一种固碳增强型多源固废核壳骨料及其制备方法与流程

本发明属于建筑材料，具体涉及一种固碳增强型多源固废核壳骨料及其制备方法。

背景技术：

1、混凝土是当今世界用量最大的人造建筑材料，其原材料天然砂石资源的枯竭与大宗工业固废（如钢渣、磷石膏、锂渣）的堆存污染构成了尖锐矛盾。利用固废制备人造骨料是解决上述矛盾的重要途径。然而，现有固废基骨料技术普遍存在以下瓶颈：

2、1、单纯物理包裹，源头危害未除：仅用水泥浆等胶凝材料包裹固废颗粒，固废本身含有的可溶性磷、氟、重金属等有害物质未被稳定化，在长期服役中仍会缓慢溶出，对混凝土基体和环境构成隐患。

3、2、功能单一，缺乏协同性：现有技术或仅关注强度，或仅关注单一污染物（如氯离子）的固化，无法应对严酷环境下多因素（氯盐侵蚀、重金属溶出、氨氮污染、放射性辐射及收缩开裂）并存的复杂劣化问题。

4、3、层间结合薄弱，结构易失效：多层功能骨料若缺乏致密界面过渡设计，不同功能层之间在应力和渗透作用下易分层剥离，导致功能提前丧失。

5、目前对混凝土的环保性能有了更加严格的标准，对于放射性核素、氨释放量、特别是六价铬、水溶性氯离子及多种重金属离子的浸出浓度设立了严格限值，这要求建材产品不仅要有良好的力学性能，更必须具备长期、可靠的环境安全性。现有技术中将固废简单破碎作为骨料或粉磨作为掺合料的技术路线，难以从根本上隔离或稳定化固废中的有害成分，无法保证其在复杂服役环境下长期满足环保标准，构成了其进入绿色建材市场的技术壁垒。

6、因此，亟需开发一种能同时实现固废高值化、混凝土耐久性提升及环境风险主动防控的多功能一体化材料。“核壳结构”骨料的设计理念为解决上述难题提供了新思路。该结构通过一个致密、高性能的“外壳”包裹固废“内核”，旨在物理隔绝有害物质迁移，并优化骨料与水泥浆体的界面。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足而提供一种固碳增强型多源固废核壳骨料及其制备方法，通过“源头化学固定与原位自增强”、“四层梯度多功能集成”和“致密界面过渡+内养护外壳”的系统性创新，实现了固废中有害物质的高效稳定化、多污染物的协同防控、层间结合力的显著增强以及混凝土收缩开裂的有效抑制，获得长期服役安全性和环境相容性俱佳的高性能人造骨料。

2、为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种固碳增强型多源固废核壳骨料，具有由内至外依次包覆的活化稳定核心层、复合功能层、内养护外壳层：

3、所述活化稳定核心层，由包含钢渣粉、磷石膏粉、锂渣粉和硅酸盐水泥熟料的核心混合粉料经功能化活化液处理并固化形成，所述功能化活化液含有能够与核心混合粉料中的可溶性有害杂质发生化学固定反应的金属盐类添加剂，并含有用于诱导原位增强结构的纳米二氧化硅溶胶；所述功能化活化液中含有能够与所述核心混合粉料中的可溶性有害杂质（如可溶磷、氟及重金属离子）发生化学固定反应的金属盐类添加剂。该反应可使上述可溶性杂质在造粒初期便被转化为难溶态稳定物质，从而从源头消除其环境风险。同时，在特定的后续养护工艺下，活化液中的特定组分还能诱导核心层内部原位生成增强结构，实现固废的深度稳定与内源增强；

4、所述复合功能层，由水泥熟料和功能材料组成，所述功能材料根据目标去除污染物选自氯离子固化材料、重金属还原稳定材料、氨氮固定材料、放射性屏蔽与吸附材料中的至少一种；所述功能材料实现对不同侵蚀性污染物的定制化、高效协同防控；

5、所述内养护外壳层，设置于所述核壳骨料的最外层，包含内养护剂；该层在混凝土内部形成微型“蓄水库”，通过持续释水促进周围胶凝材料水化，起到抑制混凝土收缩开裂的作用；

6、所述核壳骨料还包括致密界面过渡层，所述致密界面过渡层设置于所述活化稳定核心层与所述复合功能层之间或所述复合功能层与所述内养护外壳层之间，用于增强层间结合并阻隔侵蚀介质渗透；致密界面过渡层的设置是为克服多层结构间常见的界面分层问题，该层能够有效隔绝外部侵蚀介质沿界面的渗透，并显著增强相邻两层间的结合力，确保核壳骨料在长期服役中的结构完整性。

7、上述方案中，按质量百分比计，所述活化稳定核心层占60%~80%，所述复合功能层占15%~50%，所述致密界面过渡层占1%~3%，所述内养护外壳层占1%~5%。

8、上述方案中，所述固碳增强型多源固废核壳骨料的粒径为3~35mm。

9、上述方案中，所述活化稳定核心层中，所述核心混合粉料与所述功能化活化液的质量比为(8~10):1。

10、上述方案中，所述核心混合粉料的各原料的比表面积均≥400 m2/kg，以保证反应活性。

11、上述方案中，所述核心混合粉料中所述钢渣粉、磷石膏粉、锂渣粉与硅酸盐水泥熟料的质量比为(20~40):(30~40):(10~20):(30~60)。

12、上述方案中，所述功能化活化液中所述金属盐类添加剂选自铝盐、磷酸盐、可溶性钡盐中的至少一种；所述功能化活化液的水固比为(3~10):1。在后续的蒸汽养护过程中，纳米二氧化硅溶胶与金属盐类添加剂共同作用，能诱导核心混合粉料中的物质原位生成微米级增强结构，起到内源增强与深度稳定残余重金属的双重作用。

13、上述方案中，所述复合功能层中，所述功能材料的总质量与水泥熟料的质量比为(2~4):(6~8)，是为确保功能层的有效性与密实度。当包含多种功能材料时，各材料功能之间的比例可根据目标污染物浓度进行调整。

14、上述方案中，所述氯离子固化材料包括水滑石粉和沸石粉，所述水滑石粉和所述沸石粉的质量比为(0.5~2):1。

15、上述方案中，所述重金属还原稳定材料包括硫化亚铁和多硫化钙，所述硫化亚铁和所述多硫化钙的质量比为(0.5~2):1。

16、上述方案中，所述氨氮固定材料包括斜发沸石和磷酸镁盐，所述斜发沸石和所述磷酸镁盐的质量比为(0.5~2):1。

17、上述方案中，所述放射性屏蔽与吸附材料包括重晶石粉和钛硅酸盐，所述重晶石粉和所述钛硅酸盐的质量比为(0.5~2):1。

18、上述方案中，所述致密界面过渡层的材料为水玻璃改性硅溶胶或有机硅烷偶联剂的水溶液；所述致密界面过渡层的材料的水固比为(3~10):1，以利于在颗粒表面形成均匀致密的薄膜；

19、所述有机硅烷偶联剂为kh-550或kh-560；

20、所述水玻璃改性硅溶胶的制备方法为：将纳米二氧化硅加入水玻璃溶液中，超声分散5~10分钟得到所述水玻璃改性硅溶胶；其中所述纳米二氧化硅与所述水玻璃溶液的质量比为(0.1-0.5) :1，所述水玻璃溶液中硅酸钠中的模数为2.2~3.4，所述水玻璃溶液的浓度为20～30°bé。本发明中利用水玻璃里的钠离子等去修饰硅表面的活性羟基，让它们发生交联反应，最终固化时形成一层更致密、粘结力更强的膜。

21、上述方案中，所述内养护外壳层由胶凝材料与内养护剂混合形成；

22、所述胶凝材料为硅酸盐水泥熟料；所述硅酸盐水泥熟料与所述内养护剂的质量比为(7~9):(1~3)；

23、所述内养护剂为膨胀珍珠岩粉、聚丙烯酰胺或多孔陶瓷微珠中的至少一种，以保证稳定、长效的释水功能。

24、本发明还提供所述固碳增强型多源固废核壳骨料的制备方法，包括以下步骤：

25、s1. 将核心混合粉料的各原料按比例混合，得到核心混合粉料；配制含有金属盐类添加剂及纳米二氧化硅溶胶的功能化活化液；

26、s2. 将所述功能化活化液与所述核心混合粉料混合造粒，经养护得到活化稳定核心颗粒作为活化稳定核心层；

27、s3. 在所述活化稳定核心颗粒表面包裹所述复合功能层的材料或所述致密界面过渡层的材料；当在所述活化稳定核心颗粒表面包裹所述复合功能层的材料形成复合功能层时，再在所述复合功能层表面包裹所述致密界面过渡层的材料经固化形成致密界面过渡层；当在所述活化稳定核心颗粒表面包裹所述致密界面过渡层的材料经固化形成致密界面过渡层时，再在所述致密界面过渡层的表面包裹所述复合功能层的材料形成复合功能层；其中所述复合功能层的材料通过按比例混合功能材料与水泥熟料得到；

28、s4. 将步骤s3所得颗粒的最外层包裹含内养护剂的内养护外壳层材料形成内养护外壳层，经固化后得到所述固碳增强型多源固废核壳骨料。

29、上述方案中，步骤s2中采用喷雾造粒工艺，所述养护为蒸汽养护，养护温度为60~95℃，养护时间为4~12h；步骤s3与步骤s4中各层包裹均在盘式造粒机中进行，且每层包裹后进行干燥或表面固化处理，再进行下一层的包裹，以确保层间界面的清晰与结合牢固；所述表面固化处理为常规养护或蒸汽养护。

30、本发明中：首创性地使用功能化活化液在造粒阶段对固废核心（核心混合粉料）进行源头化学固定，将有害物质直接转化为难溶态，实现了真正的“解毒”与稳定化，从“被动包裹”到“主动改性”的机理转变。

31、本发明中，不直接外加成品晶须，而是利用功能活化液与固废组分（核心混合粉料）在养护条件下的原位反应，在骨料核心层内部自发生成磷石膏晶须增强网络，这一发现使得增强和二次稳定作用在无需额外工序和原料的情况下即可达成，实现了从“外掺晶须”到“原位生长”的工艺创新。

32、总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

33、（1）本发明提供了一种固碳增强型多源固废核壳骨料，通过四层结构设计与工艺优化，解决现有技术中固废解毒不彻底、功能单一、层间结合薄弱的问题；通过功能化活化液的化学固定与原位诱导晶须生长，将固废中可溶磷、氟及重金属的浸出毒性降低90%以上，同时核心层抗压强度因晶须网络增强而提升30~50%，从根源上解决了固废骨料长期服役的环境与力学安全隐患。

34、（2）本发明通过复合功能层的定制化设计，骨料可同时或分别高效固化氯离子（固化率≥80%）、还原稳定重金属（浸出浓度低于国标限值）、固定氨氮及屏蔽吸附放射性核素；多项功能集成于一个骨料单元，使混凝土在盐渍土、工业污染场地等严酷环境下的耐久性寿命显著延长。

35、（3）本发明最外层内养护外壳在混凝土内部形成微型“蓄水库”，持续释水促进胶凝材料水化，可降低混凝土自收缩与干燥收缩率达40%以上，有效抑制裂缝产生。

36、（4）本发明致密界面过渡层有效解决了多层结构间的界面分层问题，隔绝了外部侵蚀介质沿界面的渗透，显著增强了层间结合力，确保骨料在复杂应力与侵蚀环境下的结构完整性。

37、（5）本发明核心层原料全部利用工业固废，无需高温烧结，制备过程能耗低；原位自增强机制省去了外加昂贵增强材料的成本与工序，真正实现了“以废治废、变废为宝”的低碳循环目标。