本文以废水泥的再生利用为研究目标, 构造了脱硫石膏-废水泥体系, 评估了碳化对脱硫石膏-废水泥体系再生砌块力学性能和表观密度的影响, 并通过XRD、FTIR和SEM揭示了再生砌块的成分、化学结构和形貌变化。结果表明, 在石膏存在的条件下, 废水泥的碳化可顺利进行。碳化过程能够有效增加脱硫石膏-废水泥样品的抗压强度。当水灰比为0.4、废水泥掺量为60%(质量分数)时, 与未碳化的样品相比, 碳化过程使样品的抗压强度提高了108.3%; 当水灰比为0.8、废水泥掺量为65%(质量分数)时, 与未碳化的样品相比, 碳化过程使样品的抗压强度提高了270.0%。通过调整水灰比和废水泥掺量可控制碳化产物的化学结构和微观形貌, 碳化过程对废水泥内部的水化具有一定促进作用, 在促进体系力学性能增强的同时降低了块体的表观密度。研究结果将为综合利用废水泥和脱硫石膏两种固体废弃物提供新思路和可靠的再生应用方案。

脱硫石膏(FGD gypsum)作为一种固废, 可经过高温煅烧制备建筑石膏, 实现固废资源化利用。以脱硫石膏为原料, 氧化钙和硫酸铝为复合转晶剂, 在170 ℃下煅烧2 h制备建筑石膏, 研究复合转晶剂的复合比例及掺量对建筑石膏力学性能的影响, 并揭示其复合转晶机理。结果表明, 当复合转晶剂掺量为1%(质量分数)、氧化钙和硫酸铝复合比例为1∶1(质量比)时, 制备的建筑石膏力学性能最佳。水化后石膏块体致密性良好, 水化产物呈相互交错的短柱状或纤维状。建筑石膏的2 h抗折和抗压强度分别为3.6和9.7 MPa, 绝干抗折和抗压强度分别为6.8和23.5 MPa, 满足《建筑石膏》(GB/T 9776-2022)中3.0级建筑石膏的要求。

在“两山”理论、“双碳”目标的新形势下, 我国发布了一系列政策及优惠条件鼓励以工业副产石膏为原料制备石膏胶凝材料, 包括建筑石膏、α型高强石膏、混合相石膏等。迄今为止, 国内鲜有关于石膏胶凝材料的碳足迹核算报告。本文基于生命周期评价方法, 针对工业副产石膏制备石膏胶凝材料建立碳足迹核算模型, 并以磷石膏制备α型高强石膏为例进行验证。结果表明, α型高强石膏产品原料获取、生产、运输三个阶段的碳足迹分别为3.95、288.04、14.31 kg CO2 eq/t, 总量为306.3 kg CO2 eq/t, 其中生产阶段碳排放量最大, 是降低能耗、减少碳排放、节约成本的重要环节。本文建立的碳足迹核算模型适用于建筑石膏、α型高强石膏、无水石膏、混合相石膏等产品碳足迹核算。

为了改善磷建筑石膏强度低、韧性差的不良特性，本文在磷建筑石膏基复合材料中掺入不同直径和掺量的聚乙烯醇纤维，通过试验分析探究聚乙烯醇纤维对磷建筑石膏基复合材料工作性能和力学性能的影响。结果表明，聚乙烯醇纤维的掺入能够显著降低浆体的流动度和缩短浆体的凝结时间。同时，聚乙烯醇纤维的掺入可以显著提高复合材料的力学强度，当纤维直径为15 μm、体积掺量为1.6%时，复合材料的力学性能最佳，抗折强度、抗压强度、抗弯强度和抗拉强度分别为10.071、13.25、10.73和2.89 MPa。此外，通过SEM对材料结构的微观形貌进行观察，聚乙烯醇纤维能够分散在磷建筑石膏的孔隙和裂缝中，使复合材料的内部结构更加密实，提高了复合材料的力学性能。

磷石膏中不同氟杂质对硬化石膏浆体微观结构和性能的影响不同。本文通过凝结时间、原位水化热、离子浓度测试、力学性能测试、压汞测试、X射线衍射分析、X射线光电子能谱和扫描电子显微镜等测试手段，系统研究了四种氟杂质(CaF2、NaF、Na2SiF6和Na3AlF6)对建筑石膏水化进程、微观结构和力学性能的影响。结果表明，可溶性氟杂质会促进建筑石膏水化，表现出一定的促凝效果，氟杂质溶解度越高，对建筑石膏水化进程的促进效果越显著(NaF>Na3AlF6>Na2SiF6)，难溶的CaF2对建筑石膏的水化进程基本没有影响。但是水化速度过快易造成浆体过早硬化，使一些建筑石膏不能及时水化，在后续缓慢水化过程中逐渐生长成板状晶体，使硬化浆体的孔隙率增加，从而导致硬化石膏浆体的力学性能变差。本研究为磷石膏在建材产品中的高效利用提供一定指导。

为探究脱硫石膏-粉煤灰流态轻质土宏观力学性能及破坏演化机理,通过PFC2D构建细观脱硫石膏-粉煤灰流态轻质土数值模型,结合室内单轴抗压试验反演出模型细观参数,通过提取数值模型中离散裂隙网络类型、数量、龄期及颗粒位移趋势,探究脱硫石膏-粉煤灰流态轻质土裂纹形态特征及扩展演化,并且通过能量指标评价了脱硫石膏-粉煤灰流态轻质土材料的破坏性质。研究结果表明: 构建的离散元数值模型可有效模拟材料应力-应变曲线及破坏特征; 单轴压缩条件下,脱硫石膏-粉煤灰流态轻质土在加载初期发生以剪切破坏为主导的微裂纹,当加载超过峰值应力后,则开始出现以拉伸破坏为主导的贯穿裂纹,脱硫石膏-粉煤灰流态轻质土颗粒则从竖向位移开始有水平位移的趋势; 脱硫石膏-粉煤灰流态轻质土耗散能的演变相对平缓,其对应的宏观表现是超过峰值应力点后硫石膏-粉煤灰流态轻质土破坏存在一定的延迟开裂。

与硅酸三钙相比，硫铝酸钙、硅酸二钙和硫硅酸钙等具有钙含量低、烧成温度低和CO2排放量少的特点，属于低钙水泥熟料矿物。发展以低钙矿物为主要组成的水泥熟料是水泥低碳发展的重要方向。本文在分析硫铝酸钙、硅酸二钙和硫硅酸钙3种低钙矿物的活性、水化和性能发展的基础上，分别对以低钙矿物为主要矿物的硫铝酸盐水泥熟料、高贝利特硫铝酸盐水泥熟料的水化和性能发展，硅酸二钙-硫铝酸钙-硫硅酸钙水泥熟料的制备、水化和性能优化进行了综合评述。同时，鉴于石膏在低钙水泥熟料水化方面具有重要影响，综述了石膏在几种低钙水泥中的作用。文章以期为运用硫铝酸钙、硅酸二钙和硫硅酸钙等矿物制备低钙水泥熟料提供参考。

本文以稀土石膏为原材料研究了制备方法对硫酸钙晶须(CSW)形貌和结构的影响, 并以二水硫酸钙(分析纯)为原材料, CeCl3·7H2O为铈源, 探究稀土铈的加入对CSW的结构和形貌的影响。利用SEM、XRD、XPS和FL等表征手段对CSW的结构、形貌和组成及其荧光性能等进行表征和分析。研究结果表明: 采用微波法可以制备高长径比的CSW, 其平均长度为263 μm, 平均长径比为39.50。Ce3+以原子置换的形式进入CSW, 对晶须的晶体结构不产生影响, 但改善了CSW的形貌。添加2%(质量分数)的Ce3+能够促进晶须向一维生长, 使得CSW的长径比显著增加, 而过量的Ce3+会促使晶须横向生长。研究证明稀土石膏中含有微量的稀土元素Ce, 同时发现由稀土石膏制备的CSW具有发射蓝光的特性, 这对开发利用稀土石膏具有重要的理论指导意义。

石膏的溶解度和溶解速率等特性对无水硫铝酸钙水化及性能有重要的影响。本文采用等温量热仪、XRD、TG-DTG等多种测试方法, 研究了半水石膏、二水石膏、硬石膏溶解特性及其对无水硫铝酸钙水化进程的影响, 并基于Krstulovic-Dabic和Kondo模型, 计算了水化反应各阶段的动力学参数。结果表明, 半水石膏、二水石膏、硬石膏在纯水中的溶解度分别为2.74、2.30、2.38 g/L, 半水石膏的溶解速率最大, 其次是二水石膏, 硬石膏的最小(1 h的溶解度为1.19 g/L)。石膏的加入缩短了无水硫铝酸钙水化诱导期进而加快了水化进程, 其中半水石膏表现最为显著, 水化热曲线几乎不存在诱导期, 二水石膏次之, 硬石膏对诱导期的影响最小; 加速期初期的水化反应速率常数从小到大为硬石膏体系、二水石膏体系、半水石膏体系。石膏溶解速率和溶解度影响钙矾石的形成过程, 溶解速率大的石膏促使水化早期钙矾石沉淀出现, 生成量快速达到最大值; 且在相同时间内, 溶解度高的石膏体系钙矾石生成量大, 在水化1 h时, 半水石膏体系中钙矾石生成量约占试样总量的15.77%(质量分数), 二水石膏体系中钙矾石生成量占13.28%(质量分数), 硬石膏体系中钙矾石生成量仅占3.60%(质量分数)。

在地热环境下水泥水化初期, 单硫型硫铝酸盐(AFm)易与硫酸根在孔隙或界面处生成延迟钙矾石(DEF), 导致混凝土膨胀开裂。本文采用溶液法模拟钙矾石(AFt)生成的温湿耦合液相环境, 通过分子动力学模拟方法研究AFt在常温和地热环境下的内部结构变化, 确定DEF的生成温度界限和水泥中石膏临界掺量。结果表明, 地热高温环境会影响AFt晶体在(100)、(110)晶面上的生长, 导致AFt生成量随温度升高逐渐减少; 70~75 ℃为AFt转变为AFm的关键温度区间, 但在75 ℃以上液相环境中AFt依然能够生成, 转化的AFm含量会随温度增加而逐渐增多; 高温对水泥早期水化生成AFt具有促进作用, 但随着养护龄期增长, 高温会造成早期生成的AFt逐渐转化为AFm; 混凝土中AFt生成量随石膏掺量增大而增加, 质量分数为4%左右的石膏是适宜掺量; 分子动力学模拟结果同样表明AFt在常温下结构稳定, 而在地热条件下结构发生改变。