近年来, 重金属离子的去除是复杂环境中水处理面临的难点问题之一, 静电纺丝制备的三维SiO2纳米纤维棉具有耐高温、耐强酸的特点, 是复杂环境中水处理的理想前驱体材料。以三维SiO2纳米纤维棉作为基底, 在引发剂偶氮二异丁腈作用下催化乙烯苯磺酸和乙二苯单体发生原位聚合, 实现聚乙烯苯磺酸在SiO2纳米纤维棉表面均质包覆, 制备SiO2@聚乙烯苯磺酸纳米纤维棉。通过SEM、FT-IR等表征方法揭示了该纳米纤维棉的形貌和化学组成, 采用热重分析仪对其进行热稳定性测试, 并研究了该纳米纤维棉在高温、酸性条件下的吸附再生性能。结果表明: SiO2@聚乙烯苯磺酸纳米纤维棉对Cu2+、Cd2+和Pb2+有很高的吸附容量, 当pH值为5.5和初始离子浓度为100 mg/L时, 吸附容量分别为73.0、91.0、161.0 mg/g, 当温度为80 ℃时吸附容量仍可达81.0、64.0、123.0 mg/g; 吸附过程符合准二级动力学和Langmuir等温吸附, 具有较强的再生性能, 经10次离子脱附-吸附循环, Cu2+、Cd2+和Pb2+的容量保持率分别为83.5%、81.1%、77.6%。

为探索生活垃圾焚烧灰渣的资源化应用前景, 本文考察了生活垃圾焚烧灰渣与凝灰岩制备地质聚合物的可行性。本文采用单轴抗压强度试验、XRD、FTIR和SEM等研究灰渣掺量、硅钠摩尔比和碱当量对灰渣-凝灰岩基地质聚合物性能的影响。结果表明: 养护时间对灰渣-凝灰岩基地质聚合物的物理力学性能影响较大, 在最佳工艺参数(灰渣掺量为20%, 硅钠摩尔比为17, 碱当量为9%)下, 灰渣-凝灰岩基地质聚合物的28 d单轴抗压强度为23.2 MPa, 体积密度为1.56 g/cm3。灰渣-凝灰岩基地质聚合物主要物相为石英、透长石、硫铝酸钙和方解石, 地质聚合反应过程生成大量硅铝酸盐凝胶, 导致地质聚合物微观结构呈大颗粒与小颗粒胶连状。灰渣-凝灰岩基地质聚合物的重金属浸出毒性满足国家规范要求。

为探究橡胶颗粒及玄武岩纤维交互耦合后对混凝土力学性能的影响, 本文以橡胶体积掺量、玄武岩纤维体积掺量、玄武岩纤维长度作为三个主要因素, 通过抗压强度、轴心抗压强度、劈裂抗拉强度及抗折强度试验研究三个因素对玄武岩橡胶混凝土的影响。结果表明: 橡胶掺量的增加会降低混凝土的力学性能, 但会改善混凝土的变形能力并降低脆性, 玄武岩纤维的掺入可以改善混凝土各项力学强度, 但掺量过多时, 除抗拉强度外, 其余强度均下降。综合分析得出当橡胶体积掺量为10%, 玄武岩纤维体积掺量为0.10%, 玄武岩纤维长度为18 mm时混凝土各项力学性能最优。基于受压应力-应变全曲线分析, 提出玄武岩橡胶混凝土的受压应力-应变本构模型, 为玄武岩橡胶混凝土构件的非线性分析和工程设计提供参考。

建筑固废在破碎为再生骨料过程中产生的砂粉具有填充和火山灰效应, 为实现建筑固废绿色再生利用提供新途径。本文以废砖、废混凝土为原材料制备混合型再生砂粉(再生复合微粉、再生细骨料)和再生粗骨料。采用正交试验方法结合室内击实试验、冻融试验、干缩试验探究混合型再生砂粉对水泥稳定碎石耐久性能的影响, 确定混合型再生砂粉的最佳组成, 运用SEM结合能谱分析揭示混合型再生砂粉对水泥稳定碎石耐久性能影响的机理。结果表明, 经冻融循环后试件的抗压强度损失值均小于基准试件, 最大降幅为1163%, 干缩应变最大增幅为6975%。混合型再生粗骨料对水泥稳定碎石最佳含水量、抗冻性能影响最为显著; 混合型再生细骨料降低试样抵抗变形的能力, 对其干缩性能影响高度显著。混合型再生砂粉可以有效改善混合料的密实度, 火山灰效应使试件Ca/Si比降低52.83%。极差分析可确定混合型再生复合微粉、再生细骨料、再生粗骨料最佳替代量依次为40%、20%、40%(质量分数)。研究成果可为再生材料在道路工程水泥稳定碎石基层应用提供参考。

为研究再生砂粉混凝土的力学性能及细观损伤, 本文基于Python语言对ABAQUS软件进行了二次开发编程, 建立了考虑骨料、新老砂浆基体和界面过渡区的多相三维混凝土有限元模型, 并通过抗压强度试验验证有限元模型的有效性。结果表明, 本文建立的再生砂粉混凝土细观模型可有效模拟其力学性能和细观损伤情况, 抗压强度实测值与模拟值的误差较小, 不超过10.65%; 再生砂粉混凝土试块破坏整体呈“X”形式, 与试验现象基本一致, 初始损伤出现在界面过渡区处, 然后逐渐发展直至贯通, 随着再生细骨料及再生微粉含量的增多, 其损伤扩展程度更加严重, 并且其力学性能也随之下降。

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。

为研究不同工业固废粉末对自密实高性能混凝土力学性能和耐久性的影响机理, 对掺入不同比例粉煤灰、矿渣、石灰粉末、煤矸石粉末和大理石粉末的混凝土进行了试验研究。通过测试混凝土的坍落扩展度、T50流动时间、L型仪和V型仪流动时间来评估其施工性能, 通过测试混凝土超声波波速和抗压强度来分析其力学性能, 通过测试混凝土通电量和水渗透深度来表征其耐久性。结果表明: 粉煤灰、矿渣、石灰粉末、煤矸石粉末及大理石粉末可用于配制施工性能和耐久性均佳的自密实高性能混凝土; 粉煤灰和矿渣粉末的允许掺量分别为35%(质量分数, 下同)和60%, 煤矸石、石灰粉末和大理石粉末的允许掺量各为30%, 粉煤灰的添加有利于提高混凝土的流动性, 使其坍落扩展度最大可达到750 mm; 除石灰粉末外, 增加工业固废粉末掺量也可提高混凝土抗氯离子渗透性能, 但增加细粉的掺量会降低混凝土的抗渗性能和抗压强度, 其中, 掺入30%石灰粉末的混凝土抗压强度下降最明显, 降幅达到20.8%。

为了提高粉煤灰、矿渣、铁尾矿砂和机制砂等固废的利用率, 制备早强、微膨胀的高强灌浆料, 本文通过复配普通硅酸盐水泥和硫铝酸盐水泥, 以及设计石英砂-铁尾矿砂-机制砂的三元复合体系和正交试验的方式分析了在固废复合材料共同作用下灌浆料的力学性能和微观结构。试验结果表明, 普通硅酸盐水泥和硫铝酸盐水泥最优质量比为4∶1, 石英砂、铁尾矿砂、石灰石机制砂的最优质量配合比为7∶1∶2, 正交试验4种因素对灌浆料试件强度影响程度由大到小为水胶比、粉煤灰掺量、胶砂比和矿渣掺量, 通过极差分析得到最佳因素水平组合为水胶比为033、胶砂比为1.0∶1.2、粉煤灰掺量和矿渣掺量分别为6%和10%(质量分数)。通过XRD、SEM分析发现, C-S-H凝胶的密实程度会影响灌浆料试件的强度, 水胶比对钙矾石物相有影响, 钙矾石和六水铝酸三钙能提高试件的早期强度。

以粒化高炉矿渣为主要材料, 在碱性电石渣激发作用下, 制备了一种矿渣-电石渣基地质聚合物。通过XRD、SEM、EDS、FTIR、TG-DSC等微观测试技术, 对矿渣-电石渣基地质聚合物的性能及作用机制进行了分析, 同时对地质聚合物进行了重金属浸出测试。结果表明: 当外掺电石渣质量分数为14%、水胶比为0.34时, 矿渣-电石渣基地质聚合物在4 d常温养护、32 h蒸汽养护环境下抗压强度达到31.8 MPa; 地质聚合物的水化产物主要为水化硅铝酸钙、水化碳铝酸钙和少量钙钒石晶体; 浸出液中重金属浓度均满足国家毒性控制标准, 说明了地质聚合物的安全性; 电石渣对矿渣碱激发作用效果良好。