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碱激发垃圾焚烧底灰地聚物的制备及其水化特性研究

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硅酸盐通报 2024年第1期43卷 287-294页

作者：刘刚李心诚刘金军蹇守卫范璐璐涂亮亮武汉理工大学硅酸盐建筑材料国家重点实验室武汉430070 武汉理工大学材料科学与工程学院武汉430070 深圳市特区建工集团有限公司深圳518000

本文采用城市垃圾焚烧底灰(BA)、偏高岭土和矿粉作为原料,NaOH和水玻璃作为碱激发剂来制备底灰地聚物,重点研究了不同碱含量、BA掺量对聚合物抗压强度及水化特性的影响。研究表明:当碱含量达7%(质量分数,下同)时,过量的钠与活性钙、活... 详细信息

本文采用城市垃圾焚烧底灰(BA)、偏高岭土和矿粉作为原料,NaOH和水玻璃作为碱激发剂来制备底灰地聚物,重点研究了不同碱含量、BA掺量对聚合物抗压强度及水化特性的影响。研究表明:当碱含量达7%(质量分数,下同)时,过量的钠与活性钙、活性硅和铝反应,从而形成大量低强度N-A-S-H,使底灰地聚物强度下降;当碱含量固定、BA掺量达到80%时,底灰地聚物的强度大幅度降低。对于底灰而言,其聚合物体系对重金属离子具有显著的固化效果。因此,采用BA制备底灰地聚物对城市固废绿色再生利用和环境保护具有重要意义。

关键词：碱激发垃圾焚烧底灰地聚物强度重金属固化

垃圾焚烧底灰-矿渣基海藻酸钠改性堵漏防灭火材料研发

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垃圾焚烧底灰-矿渣基海藻酸钠改性堵漏防灭火材料研发

作者：简赫达中国矿业大学

学位级别：硕士

煤自燃是煤炭开采过程中面临的主要灾害之一,一旦发生不仅会烧毁与冻结大量煤炭资源,还会引发瓦斯爆炸等重特大事故,危害严重。堵漏风是矿井煤自燃防治常用的方法,论文针对常规堵漏风防灭火材料在堵漏性能、力学性能和安全环保性上不能... 详细信息

煤自燃是煤炭开采过程中面临的主要灾害之一,一旦发生不仅会烧毁与冻结大量煤炭资源,还会引发瓦斯爆炸等重特大事故,危害严重。堵漏风是矿井煤自燃防治常用的方法,论文针对常规堵漏风防灭火材料在堵漏性能、力学性能和安全环保性上不能兼顾的缺点,以垃圾焚烧底灰与矿渣为前体,根据其固结缺点引入有机高分子化合物进行针对性的改性,研制了一种地聚物堵漏风防灭火材料,并对其堵漏风性能和形成机理进行了分析,主要研究工作和结论如下:根据垃圾焚烧底灰的组成特性,以水玻璃和Na OH为碱激发剂,研究了垃圾焚烧底灰与粒化高炉矿渣配比对抗压强度与初凝时间的影响。在此基础上,通过正交试验,优选了垃圾焚烧底灰-矿渣基胶凝材料的最佳配比:70 wt%的粒化高炉矿渣、18 wt%的碱激发剂掺量、1.6的碱激发剂模数和0.4的水灰比。对比分析了最佳配比条件下垃圾焚烧底灰-矿渣基胶凝材料与常规矿用水泥基堵漏材料的物理化学性能,结果表明垃圾焚烧底灰-矿渣基堵漏材料10 min可初凝,7 d抗压强度是常规矿用水泥基材料的4.86倍,抗渗性能较矿用水泥基材料提高了70.16%以上。针对垃圾焚烧底灰-矿渣基胶凝材料固结后会收缩及高温下开裂的问题,基于其结构特点,引入海藻酸钠对其改性,探讨了海藻酸钠添加量对改性堵漏防灭火材料抗压强度和初凝时间的影响,优选出最佳海藻酸钠添加量为1 wt‰。对比分析了海藻酸钠改性前后堵漏材料物理化学性能的变化,结果表明,添加海藻酸钠后垃圾焚烧底灰-矿渣基材料具有微膨胀特性,其膨胀率最高达到12‰;改性后材料7 d抗压强度较改性前提高了18.37%、流动性提高了14.77%,且改性后材料在400℃高温作用下表现出更优的防开裂性能。同时,测试分析了不同水固比条件下材料的物性参数,结果显示海藻酸钠改性后材料在0.4到0.6的水固比下可实现35 min初凝,同时保持了较高的抗压强度与膨胀率,且成本指数没有显著高于P·O42.5水泥并小于常规矿用水泥基堵漏材料。采用傅里叶变换红外光谱(FT-IR)、扫描电子显微镜(SEM)、能量色散X射线光谱(EDS)、X射线衍射仪(XRD)、同步热分析仪(TG-DSC)、压汞仪(MIP)和高分辨三维X射线显微成像系统,测试了海藻酸钠改性前后垃圾焚烧底灰-矿渣基堵漏防灭火材料的微观结构、形貌、物相、孔径分布和孔隙结构,分析了垃圾焚烧底灰-矿渣基海藻酸钠改性堵漏防灭火材料的海藻酸钠改性机理。结果表明,垃圾焚烧底灰和矿渣在碱激发作用下溶解出硅氧与铝氧结构,并缩聚重排形成垃圾焚烧底灰-矿渣基地聚物;同时,形成的地聚物胶体结构中游离钙离子与海藻酸钠形成凝胶并穿插于地聚物胶体结构中,从而形成地聚物-海藻酸钙凝胶结构。采用自制的堵漏风装置开展了堵漏风试验,测试了垃圾焚烧底灰-矿渣基海藻酸钠改性堵漏防灭火材料的堵漏风效果,并与常规矿用水泥基堵漏材料进行了对比,结果表明,海藻酸钠改性形成的地聚物-海藻酸钙凝胶材料具有更优的堵漏防灭火性能;同等实验条件下,经海藻酸钠改性的垃圾焚烧底灰-矿渣基堵漏防灭火材料的堵漏效果较改性前材料和常规矿用水泥基材料有明显提升。以上研究表明,研发的垃圾焚烧底灰-矿渣基海藻酸钠改性堵漏防灭火材料具有优异的抗压性能与较好的防开裂性能,可减少充填堵漏区受矿压和温度影响的进一步变形开裂产生新的漏风通道;较好的抗渗与膨胀性能有利于提高堵漏防灭火效果,可控的初凝时间增加了材料在矿井的适用性;为固体废弃物在煤矿井下隔离煤柱等漏风区域开展堵漏风防治煤炭自燃,提供了新的可供参考的技术途径。

关键词：垃圾焚烧底灰粒化高炉矿渣海藻酸钠固结堵漏特性煤自燃防治

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垃圾焚烧底灰中铬的分布及浸出特性研究

工程热物理学报 2014年第1期35卷 196-199页

作者：王文霞胡红云朱娟娟姚洪徐明厚乔瑜华中科技大学煤燃烧国家重点实验室湖北武汉430074 华中科技大学环境科学与工程学院湖北武汉430074

以流化床和炉排炉两种垃圾焚烧电厂产生的底灰为对象,研究了底灰中总铬及六价铬的分布特性及六价铬分布与Ca、Si、Al等矿物元素之间的关系,并探索了六价铬的浸出特性。得到结论如下:随着底灰粒径的增大,底灰中总铬及六价铬含量降低;Si... 详细信息

以流化床和炉排炉两种垃圾焚烧电厂产生的底灰为对象,研究了底灰中总铬及六价铬的分布特性及六价铬分布与Ca、Si、Al等矿物元素之间的关系,并探索了六价铬的浸出特性。得到结论如下:随着底灰粒径的增大,底灰中总铬及六价铬含量降低;Si和Al的存在的情况下,CaO会与Si和Al发生反应,直接影响Cr(Ⅵ)的生成;采用炉排炉焚烧工艺得到的底灰比采用流化床工艺得到的底灰中六价铬浸出浓度高;底灰中存在的还原性物质,尤其是流化床底灰,促使浸出过程中六价铬的还原,降低浸出溶液中六价铬的含量。

关键词：垃圾焚烧底灰流化床炉排炉六价铬浸出特性

垃圾焚烧底灰固化污水厂污泥的岩土工程性质实验

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环境工程学报 2013年第6期7卷 2367-2370页

作者：崔广强常方强福建农林大学金山学院福州350002 华侨大学土木工程学院厦门361021

对污水处理厂污泥采用垃圾焚烧底灰进行固化处理,分别测试不同掺量和不同养护龄期时固化体的岩土工程性质,通过测试发现,固化体重度基本位于11～13 kN/m3之间,与垃圾焚烧底灰的重度相近;固化体含水率随着垃圾焚烧底灰掺量的增大而急剧减... 详细信息

对污水处理厂污泥采用垃圾焚烧底灰进行固化处理,分别测试不同掺量和不同养护龄期时固化体的岩土工程性质,通过测试发现,固化体重度基本位于11～13 kN/m3之间,与垃圾焚烧底灰的重度相近;固化体含水率随着垃圾焚烧底灰掺量的增大而急剧减小;抗剪强度指标和无侧限抗压强度随垃圾焚烧底灰的掺量增加和养护龄期的增长而增大,其内摩擦角位于10°～30°之间。建立的固化强度预测模型,可对不同掺量和龄期的固化污泥强度进行预测。

关键词：垃圾焚烧底灰污泥固化强度

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城市垃圾焚烧底灰资源化处理的可行性研究

环境污染与防治 2011年第12期33卷 42-47,69页

作者：胡艳军李国建宁方勇任建莉浙江工业大学机械工程学院能源与动力工程研究所浙江杭州310014 浙江理工大学建筑工程学院浙江杭州310018

对天津某城市垃圾焚烧发电厂的垃圾焚烧底灰进行采样,测试评价了不同粒径焚烧底灰的工程特性及环境风险,并以焚烧底灰为骨料制备混凝土平板试件,分析了焚烧底灰中杂质组分对再生建筑材料的工程特性影响。研究发现,焚烧底灰的颗粒级配分... 详细信息

对天津某城市垃圾焚烧发电厂的垃圾焚烧底灰进行采样,测试评价了不同粒径焚烧底灰的工程特性及环境风险,并以焚烧底灰为骨料制备混凝土平板试件,分析了焚烧底灰中杂质组分对再生建筑材料的工程特性影响。研究发现,焚烧底灰的颗粒级配分布、主要元素成分及含量、砂当量、压实强度与天然建筑骨料相似,且不同粒径的焚烧底灰在使用过程中无毒性重金属浸出危害。但焚烧底灰作为建筑材料使用过程中,易出现裂缝等质量损伤状况,从焚烧底灰自身特性和其中的杂质组分在碱性环境下变化规律着手,分析了再生建筑材料产生损伤的可能原因,提出改善焚烧底灰工程性能的措施。

关键词：垃圾焚烧底灰建筑骨料工程特性环境特性再生

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无机胶结剂固化生活垃圾焚烧底灰试验研究

新型建筑材料 2019年第3期46卷 28-31页

作者：许宁谢宇王佳磊岳鹿盐城工学院机械工程学院江苏盐城224051 盐城工学院江苏省新型环保重点实验室江苏盐城224051

垃圾焚烧底灰与无机胶结剂混合固化是一种固废转化的处理方式。分别采用不同掺量的水泥、石灰、石膏为固化剂,改变垃圾焚烧底灰掺量,开展底灰固化试验研究,对固化砌块的无侧限抗压强度、重金属浸出量进行测试,并进行XRD、SEM分析。结果... 详细信息

垃圾焚烧底灰与无机胶结剂混合固化是一种固废转化的处理方式。分别采用不同掺量的水泥、石灰、石膏为固化剂,改变垃圾焚烧底灰掺量,开展底灰固化试验研究,对固化砌块的无侧限抗压强度、重金属浸出量进行测试,并进行XRD、SEM分析。结果表明:固化材料配比为100%垃圾焚烧底灰、25%水泥和25%石膏时,无侧限抗压强度最高,达18.5 MPa;固化砌块的强度随养护龄期的延长而提高;固化砌块满足Ⅲ类土壤环境质量要求,浸出毒性低于Ⅴ类地表水环境质量标准要求,可用作砌筑材料。

关键词：无机胶结剂垃圾焚烧底灰无侧限抗压强度浸出浓度

机械球磨协同石灰石粉改性垃圾焚烧底灰的试验研究

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机械球磨协同石灰石粉改性垃圾焚烧底灰的试验研究

作者：余丽丽武汉轻工大学

学位级别：硕士

垃圾焚烧底灰(municipal solid waste incineration bottom ash,简称:MSWIBA)是城市垃圾焚烧之后产生的固体废弃物,底灰的组成成分与普通硅酸盐水泥成分相近,主要是由Ca O、Si O、AlO等其他氧化物成分组成,具有潜在胶凝特性。机械球磨... 详细信息

垃圾焚烧底灰(municipal solid waste incineration bottom ash,简称:MSWIBA)是城市垃圾焚烧之后产生的固体废弃物,底灰的组成成分与普通硅酸盐水泥成分相近,主要是由Ca O、Si O、AlO等其他氧化物成分组成,具有潜在胶凝特性。机械球磨是一种方便环保的预处理手段,可以改变材料的粒径大小,增大粒径比表面积,提高材料反应活性,进而提高混凝土的材料性能。石灰石粉的填充效应和水化效应可以提高材料颗粒级配以及水化性能。本文旨在通过机械球磨协同石灰石粉改性垃圾焚烧底灰活性,最终使底灰替代水泥胶凝材料的试验研究,初步探究机械球磨对底灰颗粒的微观影响,对底灰水泥混凝土的力学性能和微观结构的影响,探究石灰石粉对水化体系的影响,探究底灰部分替代水泥之后的试块浸出毒性是否满足要求,最终得到底灰的最优替代量。具体的研究如下:(1)通过对不同球磨时间下的底灰的粒径、比表面积以及微观结构的研究,可以得到球磨30min之后的底灰粒径可以达到41.5μm,与水泥的细度接近,底灰的比表面的高达6713cm/g。球磨30min之后的底灰颗粒分布更加均匀,颗粒表面更加规则,具有较多的活性成分如Ca O、AlO等,底灰中的主要的化学键振动峰均为各自区域内的最强吸收峰。(2)通过均匀设计试验探讨不同掺量的垃圾焚烧底灰、石灰石以及不同的球磨时间对底灰水泥混凝土试块的力学强度的影响,并且结合力学强度与底灰实际掺量的结果,试验最佳配比如下:石灰石/底灰质量比为30%,底灰+石灰石/水泥质量比40%,机械球磨时间为30min。此配比下的底灰掺量高达40%,但是此掺量下混凝土试块的微观结构致密且水化产物多(如C-S-H、钙矾石),抗压强度高达40.94MPa,既满足基本的材料强度也能底灰达到最大限度的资源化利用。(3)探究石灰石粉对水化过程影响的研究中发现,未含有石灰石粉的试样的力学强度均低于含有石灰石粉的试样,两组试样虽都存在水化反应,但含有石灰石粉的试样表面结构更为致密,产生的水化产物CaCO与Aft更多,这是石灰石粉的填充效应与水化效应对水泥基材料造成的影响。(4)最优配比组进行毒性浸出测试,分别对试样中含有的重金属浓度(Cr、Cu、Ni、Pb以及Zn)进行检测,结果得到浸出浓度均满足规范限值,说明底灰可以作为胶凝材料应用于建筑行业中,底灰替代水泥的量为40%。

关键词：垃圾焚烧底灰机械球磨石灰石粉微观结构分析浸出毒性

火山灰粉裹浆处理垃圾焚烧底灰对底灰再生混凝土性能的影响

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火山灰粉裹浆处理垃圾焚烧底灰对底灰再生混凝土性能的影响

作者：付胜明成都理工大学

学位级别：硕士

随着我国城市化的快速发展,城市生活垃圾总量不断增加。垃圾焚烧发电是城市生活垃圾处理的主要方式之一,因此垃圾焚烧底灰的产生量也越来越多,如何行之有效的处理垃圾焚烧底灰,实现垃圾焚烧底灰资源化利用已成为亟需解决的环保问题。而... 详细信息

随着我国城市化的快速发展,城市生活垃圾总量不断增加。垃圾焚烧发电是城市生活垃圾处理的主要方式之一,因此垃圾焚烧底灰的产生量也越来越多,如何行之有效的处理垃圾焚烧底灰,实现垃圾焚烧底灰资源化利用已成为亟需解决的环保问题。而开展资源综合利用是我国深入实施可持续发展战略的重要内容,大宗固体废弃物量大面广、环境影响突出,是资源综合利用的核心领域。目前,大宗固体废弃物累计堆存量约600亿吨,年新增堆存量近30亿吨,占用宝贵的土地资源并且其生态环境安全风险大。资源化利用属于工业废弃副产物的粉煤灰(FA)、硅灰(SF)、矿粉(BS)对提高大宗固废资源利用效率,促进经济社会发展全面绿色转型具有重大意义。本研究将三种火山灰粉粉煤灰(FA)、硅灰(SF)、矿粉(BS)单掺和1:1复掺以及水泥单掺裹浆处理垃圾焚烧底灰,使得到的裹浆底灰骨料的宏观和微观性能得到了极大的改善。使用裹浆底灰骨料部分替代天然骨料制备底灰再生混凝土,其力学性能和干缩性能得到极大提升。通过探究各预处理组合对底灰再生混凝土性能的影响,提出一套最优的火山灰粉预处理垃圾焚烧底灰部分替代天然骨料制备底灰再生混凝土的工艺流程,为大宗固体废弃物的火山灰粉(FA、SF、BS)和垃圾焚烧底灰资源化利用提供新路径。本研究得到的主要结论如下:(1)垃圾焚烧底灰表面结构疏松、多孔且粗糙;底灰表面存在大量连结不紧密的团簇状和颗粒状的结晶吸附物。垃圾焚烧底灰疏松、多孔且粗糙的微观特性决定了其表观密度小,吸水率、含水率、压碎指标和孔隙率高的宏观物理性能。其矿物组成与天然骨料的矿物组成相近,为垃圾焚烧底灰替代天然骨料提供了理论基础。(2)经过火山灰浆液和水泥浆液裹浆处理,底灰表面坑洞和微小空隙被火山灰材料颗粒和水泥颗粒以致密的方式填充,改善底灰的微观性能。因此裹浆处理后其表观密度及压碎指标得到显著增强。同时火山灰浆液和水泥浆液裹浆处理不会影响垃圾焚烧底灰的矿物种类,但会对其不同矿物的衍射峰强度有所影响。(3)裹浆底灰再生混凝土的力学性能和塌落度均优于未处理底灰再生混凝土,且使用未经裹浆处理的垃圾焚烧底灰骨料制备底灰再生混凝土,对混凝土的抗压强度和劈裂抗拉强度影响较大,对抗折强度影响较小。通过对七种裹浆底灰再生混凝土的力学性能以及诸多因素进行考量后,提出最优的预处理垃圾焚烧底灰方法及其混凝土运用手段为用粉煤灰和硅灰1:1复掺裹浆处理垃圾焚烧底灰50%替代天然骨料制备混凝土。(4)在不同龄期下天然骨料混凝土的干缩率远小于未处理底灰混凝土。这是由未处理的垃圾焚烧底灰结构疏松、表观密度小、吸水率大的性质造成。垃圾焚烧底灰经过粉煤灰和硅灰复掺裹浆处理,增强了粉煤灰和硅灰复掺本身具有的微集料填充效应,有效降低底灰再生混凝土的干燥收缩应变,使粉煤灰和硅灰复掺裹浆底灰混凝土干缩性能满足规范要求。(5)火山灰粉和水泥的掺入以及其裹浆处理方式都不会影响底灰再生混凝土水化产物的种类,但会对各水化产物的数量有所影响。粉煤灰和硅灰复掺裹浆处理底灰混凝土其界面过渡区结构致密,仅有微小裂隙存在,无孔洞;裂隙周边砂浆结构致密且光滑,其水化产物都主要为棒状钙矾石和针状C-S-H凝胶,仅有少量的Ca(OH)。

关键词：垃圾焚烧底灰火山灰粉再生混凝土预处理天然粗骨料

养护温度及预处理方法对垃圾焚烧底灰混凝土性能的影响研究

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养护温度及预处理方法对垃圾焚烧底灰混凝土性能的影响研究

作者：申兆林成都理工大学

学位级别：硕士

随着城市的发展,生活垃圾的数量正逐年增长。而焚烧发电又是我国垃圾处理的主要方式,因此城市生活垃圾焚烧底灰(MSWIBA)作为焚烧发电后的主要固体废弃物,其数量也必然会逐年增长。秉承着保护环境和废物再利用的目的,世界各国对底灰的资... 详细信息

随着城市的发展,生活垃圾的数量正逐年增长。而焚烧发电又是我国垃圾处理的主要方式,因此城市生活垃圾焚烧底灰(MSWIBA)作为焚烧发电后的主要固体废弃物,其数量也必然会逐年增长。秉承着保护环境和废物再利用的目的,世界各国对底灰的资源利用进行了大量的研究,国内外学者发现底灰可以作为再生建筑材料来使用。利用建材的大量需求来消耗底灰是一个不错的方向。然而底灰自身强度不高,且含有部分活性金属和重金属,在使用前需要进行预处理来消除或减轻不利因素带来的影响。但我国对底灰的研究起步较晚,各方面的研究也还不完善。对于底灰在现实工程中的广泛应用还任重道远。本文旨在进一步完善对底灰的研究,提高底灰作为再生建材的利用效率。以成都片区的城市生活垃圾焚烧底灰为研究材料,将底灰作为掺合料替代水泥制成砂浆,研究不同养护温度对垃圾焚烧底灰再生砂浆力学及微观性能的影响。此外,提出一种新型的预处理方法,使用硅粉溶液浸渍处理底灰。处理后的底灰被作为天然河砂的替代材料,以不同的替代比例掺入混凝土中,并与对照组进行对比。探究了预处理方式的可行性,并得出处理后底灰对河砂的最佳替代率范围。最后,将底灰以30%替代率替代河砂的基础上,再将底灰微粉、矿渣和粉煤灰以不同的比例替代30%的水泥制成混凝土,测试了混凝土的力学和微观性能,得出性能最佳的混凝土配合比。本文得到的主要结论如下:(1)原状底灰成分复杂,物理指标中的吸水率和含水率都较高,而表观密度和堆积密度较小,压碎指标满足规范中Ⅱ类机制砂的标准,可以替代天然细集料。且化学成分与水泥类似,可以作为矿物掺合料来替代水泥。(2)无论是添加了底灰、粉煤灰或矿渣的砂浆,高温养护激发了砂浆的早期水化反应,加速了水化进程,提高了早期抗压强度。但早期水化产物生成过快,堆积不均匀,产生较大孔隙的同时也阻碍了中后期强度的发展。(3)养护温度的变化没有改变水化产物的种类,但影响了水化产物的数量。20℃养护条件下,砂浆基体较为均匀致密,而高温条件下的砂浆基体疏松多孔。相对于高温养护条件,在低温(20℃)条件下的水化产物结晶度更好。高温养护不仅加速了各水化产物的转化,更多的是影响水化产物的微观结构。(4)先用0.2mol/L的NaCO溶液将底灰浸泡处理10天。再以水:灰色粗硅粉:底灰为1:0.25:0.3的比例浸渍处理底灰24h的预处理方案是可行的。预处理后底灰的压碎指标达到Ⅰ类机制砂的标准。(5)将处理后的底灰替代天然河砂制成混凝土,采用处理后底灰的混凝土比采用未处理底灰的表现出更好的力学性能。这得益于处理后的底灰自身强度增强的同时,在混凝土中的黏结特性也较好。处理后底灰对天然河砂的最佳替代率范围为25%～35%。(6)在使用处理后底灰替代30%天然河砂的情况下,再将底灰、粉煤灰以及矿渣以不同的比例来替代30%的水泥制成混凝土。结果发现将底灰微粉:矿渣:粉煤灰以1:1:1的比例混合使用时的混凝土配合比最佳。

关键词：垃圾焚烧底灰养护温度力学性能微观性能矿物掺合料预处理方式