随着全球资源短缺和环境污染问题的加剧，工业固体废弃物的高效利用已成为材料科学和环境工程领域的重要研究方向。《硅铝基全固废胶凝材料水化动力特性》围绕硅铝基全固废胶凝材料的水化动力特性展开系统研究，探索其水化反应机理、强度发展规律及性能优化方法，为固废资源化利用提供理论支撑和实践指导。《硅铝基全固废胶凝材料水化动力特性》介绍了工业固废原材料（如矿渣、自燃煤矸石、偏高岭土等）的化学成分、矿物组成及活化特性。在此基础上，通过使用单因素控制变量法，揭示水胶比、前驱体配比、碱激发剂参数不同对胶凝材料强度的影响。采用X射线衍射（XRD）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）、扫描电子显微镜（SEM）、热重分析（TG_DTG）等表征技术，对硅铝基全固废胶凝材料水化反应机理、强度发展规律进行深入解析。《硅铝基全固废胶凝材料水化动力特性》的研究成果可为绿色建筑材料的研发提供科学依据，对推动工业固废的高值化利用、降低碳排放及促进可持续发展具有重要意义。
目录前言第1章 绪论 11.1 研究背景及意义 11.2 国内外研究现状 21.2.1 煤矸石的种类与分类 21.2.2 全固废胶凝材料研究现状 51.3 研究内容 91.3.1 前驱体协同匹配机制与性能调控 91.3.2 水化动力特性 11第2章 自燃煤矸石_矿渣全固废胶凝材料水化动力特性 132.1 引言 132.2 试验概况 132.2.1 试验材料 132.2.2 试验方案 162.2.3 试件制备及养护 172.2.4 试验方法 182.2.5 测试方法 192.3 结果与讨论 202.3.1 抗压强度分析 202.3.2 凝结时间分析 242.3.3 流动度分析 282.3.4 水化产物分析 292.3.5 微观结构分析 332.4 小结 38第3章 自燃煤矸石_矿渣_熟石灰全固废胶凝材料水化动力特性 403.1 引言 403.2 试验概况 413.2.1 试验材料 413.2.2 试验方案及试件制备 433.2.3 试验方法 443.2.4 测试方法 453.3 结果与讨论 453.3.1 粒化高炉矿渣掺量的影响 453.3.2 熟石灰掺量的影响 473.3.3 碱激发剂参数对抗压强度的影响 483.3.4 熟石灰掺量对水化产物的影响 493.3.5 微观形貌分析 523.4 小结 53第4章 自燃煤矸石_粒化高炉矿渣_偏高岭土全固废胶凝材料水化动力特性 564.1 引言 564.2 试验概况 574.2.1 试验材料 574.2.2 试验方案及试件制备 604.2.3 试验方法 624.2.4 水化产物分析 624.2.5 微观形貌 624.3 结果与讨论 634.3.1 自燃煤矸石掺量的影响 634.3.2 碱激发剂参数对抗压强度的影响 644.3.3 碱激发剂参数对流动度的影响 664.3.4 碱激发剂参数对水化产物的影响 664.3.5 碱激发剂掺量对早期水化进程的影响 724.3.6 微观形貌分析 744.4 小结 75第5章 自燃煤矸石_粒化高炉矿渣_粉煤灰全固废胶凝材料水化动力特性 775.1 引言 775.2 试验概况 775.2.1 原材料的性质 775.2.2 配合比及试件制备 815.2.3 抗压强度试验 825.2.4 流动度试验 825.2.5 水化产物分析 835.2.6 微观形貌 835.3 结果与讨论 845.3.1 自燃煤矸石掺量的影响 845.3.2 碱激发剂参数对抗压强度的影响 855.3.3 碱激发剂参数对流动度的影响 865.3.4 碱激发剂掺量对水化产物的影响 875.3.5 微观形貌分析 905.4 小结 92第6章 自燃煤矸石_矿渣_锂渣全固废胶凝材料水化动力特性 946.1 引言 946.2 试验概况 956.2.1 试验材料 956.2.2 配合比设计 976.3 结果与讨论 986.3.1 力学性能分析 986.3.2 凝结时间分析 1016.3.3 流动度分析 1056.3.4 XRD分析 1066.3.5 FTIR分析 1076.3.6 SEM_EDS分析 1086.4 小结 113第7章 自燃煤矸石_矿渣_磷渣全固废胶凝材料水化动力特性1147.1 引言 1147.2 试验概况 1157.2.1 试验材料 1157.2.2 试验方案 1177.3 结果与讨论 1187.3.1 抗压强度分析 1187.3.2 凝结时间分析 1227.3.3 流动度分析 1257.3.4 水化产物分析 1267.3.5 微观结构分析 1297.4 小结 134第8章 自燃煤矸石_矿渣_钢渣全固废胶凝材料水化动力特性 1368.1 引言 1368.2 试验概况 1378.2.1 试验材料 1378.2.2 试验方案 1408.3 结果与讨论 1428.3.1 水胶比对抗压强度的影响分析 1428.3.2 激发剂模数对抗压强度的影响分析 1438.3.3 碱当量对抗压强度的影响分析 1448.3.4 不同固废配比对抗压强度的影响分析 1458.3.5 水化产物XRD分析 1478.3.6 水化产物FTIR分析 1488.3.7 水化产物SEM分析 1498.4 小结 153第9章 自燃煤矸石_矿渣_硅灰全固废胶凝材料水化动力特性 1559.1 引言 1559.2 试验概况 1559.2.1 试验材料 1559.2.2 试验方案 1579.3 结果与讨论 1589.3.1 水胶比对抗压强度的影响分析 1589.3.2 激发剂模数对抗压强度的影响分析 1609.3.3 碱当量对抗压强度的影响分析 1619.3.4 不同固废配比对抗压强度的影响分析 1639.3.5 水化产物XRD分析 1649.3.6 水化产物FTIR分析 1659.3.7 水化产物SEM分析 1669.4 小结 169第10章 自燃煤矸石_矿渣_陶瓷粉全固废胶凝材料水化动力特性 17110.1 引言 17110.2 试验概况 17110.2.1 试验材料 17110.2.2 试验方案 17310.3 结果与讨论 17510.3.1 水胶比对抗压强度的影响分析 17510.3.2 激发剂模数对抗压强度的影响分析 17610.3.3 碱当量对抗压强度的影响分析 17710.3.4 不同固废配比对抗压强度的影响分析 17810.3.5 水化产物XRD分析 18010.3.6 水化产物FTIR分析 18110.3.7 水化产物SEM分析 18210.4 小结 185参考文献 187【免费在线读】第1章绪论 1.1研究背景及意义 在国家大力推进可持续发展战略和生态文明建设的宏观政策背景下，固体废弃物（简称“固废”）的资源化处理已上升成为国家战略层面的重要议题。国家发展和改革委员会联合多部委在2021年发布的《关于“十四五”大宗固体废弃物综合利用的指导意见》（发改环资〔2021〕381号）明确提出，到2025年要实现煤矸石、粉煤灰等大宗固体废弃物的综合利用能力显著提升，新增大宗固体废弃物的综合利用率需达到60%。2024年国务院办公厅印发的《关于加快构建废弃物循环利用体系的意见》进一步强调，要以习近平新时代中国特色社会主义思想为指导，深入贯彻党的二十大精神，全面贯彻习近平生态文明思想，完整、准确、全面贯彻新发展理念，遵循减量化、再利用、资源化的循环经济理念。这一政策导向不仅体现了国家对固体废弃物资源化处理的战略重视，更凸显了国家在环境治理领域，特别是硅铝质固体废弃物的高效处理与资源化利用方面所面临的重大战略需求。 随着我国基础设施建设的蓬勃发展，水泥作为使用*为广泛的胶凝材料用量巨大[1]。然而水泥的生产要经过“两磨一烧”，这一过程使得水泥行业的碳排放占到全球总碳排放的8%[2]。《中华人民共和国能源法》和《加快构建碳排放双控制度体系工作方案》等政策明确了碳排放总量和强度双控制度体系，推动高耗能产业向低碳化、智能化转型。因此亟须寻找低碳胶凝材料实现对水泥的替代。 硅铝质固废与水泥相似，主要由等氧化物组成[3]。通过物理、化学或热激发手段，能够激活其潜在活性，生成与水泥水化产物类似的胶凝物质[4]，从而实现对水泥的部分或完全替代。以矿渣、粉煤灰和偏高岭土为代表的大宗硅铝质固废在制备胶凝材料方面已取得了显著成果。 将硅铝质固废作为掺合料加入水泥中能提高水泥及相关制品的耐久性、抗渗性和抗化学侵蚀能力[5_7]，同时减少水泥用量，降低碳排放。例如，矿渣能够促进混凝土早期抗压强度的提升，而粉煤灰能够改善混凝土的工作性能，从而满足不同工况的要求。国内外科研人员还利用碱性激发剂激活硅铝质固废中的Si_O_T（T=Si或Al）键断裂，释放出Si_O和Al_O四面体进入反应体系，溶解的Si_O和Al_O四面体分解形成无定形铝硅酸盐低聚物，这些低聚物通过凝胶重组和脱水形成致密凝胶[8，9]。通过以上过程制备的碱激发胶凝材料，不仅能够在生产过程中减少60%～80%的碳排放[10，11]，而且具有令人满意的机械性能和耐久性（耐氯渗透、碳化、冻融、化学腐蚀和耐高温）[12，13]，此外还极大地提高了固废的利用率，实现对水泥的完全替代。硅铝质固废的建筑资源化利用不仅为降低碳排放提供了有效途径，还实现了固废的资源化利用，达到了一箭双雕的效果，这鼓舞人们探索更多来源的硅铝质固废。 目前仍有大量的硅铝质固废因各种原因未能得到有效利用，只能采取堆存处理的方式。这种处理方式不仅占用大量土地资源，还存在潜在的环境污染风险，与可持续发展的目标相悖。煤矸石便是亟须资源化处理的一种硅铝质固废，其堆存量正以每年8亿t的速度增长[14]。煤矸石暴露于氧气时会产生热量，长期积累的热量导致煤矸石着火，形成自燃煤矸石。这种自燃在一定程度上会激发煤矸石的活性，但目前自燃煤矸石的资源化利用主要集中在骨料或泡沫混凝土的开发上[15_17]，很少有关于自燃煤矸石制备胶凝材料的研究。因此有必要开展掺自燃煤矸石全固废胶凝材料的水化特性研究，从而实现其高附加值利用。 将自燃煤矸石应用于生产胶凝材料替代水泥，不仅是实现资源高效利用和环境保护的重要举措，也是推动绿色低碳发展的必然选择。通过技术创新、政策支持和市场推广，自燃煤矸石资源化利用将为我国建材行业的可持续发展注入新的动力。 1.2国内外研究现状 1.2.1煤矸石的种类与分类 硅铝质矿山固废作为矿产资源开发链中产生的典型二次资源，其组分以硅铝酸盐矿物为主体（与总含量>60%），兼具资源潜力和环境风险的双重属性。近年来，随着全球矿产资源开发强度的持续提升，硅铝质矿山固废的堆存量已突破千亿吨量级[18]，其高效分类与精准利用已成为矿山环境治理与循环经济领域的研究焦点。煤矸石是煤炭开采和洗选过程中产生的典型硅铝质矿山固废，其产量占原煤产量的10%～25%[19]。作为全球堆存量*大的工业固废之一，煤矸石具有高硅铝含量（40%～70%，15%～35%）、低热值（发热量<3.35MJ/kg）及复杂矿物组成的特征，兼具环境危害性与资源再生潜力。煤矸石的大量堆积占用了土地资源，风化淋溶致使有害物质渗入土壤，恶化土壤理化性质，影响植被生长。在环境方面，其缓慢氧化或自燃产生二氧化硫等有害气体造成空气污染，淋溶水所含的重金属等有害物质不仅污染水体，而且破坏生态平衡，降低生物多样性。煤矸石大量堆存还对人民生命财产构成威胁，堆积存在坍塌、滑坡隐患，引发的灾害会冲毁房屋等设施，释放的有害气体、粉尘以及受污染的水土都严重威胁着人们的身体健康。 我国煤矸石目前堆存量已超过70亿t，并以每年超过7亿t的速度累积。尽管煤矸石含有一定的可利用资源，如硅铝矿物相具有潜在的胶凝活性，但由于其本身较低的化学活性和现有经济、管理等方面的限制，其资源化利用率相对较低。自燃煤矸石是煤矸石自燃后的产物，约占我国累计堆存煤矸石总量的15%～20%，具有*特性质和环境影响。有研究表明，煤矸石的自燃过程在一定程度上激发了其化学活性。然而目前对于自燃煤矸石的应用主要集中在填埋、铺路和制备混凝土骨料方面，缺乏高附加值利用。相比之下，发达国家在煤矸石的综合利用方面更为成熟，通过先进的技术手段将其用于发电、建材生产、土壤改良等领域，煤矸石资源化利用率显著高于我国。并且一些工业发达国家已把无废矿山作为矿山发展目标，把矿山固废综合利用程度作为衡量一个国家科技水平和经济发达程度的标志。因此，我国在自燃煤矸石资源化利用方面仍有较大的提升空间，亟须加强技术创新和政策支持，以实现自燃煤矸石的高效、环保利用。 我国煤矸石的分类体系是基于其地质成因、物理化学特性及综合利用潜力构建的多维度划分框架，其核心逻辑涵盖来源属性、矿物组成、化学组分、热值特征及环境风险等关键参数，旨在为煤矸石资源化利用和生态化处置提供科学依据。依据国家标准《煤矸石分类》（GB/T29162_2012）及行业技术规范，煤矸石可系统划分为以下层级： **层级按开采工艺与赋存阶段分类，主要包括掘进矸石、开采矸石和洗选矸石三大类。掘进矸石产生于煤矿巷道开拓阶段，主要由顶底板围岩剥离形成，具有高硬度、低热值（普遍低于3.35MJ/kg）及矿物组成复杂（含砂岩、泥岩、石灰岩等）特征；开采矸石源自煤层开采过程中伴随采出的夹矸层，其碳质含量显著高于掘进矸石（有机质占比10%～30%），热值介于3.35～6.70MJ/kg，矿物相以高岭石、伊利石等黏土矿物为主；洗选矸石则为煤炭洗选工艺的副产物，经重力分选后残留的矸石颗粒度更细（粒径多小于50mm），热值可达6.70～12.5MJ/kg，具备较高的燃烧潜力与资源回收价值。 第二层级按矿物化学组成分类，根据X射线衍射（XRD）与X射线荧光光谱（XRF）分析结果，可分为硅铝质矸石、钙镁质矸石、硫铁质矸石及碳质矸石四大亚类。硅铝质矸石以（45%～70%）和（15%～35%）为主要组分，矿物相以石英、高岭石为主导，其火山灰活性显著，是制备水泥混合材、陶粒及地质聚合物的理想原料；钙镁质矸石富含CaO（20%～40%）与MgO（5%～15%），主要矿物为方解石、白云石，其碱性特征可应用于酸性土壤改良或烟气脱硫剂制备；硫铁质矸石以（黄铁矿含量≥5%）及硫酸盐矿物为标志性组分，硫元素含量可达3%～8%，此类矸石需进行脱硫预处理以避免自燃风险及酸性矿井水污染；碳质矸石则保留较高固定碳含量（15%～35%），热值可达10.5～16.7MJ/kg，可通过流化床燃烧或气化技术实现能源化利用。 第三层级按热活化特性分类，依据差示扫描量热法（DSC）与热重分析（TGA）数据，分为非自燃矸石、潜在自燃矸石及自燃矸石。非自燃矸石有机质含量低于8%，硫分小于1%，其堆积发热量不足以引发自燃反应；潜在自燃矸石硫含量为1%～3%，有机质含量为8%～15%，在特定堆积高度（>5m）及通风条件下可能发生缓慢氧化并蓄热升温；自燃矸石则因高硫（>3%）或高挥发分（>15%）导致自燃倾向显著，需采取隔绝氧气、表面覆土或化学阻化等防控措施。此分类对矸石堆场设计及生态修复技术选择具有直接指导价值。 第四层级按环境毒性分类，参照《危险废物鉴别标准浸出毒性鉴别》（GB5085.3_2007）及《一般工业固体废物贮存和填埋污染控制标准》（GB18599_2020），将矸石划分为Ⅰ类一般固废（浸出液pH6～9，重金属含量低于限值）、Ⅱ类一般固废（浸出液pH≤2或≥12.5，重金属轻度超标）及危险废物（浸出毒性或反应性指标超出危险废物鉴别标准）。该分类体系直接决定矸石处置方式，如Ⅱ类矸石需进入防渗填埋场，而含砷、汞等超标的重污染矸石须按危险废物管理规范进行稳定化处理。 第五层级按资源化技术适配性分类，基于全组分利用原则形成建材利用型（高硅铝矸石）、热能回收型（中高热值矸石）、有价元素提取型（富镓、锗等稀散元素矸石）及生态修复型（低活性矸石）四大类别。例如，含量>60%的矸石适于制备微晶玻璃，含量>30%的矸石可通过酸浸提取氧化铝，而热值>8.38MJ/kg的矸石可配伍掺烧于循环流化床锅炉。此分类深度融合循环经济理念，推动矸石的处置由“末端治理”向“过程增值”转型。 1.2.2全固废胶凝材料研究现状 1.活化煤矸石制备胶凝材料研究现状 煤矸石的主要化学成分为和Al，主要矿物成分为高岭石、石英、云母等。这些组分的含量决定了煤矸石作为辅助胶凝材料或前驱体材料实现资源化利用的可行性。Su等[20]的研究证明利用煅烧后的煤矸石制备辅助胶凝材料可以改善混凝土界面过渡区的微观结构，但并不能弥补基体强度损失对混凝土机械性能带来的不利影响。Guo等[21]系统地研究了利用控制不同因素（煅烧温度、保温时间和冷却方式等）的热处理手段活化的煤矸石制备的砂浆的流动度、力学性能、水化产物和孔隙结构。结果表明，煅烧煤矸石的*佳煅烧温度为800℃，保温时间为2h和室温冷却的煤矸石有更高的活性，煅烧煤矸石粉末会降低水泥砂浆的流动度，但可以细化孔隙结构。Zhao等[4]的研究也得出了类似的结论，高岭石在*佳煅烧条件（700℃，2h）下分解，可形成高含量的非晶相，其水化产物N_A_S_H可以有效填充孔隙。Guo等[21]利用未经煅烧的煤矸石、高炉矿渣和粉煤灰为前驱体，脱硫石膏和碱激发剂为配体，制备了一种注浆材料，并优化了配比、水胶比、碱激发剂掺量和模数等因素，28天抗压强度可达11.49MPa。Koshy等[22]研究发现单*作激发剂时，经950℃高温煅烧后的煤矸石基地聚物强度随养护温度增加而增长，在800℃固化时的抗压强度达到7.3MPa。Cheng等[23]探讨了NaOH掺量对煤矸石基地聚物力学性能的影响，结果表明700℃煅烧后的煤矸石结晶度显著下降，在14mol/L掺量下的试件有良好的28天抗压强度（65MPa）。碱激发胶凝材料（AAMs）普遍存在较水泥砂浆更严重的干燥收缩问题，Ma等[24]针对此问题展开了研究，结果表明未水化的煤矸石颗粒在碱激发煤矸石_矿渣砂浆中起填充和骨架作用，抑制了试件的干燥收缩。Han等[25]系统地总结了煤矸石的活化手段以及活化机理，结果表明机械活化增加了颗粒的接触面积，高岭土的晶体结构被破坏，转变为部分有序的半结晶偏高岭土，增加了其非晶相含量。然后，煅烧（微波）活化可以除去煤矸石中的杂质，并产生更多具有火山灰性质的无定形偏高岭石。*后，强碱或强酸等化学激发手段也可以提高煤矸石的活性。复合激发后的活性往往优于单一手段激发。 2.全固废胶凝材料研究现状
