我国基建放缓,建筑老化,特种修复材料需求渐长。磷酸镁水泥(MPC)用于修补加固,成本与性能优化是关键。虽已知掺入工业固废可调控MPC成本与性能,且不乏MPC发展综述,但现有综述多聚焦其基础机理与应用,对固废在MPC体系中的作用机理、反应活性、物理堆积效应及化学键合原理等鲜有报道。本综述创新地从性能和机理两个维度,基于化学键合原理,系统调研固废改性MPC的研究进展,深入探讨其工作性能、力学性能等表现及作用机理,综合评述现状。最后总结现有研究,提出未来研究方向,以期改善MPC性能,降低成本,推动MPC在实际工程中的广泛应用。

过硫磷石膏矿渣水泥(PESSC)是一种具有低水化热、高体积稳定性、强抗硫酸盐侵蚀能力的新型免煅烧胶凝材料。由于磷石膏内部杂质的持续释放及PESSC特殊的低碱度高硫酸盐水化环境,PESSC基体存在凝结硬化慢、抗碳化能力差、长期性能不稳定等问题,从而限制了其应用。现阶段,亟需寻求可有效调节PESSC水化环境、促进高稳定水化相生成、优化基体微结构的途径,并形成系统的PESSC设计理论与性能调控方法。本工作从PESSC的基本组成及物化特性出发,围绕磷石膏中杂质溶出对石膏结晶、PESSC水化硬化的影响,碱-硫酸盐复合激发矿粉水化机制及其对性能发展的影响,全面探讨了通过磷石膏预处理加速凝结、碱激发调控水化环境推动持续反应、多组分协同水化优化长期性能、改性剂调控稳定水化相生成以提高基体耐久性能的可行性,旨在为发展PESSC体系新理论、新方法提供理论指导。

随着“双碳”目标的推进,循环流化床(circulating fluidized bed, CFB)灰渣因产生量大、组分复杂及处理需求迫切,成为固废资源化利用的重要研究方向。本文综述了CFB灰渣的组成与特性,聚焦其膨胀特性和疏松结构,总结了CFB灰渣在水泥基材料、地质聚合物、道路基层材料、气凝胶制备及沸石制备等领域的低碳化应用现状和高附加值利用研究。研究表明,CFB灰渣在提升水泥基材料力学性能、优化微观结构及改善耐久性能方面具有显著优势。尽管存在高硫高钙引发的膨胀等问题,但通过物理或化学改性技术,CFB灰渣作为地质聚合物和高附加值功能材料的潜力逐渐被挖掘,应用价值显著提升。在未来,研究者应加强改性技术的研发与资源化路径的探索,推动CFB灰渣在低碳循环经济中的应用,为实现工业固废的可持续利用提供理论基础和技术支撑。

生物炭是一种生态的负碳材料,将其适量添入混凝土,可以提高混凝土的力学性能和耐久性,但生物炭能否作为混凝土用火山灰质材料及生物炭是否具有火山灰活性尚存在争议。对此,本文对生物炭火山灰活性、生物炭对混凝土力学性能影响及生物炭火山灰活性提高措施等方面进行了文献调研和综述分析。结果表明:生物炭具有火山灰活性,且其火山灰活性不受烧失量影响,而活性SiO₂含量是生物炭火山灰活性的决定因素;高的生物炭火山灰活性可以促进火山灰反应和水化反应,对混凝土抗压强度产生有利影响;控制热解温度和磨细处理有助于提高生物炭的火山灰活性,但活化处理对生物炭火山灰活性影响还需深入研究。

废弃口罩的回收利用是应对环境污染和资源浪费的关键之一。作为口罩的主要成分,聚丙烯纤维的可再生性使其在水泥基建筑材料中的应用逐渐受到关注。本文综述了废弃口罩在水泥基建筑材料中的应用现状,总结了废弃口罩的回收技术,包括裁剪、热挤压、碎纸机和破壁机粉碎等。研究表明,掺入废弃口罩纤维对混凝土、砂浆和道路基层等材料的力学性能、流动性和耐久性产生了显著影响。此外,废弃口罩纤维的尺寸和处理方式对水泥基建筑材料的力学性能也有重要影响。同时,不同的应用场景对材料性能的影响也存在差异。上述研究结论可为水泥基建筑材料的可持续发展提供理论支持和实践指导。

随着风电产业的快速发展,退役风机叶片(RWTB)的回收处理问题受到广泛关注。风机叶片主要由玻璃纤维增强复合材料构成,其回收技术的局限性已成为风能行业可持续发展的重要障碍。传统的化学法、热解法和填埋法不仅会造成资源浪费,还会导致严重的环境污染。鉴于此,本文综述了国内外风电装机规模和RWTB的发展现状,分析了机械回收技术制备的再生材料在建筑领域作为辅助性胶凝材料、混凝土填料或纤维增强材料的应用潜力,并对当前研究中遇到的关键问题进行了深入剖析。此外,强调了RWTB资源化利用的重要性和潜在价值,旨在为相关政策制定、技术进步及RWTB的回收与资源化应用提供科学依据和决策参考。

作为新进大宗工业固废,硅锰渣的无害化处置与大规模资源化利用的问题亟需解决。本文采用硅锰渣为前驱体,以水玻璃作为碱激发剂来制备碱激发硅锰渣胶凝材料,研究了水玻璃掺量、水玻璃模数及矿渣改性对碱激发硅锰渣胶凝材料宏观性能与微观特性的影响。结果表明,在90 d龄期内,碱激发硅锰渣反应持续进行,凝胶产物聚合度逐渐增高且产量增加,硬化浆体孔隙率降低、力学性能增强。随着水玻璃模数降低,碱激发早期反应增强,反应放热量增加,凝结时间变短,硬化浆体力学性能增强。但过低的水玻璃模数不利于碱激发后期反应,在水玻璃模数为1.2、掺量为12%(质量分数,下同)时,碱激发硅锰渣胶凝材料的力学性能最佳,28与90 d强度分别达到86.0与100.1 MPa。掺入矿渣可明显改善碱激发硅锰渣胶凝材料早期力学性能差的劣势,但掺量过高会导致碱激发反应过快,硬化浆体收缩开裂,矿渣最佳掺量为10%。

本文探究了花生壳灰(GSA)、草木灰(PA)、宿州生物质灰(SZA)、玉米秸秆灰(CSA)四种不同生物质灰分别替代10%(质量分数)高炉矿渣粉(GGBS)对碱激发矿渣(AAS)胶凝材料流动度、凝结时间、水化性能、收缩性能及抗压强度的影响规律。结果表明,生物质灰的掺入能提高碱激发溶液的pH值,对AAS的水化过程有不同程度的促进作用,掺入GSA、PA、SZA和CSA后AAS试样的浆体累积放热量较空白组分别增长了31.2%、27.1%、16.9%、19.5%,实验室制灰(GSA和PA)累积放热量高于电厂制灰(SZA和CSA)。实验室制灰(GSA和PA)的掺入提高了净浆试样的自收缩,较空白组分别增加了61.5%、44.9%,而SZA和CSA的掺入一定程度上缓解了自收缩现象,较空白组分别减少了15.0%、15.7%。掺入生物质灰对AAS试样的抗压强度有改善效果, 掺入GSA、PA、SZA、CSA后AAS试样28 d抗压强度较空白组分别提高了20.0%、18.3%、15.9%、16.9%。

具有火山灰特性的高炉矿渣,磨细后可被用于生产矿渣基胶凝材料。与传统水泥相比,矿渣基胶凝材料水化活性较低,为提升矿渣基胶凝材料中磨细高炉矿渣(GGBS)的水化活性,本文创新地提出使用聚合硫酸铝溶液溶脱处理GGBS的方法,加速GGBS玻璃网络结构解聚,以提升矿渣基胶凝材料性能。试验对比了溶脱处理GGBS与溶液搅拌GGBS的离子溶出行为、表面元素组成及微观结构形貌,并通过抗压强度、水化放热、物相变化及微观形貌测试研究了溶脱处理提升矿渣基胶凝材料性能的微观机理。结果表明,溶脱滤液的硅离子溶出量较溶液搅拌滤液的硅离子溶出量明显提升,溶脱GGBS表面的n(Ca)∶(n(Si)+n(Al))降至0.266,溶脱GGBS结构发生溶蚀。使用溶脱GGBS制备的矿渣基胶凝材料凝结时间缩短至147 min,硬化体1 d抗压强度提升至3.75 MPa。溶脱处理GGBS可促进钙矾石与水化硅铝酸钙(C-A-S-H)凝胶的生成,加快矿渣基胶凝材料水化进程,提升矿渣基胶凝材料性能。

钢渣(SS)的低水化活性限制了其作为辅助胶凝材料(SCMs)的应用潜力,本文通过碳化将钢渣转化为具有高活性的碳化钢渣(CS),并系统研究了CS对水泥基复合材料水化过程和力学性能的影响规律。结果表明,CS显著促进了水泥的水化反应,增大了凝结速率,并显著提高了水泥基复合材料的抗压强度。当CS掺量为20%(质量分数)时,水泥基复合材料的1和28 d抗压强度相比对照组分别提升约0.9%和14.4%。CS对水泥基复合材料水化过程及力学性能的改善主要归因于CS具有的高活性硅凝胶和碳酸钙,这些成分加速了水化产物的生成。此外,CS中存在的超细颗粒发挥了填充效应,增强了微观结构的致密性,从而有效提高了抗压强度。

钢渣碳化制备建筑材料是一种解决钢渣存储问题的有效途径。针对现有钢渣碳化工艺存在碳化时间长、钙转化率低等问题,本研究自主研发了一套悬浮态钢渣微粉碳化装置,探讨了在低水固比条件下,悬浮态钢渣固碳的最佳工艺参数。研究结果表明,最佳固碳反应参数为风速11 m/s、CO₂体积分数90%、水固比0.10。在此工艺条件下,钢渣微粉碳化240 s时,CO₂吸收率为4.85%,Ca转化率为17.32%。钢渣的碳化活性较高,碳化产物主要为方解石型CaCO₃。碳化时间增加,碳化钢渣水化放热量减少。钢渣对水泥的早期水化抑制作用明显,碳化能明显改善钢渣对水泥的早期水化抑制作用。悬浮态碳化工艺具有碳化时间短、钙转化率高的优点。该技术有助于钢铁企业实现钢渣资源化利用和减少碳排放,以期为钢渣固碳工艺的优化提供参考。

本文以钢渣、矿渣和脱硫石膏为原料开发了一种低碳、低成本的固废基注浆材料,系统研究了固废基注浆材料的工作性能、力学性能和抗渗性能,通过XRD、SEM和MIP等微观测试手段分析了其硬化机理,并与水泥基注浆材料进行了对比。结果表明,与水泥相比,固废基胶凝材料提高了注浆材料的工作性能和结石率,富水环境下显著降低了注浆材料的泌水率,但使凝结时间大幅延长。固废基注浆材料的早期强度偏低,后期强度大幅提升,两者均高于堵水用注浆材料28 d强度2.5 MPa的要求。固废基注浆材料水化生成了更多的水化产物钙矾石(AFt)和水化硅酸钙(C-S-H)凝胶,二者相互穿插、搭接,填充了内部孔隙,微观结构更加致密,凝胶孔含量增加,孔隙率降低,从而使抗渗性能和力学性能大幅提升。

利用粒化高炉矿渣(GGBFS)与硫酸盐对循环流化床飞灰(CFBFA)基胶凝材料进行复合增强改性。固定胶凝材料中水泥掺量为30%(质量分数,下同),CFBFA和GGBFS总掺量为70%,外掺0%~4%脱硫石膏、0%~1.5%硫酸钠,研究CFBFA与GGBFS质量比及脱硫石膏、硫酸钠两种硫酸盐的掺量对复合胶凝材料凝结时间、胶砂抗压强度的影响,并通过X射线衍射(XRD)和扫描电子显微镜(SEM)探究GGBFS和硫酸盐对CFBFA基胶凝材料的复合增强机理。结果表明:CFBFA基胶凝材料凝结时间长、抗压强度低;CFBFA与GGBFS复合后能显著提高胶凝材料的3、7 d抗压强度,但28 d抗压强度提升有限;在CFBFA-GGBFS复合体系中引入硫酸盐能提高抗压强度,其中脱硫石膏与低掺量CFBFA胶凝体系的复合效应更好,脱硫石膏的适宜掺量为2%,硫酸钠与高掺量CFBFA体系的复合效应更佳,但对28 d抗压强度有负面影响,硫酸钠的适宜掺量为0.5%;CFBFA与GGBFS复合增加了胶凝材料水化早期的凝胶生成量;脱硫石膏能提高钙矾石(AFt)的形成速率并稳定其生长;硫酸钠与Ca(OH)₂反应生成了强碱性NaOH和高活性CaSO₄,进一步增加了凝胶和AFt的生成速率。

本文通过生命周期评价方法,结合试验配合比、水泥厂实测消耗排放数据及中国生命周期基础数据库数据,对污泥焚烧灰渣(ISSA)替代部分生料用于熟料生产、作为混合材用于水泥生产进行了综合环境负荷值评估及环境影响与抗压强度耦合评价。结果表明,随着ISSA替代生料量的增加,熟料的温室效应(GWP)逐渐下降,不可再生资源消耗逐渐增加;ISSA掺量为3.6%(质量分数,下同)时,熟料的综合环境负荷值相比于水泥厂熟料下降1.05%;ISSA掺量为3.0%时,熟料的单位抗压强度综合环境负荷值最低。随着ISSA作为混合材掺量的增加,水泥的综合环境负荷值显著降低,GWP下降率最大;ISSA掺量达30.0%时,水泥的综合环境负荷值下降29.41%;ISSA掺量控制在20.0%以内时,水泥的单位抗压强度综合环境负荷值相对较优。

针对单组分地聚物韧性不足的问题,选取聚乙烯醇纤维(PVA)、仿钢纤维(ISF)、碳酸钙晶须(CCW)三种纤维,进行了单掺和混掺设计试验。通过分析三种纤维对地聚物流动性及力学性能的影响,并结合扫描电子显微镜、X射线衍射和傅里叶变换红外光谱等微观测试手段,探讨了单掺和混掺纤维对地聚物性能的影响机制及规律。结果表明,三种纤维均在不同程度上降低地聚物流动性,PVA、ISF、CCW体积掺量为0.6%、1.5%、1.5%时,对应单纤维地聚物流动度相较基准组分别降低了54.0%、33.4%、19.8%。PVA和ISF对地聚物抗压强度有负面影响,而CCW则表现出增强效果。当PVA、ISF、CCW体积掺量分别为0.4%、1.2%、1.2%时,混杂纤维地聚物抗折强度提高了89.1%。微观试验表明,PVA通过桥接效应增强地聚物韧性,ISF通过滑移效应增韧,CCW则通过填充作用提高抗折强度。优化纤维配比后,混杂纤维地聚物展现出优良的流动性和抗折强度。

对不同钢渣粉掺量(0%、20%、40%、60%,质量分数)的聚乙烯纤维增强工程水泥基复合材料(PE-ECC)进行抗压强度和单轴拉伸试验,分析了钢渣粉对PE-ECC抗压强度的影响和拉伸应力-应变变化规律,并通过扫描电子显微镜(SEM)对PE纤维与掺钢渣粉工程水泥基复合材料(ECC)基体界面特性进行了微观形貌分析。结果表明,钢渣粉的掺入会降低PE-ECC的抗压强度、开裂应力及峰值应力,但提高了PE-ECC的拉伸韧性。此外,钢渣粉的掺入还改善了纤维与基体界面的结合状态。采用双折线本构模型能有效描述PE-ECC的拉伸应力-应变关系。本研究为ECC的多样化制备和工程应用提供了有价值的参考。

镁渣是镁冶炼过程中产生的固体废弃物,具有低水化活性和高碳化活性。通过配合比优化,本文成功调配出具备大流动度和高稳定性的镁渣浆体,并以镁渣浆体作为灌浆材料制备了一种碳化预置轻骨料混凝土,系统研究了碳化养护对轻骨料混凝土力学性能和微观结构的影响。结果表明,镁渣浆体的流动度达到245 mm,满足预制混凝土灌浆的技术要求。经过干燥预处理和24 h碳化养护后,试样的抗压强度为24.5 MPa,固碳量为100 kg/m³。碳化反应生成的CaCO₃晶体以球霰石为主,少量为文石,碳化产物填充基体是碳化预置轻骨料混凝土强度提升的关键机制。

为提高电解锰渣(EMR)的资源化利用效率,采用EMR基胶凝材料协同EMR尾矿砂及EMR基陶粒制备EMR基绿色轻骨料混凝土(EGLAC)和透水混凝土(EGPC),重点探究了强度、孔隙特征及环境影响效应。研究结果表明,EMR多级协同资源化利用可成功制备出性能良好和碳排放低的EMR基绿色混凝土。EGPC和EGLAC的抗压强度和动态弹性模量随着养护龄期的延长而显著增加,两者的28 d抗压强度分别为22.5和48.5 MPa,透水系数分别为1.8和5.2×10^-9 mm/s。EGLAC和EGPC的透水系数随着养护龄期的延长而降低,且与强度之间呈指数型降低趋势。这主要归因于EMR基胶凝材料水化优化孔隙及改善骨料与基材界面黏结性能。相较于普通C30和C50混凝土,EGLAC的碳排放量分别降低48.1%和60.2%;当协同优化碳源与能源工艺后,EGLAC的碳排放量分别降低92.9%和94.6%;相较于普通透水混凝土,未协同优化的EGPC的碳排放量降低55.2%,协同优化后EGPC的碳排放量降低93.3%。本研究可为EMR分级高效能建材资源化利用提供重要指导意义。

本研究针对碱激发矿渣-粉煤灰(AASF)浆体和混凝土力学性能的复杂影响因素,采用试验与机器学习相结合的方法,系统分析了影响抗压强度和弹性模量的关键参数。通过随机森林回归(RFR)和梯度提升回归(GBR)模型对材料的抗压强度和弹性模量进行分析预测。结果表明,机器学习预测的材料抗压强度与弹性模量与真实值差距可以控制在±15%以内,并提供了定量计算公式,显著提升了对材料力学性能优化的效率和效果。基于双目标分析方法,进一步探讨了浆体和混凝土抗压强度与弹性模量之间存在的搭配组合关系,并揭示了优化配比设计的有效路径。粉煤灰掺量存在显著的阈值效应,当掺量小于25%(质量分数)时,与抗压强度呈正相关,当掺量介于50%~75%(质量分数),与抗压强度呈负相关。本研究为碱激发矿渣-粉煤灰材料的性能优化提供了一种高效、智能的解决方案,同时为土木工程领域的低碳材料研究提供了实践基础。

为探明锂渣替代率、玄武岩纤维长度与掺量等因素及其交互作用下对锂渣-煤矸石固废混凝土力学性能影响规律并实现多指标优化,采用单因素试验确定响应面法(RSM)中各因素最佳基准水平,建立了混凝土28 d单轴抗压强度和劈裂抗拉强度的二次多项式回归模型,确定了材料最优参数。结果表明,单因素试验中最优锂渣替代率、玄武岩纤维长度及掺量分别为25%(质量分数)、18 mm及0.16%(体积分数)。响应面试验中锂渣替代率与玄武岩纤维掺量的交互作用、玄武岩纤维长度与掺量的交互作用分别是影响抗压强度和抗拉强度的关键性因素。回归模拟获得最优参数:锂渣替代率22.875%(质量分数)、纤维掺量0.184%(体积分数)、纤维长度18 mm,该模型预测结果与平行试验结果的拟合度较高,表明回归模型可为玄武岩纤维-锂渣-煤矸石混凝土力学性能多目标优化提供有效参考。

利用激发剂、矿渣粉、磷石膏(PG)制备磷石膏基细轻骨料(PG-LWA)是回收利用PG的有效途径之一。本文介绍了PG-LWA的制备方法,从物理性能、强度和微观结构等方面对PG-LWA的质量进行了评估;将PG-LWA用于制备水泥砂浆,并测试砂浆试样的扩展度、凝结时间和力学性能。结果表明,在制备PG-LWA时,原材料发生碱激发反应生成了水化硅酸钙(C-S-H)和钙矾石(AFt)等物质,当PG质量分数为70%时,制备得到的PG-LWA的细度模数为4.4,干燥状态下的筒压强度为4.65 MPa,孔隙率为37.29%。当水胶比为0.5、PG质量分数为70%时,用PG-LWA全部替代砂子制备的水泥砂浆的扩展度为213 mm,终凝时间为300 min,28 d抗压强度为22.1 MPa。

以聚苯乙烯泡沫(EPS)颗粒为内核,以渣土余泥-地聚物为外壳制备免烧核壳型陶粒,探讨了外壳配合比、EPS表面处理剂种类、内核粒径及外壳厚度对陶粒性能的影响,然后选取两种不同密度等级的陶粒取代全部天然粗骨料制备混凝土,考察其对混凝土物理力学性能的影响。结果表明:外壳强度、内核粒径和外壳厚度对陶粒的筒压强度、堆积密度、吸水率均有显著影响,EPS表面处理剂也直接影响陶粒的筒压强度,优化后的免烧陶粒性能达到了900级烧结高强陶粒的要求;采用EPS颗粒为内核可降低免烧陶粒的密度,但会引起更大幅度的筒压强度降低,用于制备800级以下的轻质陶粒不经济;EPS和余泥的掺入降低了混凝土的导热系数,使陶粒混凝土兼具轻质、承重、保温的性能,同时还为工程渣土余泥的绿色消纳提供了新路径。

为深入探究废弃橡胶颗粒粒径与取代率对静力荷载作用下水泥砂浆力学性能的影响规律,选取3种橡胶粒径(0.100、0.425、2.000 mm),分别按0%、5%、10%、15%、20%的体积分数取代天然砂,进行抗压、抗折和劈裂抗拉强度试验,并结合压汞测试、扫描电子显微镜分析、能谱分析,研究橡胶颗粒对水泥砂浆力学性能的影响机理。结果表明,橡胶水泥砂浆的抗压、抗折及劈裂抗拉强度均随橡胶取代率增大而减小,粒径对砂浆强度的影响不太明显。当橡胶取代率从5%增至20%时,橡胶水泥砂浆的28 d抗压强度降幅达到27.2%~61.0%,抗折强度降幅达到22.5%~31.7%,劈裂抗拉强度降幅为30.0%~38.9%。折压比随取代率、粒径增大而增大。橡胶砂浆试件的总孔隙率和平均孔径总体与抗压、抗折和劈裂抗拉强度呈负相关。

为研究冻融循环对橡胶混凝土抗疲劳性能的影响,选取粒径为30目(0.5 mm)的橡胶颗粒等体积替代砂制备橡胶混凝土,将普通混凝土试件和橡胶混凝土试件冻融不同次数后,进行等幅单轴压缩疲劳试验,分析试件的疲劳变形特征,建立考虑失效概率的疲劳寿命方程和疲劳损伤模型。结果表明:未冻融状态下,橡胶混凝土最大应变相较于普通混凝土提高约500 με,随着冻融循环次数增加,延性特征减弱,加入橡胶颗粒可以改善混凝土疲劳破坏的延性。冻融循环作用下橡胶混凝土的疲劳寿命服从对数正态分布,极限疲劳强度比普通混凝土提高约9.8%,临界损伤比普通混凝土降低约37%。在冻融循环作用下,掺入橡胶颗粒大幅度提高了混凝土的抗疲劳性能。

为了改善再生骨料混凝土(RAC)的工作性能,研究了自制矿物质降黏剂(VR)掺量(等质量取代水泥8%、10%和12%)对RAC流变性能、强度、耐久性能和收缩性能的影响,并使用扫描电子显微镜对RAC微结构进行了分析。结果表明,随着VR掺量的增加,RAC的流变性能得到改善。当VR掺量为12%时,净浆黏度降低了32.8%,砂浆屈服应力和塑性黏度分别下降了42.0%和17.9%,坍落度和扩展度分别增大了50、40 mm,倒置坍落度筒排空时间缩短了65.7%。同时,VR的掺入使RAC的浆体和界面过渡区微结构变得致密,对RAC的强度和耐久性能具有良好的改善作用。当VR掺量为10%时,改善效果最佳,此时RAC的28 d抗压强度与劈拉强度分别增加了7.6%和17.2%,吸水率降低了22.6%,电通量和碳化系数分别降低了47.9%和29.9%。另外,VR轻微降低了RAC的干缩,但会在一定程度上增加RAC早期自收缩。

为提升建筑垃圾再生骨料制备的再生混凝土的力学性能,采用碳化再生细骨料取代原始再生细骨料制备再生砂浆与混凝土,研究碳化再生细骨料对再生砂浆与混凝土力学性能的影响。同时利用X射线衍射仪(XRD)和压汞仪(MIP)对碳化处理再生细骨料和再生砂浆的物相组成和孔结构进行表征。研究发现:碳化处理(7、14、28 d)再生细骨料制备的再生砂浆的抗压强度与抗折强度均明显提升,且与再生细骨料碳化处理的时间呈正相关,28 d强度提升最大(抗压强度提升40.5%,抗折强度提升27.1%);碳化处理(28 d)再生细骨料制备的再生混凝土的抗压强度有所提升(约15.4%)。XRD和MIP结果表明,碳化再生细骨料中的Ca(OH)₂等物质转变为CaCO₃,通过填充孔隙和微裂缝降低基体孔隙率,并改善骨料颗粒形状和表面结构,增强其与水泥基体的结合,优化再生砂浆与混凝土的性能。

废弃混凝土和废弃砖是建筑废弃物重要的组成部分,而建筑垃圾再生微粉的资源化利用是建筑领域实现碳减排的重要途径之一。因此,本文分别采用再生混凝土粉(RCP)和再生砖粉(RBP)替代部分水泥制备自流平砂浆(SLM),研究了RCP和RBP掺量对SLM流动性和强度的影响规律,并使用扫描电子显微镜、X射线衍射和氮气吸附法揭示SLM的微观机理。结果表明,掺入RCP和RBP降低了SLM的流动性,但RCP和RBP掺量分别为10%(质量分数)时,对SLM的流动性影响不大。当RBP掺量为10%(质量分数)时SLM强度最高,且内部结构最为致密。而RCP的掺入会对SLM的性能产生不利的影响。利用再生微粉替代部分水泥,有利于降低SLM制备过程中的碳排放,促进建筑业绿色可持续发展。

合理确定施工含水率对确保路基填料达到最佳综合性能具有重要意义。为探究含水率对粉煤灰路基强度变形特性的影响规律,确定适合粉煤灰路基施工含水率,以宁夏地区粉煤灰为试验材料,结合击实试验结果,开展固结压缩和剪切等室内试验,分析不同含水率下粉煤灰的力学特性,确定各单一因素下的最佳含水率,并基于灰色关联法提出能够保证粉煤灰路基达到最佳综合性能的施工含水率。结果表明,随含水率增加,压缩系数先减小后增大,压缩模量先增大后减小,最终竖向应变在一定范围内波动,含水率为31%时粉煤灰压缩性最小。在高法向应力和高含水率时粉煤灰剪切应力-剪切位移曲线表现为强应变软化型。随着含水率增加,残余内摩擦角逐渐减小,残余黏聚力先增加后减小并趋于稳定,含水率为23%时粉煤灰残余抗剪强度最大。含水率在31%~35%时,各力学指标关联度值维持在一个较高且相对稳定的区间,可作为指导施工的综合含水率。

为探究荷载作用下矿渣固化土细观结构的演化特征,本文开展单轴压缩过程中的原位计算机断层(CT)扫描试验,结合图像处理与三维(3D)重构技术提取了二维(2D)/三维裂隙的量化信息,借助裂隙体积参数表征了细观结构损伤变量,最后建立了细观损伤模型对试样的应力-应变关系进行准确描述。结果表明:在单轴压缩荷载作用下,矿渣固化土的应力-应变曲线表现出明显的应变软化型特征,峰值应力为1.85 MPa;随轴向应变的增加,二维裂隙率和裂隙分布的离散程度不断提高;三维重构模型动态展现了矿渣固化土的开裂过程及主裂隙面的演化特征,三维裂隙率从初始的3.39%增加至破坏时的9.78%、其数值及裂隙连通度均与轴向应变呈对数型函数关系;试样的破坏伴随裂隙的萌发(ε=0%~0.2%)、快速扩展(ε=0.2%~1.5%)与基本稳定(ε=1.5%~2.0%)3个阶段;利用裂隙体积表征了结构损伤变量,由此建立的细观损伤模型形式较简单,参数易确定,且可准确预测矿渣固化土的应力-应变关系。研究结果可为矿渣固化土破坏机制的多尺度分析提供新视角。

为提高碱渣利用率,减少碱渣堆存对环境带来的危害,本文提出用碱渣、粉煤灰稳定黏土,外掺水泥、石灰,制备碱渣-粉煤灰稳定土填料。以最大干密度、最优含水率、无侧限抗压强度(UCS)、抗剪强度参数为指标,利用正交矩阵分析法进行分析,根据影响权重探究碱渣、粉煤灰、水泥、石灰对碱渣-粉煤灰稳定土力学性质的影响规律。结果表明,粉煤灰掺量对最大干密度影响最大;碱渣掺量对最优含水率、7 d无侧限抗压强度和7 d抗剪强度内摩擦角影响最大;石灰掺量对7 d抗剪强度黏聚力影响最大。碱渣-粉煤灰稳定土具有良好的强度性能。可基于碱渣-粉煤灰稳定土级配机理和胶凝材料胶结机理,利用正交矩阵分析法推荐配合比适用范围,使碱渣-粉煤灰稳定土能够更好地服务实际工程。

黄泛区粉土工程特性较差,需进行固化后才能作为路基填筑材料。但传统固化方案需要大量水泥,且水泥生产过程会消耗大量能源。为解决该问题,以硅灰(SF)和矿渣(GGBS)为前驱体,电石渣(CS)为激发剂,基于响应面法中的Box-Behnken design(BBD)试验,对比分析了不同配合比的硅灰-矿渣-电石渣(SGC)胶凝材料和水泥对黄泛区粉土的力学性能和水稳性的影响,并利用X射线衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)探究了固化土的微观固化机理。结果表明,硅灰、矿渣、电石渣的最优质量配合比为5.94%∶21.87%∶4.31%。此配合比下固化土7、28 d无侧限抗压强度分别为6 531.58和9 269.26 kPa,相较于水泥固化土,7、28 d无侧限抗压强度分别提升28.3%和21.4%。SEM和XRD测试结果表明,SGC固化土的水化产物主要为水化硅酸钙(C-S-H)和水化铝酸钙(C-A-H)等胶凝物质,28 d龄期的SGC固化土微观形貌较水泥固化土更密实。SGC固化剂对黄泛区粉土改良效果显著,具有较好的工程应用价值。

采用响应面法优化工业废渣固化洗砂泥的配合比,并掺入水泥提升固化效果,得到工业废渣复合固化剂。通过无侧限抗压强度试验、水稳性试验、干湿循环试验,研究初始含水率、养护龄期和固化剂掺量对固化土强度和耐久性的影响,并采用XRD和SEM分析作用机理。结果表明:矿渣、粉煤灰、电石渣和水泥的最优配合比(质量比)为5.4∶1.7∶4.5∶2.0,固化效果优于同等掺量的水泥;工业废渣与水泥协同作用促进火山灰反应,固化土的强度和水稳性随着龄期和掺量的增加而提高,但当工业废渣复合固化剂掺量达到21.7%(质量分数)后强度降低;电石渣中CaO的水化反应提高了土体碱性,矿渣和粉煤灰中的活性硅铝酸盐在碱性环境中反应,生成的水化硅(铝)酸钙填充孔隙、团聚土壤颗粒。干湿循环为试件提供高温条件和水分,固化土的强度在一定范围内提高。

采用钢渣粉、粉煤灰固废材料替代部分水泥,以生石灰和NaOH作激发剂组配成新型复合固化剂改良淤泥质土,研究复合固化剂改良后的固化土试样在海水侵蚀作用下的质量变化率、含水量、无侧限抗压强度劣化规律。采用SEM分析海水侵蚀下固化土中土壤颗粒的微观结构变化、胶结物的分布及其与土颗粒之间的相互作用。结果表明:28 d固化土的质量变化率普遍低于7 d固化土的质量变化率,表明淤泥质固化土养护龄期越长,内部结构越稳定;各试样的含水量随海水侵蚀浓度增加呈降低趋势,当复合固化剂掺量为土质量的20%(SLFA-CS-20%)时,固化土试样含水量最低;随着海水中侵蚀性离子浓度增加,固化土强度随侵蚀时间增长而逐渐提高;淤泥质土在复合固化剂作用下可生成大量胶凝材料和钙钒石,从而提高复合固化土的无侧限抗压强度。

陶粒滤料因具有质轻、孔隙多、比表面积大等优势,在生物滤池、曝气滤池、人工湿地等水处理领域得到广泛应用。为解决矿山剥离料的大量堆存,本文以砂石骨料矿山剥离料固废为主要原料,并添加铝矾土和石灰石,采用烧结法制备陶粒滤料,研究了配料比、用水量、烧制条件等因素对陶粒滤料性能的影响,并阐明了烧结机理。结果表明,原料内部的矿物形成了钙长石、透辉石和刚玉等强度矿物相。在剥离料、铝矾土、石灰石质量比为7∶4∶1、烧制温度为1 120 ℃、保温时间为45 min的烧结条件下,制备出堆积密度为765.90 kg/m³、破碎率为3.24%、空隙率为54.45%的陶粒滤料,这为矿山剥离料的高值化利用提供了一种新途径。

盾构渣土(SM)活性低、处理难度大,传统“预烧-烧结”制备烧结陶粒的工艺流程复杂、变温频繁、生产效率低。本文采用热活化和NaOH-水玻璃激发的联合工艺,利用热活化盾构渣土(BSM)和高炉矿渣(GGBFS)制备陶粒,探究热活化温度、原料配比、热活化时间和养护时间对陶粒物理性能的影响。结果表明:热活化温度为1 000 ℃、m(SM/BSM)∶m(GGBFS)为6∶4、热活化时间为0.5 h、养护时间为28 d时制备的陶粒性能优异,28 d抗压强度达10.38 MPa,颗粒密度为1.90 g·cm^-3,堆积密度为895 kg·m^-3,吸水率为5.69%。微观形貌分析表明,陶粒内部水化反应产生了水化硅酸钙(C-S-H)和钠(钙)铝硅酸盐水合物(N(C)-A-S-H)复合凝胶,封闭大部分孔隙,使晶粒间紧密结合,从而提升了陶粒的抗压强度。本研究可优化盾构渣土基陶粒的制备工艺,提高实际生产效率。

提锌二次窑渣是一类富含重金属的低碳固废,将其制备成陶瓷能够实现资源化利用。本文采用X射线衍射(XRD)分析和重金属浸出实验等分析方法,研究了预热温度对低碳窑渣固废陶瓷物理性能和重金属固结效果的影响。研究结果表明,预热温度500 ℃工况下烧制出的陶瓷样品性能最优。预热过程有效脱除了陶瓷生坯中的碳硫组分,促进了易挥发物质的提前挥发,从而在后续烧结过程中减少了样品内部的微孔,提高了致密化程度,最终导致陶瓷样品抗折强度的显著提升。在预热后的烧结过程中,Fe²⁺被氧化成游离的Fe³⁺,促进了透辉石向辉石的转化过程。辉石结构具有优异的重金属固结能力,部分Zn²⁺和Mn⁴⁺以此结构被固定。此外,陶瓷内部硫酸盐的存在能促进其硅铝酸化。重金属浸出实验结果显示,多种重金属的释放率均低于0.3%,其浸出浓度均低于国家标准限值1~2个数量级。经预热处理的低碳窑渣固废制备的陶瓷不仅力学性能优异,而且对重金属固结效果良好,适合于含重金属的固废资源化利用。

在“双碳”目标下,大气污染协同治理是促进工业全面绿色转型的关键。造纸污泥在工业窑炉协同处置的过程中会发生复杂的物理化学转化,产生NO_x等污染。探究工业窑炉协同处置造纸污泥过程中NO_x的生成机理,分析其含氮官能团的赋存形态和迁移特性,可为控制NO_x污染排放提供新的思路。本文通过核磁共振(NMR)分析和梯度温度倒推法等手段,对造纸污泥及不同温度热解情况下含氮官能团的转化和迁移进行深入分析。结果表明,含氮官能团的释放主要集中在250~300 ℃。200~250 ℃释放亚胺和R₃—CN=、RCH₂—N=,250~300 ℃释放硫脲、R₂CH—N=、RCH₂—N=、R₃C—N=,300~350 ℃释放CH₃—N=、碳化二亚胺和氰酸酯,350~400 ℃释放硫氰酸酯、异氰酸酯和CH₃—N=。TGA/DSC曲线分析进一步证实了这些官能团的释放,研究成果可为环境治理和工艺优化提供参考。