煤气化渣-粉煤灰-水泥复合胶凝体系的水化机理及力学性能研究.pdf

摘要

在我国煤炭、化工、电力与建材等行业发展进程不断加快的背景下，二氧化碳

与工业固废的排放量也日益剧增。作为典型的大宗工业固废，煤气化渣与粉煤灰的

大量堆存给环境带来了严重的危害。利用煤气化渣和粉煤灰作为辅助胶凝材料以替

代部分水泥用于工业生产，不仅会降低水泥行业的能源消耗和碳排放，还可促进工

业固废的资源循环再利用。本文以煤气化渣、循环流化床粉煤灰与煤粉炉粉煤灰三

种典型的硅铝质固废制备水泥基复合胶凝材料，并围绕煤气化渣与粉煤灰固废胶凝

材料在水化过程中多元固废的复合协同效应及其性能变化机制开展了系统研究。主

要工作和结论如下：

（1）研究了煤气化渣、循环流化床粉煤灰以及煤粉炉粉煤灰在水泥胶凝体系

中的活性差异，系统分析了二元胶凝体系的水化机理。在二元胶凝体系中，水化90

d后，水泥-煤粉炉粉煤灰（CP-60%）、水泥-循环流化床粉煤灰（CF-60%）和水泥-

煤气化渣（CS-60%）胶凝试块的抗压强度，相较于对照组分别下降了61%、53%和

59%。循环流化床粉煤灰基胶凝试块在早期水化反应速率较快，而煤气化渣基胶凝

试块在后期抗压强度增长率较高。根据力学试验结果表明三种原料的胶凝活性大小

为：循环流化床粉煤灰＞煤气化渣＞煤粉炉粉煤灰。由于二元胶凝体系水化反应程

度较低，因此在同等试验条件下，自收缩值均小于对照组硅酸盐水泥。除此之外，

在水化90d后，二元胶凝体系中仍存在一些孔洞和未反应的原料颗粒。总体来看，

二元胶凝体系的水化反应程度较低。

（2）研究了煤气化渣同循环流化床粉煤灰/煤粉炉粉煤灰在水泥体系中的复合

协同效应，系统分析了多元固废协同胶凝作用对于水泥-煤气化渣-循环流化床粉煤

灰（CSF）和水泥-煤气化渣-煤粉炉粉煤灰（CSP）胶凝材料宏观性能及水化行为的

影响。在煤气化渣和循环流化床粉煤灰的复合协同作用下，胶凝材料的力学性能显

著提高。在0.35水胶比条件下，CSF3胶凝试块养护90天后抗压强度值可达到硅酸

盐水泥强度值的88%。CSF胶凝材料水化产物主要为钙矾石、C-S-H和C-(A)-S-H

等；循环流化床粉煤灰中的硫酸钙和无定形铝硅酸盐优先与硅酸盐水泥反应形成钙

矾石，提高了胶凝材料的早期强度，然后在水泥中氢氧化钙和循环流化床粉煤灰中

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硫酸盐的协同作用下，煤气化渣中的活性硅铝物质快速参与水化反应，形成了更多

的无定形凝胶。大量的无定形凝胶与钙矾石交错生长，降低了胶凝体系的孔隙率，

提高了基质的致密程度，从而使得CSF力学强度有所提升，试验结果表明煤气化渣

与循环流化床粉煤灰之间存在良好的协同胶凝作用。

（3）采用NaOH、NaSO与NaCO作为化学外加剂对CSF进行性能调控，

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结果表明三种化学外加剂均可有效提高胶凝材料的早期抗压强度，但NaOH和

NaCO的掺入不利于胶凝材料后期强度的提升，而NaSO可稳定提高胶凝材料的

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后期强度；掺加不同化学外加剂的样品在不同龄期生成的水化产物种类相同，但生

成量存在较大差异。NaOH的掺入会抑制钙矾石的生成，但会促进体系硅铝物质的

溶出，使其更易于在早期发生水化反应生成凝胶。然而，在水化反应后期，试块微

观结构中出现了孔洞与裂缝，不利于后期强度的进一步发展。Na2SO4的掺入则会促

进体系中钙矾石的生成，支撑体系抗压强度的提高。NaCO会与胶凝体系中的氢氧

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化钙发生反应生成CaCO，使得体系中氢氧化钙含量减少，不利于胶凝材料后期强

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度的发展。

（4）对CSF复合胶凝体系进行抗碳化性能研究，并与硅酸盐水泥进行对比。

在同等试验条件下，CSF的抗碳化性能要低于硅酸盐水泥。在化学外加剂的掺入下

会进一步削弱胶凝材料的抗碳化性能。经过加速碳化90d后，硅酸盐水泥的力学强