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。

中和渣(NS)是矿物开采和冶金处理过程中生成的以硫酸钙为主要成分的工业废渣, 中和渣大量堆积储存会给环境带来巨大威胁, 因此, 迫切需要探索一种回收利用中和渣的新技术。研究了不同粒化高炉矿渣掺量的中和渣基地质聚合物的力学性能, 并通过X射线衍射测试、反应热测试、压汞测试、傅里叶变换红外光谱测试和扫描电子显微镜测试等手段, 对中和渣基地质聚合物的物相组成、水化速率、孔结构及微观形貌进行了表征。结果表明: 在激发剂作用下, 中和渣与粒化高炉矿渣间地质聚合反应的主要产物为C(N)-A-S-H凝胶。粒化高炉矿渣的掺入可提高聚合反应速率, 生成更多的地质聚合物凝胶, 使得中和渣基地质聚合物微观结构更致密, 力学性能也更高。粒化高炉矿渣掺量为30%(质量分数)的中和渣基地质聚合物28 d抗压强度可达178 MPa。

高收缩率是限制高性能工程水泥基复合材料(HP-ECC)大规模工程应用的瓶颈之一。本文通过引入超吸水性聚合物(SAP)来缓解HP-ECC的收缩, 研究了不同掺量的SAP对HP-ECC抗压强度、抗折强度、拉伸性能、自收缩和干燥收缩性能的影响, 并采用扫描电子显微镜(SEM)研究了SAP对HP-ECC拉伸后纤维表面形貌变化的影响。结果表明, HP-ECC中掺入SAP后的抗压强度和抗折强度降低, 自收缩和干燥收缩得到缓解, 且自收缩和干燥收缩随SAP掺量的增加而降低。此外, HP-ECC的拉伸强度降低, 拉伸延伸率提高。SAP的引入降低了基体的断裂韧度, 使基体更容易形成微裂缝, 从而改善了HP-ECC的应变硬化行为和多缝开裂现象。随着SAP掺量的增加, 纤维从基体中拔出时的表面形貌越来越光滑, 纤维-基体界面黏结性能降低。

纤维增强延性水泥基材料(ECC)造价昂贵, 在实际工程应用中尚未被推广。在传统ECC体系中加入钢纤维, 并按照不同体积分数(0%、25%、50%、75%、100%)将国产PVA纤维替代日产PVA纤维, 制备极具性价比的钢-PVA混杂纤维增强延性水泥基材料, 通过立方体轴心抗压试验研究混杂纤维延性水泥基材料的单轴受压力学性能。结果表明: 随着国产PVA纤维的增加, 钢-PVA混杂纤维水泥基复合材料的抗压强度先减小后增加, 抗压韧性指数先增强后减弱, 而峰值应变提升效果较为显著; 相较于普通水泥基材料, 钢-PVA混杂纤维水泥基复合材料具有更好的完整性和延性; 综合材料抗压性能与材料造价, 国产PVA纤维替代日产PVA纤维配制钢-PVA混杂纤维水泥基复合材料可以实现功能价值和经济价值的协同最大化。

采用溶胶-凝胶技术合成Al2O3刚玉前驱体, 以SiO2-MgO-CaO为助烧剂, α-Al2O3纳米粉体为晶种, 利用传统烧结技术制备微晶陶瓷刚玉(SG)磨料。借助透射电镜(TEM)、X射线衍射(XRD)及热重-量热扫描(TG-DSC)等技术分析了晶种的特性和凝胶前驱体的热学性能, 探讨了烧结温度和烧结时间对SG磨料微观结构和力学性能的影响。结果表明, 纳米α-Al2O3晶种的添加使θ-Al2O3α-Al2O3相变温度降低了250 ℃。单颗粒抗压强度和密度随烧结温度的升高和烧结时间的延长先增大后减小, 晶粒形貌由等轴晶转变为片状晶。在1 320 ℃烧结45 min制备的SG磨料的单颗粒抗压强度和密度分别为40.2 N和3.88 g/cm3, 平均晶粒粒径为0.56 μm, 优于用传统烧结技术制备的微米晶种磨料样品。

为了促进磷石膏的综合利用, 改善水泥稳定碎石的抗裂性能。本文通过磷石膏部分取代细集料制备了一种水泥-磷石膏稳定碎石材料, 系统地分析了材料强度、水稳性能和抗裂性能的影响因素。结果表明, 水泥剂量、磷石膏掺量和集料级配均对水泥-磷石膏稳定碎石材料的强度有较大影响。适当将细集料的质量分数降低5%~10%, 更有利于材料形成骨架密实型结构。磷石膏除了具有细集料的填充作用, 还可以促进膨胀性钙矾石(AFt)晶体生长。磷石膏掺量为8%(质量分数)的水泥-磷石膏稳定碎石泡水养护7 d的强度保持率为73.4%, 水稳性能良好, 与水泥稳定碎石相比, 其7 d强度提高了26.7%, 28 d干缩应变降低了40.3%。在贵州省某二级路进行了工程应用, 试验段检测的合格率为100%, 验证了生产配合比的可行性。

针对半水磷石膏硬化后力学性能低和耐水性能差等问题, 采用硫氧镁水泥对其改性, 研究了硫氧镁水泥掺量对半水磷石膏凝结时间、力学性能和耐水性能的影响, 从微观结构角度分析了硫氧镁水泥改性半水石膏的作用机理。结果表明, 掺入硫氧镁水泥显著延缓了半水磷石膏的终凝时间, 保证了半水磷石膏的施工操作时间。半水磷石膏溶解电离出的硫酸根离子参与硫氧镁水泥水化, 形成稳定的517相填充在二水石膏中, 大幅度提升了半水磷石膏的力学性能和耐水性能。

为了寻求工程泥浆的高值资源化利用有效途径, 以经机械脱水泥饼为主要原料, 掺加不同比例的粉煤灰和钢渣制备陶粒, 设计了高含水率泥饼制备陶粒的成型设备和工艺流程, 探究了化学组成对陶粒性能的影响, 测试了陶粒混凝土和易性及强度性能, 并与普通混凝土进行了对比。研究表明: 掺入适量钢渣能有效提升陶粒的强度, 降低吸水率; 而粉煤灰则反之, 主要原因是钢渣的掺入优化了黏土的SA/R(难熔成分与助熔成分质量比), 而粉煤灰的掺入则劣化了该比值。当钢渣掺入量为10%(质量分数)时, 烧结陶粒的筒压强度为5.8 MPa, 吸水率为10.4%, 堆积密度为1 076 kg·m-3, 表观密度为2 010 kg·m-3, 满足《陶粒混凝土技术规程》(DBJ/T 15-62—2021)中关于高强陶粒的使用要求, 可以应用于陶粒混凝土。按C45设计的陶粒混凝土抗压强度为23.49 MPa, 流动性较好, 表观密度较低, 能降低其12.4%的自重, 适用于非承重结构。

为扩大磷石膏的综合利用，以原状磷石膏(RPG)和β-半水磷石膏(HPG)为主要原材料，利用偏高岭土(MK)和碱性激发剂(生石灰、水玻璃)改性制备磷石膏基复合胶凝材料。通过单因素试验探究MK掺量、水玻璃掺量及RPG和HPG的相对掺量对偏高岭土-磷石膏基复合胶凝材料(MKPGBM)力学性能、耐水性能和耐干湿性能的影响，并分析其作用机理。结果表明，MK、水玻璃及HPG掺量的增加均能有效提高MKPGBM的强度。MK和水玻璃掺量(以质量分数计)分别为7%~9%和21%~24%时，MKPGBM的力学性能和耐水性能最优。当RPG与HPG相对掺量(质量分数比)为5∶5时，MKPGBM的28 d抗压和抗折强度最优，分别为19.58和7.44 MPa；当RPG与HPG相对掺量为6∶4时，MKPGBM的综合性能较优，其28 d软化系数达到0.796。MK和掺合料的掺入能有效促进水化产物的生成并填充基体之间的孔隙，还能提高RPG内部颗粒的相互接触强度，进而达到改善磷石膏基复合胶凝材料力学性能、耐水性能及耐干湿性能的效果。

将金尾矿复合砂作为细集料替代天然砂，研究了金尾矿复合砂替代率对C30~C50混凝土和易性、抗压强度及耐久性的影响，并对力学性能较优组进行了微观结构分析。结果表明：当金尾矿复合砂替代率低于50%(质量分数)时，混合砂具有较优级配；当金尾矿复合砂替代率由0%增加至50%时，需通过调整外加剂掺量来保证金尾矿复合砂混凝土良好的工作性；当金尾矿复合砂替代率为20%~30%时，C30~C50混凝土不同龄期抗压强度、抗碳化性能和抗冻性能较未掺金尾矿复合砂基准组均有较大提升，微观水化产物相互交织增强了结构密实性。