地聚物--解决工业固废处置的重要手段

1. 市场需求与环境保护

2. 在沿海区域，存在较多的海洋环境或湖区环境，这些环境沉积的的软土，在盐水或淡水中堆积而成的，其本身存在着压缩性大、透水性差、扰动性大、强度低及厚度分布不均匀等问题。随着沿海地区人口不断增大，土地使用率增高，越来越多的软土地基难以满足基础设施及住房建筑等的建设标准

3. 水泥作为最常见的建筑材料，其全球年使用量为42亿吨，每生产1吨水泥会向大气中排放0.8~1吨的二氧化碳。根据国际能源署（IEA）的数据，全球建筑行业的碳排放占总体温室气体排放的约36%。根据国际水泥协会（WBCSD）的数据，全球水泥生产和使用过程中的碳排放占建筑行业碳排放的约8-10%。3.工业固体废物，是工业生产活动中产生的固体废物。经统计，2019年一般工业固体废物年产量为13.8亿吨，综合利用量为8.5亿吨，仍有大量固废得不到有效的利用和处置，固体废物通常难以处理，并且会侵占大量土地，对环境造成污染。

4. 根据《中华人民共和国固体废物污染环境防治法》，固体废物处理的目标是：无害化、减量化、资源化。

   5.在金属冶炼和加工过程中产生的高炉矿渣、钢渣等固废和在煤炭开采和使用过程中产生煤矸石、粉煤灰、炉渣等固废站所有工业固体废物的很大一部分，据统计，2012年我国粉煤灰堆存量超过10亿吨，2020年，我国粉煤灰年产量达到5亿吨；2012年至2021年，我国矿渣年产量均超过1亿吨。目前，我国的固废资源化利用率仅约为50%。

 

 

二、地质聚合物的基本概念

1.基本概念：地质聚合物的主要原材料包含硅、铝元素的前驱体(工业废渣)，在常温或高温环境经碱的催化作用下并通过恰当的工艺制得的具有三维网络结构的聚合胶凝材料。据统计，地质聚合物在制备过程中可比水泥减少约60%~ 80%的CO2排放和60%的能耗。

2.主要的前驱体：偏高岭土(MK)、粉煤灰(FA)、矿渣(GGBS)，化学成分及含量下表所示；前驱体+碱激发剂→地质聚合物

3.主要的前驱体：无钙体系如偏高岭土(水化硅铝酸钠N-A-S-H)、低钙体系如粉煤灰(N-A-S-H及少量水化硅铝酸钙C-A-S-H)、高钙体系如矿渣(C-A-S-H)

 

三、地质聚合物的反应机理

“地聚合物”，作为以无机分子链或网络为特征的材料。富含硅（Si）和铝（Al）的原料被混合碱性溶液活化后，溶解的AlO4和SiO4四面体通过共享一个氧化物（O）原子结合形成单体。单体相互作用形成低聚物，然后合成铝硅酸盐结构的3D网络。

 

四、地质聚合物的应用现状

地质聚合物材料具有独特的三维网络结构，还具有早强快硬、体积稳定性好、抗渗性好、自调温调湿、耐化学腐蚀等优异性能，兼具原材料丰富、价格低廉、工艺简单、节约能源等特点，故其拥有广阔的应用前景，目前其主要应用于制备地聚合物混凝土、地聚合物注浆材料、快速修补材料、软土固化、污染土修复等方面。

 

五、地质聚合物的前景展望

（1）地聚合物是前驱体(粉煤灰、矿渣、钢渣等固体废弃物能提供丰富的硅铝元素，是良好的前驱体)在碱激发条件下生成的具有三维网络结构的聚合胶凝材料，是水泥的良好替代品；

（2）室内试验和现场试验表明地质聚合物能有效地固化软土，可部分或完全替代水泥用于土体固化，有效减少碳排放；

（3）地质聚合物砂浆有优异的粘结性能，可作为快速修补材料应用于工程中，也可作为快速固化材料应用于工程中；

（4）单组分是地质聚合物未来的重要发展方向；

（5）粉煤灰、矿渣等固体废弃物成分差异性较大，在工程应用时不能采用统一的配比，需开展针对性的试验研究；后续开展硅铝含量及硅铝比对碱激发剂(种类、掺量)和胶凝效果的系统研究，揭示出不同硅铝含量时地质聚合物的固化机理，以期建立适应于不同前驱体的激发参数调控机制；

（6）土体的区域性差异性很大，应综合考虑土体结构和矿物成分等因素开展地质聚合物固化土的研究。