养护方式对碱激发矿渣/粉煤灰胶凝材料抗压强度影响研究

本工作主要研究了不同粉煤灰掺量的碱激发矿渣/粉煤灰复合胶凝材料(AASF)分别在标准养护、烘箱养护及微波养护下强度发展规律,并通过水化产物和微结构的演化就强度发展进行机理分析。采用X射线衍射(XRD)、热重-差示扫描热分析(TG-DSC)、扫描电子显微镜(SEM)等技术手段对水化产物微观结构进行了系统研究。结果表明:热养护能显著提高胶凝材料的前期水化反应,促进C(N)-S(A)-H凝胶的生成。对比标准养护1 d强度,经烘箱养护和微波养护后的AASF试样强度分别提升了144%~531%、184.4%~385.5%。相较于烘箱养护,绝大多数情况下微波养护具有更大的优势。随着粉煤灰掺量提高,标养试样各龄期强度均持续降低。而20%、40%的粉煤灰掺量分别对微波养护及烘箱养护试样抗压强度发展有积极的影响。

基于水合物层骨架重构的低温早强胶凝材料

针对于天然气水合物能源试采过程中出砂导致试采作业被迫终止的问题,在水合物第2次试采工作经验和层内加固、防砂理论的基础上,进行了水合物层骨架重构的低温早强胶凝材料体系构建研究。该研究对比了嘉华G级、超细水泥和早强水泥的低温早期强度和长期长度、粒径分布,基于满足层内加固骨架重构孔隙尺寸,进行了低温早强胶凝材料组分设计,以水泥浆流动度、早强性及成本为目标,尽可能提高固结体的早期强度,为后续增渗提供更多强度下降空间。通过研究超细油井水泥与嘉华G级水泥的配比、早强剂优选及加量优化,构建出了低温早强胶凝材料体系,该体系在15℃水浴下24 h抗压强度可达到12.86 MPa,具有良好的流动性、稠化时间和失水可控性,相较于文献的低温早强水泥浆体系具有更好的增渗高强特性。该研究为后续研究水合物层内骨架重构高渗透、高强度的工作液体系奠定了材料基础。

铅冶炼渣基生态胶凝材料的研发及重金属固化

铅冶炼渣(LSS)是一种含有重金属(Cr、Ni、Cu、Zn、As和Pb)的危险废物,其不当处置会对生态系统造成不可挽回的危害。本工作采用化灰渣(LAS)、水氯镁石(BF)、矿粉(SP)及适量水泥(CM)协同激发铅冶炼渣制备生态胶凝材料。通过正交试验得到胶凝材料的最优配比,阐述了不同因素对生态胶凝材料抗压强度的影响;采用XRD、SEM、FTIR、硫酸和硝酸法等方法分析了胶凝材料水化产物的特性及重金属浸出规律。研究结果表明:当铅冶炼渣和水泥的质量比为3∶1,化灰渣、水氯镁石、矿粉的外掺量分别为铅冶炼渣和水泥质量总量的20%、10%、10%时,制备出的生态胶凝材料抗压强度最优,28 d抗压强度达到40.9 MPa,且矿粉掺量为影响其抗压强度的第一要素。微观分析表明,胶凝材料的水化产物主要为弗里德尔盐、方解石、C-S-H和C-A-S-H,它们相互连接形成致密的空间网络结构,这不但有助于提高胶凝材料的力学性能,还能实现对重金属元素的物理固封和离子交换吸附固化。胶凝材料对主要重金属的胶结固化率大于83%,重金属浸出液浓度符合生活饮用水卫生标准(GB5749-2006)的要求。

钢渣-矿渣基胶凝材料的协同水化机理

通过胶砂强度试验及X射线衍射仪(XRD)、热失重分析(TG-DTG)、扫描电镜-能谱仪(SEM-EDS)等微观测试技术,对不同配合比钢渣-矿渣基胶凝材料的力学性能、水化产物及其水化硬化过程进行了研究.结果表明:当胶凝材料的n(CaO+MgO)/n(SiO2+Al2O3)=0.90时,其水化后期有较多的水化硅酸钙、水化铝酸钙凝胶生成,微观结构更加致密,力学性能表现最优,28 d抗压强度和抗折强度分别达到20.20、7.25 MPa;pH值的变化反映出协同水化效应的关键在于钢渣活性矿物的溶解和矿渣的二次火山灰反应,钢渣和矿渣的最佳配合比可以保证水化程度有较高的水平.

赤泥脱碱活化及在胶凝材料中的应用

总结了目前赤泥在脱碱、活化方面的研究现状,分析对比了各方法的优势以及存在的问题,综述了国内外赤泥在胶凝材料中的应用研究,在赤泥资源化应用方面具有积极引导意义。

硅酸镁基胶凝材料的制备与性能研究进展

硅酸镁基胶凝材料是由活性氧化镁和硅质原材料及外加剂按照一定比例混合制得,具有低碳排放、轻质高强、隔热保温等优良特点,受到了国内外学者的广泛关注。主要从原料配比、水化机理及其性能的影响因素综述了硅酸镁基胶凝材料的研究进展,硅酸镁基胶凝材料的性能主要受MgO活性、养护温度、Mg/Si比和外加剂、掺合料掺量的影响。其中MgO活性与Mg/Si比对体系反应产物影响显著,养护温度对反应进程起到了控制作用。概述了当前硅酸镁基胶凝材料存在的问题,并提出了可行的改进措施。

利用电石渣替代水泥开发固碳胶凝材料

本研究利用电石渣替代部分水泥,制备新型固碳胶凝材料,研究了不同电石渣含量的胶凝材料对600 kg/m3等级泡沫混凝土的基础性能及固碳性能的影响。研究表明:电石渣的掺入导致泡沫混凝土气孔变大,28 d抗压强度先升高后降低,保温性能提高;当电石渣取代10%水泥,制备出的泡沫混凝土干密度为595 kg/m3,28 d抗压强度比未掺加电石渣的提高4.2%,达5.0 MPa;当电石渣取代50%水泥,制备出的泡沫混凝土导热系数比未掺加电石渣的降低17.1%,为1.131 W·m-1·K-1。电石渣掺加有利于改善泡沫混凝土收缩,当电石渣掺量增加,泡沫混凝土先呈现收缩减小后出现膨胀。碳化养护不仅能够固化封存CO_(2),还能提高泡沫混凝土的力学性能与保温性能。电石渣掺量越高,泡沫混凝土固碳能力越强,电石渣掺量为50%时,CO_(2)的捕获量达到46.02 wt%。

早强型钢渣基胶凝材料的制备及其水化机理研究

钢渣是炼钢过程中产生的主要废弃物,具有用途单一、产生量大、污染环境等特点。本文使用钢渣微粉、42.5普通硅酸盐水泥分别与增强剂Ⅰ、增强剂Ⅱ混合制备早强型钢渣基胶凝材料,通过测定原料化学成分、矿物组成,测试胶凝材料的力学性能,分析其热稳定性、微观形貌来揭示胶凝材料的水化机理。研究结果表明:胶凝材料的早期抗压强度大幅提高,后期抗压强度良好;这是因为增强剂能促进Ca(OH)2消耗并提高水化反应速率,Ca(OH)2水解出的OH-能促进钢渣微粉中玻璃体溶出硅酸盐,与Ca^(2+)生成C-S-H凝胶;增强剂含有的硫酸盐能与胶凝材料生成钙矾石AFt,并填充于凝胶孔隙中,增强了材料的密实度。早强型钢渣基胶凝材料的最优配比为钢渣微粉125 g、增强剂Ⅱ用量10 g。研究成果为早强型钢渣基胶凝材料的制备提供了新思路,也可为钢渣综合利用研究提供借鉴。

矿物掺合料对复合胶凝材料浆体静态屈服应力的影响

复合胶凝材料浆体的静态屈服应力可用于表征浆体内部微观结构建立的特性,且对新拌水泥基材料的施工与3D打印过程有很大影响。本文研究了矿物掺合料的种类和掺量对复合胶凝材料浆体静态屈服应力变化规律的影响。研究发现,矿物掺合料的细度增大使颗粒表面的水膜层厚度减小,导致浆体的静态屈服应力增大。复合胶凝材料浆体的静态屈服应力在加水搅拌后的一段时间内缓慢增加,浆体结构建立速率较小。在加水搅拌后大约1.5 h,复合胶凝材料浆体的静态屈服应力迅速增大,表明浆体内部结构的连接程度已接近不可破坏的程度,浆体开始凝结,向固体状态转变。

低品质固废协同制备绿色充填胶凝材料

随着国家对环境保护要求日趋严苛,水泥价格逐年提高,以水泥作为充填胶凝材料的充填采矿成本不断提高,利用低品质固废开发低成本绿色充填胶凝材料替代水泥,对于提高矿山经济效益具有重要的现实意义。以邯邢地区某磁铁矿选矿全尾砂为骨料,利用周边固废资源进行矿渣基胶凝材料配比优化试验研究,获得矿渣基胶凝材料的配比:盐激发剂13%+碱激发剂11%+矿渣粉76%。胶砂比1∶4、料浆浓度66%的全尾砂矿渣基胶凝材料胶结充填体7d、28d强度分别为3.42 MPa和4.50 MPa,分别为42.5水泥强度的3.1倍和2.5倍,成本约为42.5水泥成本的70%。在此基础上,进一步利用钢渣固废,开展钢渣基全固废绿色充填胶凝材料的配比试验研究,获得钢渣基胶凝材料的配比:33%钢渣微粉+14%硫酸盐激发剂+53%矿渣微粉。胶砂比1∶4、料浆浓度66%的全尾砂钢渣基胶凝材料胶结充填体7d、28d强度分别为3.28 MPa和4.50 MPa,分别为42.5水泥强度的3.2倍和2.5倍,成本约为42.5水泥的60%。研究结果可为低成本绿色胶凝材料研发提供新思路。

低碳复合胶凝材料对水泥和混凝土性能的影响

将粉煤灰和矿粉按不同质量比(m_(粉煤灰)∶m_(矿粉)=7∶3、6∶4、5∶5)制备成了低碳复合辅助性胶凝材料,研究了其等质量替代15%、30%的水泥对胶凝材料需水量比、流动度比和活性指数的影响,优选出了最佳m_(粉煤灰)∶m_(矿粉)。在此基础上,研究了低碳复合辅助性胶凝材料等质量替代0、10%、15%、20%、30%的水泥对胶凝材料标准稠度用水量和凝结时间的影响,以及等质量替代0、10%、20%、30%、40%的水泥对C50混凝土工作性和力学性能的影响。结果表明:在水泥中掺入适量低碳复合辅助性胶凝材料有效改善了胶凝材料体系的工作性,延缓了早期(3 d)水化速度,提高了胶砂7 d、28 d抗压强度,最佳m_(粉煤灰)∶m_(矿粉)为5∶5;随着低碳复合辅助性胶凝材料掺量的增加,胶凝材料的标准稠度用水量变化很小,凝结时间延长;C50混凝土的坍落度随着低碳复合辅助性胶凝材料掺量的增加而增大,7 d和28 d抗压强度先增大后减小,最佳掺量为30%。

典型硫酸盐固废复合胶凝材料制备与微观特性研究

硫酸盐类工业固废造成的环境污染和资源浪费问题引起了国内外学者的广泛关注,当前中国两种典型的硫酸盐类固废(电解锰渣和磷石膏)堆存量巨大,造成严重的环境污染,其无害化与资源化利用刻不容缓。依据电解锰渣、磷石膏两种固体废弃物的特性,利用电解锰渣和磷石膏结合矿渣制备复合胶凝材料,探究了磷石膏和水泥不同掺量对复合胶凝材料硬化体力学性能的影响。通过XRD、SEM和EDS分析了硬化体的物相组成和微观形貌变化特征,同时对硬化体进行毒性浸出测试。结果表明:硬化体各龄期强度随着水泥掺量增加而增大,硬化体各龄期强度随着磷石膏掺量增加而减小。复合胶凝材料较优配合比(质量分数)为电解锰渣为50%、磷石膏为20%、矿渣为30%,水泥外掺12%的硬化体28 d抗压强度为27.1 MPa,硫酸盐固废复合胶凝材料的水化产物主要为水化硅酸钙(C-S-H)凝胶和钙矾石(AFt)。养护至28 d的硬化体浸出液中可溶性Mn^(2+)、NH_(4)^(+)-N、PO_(4)^(3-)和重金属离子浓度稳定后满足GB 8978—1996《污水综合排放标准》的排放要求。

基于正交试验的地聚合物胶凝材料性能研究

以粉煤灰和矿渣作为原材料,基于正交、优化试验确定地聚合物胶凝材料的最优配合比,即粉煤灰与矿渣粉质量比为1∶2,碱激发剂掺量为12%,水玻璃模数为1.2。开展微观试验,以探讨地聚合物反应机理。研究结果表明,地聚合物胶凝体系中含有C-S-H,C-A-S-H和N-A-S-H,其相互交织构成了密实的微观结构,水泥基胶凝材料反应产物主要为Ca(OH)_(2)、钙矾石、SiO_(2)等,且在水泥基胶凝材料界面可看到明显层状叠加的Ca(OH)_(2)、针棒状的钙矾石等物质形成的结构层;水泥基胶凝材料具有较多孔隙,导致水泥基胶凝材料性能弱于地聚合物胶凝材料。

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。

碳酸钙晶须对碱矿渣胶凝材料的减缩增强作用

针对碱矿渣胶凝材料易收缩开裂等问题,采用一种新型微米级纤维——碳酸钙晶须对碱矿渣胶凝材料进行减缩增强,研究了碳酸钙晶须掺量对碱矿渣胶凝材料流变性能、抗压强度和干燥收缩的影响,并探究其显微增强机理.结果表明:微米级碳酸钙晶须的掺入对碱矿渣胶凝材料流动性影响较小,当碳酸钙晶须掺量为3%时,其新拌浆体塑性黏度为12.33 Pa·s,较未掺碳酸钙晶须的对照组仅增长14.48%,其硬化浆体28 d抗压强度可达105.8 MPa;碱矿渣胶凝材料的干燥收缩率随着碳酸钙晶须掺量的增加而降低,当碳酸钙晶须掺量为5%时,其28 d干燥收缩率仅有0.87%,较未掺碳酸钙晶须的对照组降低32.56%;碳酸钙晶须与基体紧密结合,在基体受力破坏时分散其所受应力,提升了碱矿渣胶凝材料的力学性能;碳酸钙晶须在体系内部的桥接作用能够有效延缓碱矿渣胶凝材料微裂纹的形成与扩展,在一定程度上遏制了宏观裂纹的发展.

磷石膏基胶凝材料和骨料制备C40高性能混凝土研究

磷石膏基胶凝材料和骨料制备混凝土,可为高消纳磷石膏固废提供新思路;然而将磷石膏同时作胶凝材料和骨料制备混凝土的研究鲜有报道。为此研究了磷石膏基胶凝材料组成、骨料级配、砂率和水胶比对混凝土性能的影响规律,并通过XRD和SEM微观测试初探其机理。结果表明:采用5%的P·O 42.5级水泥、30%的磷石膏、65%矿粉制成的胶凝材料时,外掺0.5%NaOH+5%水玻璃和1%NaAlO_(2)复合激发剂,控制胶凝材料用量600 kg/m^(3),磷石膏破碎砂替代40%河砂,砂率41%,水胶比0.34,可制备出工作性能良好,初凝时间大于25 h,3 d、28 d及60 d抗压强度分别大于20.0 MPa、48.0 MPa和55.0 MPa,绝热温升低于35℃,60 d膨胀率大于180με的大掺量磷石膏基C40低温升微膨胀高性能混凝土。混凝土胶凝材料主要水化产物为AFt和C-S-H凝胶,胶凝浆体可穿透磷石膏骨料表面空隙,产生机械嵌锁作用使磷石膏骨料与胶凝浆基体结合更加紧密。

低碳胶凝材料的研究进展

水泥作为构筑现代社会不可或缺的原材料,在满足基础设施建设巨大需求的同时,自身生产伴随着CO_(2)排放高的问题。近年来,为减少水泥生产过程中的CO_(2)排放,实现水泥行业可持续发展,人们提出了一系列CO_(2)减排措施,包括提高能源效率、使用替代原燃料、使用辅助胶凝材料、采用CCUS技术以及开发新型低碳胶凝材料等。从长远来看,低碳胶凝材料将在水泥行业CO_(2)减排中起重要作用。本文总结了低熟料水泥、低钙水泥、固碳水泥和碱激发胶凝材料四类低碳胶凝材料的研究进展,介绍了各类低碳胶凝材料的制备方法与基本性能,对比分析了传统硅酸盐水泥与低碳胶凝材料的CO_(2)排放,最后指出了低碳胶凝材料发展过程中存在的问题,并为其进一步研究工作提出了建议。

单组分碱激发胶凝材料的研究进展

碱激发胶凝材料(AACM)是普通硅酸盐水泥(OPC)的潜在替代品,可减少二氧化碳的排放,实现工业固废的综合利用。单组分碱激发胶凝材料(OP-AACM)有克服激发剂溶液的危险性、刺激性和腐蚀性方面的优势。综述了国内外关于OP-AACM的前驱体、激发剂、反应机理、力学性能与耐久性能等研究进展,并讨论和探索了OP-AACM面临的现实问题与尚需解决的问题。

粉煤灰基碱激发胶凝材料的制备及应用的研究进展

煤炭燃烧会产生大量的粉煤灰,如何实现这种工业固体废物的高附加值、高效利用是亟待解决的问题。制备碱激发胶凝材料是提高粉煤灰附加值的有效途径之一,可实现废弃物的资源化利用。介绍了粉煤灰的种类及性能,综述了粉煤灰基碱激发胶凝材料的制备及其应用,展望了其发展前景。

基于矿冶废渣制备充填专用胶凝材料

首先测定了矿冶废渣及原材料的基本化学性质,并根据测试结果研发了复合型强碱性激发剂,用于激发矿冶废渣活性,从而制备出适用于矿山充填专用胶凝材料;通过XRD测试了充填专用胶凝材料硬化体中的水化反应产物,结果表明:支撑充填体强度的主要物质为钙矾石(AFt)和氢氧化钙(CH)、铝胶(AH 8-10)、水化硅酸钙(C-S-H)、水化硅铝酸钙(C-A-S-H)等。一个AFt分子形成会结合和吸附32个H_(2)O分子,表明矿山充填专用胶凝材料更适合含水量较大的尾砂充填料浆。同时采用SEM分析了不同龄期充填硬化体内部结构,揭露了充填硬化体强度增长规律,并分析了各阶段硬化体产生强度的机理;通过强度试验测试了不同条件下两种胶凝材料充填体强度,结果表明充填专用胶凝材料(KS)制备的充填体强度指标高于水泥(SN)制备的充填体强度,强度值相差1倍。