一种废弃水玻璃砂的处理方法和用途

1.本发明属于水玻璃砂资源化领域，具体涉及一种废弃水玻璃砂的处理方法和用途。

背景技术：

2.铸造型砂一般由铸造用原砂、粘结剂和其他辅助材料按一定的比例混合而成，经过铸造、清砂后成为铸造废砂。铸造型砂按所使用的粘结剂不同，可分为粘土砂、水玻璃砂、水泥砂和树脂砂等，其中水玻璃砂由于其铸造精度高、无有害气体释放而被广泛使用。完成铸造后，水玻璃砂表面由于残留大量的水玻璃膜而不能直接作为型砂重复使用，需要用水玻璃再生技术对其进行处理。然而现有的水玻璃再生技术普遍因成本较高，再生效果不好，粉尘、废水等二次污染物较多等原因并未大规模应用，因此完成铸造后的水玻璃砂被大量堆放或填埋。同时，水玻璃砂在铸造过程中还会引入大量重金属离子，在堆放过程中水玻璃中的碱性物质及铸造引入的重金属离子会随雨水缓慢渗出，对周围环境污染，所以，在很多地区废弃水玻璃砂被列为危险废弃物，每年铸造企业要花费大量的资金对其进行安全处理。
3.用于制备水玻璃砂的铸造用原砂通常是级配良好的硅砂，具备良好力学性能，是优质的建筑材料，同时建筑业也是消耗固体废弃物最有效的途径。若将废弃水玻璃砂应用于建筑行业，一方面可以降低建筑成本，另一方面可以使废弃水玻璃砂得到再利用，同时降低环境污染治理成本。但是未经处理的废弃水玻璃砂直接应用于传统混凝土中将使得混凝土力学性差和耐久性大幅下降，不利于废弃水玻璃砂的再利用，无法实现废弃水玻璃砂在建筑行业有效资源化的问题。
4.因此，亟需一种废弃水玻璃砂的处理方法和能实现其在建筑领域应用的用途，以解决当前废弃水玻璃砂排量大，资源化困难的问题。

技术实现要素：

5.本发明各实施例提供了一种废弃水玻璃砂的处理方法。该废弃水玻璃砂的处理方法可以将水玻璃砂表面残留的水玻璃膜苛化溶解，从而成为适用于制备碱激发材料的砂水混合物，同时提出一种以处理后的水玻璃砂水混合物作为碱激发剂，以粉煤灰、矿粉等其他常见固废为激发胶凝材料制备碱激发绿建材的方法，所述技术方案如下：
6.该废弃水玻璃砂的处理方法包括以下步骤：
7.s1：用涡流磁选机对所述废弃水玻璃砂进行磁选，磁选后,用破碎机进行破碎得废弃水玻璃砂初级处理品，同时用集尘器收集破碎过程中产生的粉尘。
8.s2：用所述涡流磁选机对所述废弃水玻璃砂初级处理品进行再次磁选，磁选后，和所述粉尘混合，得废弃水玻璃次级处理品。
9.s3：将所述废弃水玻璃次级处理品和溶液、活化剂按照质量比为7-15:6-8:1-3的份数混合并陈化，得到水玻璃砂水混合料。
10.可选地，包括步骤s1之前的步骤s0：将完成铸造后的铸件通过振动台高频震动进行清砂得所述废弃水玻璃砂，用所述收集器收集振动过程中产生的所述粉尘。
11.可选地，步骤s3中先将所述废弃水玻璃次级处理品和所述溶液混合，置于密闭搅拌机中预搅拌1-2min，再加入所述活化剂，继续搅拌1-2min，维持所述废弃水玻璃次级处理品、所述溶液和所述活化剂的混合料的温度为45-60摄氏度。
12.可选地，还包括步骤s3之后的步骤s4：调节所述密闭搅拌器的压力为0.3-0.5mpa，保持所述压力5-10min并继续搅拌。
13.可选地，步骤s2中所述废弃水玻璃次级处理品粒径中值为铸造用原砂粒径中值的2-4倍。
14.可选地，步骤s2中将所述废弃水玻璃次级处理品和所述粉尘按照质量比为100：5-100：15的比例混合。
15.可选地，所述废弃水玻璃砂所用的粘结剂为钠水玻璃、钾水玻璃和钾钠水玻璃中的一种，模数为1.8-3。
16.可选地，所述粘结剂的掺量按质量计为3-5％。
17.可选地，所述溶液为清水或含有碱性物质的水，所述活化剂为生石灰，所述生石灰的比表面积不小于400m2/kg，所述生石灰中氧化钙含量不少于95％。
18.本发明各实施例提供了一种如以上任一项所述的废弃水玻璃砂的处理方法的用途，经该处理方法处理废弃水玻璃砂得到的水玻璃砂水混合料可作为碱激发剂，并以粉煤灰、矿粉等常见固废作为碱激发胶凝材料制备碱激发免烧砖或碱激发混凝土。
19.有益效果：
20.1、打破了废弃水玻璃砂在建筑行业一直未能实现有效应用的困境。
21.2、将水玻璃砂清砂及破碎过程中产生的粉尘与废弃水玻璃初级处理品混合，实现废弃水玻璃砂的全量化应用，将其应用于碱激发材料制备，充分利用其自身的水玻璃成分，将其原本在资源化中的劣势变成了优势，同时相较于水玻璃砂干法及湿法再生的资源化方案而言不存在二次污染问题。
22.3、为企业节约每年用于水玻璃砂的大笔资金，减少企业负担。
23.4、利用废弃水玻璃砂作为细集料在建筑行业中应用，减少了建筑材料成本，经济效益明显。
24.5、将陈化后的水玻璃砂水混合物与粉煤灰、矿粉等常见的固废协同制备碱激发混凝土等材料。利用通过行业交叉，实现了以废治废、固废协同资源化的效果。
附图说明
25.图1为本发明提供的一种废弃水玻璃砂的处理方法流程图；
26.图2为本发明提供的另一种废弃水玻璃砂的处理方法流程图；
27.图3为实施例1提供的废弃水玻璃砂形貌视图；
28.图4为实施例1提供的废弃水玻璃砂之间的粘结桥形貌视图；
29.图5为实施例1提供的水玻璃砂水混合料形貌视图；
30.图6为实施例1提供的水玻璃砂水混合料形貌视图；
31.图7为实施例1提供的水玻璃砂水混合料形貌视图。
具体实施方式
32.为了使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明，但不能理解为对本发明的可实施范围的限定。
33.实际生产中，废弃水玻璃砂直接应用在建筑材料，导致建筑材料的力学性能和耐久性能差的原因如下：首先，废弃水玻璃砂表面的水玻璃膜存在碱性物质，该碱性物质对水泥水化有极大劣化作用，影响水泥的水化及水泥基体的微观结构；其次，水玻璃膜主要成分为缩聚硅凝胶，该缩聚硅凝胶使得废弃水玻璃砂表面光滑，影响砂子与水泥的机械咬合效果，劣化砂子与水泥基体的界面过渡区；再次，由于破碎不彻底，因为水玻璃膜的粘结作用粘结在一起的团簇水玻璃砂自身力学性能差，也会在混凝土内部造成初始薄弱区域。
34.目前没有有效解决上述应用难点的技术手段，废弃水玻璃砂也一直未能实现在混凝土中的大规模应用。本发明提供一种废弃水玻璃砂的处理方法，可将废弃水玻璃砂中的碱性物质苛化，充分溶解废弃水玻璃砂表面的水玻璃膜，得到有利于制备碱激发材料的富含naoh和si
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的砂水混合物，并提出以水玻璃砂水混合料为碱激发剂及细骨料，以粉煤灰、矿粉等常见固废为被激发材料的碱激发建材制备方法。
35.参阅说明书图1，该废弃水玻璃砂的处理方法包括以下步骤：
36.s1：用涡流磁选机对废弃水玻璃砂进行磁选，磁选后,用破碎机进行破碎得废弃水玻璃砂初级处理品，同时用集尘器收集破碎过程中产生的粉尘。
37.用涡流磁选机对废弃水玻璃砂进行磁选的目的在于去除废弃水玻璃砂中的大块金属，利于废弃水玻璃砂在建筑材料中的再利用。用破碎机进行破碎的目的是使废弃水玻璃砂的粒径变小，便于陈化过程中碱性物质的苛化及水玻璃膜的溶解，便于作为细骨料使用。然而，过度破碎会导致废弃水玻璃砂粒径劣化，同时造成砂子内部损伤，而破碎不足会导致陈化后粘结再一起的废弃水玻璃砂解聚不完全，优选废弃水玻璃砂初级处理品为水玻璃原砂最大粒径的2-4倍。收集破碎中的粉尘是因为粉尘中包含大量的碱性物质，将其收集利用可增加陈化后砂水混合物中碱性物质的总量，同时也避免处理过程中产生二次污染物。
38.s2：用涡流磁选机对废弃水玻璃砂初级处理品进行再次磁选，磁选后，和粉尘混合，得废弃水玻璃砂次级处理品。
39.再次磁选的目的是进一步去除废弃水玻璃砂初级处理品中小金属颗粒，如铁和铝颗粒等。因为这些金属颗粒在碱激发胶凝材料中会反应引起材料膨胀，进而影响其综合性能。磁选后将粉尘和废弃水玻璃砂初级处理品混合形成废弃水玻璃砂次级处理品。
40.s3：将废弃水玻璃次级处理品和溶液、活化剂按照质量比为7-15:6-8:1-3混合，得到水玻璃砂水混合料。
41.粉尘中含有大量的水玻璃膜，s2过程中加入的粉尘量越多，水玻璃砂水混合料中氢氧化钠含量越大，掺量过大会引入过量的细砂粉，同时破碎过程中收集的粉尘总量有限，具体用量可根据经s3处理后废弃水玻璃砂的用途中对氢氧化钠含量要求进行调整。
42.本发明通过将废弃水玻璃砂破碎至合适的粒径并利用涡流磁选后，在合适的温度及压力环境中，在活化剂的作用下通过陈化，将废弃水玻璃砂中的碱性物质苛化成naoh，同时利用高温高压及高碱性环境使得废弃水玻璃砂表面水玻璃膜溶解，得到富含naoh和si
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的砂水混合物，并将其作为细骨料及碱激发剂，利用粉煤灰、矿粉等常见固废作为被激发剂
制备碱激发建筑材料，上述操作具备如下有益效果：1、打破了废弃水玻璃砂在建筑行业一直未能实现有效应用的困境。2、利用破碎过程中产生的粉尘实现陈化后砂水混合物中碱性物质含量的调节，完成废弃水玻璃砂的全量化应用，同时将废弃水玻璃砂应用于碱激发材料制备，充分利用其自身的水玻璃成分，将其原本在资源化中的劣势变成了优势，同时相较于水玻璃砂干法及湿法再生的资源化方案而言不存在二次污染问题。3、利用废弃水玻璃砂作为细集料在建筑行业中应用，减少了建筑材料成本，经济效益明显。4、每年为企业节约大量废弃水玻璃砂处理费用，减少企业负担。5、将陈化后的水玻璃砂水混合物与粉煤灰、矿粉等常见的固废协同制备碱激发混凝土等材料。利用通过行业交叉，实现了以废治废、固废协同资源化的效果。
43.参阅说明书图2，在一个实施例中，废弃水玻璃砂的处理方法包括步骤s1之前的步骤s0：将完成铸造后的铸件通过振动台高频震动进行清砂得废弃水玻璃砂，用收集器收集振动过程中产生的粉尘。步骤s0中的粉尘同样可用于和废弃水玻璃砂初级处理品混合。
44.在一个实施例中，步骤3中先将废弃水玻璃次级处理品和溶液混合，置于搅拌机中预搅拌1-2min，再加入活化剂，继续搅拌1-2min，维持废弃水玻璃次级处理品、溶液和活化剂的混合料的温度为45-60摄氏度。优选地，溶液的温度为80-100℃。
45.参见说明书图2，在一个实施例中，废弃水玻璃砂的处理方法还包括步骤s3之后的步骤s4：调节搅拌器的压力为0.3-0.5mpa，保持压力5-10min并继续搅拌。
46.利用缩聚硅凝胶在强碱性及高温高压环境中易溶解的特性，使得砂子表面的缩聚硅凝胶膜及富含大量水玻璃膜的粉尘充分溶解，同时粘结在一起的水玻璃砂团聚体解聚,以保证水玻璃砂表面膜中碱性成分充分参与步骤s3中的反应,得富含强碱性物质及si
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的水玻璃砂水混合料。
47.可选地，步骤s2中废弃水玻璃次级处理品粒径中值为铸造用原砂粒径中值的2-4倍。
48.过分破碎会极大地破坏废弃水玻璃砂的粒径分布，而破碎不充分会造成步骤s3中的废弃水玻璃砂不能完全解聚，当废弃水玻璃次级处理品粒径中值为铸造用原砂粒径中值的2-4倍则可以避免上述两种情形。
49.可选地，步骤s2中将废弃水玻璃次级处理品和粉尘按照质量比为100：5-100：15的比例混合。
50.可选地，废弃水玻璃砂所用的粘结剂为钠水玻璃、钾水玻璃和钾钠水玻璃中的一种，模数为1.8-3。
51.可选地，粘结剂的掺量按质量计为3-5％。
52.粘结剂形成废弃水玻璃砂表面的水玻璃膜，用于连接型砂。当粘结剂在废弃水玻璃砂中的掺量达到3-5％时，废弃水玻璃次级处理品和溶液、生石灰按照质量比为7-15:6-8:1-3混合反应能力良好。
53.可选地，溶液为清水或含有碱性物质的水，所述的活化剂为生石灰，生石灰的比表面积不小于400m2/kg，生石灰中氧化钙含量不少于95％。
54.所用清水可用其他含有碱性物质的废水代替，以提高废弃水玻璃次级处理品和生石灰混合物的反应效果，同时减少淡水消耗。所用氧化钙一部分充当了水玻璃砂中残留水玻璃膜的活化剂，一部分作为碱激发材料的辅助激发剂。其比表面积不小于400m2/kg，所述
的生石灰中氧化钙含量不少于95％，以确保其能快速水化，短时间释放大量热量，同时实现完全消解，避免未消解部分对其作为细骨料应用造成不良影响。
55.生石灰中氧化钙的比表面积大于等于400m2/kg，利于反应的快速进行。
56.本发明还提供了一种如以上任一项所述的废弃水玻璃砂的处理方法的用途，经该处理方法处理废弃水玻璃砂得到的水玻璃砂水混合料可作为碱激发剂，以粉煤灰、矿粉等常见固废作为碱激发胶凝材料制备碱激发免烧砖或碱激发混凝土。
57.参阅说明书图3，一种碱激发免烧砖的制备方法：
58.1、将经废弃水玻璃砂的处理方法得到的水玻璃砂水混合料中加入粉煤灰、矿粉、赤泥等火山灰活性固体废弃物粉料，继续搅拌3min，得到碱激发免烧砖混合料。
59.2、将上述碱激发免烧砖混合料根据强度需求通过注模或震动压制成型的方式得到砖胚，然后在70-80℃摄氏度环境下蒸汽养护3-4h，然后以15-20℃/h的降温速率降温至40-50℃左右取出，在室温环境，相对湿度80-90％左右环境下养护7-14天即可得到可直接应用于施工作业的碱激发免烧砖。
60.经废弃水玻璃砂的处理方法得到的废弃水玻璃砂水混合料中的氢氧化钠充当了主要激发剂，水玻璃砂作为细骨料，粉煤灰、矿粉等具备火山灰活性的材料充当了胶凝相。养护过程遵循一般性碱激发材料强度发展规律，更高的温度及更高的养护压力可获得更快的水化速度及更好的水化程度，升温速度控制在15℃/h左右，降温速度控制在20℃/h左右，过快的升温降温速度将引起较大温度应力及开裂风险。
61.参阅说明书图4，一种碱激发混凝土的制备方法：
62.将经废弃水玻璃砂的处理方法得到的水玻璃砂水混合料中加入粉煤灰和矿粉，继续搅拌3min后加入240份5-20mm级配粗骨料，得到碱激发混凝土混料，将其装入模具，震动成型后在室温、相对湿度90％左右环境下养护28得到以水玻璃砂为细骨料，抗压强度为30.8mpa的碱激发混凝土。
63.经废弃水玻璃砂的处理方法得到的废弃水玻璃砂中的氢氧化钠充当了主要激发剂，水玻璃砂作为细骨料，粉煤灰、矿粉等具备火山灰活性的材料充当了胶凝相。相较于普通硅酸盐混凝土，碱激发混凝土的自然水化周期相对较长。
64.以下结合实施例对本发明进行进一步说明，实施例中所用废弃水玻璃砂来自河北秦皇岛某铸造厂，混砂时水玻璃模数为2.5，掺量为5％。根据季节及不同铸造厂的工艺不同，其所用水玻璃模数及掺量有轻微波动，对本技术方案所呈现的效果有轻微影响。
65.实施例1：
66.s0：将完成铸造后的铸件通过振动台高频震动进行清砂得废弃水玻璃砂，通过集尘器收集在清砂过程中产生的粉尘。
67.s1：然后通过涡流磁选机对废弃水玻璃砂进行磁选。将磁选后的废弃水玻璃砂通过破碎机破碎得废弃水玻璃砂初级处理品，废弃水玻璃砂初级处理品粒径中值为铸造用原砂粒径中值的2倍左右，破碎过程产生的粉尘用集尘器收集。
68.s2：将废弃水玻璃砂初级处理品及粉尘通过涡流磁选进行再次磁选，磁选后，废弃水玻璃砂初级处理品与粉尘按照质量比100：5的比例混合得到废弃水玻璃次级处理品。
69.s3：在密闭搅拌机中按质量份数加入100份废弃水玻璃次级处理品，60份90℃清水，置于搅拌机中预搅拌2min，然后按质量比加入20份生石灰，继续搅拌2min，维持混料温
度为45摄氏度。
70.s4：调节搅拌器压力为0.4mpa，继续搅拌并保持压力陈化5min，以保证水玻璃砂表面膜中碱性成分充分反应，得富含强碱性物质及si
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的水玻璃砂水混合料，此时混合料水中氢氧化钠浓度约2.1m/l，砂子细度模数为2.1。
71.参见说明书图,5和图6，步骤s1中的废弃水玻璃砂中砂块之间通过水玻璃膜粘结在一起。参见说明书图7，步骤s3获得的水玻璃砂水混合料中砂块之间的水玻璃膜已经溶解。
72.实施例2：
73.s0：将完成铸造后的铸件通过振动台高频震动进行清砂得废弃水玻璃砂，通过集尘器收集在清砂过程中产生的粉尘。
74.s1：然后通过涡流磁选机对清砂得到的废弃水玻璃砂进行磁选。将磁选后的废弃水玻璃砂通过破碎机破碎得废弃水玻璃砂初级处理品，废弃水玻璃砂初级处理品粒径中值为铸造新砂砂粒径中值的4倍左右，破碎过程产生的粉尘用集尘器收集。
75.s2：将废弃水玻璃砂初级处理品及收集到的粉尘通过涡流磁选进行再次磁选，磁选后，废弃水玻璃砂初级处理品与破碎过程收集到的粉尘按照质量比100：10的比例混合得到废弃水玻璃次级处理品。
76.s3：在密闭搅拌机中按质量份数加入100份废弃水玻璃次级处理品，80份70℃清水，置于搅拌机中预搅拌2min，然后按质量比加入40份生石灰，继续搅拌2min，维持混料温度为45摄氏度。
77.s4：调节搅拌器压力为0.4mpa，继续搅拌并保持压力10min，以保证水玻璃砂表面膜中碱性成分充分反应，同时粘结在一起的水玻璃砂团聚体解聚。得富含强碱性物质及si
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的水玻璃砂水混合料，此时混合料水中氢氧化钠浓度约2.7m/l，砂子细度模数为2.5。
78.实施例3
79.水玻璃砂水混合料为细骨料制备碱激发路面砖。将实施例1所制备的水玻璃砂水混合料中加入20份粉煤灰、10份矿粉，继续搅拌3min，得到碱激发免烧砖混合料；将上述碱激发免烧砖混合料按照1.2的松铺系数装入制砖模具中，在35mpa压力下震动压制成型制备路面砖砖胚，然后将其置于以15℃/h的升温速度升温至80℃、压力0.8mpa的环境下蒸汽养护4h，然后以20℃/h左右的降温速率降温至40℃左右取出，在室温、相对湿度90％左右环境下养护14得到以水玻璃砂为细骨料的，抗压强度为36.8mpa的碱激发免烧砖。
80.实施例4
81.水玻璃砂水混合料作为细骨料制备碱激混凝土。将实施例2所制备的水玻璃砂水混合料中加入20份粉煤灰、40份矿粉，继续搅拌3min后加入240份5-20mm级配粗骨料，得到碱激发混凝土混料，将其装入模具，震动成型后在室温、相对湿度90％左右环境下养护28得到以水玻璃砂为细骨料，抗压强度为30.8mpa的碱激发混凝土。

技术特征：

1.一种废弃水玻璃砂的处理方法，其特征在于，包括以下步骤：s1：用涡流磁选机对所述废弃水玻璃砂进行磁选，磁选后,用破碎机进行破碎得废弃水玻璃砂初级处理品，同时用集尘器收集破碎过程中产生的粉尘；s2：用所述涡流磁选机对所述废弃水玻璃砂初级处理品进行再次磁选，磁选后，和所述粉尘混合，得废弃水玻璃次级处理品；s3：将所述废弃水玻璃次级处理品和溶液、活化剂按照质量比为7-15:6-8:1-3混合，得到水玻璃砂水混合料。2.如权利要求1所述的废弃水玻璃砂的处理方法，其特征在于，包括步骤s1之前的步骤s0：将完成铸造后的铸件通过振动台高频震动进行清砂得所述废弃水玻璃砂，用所述收集器收集振动过程中产生的所述粉尘。3.如权利要求1所述的废弃水玻璃砂的处理方法，其特征在于，步骤3中先将所述废弃水玻璃次级处理品和所述溶液混合，置于密闭搅拌机中预搅拌1-2min，再加入所述活化剂，继续搅拌1-2min，维持所述废弃水玻璃次级处理品、所述溶液和所述活化剂的混合料的温度为45-60摄氏度。4.如权利要求3所述的废弃水玻璃砂的处理方法，其特征在于，还包括步骤s3之后的步骤s4：调节所述密闭搅拌器的压力为0.3-0.5mpa，保持所述压力5-10min并继续搅拌。5.如权利要求1所述的废弃水玻璃砂的处理方法，其特征在于，步骤s2中所述废弃水玻璃次级处理品粒径中值为铸造用原砂粒径中值的2-4倍。6.如权利要求1所述的废弃水玻璃砂的处理方法，其特征在于，步骤s2中将所述废弃水玻璃次级处理品和所述粉尘按照质量比为100：5-100：15的比例混合。7.如权利要求1所述的废弃水玻璃砂的处理方法，其特征在于，所述废弃水玻璃砂所用的粘结剂为钠水玻璃、钾水玻璃和钾钠水玻璃中的一种，模数为1.8-3。8.如权利要求7所述的废弃水玻璃砂的处理方法，其特征在于，所述粘结剂的掺杂量按质量计为3-5％。9.如权利要求1所述的废弃水玻璃砂的处理方法，其特征在于，所述溶液为清水或含有碱性物质的水，所述活化剂为生石灰，所述生石灰的比表面积不小于400m2/kg，所述生石灰中氧化钙含量不少于95％。10.一种如权利要求1-9任一项所述的废弃水玻璃砂的处理方法的用途，其特征在于，经该处理方法处理废弃水玻璃砂得到的水玻璃砂水混合料可作为碱激发剂，以粉煤灰、矿粉等常见固废作为碱激发胶凝材料制备碱激发免烧砖或碱激发混凝土。

技术总结

本发明涉及水玻璃砂资源化领域，提供一种废弃水玻璃砂的处理方法和用途。该处理方法包括以下步骤：S1：对废弃水玻璃砂进行磁选、破碎，得到废弃水玻璃砂初级处理品，同时收集破碎过程中产生的粉尘。S2：对上述废弃水玻璃砂初级处理品进行再次磁选，并将上述粉尘按比例与处理后水玻璃砂混合，得废弃水玻璃次级处理品。S3：将上述废弃水玻璃次级处理品和溶液、生石灰活化剂按照质量比为7-15:6-8:1-3的份数混合并完成陈化，得到水玻璃砂水混合料。本申请打破了水玻璃砂在建筑行业一直未能实现有效应用的困境；将水玻璃砂清砂及破碎过程中产生的废粉与水玻璃混合，实现水玻璃砂的全量化应用，同时应用过程不存在二次污染问题。同时应用过程不存在二次污染问题。同时应用过程不存在二次污染问题。