一种全固废协同免煅烧无熟料高效胶凝材料及其制备方法与流程

本发明涉及工业固体废弃物资源化利用，具体涉及一种全固废协同免煅烧无熟料高效胶凝材料及其制备方法。

背景技术：

1、水泥工业作为二氧化碳排放大户面临严峻的减排压力，此外，冶金、化工、电力等行业每年产生数十亿吨工业固体废弃物，大量堆存不仅占用土地资源，更对生态环境构成潜在威胁。在此背景下，利用工业固废制备全固废无熟料胶凝材料已成为建筑材料领域的重要研究方向，该技术路线既可消纳大宗固废，又能从源头削减水泥生产的碳排放，具有显著的环境效益和经济效益。

2、近年来，研究者围绕全固废胶凝材料开展了大量工作，已形成若干具有代表性的技术方案。例如，已有专利技术采用碱渣、钢渣、赤泥、废石膏、生物质灰和矿渣构成全固废无熟料胶凝材料体系，明确提出无需化学激发剂和高温煅烧即可实现胶凝性能；另有方案以赤泥、电石渣、镍尾矿、脱硫石膏和活性物质为原料构建全固废自激发体系。而上述方案的基本技术逻辑均是“多种固废按比例混合+加水拌合+养护成型”，通过不同固废之间的协同化学作用产生胶凝反应驱动力。

3、现有研究也已认识到碱性固废在激发硅铝活性固废中的关键作用，以及硫酸盐固废参与生成钙矾石的辅助胶凝功能，形成了所谓的“碱-硫酸盐双重激发”理论框架。

4、然而，现有技术的不足之处在于：所有固废组分基本同时加入、同步参与反应。 这一“一步混合”工艺忽视了不同固废在反应动力学上的本质差异——碱性固废的碱释放具有“爆发-衰减”特征，硅铝活性固废的解聚-缩聚需要持续碱环境驱动，而硫酸盐固废的介入时机则直接影响钙矾石的生成效率与填充效果。当所有固废同时混合加水后，早期碱度往往集中爆发，导致c-(a)-s-h凝胶快速生成并在未反应颗粒表面形成致密包裹层，反而阻碍了颗粒内部硅铝组分的持续溶出；与此同时，硫酸盐过早参与反应，在c-(a)-s-h骨架尚未充分构建的条件下生成钙矾石，不仅未能有效填充后期孔隙，反而因无序结晶引发体积膨胀和局部应力集中。其结果是：体系早期反应过猛而后期反应驱动力断崖式下降，胶凝材料后期强度增长乏力，微观结构致密化程度受限。

5、对此，本申请提出一种全固废协同免煅烧无熟料高效胶凝材料及其制备方法，用以解决上述问题。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种全固废协同免煅烧无熟料高效胶凝材料及其制备方法，以解决现有技术中体系早期反应过猛而后期反应驱动力断崖式下降，胶凝材料后期强度增长乏力，微观结构致密化程度受限的问题。

2、为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

3、一方面，本申请提供了一种全固废协同免煅烧无熟料高效胶凝材料，所述胶凝材料由碱性固废组分、硅铝活性固废组分和硫酸盐固废组分构成；

4、所述碱性固废组分包括快速释碱组分和慢速释碱组分，快速释碱组分的碱释放速率高于慢速释碱组分；

5、所述碱性固废组分、硅铝活性固废组分和硫酸盐固废组分具有不同的粒径分布和/或比表面积，以实现反应时序的差异化调控。

6、进一步地，所述快速释碱组分选自电石渣、碱渣中的至少一种；

7、所述慢速释碱组分选自钢渣、赤泥中的至少一种；

8、所述硅铝活性固废组分选自矿渣、粉煤灰中的至少一种；

9、所述硫酸盐固废组分选自磷石膏、脱硫石膏、氟石膏中的至少一种。

10、另一方面，本申请还提供了一种全固废协同免煅烧无熟料高效胶凝材料的制备方法，包括以下步骤：

11、s1：分别对碱性固废、硅铝活性固废和硫酸盐固废进行粉磨，控制三类固废具有不同的粒径和/或比表面积，使快速释碱组分的比表面积大于慢速释碱组分的比表面积；

12、s2：将快速释碱碱性固废与第一部分硅铝活性固废混合并加水拌合，使快速释碱组分优先水化释放oh-和ca2+，在硅铝活性固废颗粒表面形成初始激发层，促使玻璃态硅铝结构开始解聚；

13、s3：当早期碱性组分消耗、反应进入平台期后，加入慢速释碱碱性固废，使其在初始反应体系内部继续释放ca2+和oh-，维持体系的持续激发状态，同时第二部分硅铝活性固废释放si、al，与ca2+反应形成c-(a)-s-h胶凝相；

14、s4：在c-(a)-s-h胶凝相初步形成后，加入硫酸盐固废，使其与体系中的ca2+和al3+反应生成钙矾石aft等后期产物，填充早期形成的孔隙；

15、s5：通过低水量成型，使不同固废颗粒之间形成连续的反应界面，经养护后得到无熟料胶凝材料。

16、进一步地，步骤s1中，所述快速释碱碱性固废的比表面积控制为450～650 m2/kg，所述慢速释碱碱性固废的比表面积控制为300～450 m2/kg，所述硅铝活性固废的比表面积控制为400～600 m2/kg，所述硫酸盐固废的比表面积控制为350～500 m2/kg。

17、进一步地，步骤s2中，所述快速释碱碱性固废与第一部分硅铝活性固废的质量比为0.5～1.5:2～4，加水拌合的水灰比为0.30～0.50，拌合时间为2～10 min。

18、进一步地，步骤s3中，所述慢速释碱碱性固废与第二部分硅铝活性固废同时加入，或慢速释碱碱性固废先于第二部分硅铝活性固废加入；加入时机为步骤s2拌合完成后5～30 min。

19、进一步地，步骤s4中，所述硫酸盐固废的加入时机为步骤s3拌合完成后10～60min。

20、进一步地，所述快速释碱碱性固废、慢速释碱碱性固废、硅铝活性固废和硫酸盐固废的质量百分比分别为：

21、快速释碱碱性固废5%～20%、慢速释碱碱性固废10%～30%、硅铝活性固废30%～60%、硫酸盐固废5%～20%。

22、进一步地，步骤s5中，所述低水量成型的水灰比为0.25～0.45；

23、养护条件为标准养护（温度20±3℃，相对湿度≥90%）或加速养护（温度40～80℃）。

24、进一步地，所述快速释碱碱性固废选自电石渣、碱渣中的至少一种；

25、所述慢速释碱碱性固废选自钢渣、赤泥中的至少一种；

26、所述硅铝活性固废选自矿渣、粉煤灰中的至少一种；

27、所述硫酸盐固废选自磷石膏、脱硫石膏、氟石膏中的至少一种。

28、与现有技术相比，本发明提供的一种全固废协同免煅烧无熟料高效胶凝材料及其制备方法，通过将碱性固废明确区分为快速释碱组分和慢速释碱组分，并结合硫酸盐固废的后期介入，使胶凝体系形成“前期快速激发引发解聚—中期持续供碱维持缩聚—后期硫酸盐重构填充致密”的连续反应链。该机制有效规避了传统全固废体系因早期碱度集中爆发导致颗粒表面钝化、后期反应驱动力断崖式下降的技术缺陷，实现了免煅烧、无外加化学激发剂条件下胶凝反应从起始到终凝的全周期自主持续演进。

1.一种全固废协同免煅烧无熟料高效胶凝材料，其特征在于，所述胶凝材料由碱性固废组分、硅铝活性固废组分和硫酸盐固废组分构成；

2.根据权利要求1所述的一种全固废协同免煅烧无熟料高效胶凝材料，其特征在于，所述快速释碱组分选自电石渣、碱渣中的至少一种；

3.根据权利要求1-2任一项所述的一种全固废协同免煅烧无熟料高效胶凝材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

4.根据权利要求3所述的一种全固废协同免煅烧无熟料高效胶凝材料的制备方法，其特征在于，步骤s1中，所述快速释碱碱性固废的比表面积控制为450～650 m2/kg，所述慢速释碱碱性固废的比表面积控制为300～450 m2/kg，所述硅铝活性固废的比表面积控制为400～600 m2/kg，所述硫酸盐固废的比表面积控制为350～500 m2/kg。

5.根据权利要求3所述的一种全固废协同免煅烧无熟料高效胶凝材料的制备方法，其特征在于，步骤s2中，所述快速释碱碱性固废与第一部分硅铝活性固废的质量比为0.5～1.5:2～4，加水拌合的水灰比为0.30～0.50，拌合时间为2～10 min。

6.根据权利要求3所述的一种全固废协同免煅烧无熟料高效胶凝材料的制备方法，其特征在于，步骤s3中，所述慢速释碱碱性固废与第二部分硅铝活性固废同时加入，或慢速释碱碱性固废先于第二部分硅铝活性固废加入；加入时机为步骤s2拌合完成后5～30 min。

7.根据权利要求3所述的一种全固废协同免煅烧无熟料高效胶凝材料的制备方法，其特征在于，步骤s4中，所述硫酸盐固废的加入时机为步骤s3拌合完成后10～60 min。

8.根据权利要求3所述的一种全固废协同免煅烧无熟料高效胶凝材料的制备方法，其特征在于，所述快速释碱碱性固废、慢速释碱碱性固废、硅铝活性固废和硫酸盐固废的质量百分比分别为：

9.根据权利要求3所述的一种全固废协同免煅烧无熟料高效胶凝材料的制备方法，其特征在于，步骤s5中，所述低水量成型的水灰比为0.25～0.45。

10.根据权利要求3所述的一种全固废协同免煅烧无熟料高效胶凝材料的制备方法，其特征在于，所述快速释碱碱性固废选自电石渣、碱渣中的至少一种；