固碳胶凝材料研究进展

固碳胶凝材料是指能与CO₂反应并将其他物料胶结为整体且具有一定机械强度的新型胶凝材料,利用固碳胶凝材料制备碳化制品是CO₂资源化利用的重要途径,也是当前的研究热点。本文在明晰了固碳胶凝材料的定义与矿相组成的基础上,综合分析了固碳胶凝材料主要矿相的碳化反应活性、微结构演变与力学性能以及多介质传输反应机理,介绍了国内外固碳胶凝材料的3种主要体系与应用现状,展望了固碳胶凝材料未来的研究方向与应用前景,为我国水泥工业烟气中CO₂的高效建材化利用提供研究思路。     

固废基路用胶凝材料配制及性能研究

以粉煤灰、电石渣、脱硫石膏、钢渣、矿渣等工业固体废弃物为主要原料,配制道路水稳层路用胶凝材料,全部或部分替代路用水泥,开展原料预处理加工和配比优化实验,考察原料细度和原料配方对胶凝试块强度的影响。结果表明：通过粉磨机械力活化,可明显增强固废的胶凝活性,其中,适宜的粉煤灰、电石渣、脱硫石膏、矿渣粉的中位径D50范围为8～12μm,而适宜的钢渣微粉中位径D50为5～8μm之间;通过固废超微粉原料间配方优化,可获得7 d和28 d强度分别为29.3 MPa和37.5 MPa的70%固废掺加量的无机胶凝粉体材料,该固废优化配比为粉煤灰：电石渣：脱硫石膏：钢渣：矿渣=31.8∶13.6∶9.1∶27.3∶18.2,按比例加入30%P·S42.5水泥,在此配方体系下,胶砂试块强度可以达到或超过纯路用32.5水泥强度指标。     

碱激发剂浓度及模数对碱矿渣胶凝材料抗压性能及水化产物的影响研究

采用水玻璃(复掺氢氧化钠调整模数)激发粒化高炉矿渣活性制备碱矿渣净浆试样.采用抗压强度测试、X-射线衍射(XRD)、综合热分析(TG-DSC)等技术手段研究了激发剂碱浓度(4%、6%、8%)及模数(0.75、1.00、1.50、2.00)对碱矿渣胶凝材料抗压性能及水化产物的影响.研究结果表明:激发剂模数较低时(0.75和1.00),碱矿渣胶凝材料抗压强度随着碱浓度的增加而呈下降趋势;激发剂模数较高时(1.50和2.00),试件强度在碱浓度为6%时达到最大值.在相同碱浓度下,激发剂模数为1.50时试件抗压强度值最大.碱矿渣胶凝材料主要水化产物为C-S-H凝胶,同时伴有C-A-S-H凝胶生成.另外观测到少量斜方钙沸石(CaAl2Si2O8· 4H2O)的生成.在部分配合比中还观测到水滑石(Mg6Al2(OH)16CO3· 4H2O)的存在.碱浓度较高的碱矿渣胶凝材料中生成了较多的C-S-H水化产物.激发剂模数较高时(1.50和2.00),更有利于碱矿渣中C-S-H水化产物的生成.碱浓度/模数较低时, C-S-H产物结晶度有所提高.相较于C-S-H凝胶结晶度,其生成量对碱矿渣胶凝材料抗压强度的影响更为显著.     

超高强碳矿化材料的设计与制备

碳矿化材料是由固碳胶凝材料通过与CO₂在常规环境下的碳化反应快速形成以碳酸钙为主要基体组成的复合材料,是实现工业烟气CO₂建材化利用的重要技术途径。本工作以γ-C₂S为固碳胶凝材料,研究了Fe掺杂、壳聚糖引入、养护制度设计3种复合增强措施对碳矿化材料力学性能与产物组成的影响规律。结果表明,不同的增强措施并非简单的叠加效应,也存在矛盾关系,其中,可以获得超高强度的组别有：Fe–γ-C₂S+壳聚糖引入的碳矿化材料在养护24 h后抗压强度达到200 MPa以上,壳聚糖引入组可以在延长养护时间后获得更高的强度上限,养护7 d后抗压强度可达约230MPa。Fe–γ-C₂S组的碳酸钙晶型以方解石为主,而长期CO₂养护下的γ-C₂S组则为文石相组成。不同的产物组成也是影响强度增长的重要因素,由此提出超高强碳矿化材料的理想结构模型：壳聚糖存在于硅凝胶与碳酸钙之间,连接两相,方解石生长于内部,文石包裹于外部。方解石为碳矿化体养护早期提供强度,文石则在外...     

铁尾矿微粉对低熟料胶凝材料混凝土性能的影响研究

以铁尾矿微粉和低熟料胶凝材料体系为对象,主要研究了基准水泥-粉煤灰-矿渣粉组成的低熟料胶凝材料体系在铁尾矿微粉不同掺量下对混凝土的和易性、抗压强度、体积稳定性、耐久性,以及早期水化热的影响规律.结果 表明,在混凝土相同流动状态下,掺20％的铁尾矿微粉不会增大混凝土减水剂用量,28 d混凝土强度满足强度等级要求.掺15％的铁尾矿微粉能延长净浆和胶砂体系首次开裂时间,能够减小混凝土的后期干燥收缩.将铁尾矿微粉控制在20％的掺量以内时,不会降低混凝土的耐久性能.通过水化热试验发现,低熟料胶凝材料体系能够明显降低浆体早期水化热和最大放热速率.即便在大掺量下,铁尾矿微粉低熟料胶凝材料混凝土长龄期强度仍可以满足要求,具有应用的技术可行性.     

硅酸盐固废胶凝材料固镉的试验研究

以硅酸盐矿冶固废为原料制备胶凝材料,进行固镉试验,并借助XRD和IR对水化产物进行了基础研究.结果 表明,在钢渣掺量不超过30％,Cd2+浓度不高于30 mg/kg时,固镉试样28 d龄期Cd2+浸出质量浓度低于饮用水5 μg/L的限值.XRD和IR测试结果表明,胶凝材料水化产物主要为AFt、Friedel盐和C-S-H凝胶.胶凝材料固镉试样中存在着多种协同作用,是其固镉效率较高的主要原因.     

复合胶凝材料对混凝土抗压强度的影响

以不同比例的粉煤灰、矿粉、天然矿物和活化剂，进行双掺、三掺和四掺配制成复合胶凝材料，并按不同比例等量替代水泥配制C30混凝土（水胶比为0．49），然后测定各试样混凝土拌合物的坍落度以及7d，28d，60d的混凝土抗压强度。结果表明：（1）以粉煤灰、矿粉、天然矿物和活化剂四掺配的复合胶凝材料35％～40％等量替代水泥，其拌合物的坍落度比基准混凝土提高15％-33％，其混凝土的60d龄期抗压强度可比基准混凝土提高9％-14％以上；（2）试验条件下最佳的复合胶凝材料配料方案为：粉煤灰30％－50％、矿渣30％－60％、天然矿物5％－10％、活化剂为5％－10％。     

复合组分调节材料对重构转炉钢渣胶凝性能的影响

采用钢铁企业自身排放的白渣和热闷渣为组分调节材料,在实验室内开展了转炉钢渣的高温重构试验,研究了组分调节材料组成及重构温度对转炉钢渣胶凝性能的影响.试验结果表明,转炉钢渣经高温重构后,胶凝活性得到了显著的提高,可达到甚至超过GB/T 20491-2006中所规定的一级钢渣粉的标准;相较处理温度和掺量,组分调节材料的比例对重构钢渣7d和28d的胶凝活性影响最为显著;综合7d和28d的活性指数,最佳的重构条件是组分调节材料中白渣的质量分数为60％～70％、重构温度为1000℃和复合组分调节材料的掺量为60％～70％.     

辅助胶凝材料及保水型外加剂对砂浆性能的影响

研究了辅助胶凝材料粉煤灰、磨细矿渣对砂浆保水性和抗压强度的影响,再将粉煤灰与磨细矿渣以不同比例复配掺入砂浆中,研究水泥-粉煤灰-矿渣复合胶凝体系对砂浆保水性和强度的影响.结果表明,粉煤灰对砂浆保水性贡献大,对强度贡献小,与矿渣相反,综合保水率和强度两方面因素,应对砂浆进行水泥-粉煤灰-矿渣复合配伍,但3种情况下砂浆的保水性均不能达到国家标准要求.基于以上结果,研究了保水型矿物外加剂石灰石粉和化学外加剂纤维素醚对纯水泥砂浆保水性和强度的影响.结果表明石粉能大幅改善砂浆的保水性,但对工作性造成不利影响,纤维素醚在改善保水性的同时降低强度.基于以上研究,将石粉和纤维素醚复掺到水泥-粉煤灰-矿渣复合胶凝体系的砂浆中,结果表明砂浆在牺牲小部分强度下可获得保水率的大幅提升.     

工业固废制备低碳胶凝材料的研究进展

以工业固废制备水泥熟料、全固废无熟料胶凝材料以及固废基碱激发胶凝材料是当前水泥行业节能减排与碳达峰的主要研究方向,是我国绿色循环发展的大势所趋。本文从固废制备水泥熟料、固废制备全固废胶凝材料以及固废基碱激发胶凝材料3个方面介绍目前的研究进展,具体分析了其制备工艺、原材料的选择以及种类的情况,以期为固废利用和水泥行业的节能减排提供参考。     

外加剂对低钙玻璃态胶凝材料微观结构的影响

通过电镜和 X-射线衍射实验 ,研究了在外加剂作用下矿渣、磷渣、粉煤灰形成的低钙玻璃态胶凝材料的微观结构。根据各胶凝材料的组成及活性 ,应用钠 -钙 -硫混合激发机理 ,同时考虑水化产物的平衡和结构的合理 ,最大限度的激发玻璃态胶凝材料的活性。     

胶凝材料体系对透水混凝土性能的影响

选取了水泥(Cement,C)、水泥-粉煤灰(Cement-Fly ash,C-FA)、水泥-硅灰(Cement-Silica fume,C-SF)和碱激发粉煤灰矿渣胶凝材料(Alkali-activated Fly ash-Slag,AA-FA-SL)四种胶凝材料体系制备了透水混凝土,并研究了不同胶凝材料体系对透水混凝土抗压强度、透水性能及耐酸雨侵蚀性能的影响.结果 表明:C体系透水混凝土透水性能较好,但抗压强度和耐酸雨侵蚀性需进一步提高;C-FA体系透水混凝土具有较好的耐酸雨侵蚀性能,但抗压强度偏低;C-SF体系和AA-FA-SL体系透水混凝土均有合适的抗压强度和耐酸雨侵蚀性能,虽然透水性能略低于C体系透水混凝土但仍能满足工程排水需求;综合考虑使用性能、经济成本以及社会环境效益,制备高性能透水混凝土可优先选用AA-FA-SL胶凝体系.     

铬铁渣基低温陶瓷胶凝材料的性能研究

本文介绍了一种铬铁渣的综合利用方法,用铬铁渣基胶凝材料制备低温陶瓷复合材料.通过单因素实验考察了铬铁渣、矿渣、粉煤灰、石灰、脱硫石膏等对胶凝材料性能的影响,得出了胶凝材料各组分的最佳配比,即:铬铁渣/矿渣/粉煤灰/矿物激发剂/脱硫石膏/石灰=40/20/7/24/4/5,其常温、常压7d和28 d抗压强度分别可达32.57 MPa和56.00 MPa.通过对胶凝材料净浆XRD、SEM微观分析,水化产物主要为水化硅酸钙和氢氧化钙等,水化产物相互叠加、交织成不规则的网状结构,28 d的水化结构已十分致密,使复合材料具有良好的物理力学性能.固化体试块7d和28 d Cr的毒性浸出浓度分别为0.0082 mg/L和0 mg/L,远低于国家Cr毒性浸出鉴别标准值(5.0mg/L),在综合利用了铬铁渣的同时,更好地稳定化其中的毒性元素Cr,具有一定的环境效益和经济益.     

水化产物对复合胶凝材料力学性能的影响

采用矿冶固体废弃物取代部分水泥制备胶凝材料用于矿山充填可实现对资源的有效利用,并减少固废中重金属排放对环境造成的破坏.本文利用铅锌冶炼废渣、尾矿制备出了具有一定力学强度的充填胶凝材料,其强度指标满足矿渣硅酸盐水泥的强度要求.通过扫描电子显微镜及X射线衍射分析研究了材料的水化产物种类及数量,从微观上阐述了在不同水化龄期和物料配比下,材料水化产物对强度发展的影响.综合考虑各因素后确定采用铅锌尾矿10％、冶炼渣54％、水泥熟料27％、添加剂掺量9％的配合比,可以制得较为理想的充填胶凝材料,其28 d抗折、抗压强度分别为7.03 MPa、34.07 MPa.     

固废基复合胶凝材料配比优化设计及协同效应研究

利用多种固废协同制备固废基复合胶凝材料(MSSWB)是固废资源化利用的有效途径,然而,相对复杂的原材料组成和较低的力学性能限制了MSSWB的应用。本文首先借助D-optimal设计方法设计了100组实验配比作为数据集,然后创建了PSO-BP模型用于MSSWB力学性能的预测,并通过粒子群优化算法(PSO)确定了各原材料的最佳质量配比,最后采用XRD、TG-DTG和NMR等微观分析方法研究了MSSWB的水化产物以及多元固废之间的协同效应。结果表明：PSO-BP模型可有效预测胶凝材料的抗压强度,经粒子群优化算法优化后的配比强度明显高于未优化配比强度,最优配比组的28 d胶砂抗压强度较未优化配比组提高了20.8%;优化配比组的较高强度主要与水化产物钙矾石和C-S-H凝胶生成量较多且水化产物之间的交联度较高有关,这表明各原材料配比优化之后,其协同效应更加明显。     

玄武岩粉对海工胶凝材料性能及水化的影响

利用玄武岩粉、矿粉及脱硫石膏大掺量取代硅酸盐水泥制备海工胶凝材料,研究了玄武岩粉对海工胶凝材料抗压强度及抗氯离子渗透性能的影响,并通过红外光谱、X射线衍射、压汞等手段研究了其水化机理.结果表明,当玄武岩粉掺量小于24％ 时,56 d龄期的海工胶凝材料具有良好的性能,与普通硅酸盐水泥相比,尽管抗压强度有所降低,但抗氯离子渗透性能提高了76％.适量玄武岩粉能优化水泥-矿粉胶凝体系的级配,在掺量从6％ 增加到30％ 时,28 d龄期的浆体孔隙率提高了2.3％,但浆体的孔径分布得到了优化.     

碳酸钙晶须对脱硫石膏基复合胶凝材料性能的影响

在脱硫石膏基复合胶凝材料(DGCM)中加入不同掺量的碳酸钙晶须,探究了碳酸钙晶须对DGCM的力学性能、耐水性能及耐候性能的影响,并从微观角度揭示碳酸钙晶须的作用机理。结果表明,掺入碳酸钙晶须可以有效改善DGCM的力学性能,随着晶须掺量的增加,硬化体7 d与28 d的绝干抗压强度先缓慢上升后下降又逐渐上升,而绝干抗折强度呈现波动状态;掺入碳酸钙晶须对DGCM耐水性能的提升效果不明显,当掺量大于1%后,大多数试样的吸水率都较空白组有所上升,而软化系数有所下降;碳酸钙晶须有助于提升DGCM的耐干湿性能和耐冻融性能,当掺量为1%时,基体的干湿循环溶蚀率最小达到0.22%,冻融循环强度系数最大达到0.75,试件的耐候性能较好。     

煤基固废制备胶凝材料研究进展及应用

煤矸石、粉煤灰、气化渣作为煤炭开采—化工转化—燃煤发电等过程产生的固体废弃物,年排放量超过15亿t,综合利用率约60%,主要以低端建工建材消纳为主,市场趋于饱和。随着环保政策趋近,煤基固废的资源化利用新途径开发迫在眉睫。基于煤基固废具有铝硅酸盐成分、潜在的火山灰活性和特殊的微观结构等胶凝特性,低成本高性能的低碳胶凝材料成为其规模化高值利用的新途径。综述煤基固废胶凝材料的活性激发技术及应用领域。活性激发方面,阐述了物理激发、碱激发和酸激发等活化方式对胶凝材料矿相变化的影响规律和产品性能调控,总结了现有技术的优势和需要解决的问题。应用领域方面,分析了煤基固废胶凝材料在建筑材料、道路修复、环境修复等领域的应用效果。基于上述现状,对煤基固废胶凝材料激发机理研究、组分配比优化、材料环保性能、工程应用推广等未来发展方向进行展望。研究对煤基固废制备胶凝材料具有重要的借鉴意义,为煤基固废规模化利用提供新途径。     

新型混凝土用绿色复合胶凝材料的试验研究

掺入不同比例的粉煤灰、矿粉、天然矿物和活化剂配置C30混凝土(水胶比为0.49),测定了混凝土的坍落度以及7d、28d、60d的抗压强度.通过分析各C30混凝土的性能,确定了复合胶凝材料中粉煤灰的掺量为30%～50%,矿渣的掺量为30%～60%,天然矿物的掺量为5%～10%,活化剂的掺量为5%～10%.     

半水磷石膏固化原状磷石膏制备胶凝材料及性能研究

以原状磷石膏（RPG）为基材,通过单因素实验研究了原状磷石膏（RPG）与β-半水磷石膏（HPG）相对掺量以及生石灰、水泥、硅灰3种掺合料对磷石膏基复合胶凝材料（PGBM）抗压强度、抗折强度及软化系数的影响规律以及作用机理。结果表明：HPG、生石灰、水泥、硅灰相对掺量的增加均能有效提高PGBM的强度及软化系数,其中硅灰的作用最为明显。但是,当生石灰和水泥的掺量（以质量分数计）分别大于4%和6%时,对PGBM耐水性能的改善不明显。当RPG与HPG相对掺量（质量分数比）为7∶3,生石灰、水泥、硅灰掺量（以质量分数计）分别为4%、12%、5%时,试件28 d抗压强度和软化系数分别可以达到26.29 MPa和0.79。微观分析表明：各掺合料主要通过水化产物填充率影响RPG颗粒之间的接触强度,进而对PGBM的强度和耐水性产生影响。