PDF《科学技术进步奖 推荐书》

1 学科 代码与名称

080626 工业生态 学科评审组 代码与名称 高等学校科学研究优秀成果奖(科学技术) 科学技术进步奖 推荐书项目名称: 赤泥等多固废协同利用理论及 其在路面基层材料中的应用 第一完成单位: 北京科技大学 通信地址: 北京市海淀区学院路

30 号

电话: 136-8101-6308 邮政编码:

100083 推荐时间:

2019 年5月2教育部科学技术司制 高等学校科学技术进步奖推荐书 (2019 年度)

一、项目基本情况 学科评审: 组:材料 奖励类别: 技术开发类 项目 名称 中文名 赤泥等多固废协同利用理论及其在路面基层材料中的应用 英文名 Synergistic utilization theory of multiple solid wastes such as red mud and its application in road base and subgrade materials 主要完成人 刘晓明,苍大强,张玲玲,李宇,宗燕兵,王亚光,张未,尹海峰 主要完成单位 北京科技大学 推荐单位(盖章) /提名专家 北京科技大学 项目名称可否公布 是 项目密级 非密 定密日期 保密期限(年) 定密审查机构 主题词 固废 路基材料 协同利用 学科分类 名称

1 冶金工程 代码

080600 2 工业生态 代码

080626 所属国民经济行业 制造业 所属科学技术领域 能源技术 任务来源 A-国家计划 B-部委计划 C-省、市、自治区计划 国家自然科学基金项目: 铝冶炼硅钙渣基生态胶凝材料钠离子固结机理研究 ,51302012,2014.

1-2016.12;

国家自然科学基金项目: 磷渣掺杂硅铝基胶凝材料中硅对磷的四配位同构效应 ,51604026,2017.01-2019.12;

国家自然科学基金面上项目: 生物质磁化低品位赤铁矿协同提高其尾矿胶凝活性机理研究 (负责人), 51574024,2016.1-2019.12;

教育部博士点专项科研基金: 高铝粉煤灰提取氧化铝后硅钙渣中 Na+ 固结机理研究 ,20120006120015, 2013.1-2015.12;

中色十二冶金建设有限公司, 利用华兴铝业赤泥制备生态材料技术 , 2016.4-2016.8;

(横向) 中色十二冶金建设有限公司, 利用拜耳法赤泥制备路基材料和免烧砌块技术 ,2017-314,2017.2-2017.12;

(横向) 山西中科泓源环保科技有限公司, 利用阳泉赤泥制备免烧砖和水稳层技术 ,2018.10-2019.6(横向) 中央高校基本科研业务费: 二次铁矿资源选-冶-材协同全组分清洁利用基础研究 ,FRF-BR-16-026A, 2017.2-2017.12. 发明专利(项) 授权:

4 项 申请:

5 项 授权的其他知识产权(项)

0 项目起止时间 起始:2004 年9月完成:2016 年3

二、项目简介 赤泥是以铝土矿为原料生产氧化铝过程中产生的强碱性固体废弃物, 因其氧化铁含量 较高,外观呈赤色,因而得名.每生产

1 吨氧化铝,就会产生 1~2 吨赤泥.目前,我国 是全球最大的氧化铝生产国,2016 年氧化铝产量

6090 万t,赤泥排放量约

9000 万吨,但 综合利用率仅 4%左右,累积堆存量超过

5 亿吨.赤泥大量堆存,既占用土地,浪费资源, 又易造成环境污染和安全隐患,赤泥的大规模资源化利用已势在必行. 近年来随着我国冶金、 矿业和化工等行业的飞速发展, 所产生的工业固体废弃物也大 幅增加,2015 年产生量达到 32.7 亿吨,而利用率仅为 60%左右.2016 年底国家新颁布的 《环境保护税法》中,将工业固体废弃物纳入了征收对象,其税额为每吨

5 元至

1000 元, 从2018 年1月开始征收.因此,加快工业固体废弃物的循环利用工作迫在眉睫.而利用 工业固废制备路面基层等建筑材料是国内外公认的大宗消纳固废的最主要途径. 目前路面基层材料多以石灰、石子为主,成本高且使用自然资源.本项目针对赤泥排 放和堆积日益增加与资源化利用率过低这一氧化铝生产过程中的关键矛盾, 从资源循环的 角度,有效利用各种工业固废(赤泥、煤矸石、粉煤灰、脱硫石膏、脱硫灰、钢渣、磷渣、 工业粉尘等)的特征研发了路面基层材料制备的新技术.对路面基层材料物理力学性能、 固碱机理和环境性能进行研究, 进而克服赤泥等固废在路面基层材料里综合利用的关键问 题, 使其能够满足大宗利用赤泥等工业固废的需求, 从而减少环境破坏和拓宽道路面基层 材料的选材范围. 本研究从

2004 年开始,分别经过大量基础研究,采用理论分析和多组实验的方法, 研究了赤泥等多固废协同利用理论及其在路面基层材料的应用, 研究了多固废材料的微观 组织结构、相组成、晶体结构等,在实验成功后,开始了大量的实际生产应用,并不断在 实际生产应用中研究和解决出现的新问题. 该技术成果已经获得国家发明专利

5 项. 在国内重要期刊和国外国际高水平期刊上发 表论文

100 篇. 该项目由以中国工程院院士、 清华大学李龙土教授为主任, 中材国际工程股份有限公 司副总裁隋同波教授级高工和中国矿业大学 (北京) 王栋民教授为副主任的中国建筑材料 联合会鉴定委员会对成果进行了综合评价. 鉴定委员会专家一致认为, 该成果对我国赤泥 等大宗工业固废的资源化利用具有非常重要意义,经济、社会效益显著,应用前景广阔, 项目整体技术达到国际先进水平.建议尽快推广应用. 截止到目前, 赤泥等多固废协同利用理论及其在路面基层材料的应用技术已经在山西 华兴铝业有限公司、 山西中铝华润有限公司、 山西阳光焦化集团股份有限公司等

6 家大型 企业道路工程应用,将1200 多万吨的赤泥等多固废材料,变废为宝,不但保护环境,而 且取得了节省

3000 多万元的经济效益. 因此, 赤泥等多固废用于路面基层材料是一种赤泥消耗量较大的应用方式, 不仅成本 低廉、性能优良,还可节省大量的石灰、砂石等资源,并在道路基层施工中拓宽了材料选 择范围.该成果对我国赤泥等大宗工业固废的资源化利用具有重要意义,经济、社会效益 显著,应用前景广阔.

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三、主要科技创新 1. 主要科技创新(限5页) 本项目所属的学科为冶金工程 核心内容: 根据赤泥资源化大宗循环利用的需求,本项目组在基于热液蚀变理论的惰性硅铝矿物活 性增强机理、基于多聚合度设计的赤泥-煤矸石基胶凝材料配位理论、以废治废的多种固废复 合协同效应理论及在路面基层材料中的应用三个方面进行了系统的研究工作,主要技术内容 涵盖了材料研发、理论研究和实际工程应用三个层面. (1)基于热液蚀变理论的惰性硅铝矿物活性增强机理 赤泥、煤矸石、粉煤灰、尾矿等固废中含有大量的硅铝组分,其胶凝活性差的难题一直 限制着其在建筑材料中的大掺量利用,课题组借鉴地学 热液蚀变 理论,提出了基于 热液蚀 变 理论的赤泥煤矸石物料体系硅铝质惰性矿物复合热活化的方法, 克服了硅铝质惰性固废胶 凝活性差的难题. 通过 XRD、IR、MAS-NMR 等分析手段系统的研究了硅铝质惰性固废在热活化过程中的 物相转变和硅、 铝配位的变化, 揭示了其结构变化与其胶凝活性之间的关系.提出了在 600℃ 复合热活化硅铝质惰性固废的 中温活化区 的概念,在该温度下复合热活化固废其胶凝活性 最佳.发现了 600℃复合热活化能够明显提高赤泥-煤矸石物料的胶凝活性,赤泥的适量加入 有助于煤矸石中绿泥石矿物的分解,并使石英的结晶度降低,同时物料的[SiO4 ]四面体聚合度 明显降低. (2)基于多聚合度设计的赤泥-煤矸石基胶凝材料配位理论 基于多聚合度物料匹配设计原理和配位化学理论, 课题组采用固体核磁共振 (MAS-NMR) 研究了赤泥-煤矸石基硅铝质胶凝材料的水化产物,率先证明了随着水化龄期的延长,存在硅 对铝的四配位同构效应,解决了赤泥在建材化大宗利用过程中 Na+ 固结的难题. 根据 NUTS 软件对硅铝质胶凝材料不同龄期水化产物的 27Al MAS-NMR 和29Si MAS-NMR 谱图进行模拟分峰处理并对其所对应配位铝的相对含量和硅的相对桥氧数(RBO 值)进行计算,证明了赤泥-煤矸石基硅铝质胶凝材料中,随着水化龄期的延长,存在硅对铝 的四配位同构效应. (3)以废治废的多种固废复合协同效应理论及在路面基层材料中的应用 提出并证明了 多种固废资源的复合协同效应 ,并应用在赤泥、煤矸石、尾矿、粉煤灰、 脱硫石膏、垃圾焚烧飞灰等二次资源的综合利用工作中,充分利用了不同种固废的特点进行

5 优势互补 ,配加多种固废成功制备出了路面基层材料,水化产物主要为 C-A-S-H 凝胶,为 实现固废在建筑材料里的 高掺量利用 奠定了理论基础. 研究了利用湿赤泥、煤矸石、粉煤灰、脱硫石膏、高炉渣等固废和少量水泥制备路面基 层材料工艺技术,优化了其配合比设计,开展了对所制备路基材料的力学性能、施工性能和 环境性能的试验室验证和现场应用研究. 取得的成果: 本项目自

2004 年开始实施,实现了材料研发、理论研究和实际工程应用的一体化研究, 积累了丰富的研究成果,并成功在山西兴县、山西河津、内蒙古托县、河北燕郊、山东淄博 等地实现了工程应用,近年来项目组取得等主要成果包括如下方面. 学术论文(共发表相关学术论文

100 余篇,此处列出

13 篇) [1] X. Liu, N. Zhang, Y. Yao, H. Sun, C. Feng. Micro-structural characterization of the hydration products of bauxite-calcination-method red mud-coal gangue based cementitious materials. Journal of Hazardous Materials, 2013, 262, 428-438 (SCI, IF:6.065) [2] N. Zhang, H. Li, X. Liu*, Hydration mechanism and leaching behavior of bauxite-calcination-method red mud-coal gangue based cementitious materials. Journal of Hazardous Materials, 2016, 314, 172-180. (SCI, IF: 6.065) [3] N. Zhang, H. Li, Y. Zhao, X. Liu*, Hydration products and environmental friendly performance of a cementitious material composed of calcium silicate slag. Journal of Hazardous Materials, 2016, 306, 67-76. (SCI, IF: 6.065) [4] N. Zhang, X. Liu, H. Sun, L. Li. Evaluation of blends bauxite-calcination-method red mud with other industrial wastes as a cementitious material: Properties and hydration characteristics. Journal of Hazardous Materials, 2011,185(1):329-335 (SCI, IF:6.065) [5] N. Zhang, H. Sun, X. Liu*, J. Zhang, Early-age characteristics of red mud-coal gangue cementitious material. Journal of Hazardous Materials. 2009,167:927-932 (SCI, IF:6.065) [6] X. Liu*, N. Zhang, H. Sun, J. Zhang, L. Li. Structural investigation relating to the cementitious activity of bauxite residue C red mud. Cement and Concrete Research, 2011,41(8):847-853 (SCI, IF:4.762) [7] N. Zhang, X. Liu, H. Sun, L. Li. Pozzolanic behaviour of compound-activated red mud-coal gangue mixture. Cement and Concrete Research, 2011,41(3):270-278 (SCI, IF:4.762) [8] Li, C., Li, Y., Sun, H.H., Li, L.T.;

The composition of fly ash glass phase and its dissolution properties applying to geopolymeric materials. Journal of the American Ceramic Society, 2011,

6 94(6):1773-1778. (SCI, IF:2.841) [9] N. Zhang, H. Li, D. Peng, X. Liu*, Properties evaluation of silica-alumina based concrete: Durability and environmental friendly performance. Construction and Building Materials. 2016, 115, 105-113. (SCI, IF:3.169) [10] Y. Li, Y. Yao*, X. Liu, H. Sun, W. Ni, Improvement on pozzolanic reactivity of coal gangue by integrated thermal and chemical activation, Fuel, 2013, 109, 527-533(SCI, IF:4.601) [11] 张娜,刘晓明*,孙恒虎. 赤泥-煤矸石基中钙体系胶凝材料的水化特................