固废基水化硅酸钙制备及综合利用研究进展

大宗固废是工业生产过程中产生的各种固体废弃物,大多数固废中含有较多的硅资源和各种有价资源。水化硅酸钙(C-S-H)是一种疏松多孔、表面活性强的材料,被广泛应用于水泥活化、保温材料制备和重金属吸附等方面,将大宗固废有价资源高效提取和硅资源高效利用制备C-S-H相结合,是提高固废资源化和实现C-S-H材料规模化利用的良好途径。因此,本文分析了固废基C-S-H的合成方法及其结构、性能特点,论述了C-S-H材料在建材、环境、化工、生物等领域的应用,并进一步展望了其未来的发展方向,从而为大宗固废的硅资源利用和C-S-H材料的可控制备提供参考。

生物炭-硅酸钙联合修复铅镉污染土壤的持续性效应

为探究棕榈生物炭与硅酸钙联合施用对Pb-Cd复合重金属污染土壤的钝化效果及其稳定性,本研究采用蔬菜种植盆栽实验,测定土壤溶液pH和Pb、Cd浓度以及蔬菜可食部分Pb、Cd含量。结果表明:与不添加钝化剂的对照组相比,添加钝化剂能够有效提高土壤溶液pH,使土壤溶液中Pb、Cd浓度显著降低,种植小白菜可食部分Pb含量下降62.20%~96.77%、Cd含量下降92.76%以上,多数处理符合国家食品安全标准。土壤种植适宜性研究结果表明,五种供试蔬菜可食部分重金属含量与富集系数规律一致,小白菜对Pb的富集能力最强,苋菜对Cd的富集能力最强。当土壤Pb<500 mg·kg^(-1)时,韭菜、苋菜、甘蓝和大白菜四种蔬菜均可种植;当土壤Cd>0.6 mg·kg^(-1)、Pb>500 mg·kg^(-1)时,不适宜种植上述五种蔬菜。本研究探明了钝化剂的持续修复效果,研究结果可为土壤修复提及中低污染风险地区的适宜蔬菜种植提供技术和数据支撑。

基于粗粒化分子动力学的自由水与水化硅酸钙孔隙水冻结模拟

水化硅酸钙是水泥基材料的主要水化产物,其孔隙内的水分是影响水泥基材料抗冻性的主要因素。本文基于粗粒化分子动力学方法研究水化硅酸钙孔隙水的冻结机制,针对水的粗粒化P_(4)粒子和水化硅酸钙胶体颗粒,建立了水化硅酸钙孔隙水的冻结模型。根据此模型计算了不同孔径孔隙水冰点,分析了水泥基材料孔径孔隙在冻融破坏中的危害程度;模拟得到了水化硅酸钙孔隙内水的冻结分布特征和密度分布特征。研究工作表明,本文建立的模型有效提高了分子动力学模拟水化硅酸钙孔隙水冻结问题的规模,为后续进行水泥基材料的冻融破坏分析提供了研究基础。

从纳米水化硅酸钙到水泥净浆弹性性能多尺度递推模型

混凝土具有多尺度结构特征,其力学性能受到不同水化产物组分及微观结构的影响。基于分子动力学方法、化学计量法和均质化方法,建立了从纳米尺度水化硅酸钙(C-S-H)到水泥净浆弹性性能多尺度递推模型,其计算结果与实验数据吻合较好。基于该模型的计算结果可得:C-S-H凝胶中44%的孔隙率致使其体积模量、剪切模量和杨氏模量分别降低了约66%、53%和55%。当水灰比从0.3变化至0.5时,水泥净浆的体积模量、剪切模量和杨氏模量分别降低了约39%、30%和32%;LD C-S-H和毛细孔的体积分数分别增大了13%和20%。水化产物中C-S-H的体积分数越大,或水泥熟料中硅酸三钙的质量分数越大,水泥净浆的弹性参数越大。该模型为水泥基材料微观调控提供了指导。

基于外掺纳米水化硅酸钙的免蒸养CRTSⅢ型轨道板混凝土性能研究

在混凝土中外掺质量分数1.0%的纳米水化硅酸钙并采用保温养护方式,采用温度测试仪、万能试验机等设备进行测试,对比蒸汽养护和保温养护两种养护方式下CRTSⅢ型轨道板混凝土的力学性能、耐久性能和微观形貌,探讨免蒸养的可行性。结果表明:采用保温养护方式,入模温度25℃,16 h龄期时保温养护混凝土抗压强度可达到45 MPa的脱模强度要求;与蒸汽养护混凝土相比,保温养护混凝土56 d电通量和56 d氯离子扩散系数分别降低15.6%和15.8%,且水化产物更加致密,微裂缝明显减少;经受300次冻融循环时,与蒸汽养护混凝土相比,28、56 d龄期保温养护混凝土相对动弹性模量分别提高7.8%和3.1%。综合来看,保温养护混凝土各方面性能均比蒸汽养护混凝土更优异,可在工程中尝试应用。

水化硅酸钙晶种研究进展

水化硅酸钙(C-S-H)是人们使用最多的材料水泥的主要成分,其对水泥基材料的强度有很大贡献。人工合成CS-H晶种作为纳米材料掺入水泥基材料后,可以改变水泥基材料的水化产物进程,甚至可以为水泥基材料赋予特殊的性质。为此,介绍C-S-H晶种的吸附作用和对水泥的外加剂作用,以及目前关于C-S-H晶种改性方面的研究。

星型聚羧酸分散剂对纳米水化硅酸钙特性调控研究

采用自由基聚合方法合成了梳型和星型聚羧酸分散剂(PCE),将其作为沉淀底料合成纳米水化硅酸钙晶核(C-S-H/PCE),研究C-S-H/PCE晶核粒径分布和形貌、PCE在C-S-H/PCE晶核表面的吸附量、C-S-H/PCE晶核对硅酸盐水泥水化的影响规律。结果表明:星型PCE较梳型PCE在C-S-H晶核表面具有更大的吸附量,能更好地调控C-S-H/PCE晶核粒径的生长;C-S-H/PCE晶核粒径越小,对硅酸盐水泥水化进程促进越剧烈,更小粒径的C-S-H/PCE晶核使28d硬化水泥浆体具有更少的缺陷孔和更高的抗压强度。

水养护温度对活性粉末混凝土强度及水化硅酸钙结构的影响研究

活性粉末混凝土(RPC)水化产物的主体是水化硅酸钙(C-S-H),但其易受温度影响,具有复杂多变的特点。本文分析了水养护温度对RPC的28d强度的影响规律,并利用^(29)Si核磁共振(NMR)技术研究了水养护温度对RPC浆体水泥水化程度、C-S-H凝胶Si原子结构特征、硅氧链平均分子链长(MCL)及Al[4]/Si等微结构参数的影响规律,探明了活性粉末混凝土C-S-H硅氧四面体聚合机制。结果表明:随着水养护温度的升高,RPC的抗压、抗折强度逐渐增大,折压比先增大后降低,其水化程度、硅氧链平均分子链长、Al[4]/Si逐渐增大;当水养护温度≥50℃时,硅灰的火山灰反应加剧,进一步提高了RPC内部水泥水化程度、C-S-H平均分子链长及Al[4]/Si。

凝胶孔对水化硅酸钙(C-S-H)力学性能影响的分子动力学模拟

本研究首先利用分子动力学分析了不同尺寸凝胶孔对水化硅酸钙(C-S-H)弹性力学参数的影响,然后模拟了不同受力状态下的受力变形性能,比较并分析了应力应变关系的特征参数变化。结果表明:C-S-H的体积模量、剪切模量和杨氏模量均随凝胶孔尺寸的增大而减小。凝胶孔会降低CS-H拉伸、压缩和剪切时的力学性能和变形性能,但不同受力状态下的影响程度不同。凝胶孔对抗拉强度的影响程度最大,对抗压和抗剪强度的影响程度较小且基本相同;对拉伸变形性能的影响程度最大,对压缩变形性能的影响程度最小。

钠钙硅渣常压脱碱同步制备硅酸钙粉体

以低温低钙烧结法处理赤泥产生的钠钙硅渣为原料,通过常压反应制备了硅酸钙粉体。利用XRD、XRF、PSD、SEM-EDS等检测手段,系统研究了不同反应条件对钠钙硅渣脱碱性能、物相转变和制备硅酸钙粉体的影响规律及其反应机理。结果表明:钠钙硅渣脱碱的最佳工艺条件为反应温度97℃、反应时间4 h、液固比10、苛碱质量浓度60 g/L,此时钠钙硅渣的脱碱率为94.67%,硅酸钙粉体的含水率和堆积密度分别为55.1%和0.31 g/cm^(3)。具有锡箔片状结构的C-S-H(I)型水化硅酸钙凝胶为硅酸钙粉体的主要物相。钠钙硅渣脱碱反应由内扩散控制,反应表观活化能为11.22 kJ/mol。

负载表没食子儿茶素没食子酸酯硅酸钙微球的制备及抗菌性能评价

背景:茶多酚的主要活性成分为表没食子儿茶素没食子酸酯,其具有抗氧化、抗菌、抗凋亡、抗炎等多种生物学功能。为实现表没食子儿茶素没食子酸酯的可控释放、提高其生物利用度,开发具有生物活性的茶多酚载体是亟待解决的难题。目的:制备高效负载表没食子儿茶素没食子酸酯的微球,同时加测其抗菌性能及生物相容性。方法:采用化学沉淀法分别制备硅酸钙微球与二氧化硅微球,利用X射线光电子能谱、透射电镜、场发射扫描电子显微镜、比表面积分析仪、激光粒度分析仪对微球的性能进行表征。将两种微球分别浸泡于表没食子儿茶素没食子酸酯溶液中,制备负载表没食子儿茶素没食子酸酯的硅酸钙微球与二氧化硅微球(分别记为CSM-EGCG、SM-EGCG),检测微球的载药量及包封率,以及体外表没食子儿茶素没食子酸酯的释放情况。将未载药的硅酸钙微球、二氧化硅微球及CSM-EGCG、SM-EGCG分别与金黄色葡萄球菌、大肠杆菌共培养,检测抑菌率。将上述4种微球分别与人皮肤成纤维细胞共培养,通过CCK-8法评估细胞活性。结果与结论:①表征实验结果显示,硅酸钙微球和二氧化硅微球均为介孔微球,分散性好,硅酸钙微球的比表面积、总孔体积、平均孔径均大于二氧化硅微球;②CSM-EGCG的包封率为(72.0±0.5)%,载药量为(58.4±0.4)%;SM-EGCG的包封率为(41.6±0.7)%,载药量为(45.0±1.3)%;CSM-EGCG微球较SM-EGCG微球具有更好的药物携载能力,且体外释药时间可持续19 d以上,累计释放量达到(88.1±3.0)%;③二氧化硅微球无抗菌能力,硅酸钙微球、SM-EGCG、CSM-EGCG对金黄色葡萄球菌的抑菌率分别为(28.0±4.2)%,(63.9±1.0)%,(95.6±0.5)%,对大肠杆菌的抑菌率分别为(27.5±7.0)%,(51.9±1.4)%,(93.4±1.0)%;④CCK-8检测显示,硅酸钙微球及CSM-EGCG具有良好的细胞相容性,具有促进人皮肤成纤维细胞增殖的能力;⑤结果表明,负载表没食子儿茶素没食子酸酯的硅酸钙微球具有良好的抗菌性及细胞相容性。

粉煤灰衍生水合硅酸钙PEI改性及吸附去除Cu(Ⅱ)与催化降解有机污染物

随着工业的快速发展,相关制造领域排放的污水重金属铜离子污染愈发严重。与此同时,催化领域对铜金属资源的需求却不断增加。本研究利用粉煤灰和改性剂聚乙烯亚胺(PEI)制备了低成本改性水合硅酸钙(PCSH),用于吸附水溶液中的铜离子(Cu(Ⅱ)),并进一步碱处理固定于表面的Cu(Ⅱ),形成铜基活性材料用于有机污染物的催化降解。相比于未改性的样品(CSH),PCSH对Cu(Ⅱ)的饱和吸附容量提高100%,高达588 mg/g。研究发现,这主要是因为添加PEI有利于形成较大的比表面积、优良的孔隙结构以及Cu(Ⅱ)与-NH_(2)之间的强络合。从PCSH获得的铜基催化剂呈现纺锤形多孔形貌,作为催化剂分别用于活化过氧硫酸氢钾(PMS)氧化降解罗丹明B(RhB)和活化硼氢化钠(NaBH4)还原降解4-硝基苯酚(4-NP),速率常数达到0.7135/min(pH(7.0±0.3);[RhB]=20 mg/L;[PMS]=0.12 g/L;[催化剂]=0.8 g/L)和11.47×10^(-3)/s(pH(11.0±0.3);[4-NP]=10^(-4)mol/L;[NaBH4]=5×10^(-3)mol/L;[催化剂]=0.167 g/L),是CSH催化剂体系的20和19倍。本工作利用固体废弃物粉煤灰实现了水溶液中铜元素的再利用,为水中污染物的有效处理和利用提供了新启示。

不同硅质原料水热合成水化硅酸钙物相及其反应效率的研究

为探究不同硅质原料对水热合成水化硅酸钙物相的影响,研究了温度和硅钙比对产物的影响。采用X射线衍射(XRD)分析了水化硅酸钙物相,并探究了不同硅质原料与Ca(OH)_(2)的反应效率。结果表明,不同硅质原料与Ca(OH)_(2)的反应效率由高到低依次为硅藻土、石英、珍珠岩;在硅藻土-石灰体系中,硅藻土中非晶态二氧化硅的Si—O更易被破坏,具有不稳定性,致使硅藻土反应效率更高。在石英-石灰体系中,随着钙硅比的提高,空气中的CO_(2)参与反应,生成碳硅钙石与片柱钙石,且托贝莫来石与硬硅钙石会逐渐消失,通过合理调控硅钙比和水热温度可有效地控制反应产物,这对于不同硅质原料的选择、水热合成水化硅酸钙中产物的控制及水热合成水化硅酸钙应用领域具有重大意义。

微波干燥多孔硅酸钙干燥动力学及微观结构演化

探究微波功率和样品负载量对多孔硅酸钙微波干燥动力学和特性的影响.结果表明,Midilli模型是微波干燥多孔硅酸钙的最佳模型.多孔硅酸钙水分有效扩散系数(Deff)随着样品负载量的降低和微波功率的增加呈上升趋势,样品负载量为4~30 g时,对应的Deff=4.265×10^(-9)~1.967×10^(-9)m^(2)/s,微波功率为100~350 W时,对应的Deff=3.222×10^(-9)~25.224×10^(-9)m^(2)/s,微波功率密度相同时,微波功率愈大Deff越高.增加多孔硅酸钙负载量和增加微波功率都能提升微波干燥效率,样品负载量为4~30 g时,对应的微波干燥效率为6.04%~21.52%,微波功率为100~350 W,对应的干燥效率为11.57%~28.69%.通过扫描电子显微镜和傅立叶变换红外光谱对材料进行表征,微波干燥后的多孔硅酸钙与传统方法干燥后的相比,脱除了部分化学结合水,颗粒的团聚减少,颗粒分散性明显提高.

硅酸钙板质废弃物处理含铅污水及土壤试验

硅酸钙板固体废弃物中通常含有托贝莫来石,在污水处理和土壤改良剂制备方面具有潜在应用价值。分别以抛光粉和废弃硅酸钙板为原料制备吸附剂和土壤改良剂,通过吸附—脱附和土壤重金属固化试验探究其对含铅污水和铅污染土壤的处理效果。结果表明:(1)废弃的硅酸钙板和抛光粉的主要成分为托贝莫来石,二者对溶液中Pb^(2+)均有较好的吸附效果且不易脱附,其中抛光粉吸附剂对Pb^(2+)的吸附容量为264.84 mg/g,废弃硅酸钙吸附剂对Pb^(2+)的吸附容量为275.12 mg/g。(2)2种改良剂对土壤中Pb^(2+)的固化效果良好,若提高相互之间的接触,改良效果有望进一步提高。(3)2种改良剂均可以降低土壤容重,同时使土壤水分蒸发加快。研究结果可为硅酸钙板废弃物的消纳利用提供有益参考。

纳米水化硅酸钙对C60盾构管片混凝土性能的影响

为避免蒸汽养护给混凝土长期耐久性带来的负面影响,免蒸养混凝土技术的研究逐渐得到重视,纳米水化硅酸钙由于其显著的早强功效而被应用于免蒸养混凝土制备。采用标准养护、蒸汽养护和掺加纳米水化硅酸钙晶核早强剂(n-C-S-H)3种方式制备C60混凝土,研究了n-C-S-H对混凝土性能的影响。结果表明,10、20、30℃养护条件下掺n-C-S-H制备的混凝土12 h抗压强度较对比样分别提高了185%、113%、34%,并且其收缩性能与抗渗性能较蒸养混凝土得到明显提高。加入n-C-S-H缩短了水泥的初、终凝时间,加快了新拌混凝土的坍落度损失。n-C-S-H显著加快了水泥的早期水化,特别是C3S的水化速率,这种加速效果在1 d后逐渐减小直至消失。

竹浆纤维增强水化硅酸镁与水化硅酸钙的性能研究

以竹浆纤维为增强材料,采取抄取法制备了竹浆纤维/水化硅酸镁复合材料(BFMSC)和竹浆纤维/水化硅酸钙复合材料(BFCSC),研究了竹浆纤维掺加质量分数对两种基体复合材料物理和力学性能的影响。研究结果表明:与未掺纤维对照组相比,掺加质量分数为20%的纤维导致BFMSC和BFCSC的表观密度分别下降了26.8%和30.3%;竹浆纤维的掺加显著改善了两种复合材料的力学性能,纤维掺加质量分数为20%时,蒸养2 d之后BFMSC与BFCSC的抗弯强度分别较未掺纤维的对照组提高了11.9倍和9.9倍,断裂韧性提高了492倍和515倍;复合材料荷载-挠度曲线结合XRD和SEM分析结果表明,随着龄期的延长,BFMSC受力破坏时依然保持延性断裂,而BFCSC受力破坏时则存在由延性断裂向脆性断裂发展的趋势。

硅酸钙类骨水泥改性研究进展

硅酸钙类骨水泥材料具有良好的自固化性能,能够作为硬组织修复材料对缺损的骨和牙进行填充和修复,但是由于其力学性能不足、固化时间长等缺点限制了其在临床上的应用范围。该文主要综述了硅酸钙粉体的制备方法及硅酸钙类骨水泥的力学强度、凝结时间、可注射性、降解及生物相容性等,并提出今后的研究重点是利用各体系骨水泥间的性能互补关系,将硅酸钙类骨水泥与其他体系骨水泥进行交叉复合,有望获得综合性能优良的无机复合骨水泥。

水化硅酸钙(C—S—H)的研究及应用现状

总结了单矿水化法、火山灰反应法、溶胶-凝胶法、溶液法以及化学沉淀法等人工合成C—S—H的方法;归纳了常用的研究C—S—H组成、结构等的表征技术和模拟研究方法;分析了外掺离子对C—S—H结构和性能的影响;阐述了目前人工合成C—S—H应用现状,主要为直接应用于建材领域和水处理、陶瓷增韧等领域中。对C—S—H研究存在的主要问题进行了总结,对后续的研究进行了展望,为后续C—S—H的深入研究提供有效信息。

漂白化学桉木浆的掺入对硅酸钙板物理性能的影响

本研究主要探讨了在制备硅酸钙板过程中掺入漂白化学桉木浆对其物理性能的影响。结果表明,与空白样(只添加未漂硫酸盐针叶木浆)相比,当漂白化学桉木浆纤维添加量为20%(替代未漂硫酸盐针叶木浆比例)时,硅酸钙板弯曲强度为17.3 MPa,提高了0.2 MPa;抗冲击强度由9.5 kJ/m2提高至10.5 kJ/m2,提高了10.5%;层间结合强度为1.54 MPa,也有小幅提升;孔隙率和吸水率达到最佳平衡点。此外,扫描电子显微镜和红外光谱分析表明,掺入漂白化学桉木浆对硅酸钙板的物理性能和微观晶型无明显负面影响。