靶向粒径级配调控方法及煤基多源固废凝胶材料制备方法

本技术涉及煤基工业固体废弃物资源化利用与低碳胶凝材料制备领域，尤其是涉及一种靶向粒径级配调控方法及煤基多源固废凝胶材料制备方法。

背景技术：

1、随着煤化工产业的快速发展，煤气化液态排渣（coal gasification liquidslag，cgls）、高钙粉煤灰（high-calcium fly ash，hcfa）和脱硫石膏（flue gasdesulfurization gypsum，fgdg）等煤基工业固体废弃物排放量持续增加。上述固废具有产生量大、堆存占地广、环境风险高等特点，长期堆积不仅造成土地资源浪费，还可能引发粉尘污染、重金属迁移及地下水污染等生态环境问题。因此，实现煤基多源固废的大规模高值资源化利用已成为固废治理的重要研究方向。

2、煤气化液态排渣是现代煤气化过程中产生的典型玻璃态固废，通常富含sio2、al2o3及部分cao，具有潜在火山灰活性和胶凝利用价值。然而，由于其原始颗粒粒径粗、玻璃相结构致密、活性位点暴露不足，导致其胶凝活性释放效率较低，限制了资源化应用。高钙粉煤灰虽具有一定潜在水硬活性，但存在反应速率受限、颗粒分布不合理等问题；脱硫石膏则可提供硫酸盐激发条件，但单独使用时胶凝性能有限。因此，如何通过多源煤基固废协同作用提升体系整体活性，是当前研究的重要难题。

3、现有技术中，机械球磨活化被广泛用于提升工业固废反应活性。通过机械力作用可减小颗粒尺寸、增加比表面积、破坏玻璃网络结构并促进活性组分释放。然而，传统单一延长球磨时间的方法存在明显局限：（1）过度粉磨导致颗粒冷焊、团聚及再结块现象；（2）流动性显著下降，需水量增加；（3）粉磨能耗高，工业成本增加；（4）颗粒级配失衡，后期强度可能下降；（5）缺乏针对不同粒径功能区间的精准调控。

4、研究表明，胶凝材料性能不仅取决于颗粒平均粒径或比表面积，更与颗粒体系的整体级配结构密切相关。合理的粒径分布可通过优化颗粒堆积密度、改善孔隙结构及促进多尺度颗粒协同作用显著提高材料强度与工作性能。传统连续级配模型，如andreasen模型和dinger-funk模型，主要基于单一幂律分布假设，用于描述理想颗粒堆积状态。然而，对于机械力化学活化后的煤基多源固废体系，由于其颗粒分布通常表现为双峰、多尺度或非连续结构，传统模型难以准确描述实际级配特征。

5、尤其在多组分协同活化过程中，不同粒径区间颗粒承担不同功能：其中，中粗颗粒提供主要活性反应作用；超细颗粒对活性具有抑制作用；中细颗粒主要是各颗粒的过渡；粗颗粒则可能降低体系均匀性与反应效率。因此，仅依赖单一球磨或传统连续级配理论已难以满足煤基固废胶凝体系性能优化需求。

6、基于此，亟需需要建立一种能够识别煤基固废颗粒体系尺度转折、筛选关键功能粒径区间并通过实际可获得的球磨阶段复合样品重构目标级配的方法，使粒径调控由单纯延长球磨时间转变为模型指导的多尺度级配组合，从而突破传统机械活化及经典级配模型的局限，实现煤基固废低碳、高效、高值利用。

技术实现思路

1、针对现有煤基固废资源化利用过程中存在的胶凝活性不足、颗粒级配失衡以及传统连续级配模型模型难以适用于多源煤基固废体系颗粒尺度等问题，本技术提供一种靶向粒径级配调控方法及煤基多源固废凝胶材料制备方法。

2、本技术提供的一种靶向粒径级配调控方法采用如下的技术方案：

3、一种靶向粒径级配调控方法，包括以下步骤：

4、将煤气化液态排渣、高钙粉煤灰、脱硫石膏及激发剂按设定质量比例混合，在不同球磨时间下进行混合球磨活化，获得不同球磨阶段的完整复合样品；

5、测定各球磨阶段完整复合样品的累计粒径分布，将粒径范围划分为若干粒径区间，计算各粒径区间的体积分数；

6、分别取各球磨阶段完整复合样品，按相同水固比加水拌合、成型并在相同条件下养护至设定龄期，测定抗压强度，获得与各球磨阶段粒径分布对应的力学性能序列；

7、基于所述累计粒径分布进行分形动力学分段拟合，识别颗粒体系的临界拐点粒径；

8、基于所述各粒径区间体积分数与力学性能序列，进行灰色关联分析和pearson相关性分析，确定关键功能粒径区间；

9、基于所述临界拐点粒径和关键功能粒径区间，建立边界连续的三段式靶向粒径级配模型；

10、以各球磨阶段完整复合样品的累计粒径分布作为级配基函数，结合所述三段式靶向粒径级配模型，通过受限权重搜索确定候选复配质量比例，并进一步筛选得到最优复配质量比例。

11、进一步地，所述不同球磨时间包括0 h、0.5 h、1 h、3 h和4 h；所述粒径区间包括0-3 μm、3-10 μm、10-32 μm、32-45 μm、45-65 μm、65-80 μm和80-120 μm。

12、进一步地，识别临界拐点粒径的步骤包括：将颗粒粒径和累计通过百分数分别取常用对数，在候选粒径范围内逐点选取分段位置，对分段位置两侧分别进行线性回归，计算两段残差平方和，以总残差最小且两段拟合优度满足要求的位置作为最优断点，再由最优断点对应的颗粒粒径值反算临界拐点粒径。

13、进一步地，所述灰色关联分析和pearson相关性分析包括以下步骤：

14、以抗压强度为参考序列、以各粒径区间体积分数为比较序列，进行极差无量纲化，计算各粒径区间与抗压强度的灰色关联度，并结合pearson相关性分析确定各粒径区间的相关方向；将灰色关联度最高且pearson系数为正的粒径区间确定为反应-骨架支撑主控区，将pearson系数为负的粒径区间确定为超细颗粒抑制区。

15、进一步地，所述关键功能粒径区间包括10-32 μm区间和0-3 μm区间；其中，10-32μm区间确定为反应-骨架支撑主控区；0-3 μm区间确定为超细颗粒活性抑制区；3-10 μm区间确定为连接超细颗粒活性抑制区与反应-骨架支撑主控区的活性过渡区。

16、进一步地，所述三段式靶向粒径级配模型由三段分别对应不同粒径范围的分段函数组成：

17、p(d)=

18、式中，d为颗粒粒径，p(d)为小于粒径d的累计通过百分数，ds为最小粒径，dc为细颗粒上限粒径，dl为粗颗粒下限粒径，dmax为最大粒径，n0为细颗粒活性控制指数；n1为粗细颗粒过渡控制指数；n1,3和n2为粗颗粒贡献系数。

19、进一步地，确定最优复配质量比例的步骤包括：

20、以各球磨阶段完整复合样品的累计粒径分布作为级配基函数，将各基函数按照待求解的复配权重进行线性叠加，得到混合样品的预测累计粒径分布；各复配权重设定为非负值且总和为1，以此构成权重约束空间；

21、以所述三段式靶向粒径级配模型作为目标级配曲线，以预测累计粒径分布与目标级配曲线之间在各粒径点上的偏差最小化为优化目标，同时设置惩罚项对复配后0-3 μm超细颗粒活性抑制区的体积分数进行过量富集限制，并对10-32 μm反应-骨架支撑主控区的体积分数进行保留约束；

22、在权重约束空间内采用网格搜索方式遍历所有候选权重组合，以优化目标函数值最小为准则筛选候选复配质量比例；

23、通过强度试验验证，在候选复配质量比例中进一步筛选得到最优复配质量比例。

24、进一步地，所述候选复配质量比例对应的复配颗粒体系满足：0-3 μm粒径区间颗粒占比为0-1%，3-10 μm粒径区间颗粒占比为45-60%，10-32 μm粒径区间颗粒占比为15-30%。

25、本技术还提供一种基于靶向粒径级配调控的煤基多源固废胶凝材料制备方法，包括以下步骤：

26、基于上述一种靶向粒径级配调控方法确定最优复配质量比例；

27、将对应球磨阶段的完整复合样品按所述最优复配质量比例进行复配，向复配所得粉体中加入设定比例的水，依次进行拌合、成型和养护，制得煤基多源固废胶凝材料。

28、进一步地，所述煤基多源固废胶凝材料的14 d抗压强度不低于14 mpa；所述煤基多源固废胶凝材料用于矿山充填材料、道路基层材料、软土固化材料、生态修复材料或低碳建筑材料。

29、综上所述，本技术包括以下至少一种有益技术效果：

30、1.传统煤基固废胶凝材料的颗粒级配优化多依赖单一球磨时间调整或经验试错，难以精准匹配多源固废体系的复杂粒度分布需求。本技术将分形动力学临界拐点识别、灰色关联分析、pearson相关性分析与三段式靶向粒径级配模型有机结合，通过“单组分活化-多组分响应优化-混合球磨动力学-靶向粒径复配-模型构建”的完整技术路线，使粒径级配调控从依赖经验的试错法转变为基于数据和模型的靶向设计，提高了调控效率与准确性，为多源固废协同利用提供了可复制、可推广的理论指导框架。

31、2.本技术通过灰色关联分析与pearson相关性分析的联合判别，在煤基多源固废体系中明确了不同粒径区间对胶凝性能的差异化贡献：0-3 μm超细颗粒因团聚效应和需水量增加而对抗压强度呈负效应，10-32 μm区间因颗粒堆积优化和水化活性协同而呈正效应，3-10 μm区间为活性过渡区。在此基础上建立的三段式靶向粒径级配模型，打破了传统andreasen模型和dinger-funk模型单一幂律分布假设的局限，能够准确描述煤基多源固废体系非连续、多尺度的粒径分布特征，为科学指导复配设计提供了可靠的理论依据。

32、3.本方法制备的煤基多源固废胶凝材料14 d抗压强度较传统单一球磨颗粒体系显著提升，同时实现了煤气化液态排渣、高钙粉煤灰和脱硫石膏三种煤基固废的大规模协同利用，固废综合利用率高。该方法全程无需高温煅烧，能耗低、碳排放少，原料来源广泛、成本低廉，符合绿色低碳建筑材料的发展方向。制备的煤基多源固废胶凝材料可广泛应用于矿山充填材料、道路基层材料、软土固化材料、生态修复材料及低碳建筑材料等领域，为解决煤基固废堆存带来的土地占用和环境污染问题提供了可行的技术路径，具有良好的工业化推广前景和显著的经济社会效益。