，3d抗压强度达到92～96mpa，抗折强度达到13～15mpa；7d抗压强度达到122～128mpa，抗折强度达到17～22mpa；28d抗压强度达到155～165mpa，抗折强度达到24～30mpa。早期及后期强度均达到uhpc力学性能要求。

20、(4)本发明中梯度分级利用垃圾焚烧底灰制备的零熟料uhpc，协同利用了垃圾焚烧底灰、矿粉和硅灰等工业固废，而未使用硅酸盐水泥作为uhpc胶凝材料的原材料，从而大幅降低了uhpc的制备成本和碳排放，具有极高的环境与经济效益。

21、(5)本发明中梯度分级利用垃圾焚烧底灰制备的零熟料uhpc，在保证了力学性能的基础上，垃圾焚烧底灰总掺量可达到55％以上，实现了垃圾焚烧底灰这一大宗工业固废的大掺量、高附加值应用。

22、(6)本发明中梯度分级利用垃圾焚烧底灰制备的零熟料uhpc，相比硅酸盐水泥基普通uhpc，干燥收缩减少31％以上，从而保证了uhpc的长期性能。