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摘 要：吉林省属资源型省份，拥有丰富的矿产资源，煤矿和电力发达，每年会产生大量工业固体废弃物，而对其利用则比较单一，主要是作为水泥的添加组分制备建材。本文通过利用工业固废进行地质聚合物制备试验，希望能为工业固体废弃物资源化利用提供新的途径。
关键词：工业固体废弃物；地质聚；合物；钢渣；粉煤灰
中图分类号：X705 文献标识码：A DOI：10.11974/nyyjs.20150832002
1 吉林省工业固废资源现状
随着我国工业化进程的不断前进，其所产生的环保问题也日益突出。以吉林省为例，2013年吉林省冶炼废渣、粉煤灰、炉渣、煤矸石、尾矿等5类工业固体废弃物的产生总量已超过4000万t。而吉林省累积的工业固体废弃物贮存总量则超过1.8亿t，并且数量仍在不断增长。
数量庞大的工业固体废弃物如得不到有效利用，不仅将占用了大量宝贵的土地资源，还会严重污染大气和水体。为此，《中华人民共和国固体废物污染环境防治法》中明确提出，对工业固体废弃物要实行资源化处理。资源化就是要针对固体废物的特点进行回收、加工使其转化成为新的二次资源加以利用。然而，虽经过多年的努力，吉林省每年仍有近半数的工业固体废弃物有待利用。
为此，我们开展了利用理化指标不同的多种固体废弃物，混合制备地质聚合物方法的研究，希望能够提供出一条利用工业固废资源的有效途径。
2 吉林省工业固废资源分析
2.1 分布及利用现状
吉林省工业固体废弃物产生量最高的5个地区依次为吉林、通化、延边、白山和四平，这5个地区的产生量之和约占吉林省产生总量的80%左右。
吉林省各地区均已开展了工业固废资源化利用，其中以吉林地区利用量最大，其余依次为通化、长春、四平和辽源。
而吉林省贮存往年工业固体废弃物的3个主要地区是白山、延边和吉林，分别占吉林省贮存总量的37.48%、20.83%和15.98%。
目前，吉林省工业固体废弃物利用量与处置量之和与工业固体废弃物总量之比仅为0.14，工业固体废弃物的资源化处理需求量巨大。
2.2 工业固体废弃物循环利用价值
工业固体废弃物如能充分利用，既能够减少对环境的危害，又能创造出相当的经济价值，同时节省环保处理费用。不同种类的工业固体废弃物都有其独特的理化特性，如冶炼废渣耐磨、耐腐蚀，粉煤灰密度低、比表面积大，煤矸石和尾矿石塑性低等。利用这些工业固体废弃物的物相组成和物化特性的差异，对不同品类的固体废弃物进行调配，从而制备出性能优异的地质聚合物。
3 地质聚合物的制备试验
3.1 试验材料
试验时采用的固废原料主要为钢渣和粉煤灰。
钢渣是炼钢过程排出的熔渣，包括多种元素的氧化物、被侵蚀的炉衬料和补炉材料、金属炉料带入的杂质和为调整钢渣性质而特意加入的石灰石、白云石、铁矿石、硅石和萤石等造渣材料。
粉煤灰是从煤燃烧后的烟气中收捕下来的细灰，是燃煤电厂排出的主要工业固体废弃物。它外观类似水泥，颜色为乳白色到灰黑色，颜色可以反映其含碳量的多少，也可以反映粉煤灰的细度，此外高钙粉煤灰的颜色偏黄，低钙粉煤灰的颜色偏灰。
3.2 地质聚合物的制备流程
钢渣和粉煤灰均在干燥箱105℃干燥2h后，用SYMφ500×500水泥球磨机进行研磨，再干燥2h，自然冷却，装入密封袋中待用。
碱性激发剂是将氢氧化钠和液体硅酸钠溶于水中，试验前以不同比例混合，待用。
分别称取一定量的钢渣和粉煤灰，在净浆搅拌机中搅拌均匀，倒入制备好的激发剂溶液并充分搅拌后，将浆料倒入模具，振捣成型后，在蒸养箱中20℃养护一定时间，脱模。
3.3 地质聚合物的多因素正交试验
分别选取钢渣和粉煤灰的重量比、NaOH占物料总重量的百分比、液体硅酸钠占物料总重量的百分比、加水量占物料总重量的百分比等4项因素，每因素各取3个水平做正交试验。
测试结果表明，水胶比和钢粉比相同时，抗压强度随着氢氧化钠与水玻璃的质量比的减小而增大。当水胶比为0.3且钢粉比为0.5时，不同时间的样品的抗压强度变化最大，其28d抗压强度比7d抗压强度提高了97%；当水胶比为0.3，钢粉比为2.00时，样品14d的抗压强度提高了75%；当水胶比为0.35，钢粉比为2.00时，样品28d的抗压强度提高了86%。
4 试验结果分析
4.1 正交试验的结果表明在硅铝酸盐聚合反应中
非晶相在强碱中发生溶解，形成富含硅和铝酸低聚体，这些低聚体进一步发生缩聚反应形成离子团，最终形成网状结构。在合理范围内，氢氧化钠和硅酸钠可以激发钢渣和粉煤灰的活性。但当碱加入量过多时，多余的硅酸钠会在养护过程的前期获得结晶水，而在后期失去结晶水，从而在材料内部形成不稳定结构，造成材料强度急剧衰减。
4.2 以钢渣和粉煤灰为原料
以氢氧化钠和水玻璃为激发剂，在标准养护条件下可以成功制备具有较高抗压强度的地质聚合物。钢渣粉煤灰地质聚合物的抗压强度增长很快，7d抗压强度普遍在28d抗压强度的55%以上，且具有稳定的强度增长性能。随着天数的增加，抗压强度的增加由快变慢。
5 展望
地质聚合物具有原料来源广泛、快速硬化、力学性能好、附着性好、耐高温隔热、耐腐蚀、耐冻融、耐久、渗透率低等特点，可广泛应用于堤坝、水池和填埋场密封层的浇筑以及防火耐热材料、模具、建筑保温墙体，建筑装饰构件、渗水人行道砖、人造石和轻质人造石工艺品等诸多生产领域。
本文记述了在实验室条件下利用多品种固体废弃物制备高性能的地质聚合物的试验。希望能够为工业固废物资源化利用提供一定的经验和借鉴。
参考文献
[1]徐睿. 吉林省工业固体废物环境管理现状与循环利用 [J].再生资源与循环利用，2011（3）：34.
[2] 倪文.地质聚合物——21世纪的绿色胶凝材料[J].新材料产业，2003（6）：24.
[3]贾屹海.Na-粉煤灰地质聚合物制备与性能研究[D].北京：中国矿业大学，2009.
[4]尚建丽.矿渣粉煤灰地质聚合物制备及力学性能研究[J].硅酸盐通报，2011（3）：741.
作者简介：王瑛彤（1980-），男，吉林省农业机械研究院工程师，主要从事环保技术研究。
关键词：工业固体废弃物；地质聚；合物；钢渣；粉煤灰
中图分类号：X705 文献标识码：A DOI：10.11974/nyyjs.20150832002
1 吉林省工业固废资源现状
随着我国工业化进程的不断前进，其所产生的环保问题也日益突出。以吉林省为例，2013年吉林省冶炼废渣、粉煤灰、炉渣、煤矸石、尾矿等5类工业固体废弃物的产生总量已超过4000万t。而吉林省累积的工业固体废弃物贮存总量则超过1.8亿t，并且数量仍在不断增长。
数量庞大的工业固体废弃物如得不到有效利用，不仅将占用了大量宝贵的土地资源，还会严重污染大气和水体。为此，《中华人民共和国固体废物污染环境防治法》中明确提出，对工业固体废弃物要实行资源化处理。资源化就是要针对固体废物的特点进行回收、加工使其转化成为新的二次资源加以利用。然而，虽经过多年的努力，吉林省每年仍有近半数的工业固体废弃物有待利用。
为此，我们开展了利用理化指标不同的多种固体废弃物，混合制备地质聚合物方法的研究，希望能够提供出一条利用工业固废资源的有效途径。
2 吉林省工业固废资源分析
2.1 分布及利用现状
吉林省工业固体废弃物产生量最高的5个地区依次为吉林、通化、延边、白山和四平，这5个地区的产生量之和约占吉林省产生总量的80%左右。
吉林省各地区均已开展了工业固废资源化利用，其中以吉林地区利用量最大，其余依次为通化、长春、四平和辽源。
而吉林省贮存往年工业固体废弃物的3个主要地区是白山、延边和吉林，分别占吉林省贮存总量的37.48%、20.83%和15.98%。
目前，吉林省工业固体废弃物利用量与处置量之和与工业固体废弃物总量之比仅为0.14，工业固体废弃物的资源化处理需求量巨大。
2.2 工业固体废弃物循环利用价值
工业固体废弃物如能充分利用，既能够减少对环境的危害，又能创造出相当的经济价值，同时节省环保处理费用。不同种类的工业固体废弃物都有其独特的理化特性，如冶炼废渣耐磨、耐腐蚀，粉煤灰密度低、比表面积大，煤矸石和尾矿石塑性低等。利用这些工业固体废弃物的物相组成和物化特性的差异，对不同品类的固体废弃物进行调配，从而制备出性能优异的地质聚合物。
3 地质聚合物的制备试验
3.1 试验材料
试验时采用的固废原料主要为钢渣和粉煤灰。
钢渣是炼钢过程排出的熔渣，包括多种元素的氧化物、被侵蚀的炉衬料和补炉材料、金属炉料带入的杂质和为调整钢渣性质而特意加入的石灰石、白云石、铁矿石、硅石和萤石等造渣材料。
粉煤灰是从煤燃烧后的烟气中收捕下来的细灰，是燃煤电厂排出的主要工业固体废弃物。它外观类似水泥，颜色为乳白色到灰黑色，颜色可以反映其含碳量的多少，也可以反映粉煤灰的细度，此外高钙粉煤灰的颜色偏黄，低钙粉煤灰的颜色偏灰。
3.2 地质聚合物的制备流程
钢渣和粉煤灰均在干燥箱105℃干燥2h后，用SYMφ500×500水泥球磨机进行研磨，再干燥2h，自然冷却，装入密封袋中待用。
碱性激发剂是将氢氧化钠和液体硅酸钠溶于水中，试验前以不同比例混合，待用。
分别称取一定量的钢渣和粉煤灰，在净浆搅拌机中搅拌均匀，倒入制备好的激发剂溶液并充分搅拌后，将浆料倒入模具，振捣成型后，在蒸养箱中20℃养护一定时间，脱模。
3.3 地质聚合物的多因素正交试验
分别选取钢渣和粉煤灰的重量比、NaOH占物料总重量的百分比、液体硅酸钠占物料总重量的百分比、加水量占物料总重量的百分比等4项因素，每因素各取3个水平做正交试验。
测试结果表明，水胶比和钢粉比相同时，抗压强度随着氢氧化钠与水玻璃的质量比的减小而增大。当水胶比为0.3且钢粉比为0.5时，不同时间的样品的抗压强度变化最大，其28d抗压强度比7d抗压强度提高了97%；当水胶比为0.3，钢粉比为2.00时，样品14d的抗压强度提高了75%；当水胶比为0.35，钢粉比为2.00时，样品28d的抗压强度提高了86%。
4 试验结果分析
4.1 正交试验的结果表明在硅铝酸盐聚合反应中
非晶相在强碱中发生溶解，形成富含硅和铝酸低聚体，这些低聚体进一步发生缩聚反应形成离子团，最终形成网状结构。在合理范围内，氢氧化钠和硅酸钠可以激发钢渣和粉煤灰的活性。但当碱加入量过多时，多余的硅酸钠会在养护过程的前期获得结晶水，而在后期失去结晶水，从而在材料内部形成不稳定结构，造成材料强度急剧衰减。
4.2 以钢渣和粉煤灰为原料
以氢氧化钠和水玻璃为激发剂，在标准养护条件下可以成功制备具有较高抗压强度的地质聚合物。钢渣粉煤灰地质聚合物的抗压强度增长很快，7d抗压强度普遍在28d抗压强度的55%以上，且具有稳定的强度增长性能。随着天数的增加，抗压强度的增加由快变慢。
5 展望
地质聚合物具有原料来源广泛、快速硬化、力学性能好、附着性好、耐高温隔热、耐腐蚀、耐冻融、耐久、渗透率低等特点，可广泛应用于堤坝、水池和填埋场密封层的浇筑以及防火耐热材料、模具、建筑保温墙体，建筑装饰构件、渗水人行道砖、人造石和轻质人造石工艺品等诸多生产领域。
本文记述了在实验室条件下利用多品种固体废弃物制备高性能的地质聚合物的试验。希望能够为工业固废物资源化利用提供一定的经验和借鉴。
参考文献
[1]徐睿. 吉林省工业固体废物环境管理现状与循环利用 [J].再生资源与循环利用，2011（3）：34.
[2] 倪文.地质聚合物——21世纪的绿色胶凝材料[J].新材料产业，2003（6）：24.
[3]贾屹海.Na-粉煤灰地质聚合物制备与性能研究[D].北京：中国矿业大学，2009.
[4]尚建丽.矿渣粉煤灰地质聚合物制备及力学性能研究[J].硅酸盐通报，2011（3）：741.
作者简介：王瑛彤（1980-），男，吉林省农业机械研究院工程师，主要从事环保技术研究。