铁铝酸盐水泥具有优异的抗海水侵蚀性能，在海洋工程应用中具有突出优势。研究了海水拌和与掺入偏高岭土对铁铝酸盐水泥浆体的流动度、凝结时间、水化热、电阻率、内部温度、化学收缩、抗压强度和水化产物的影响。结果表明，掺入偏高岭土减小了水泥浆体的流动度，缩短了凝结时间，72 h化学收缩、24 h电阻率均减小，浆体内部温度峰值降低。偏高岭土掺量小于20%时可加快早期水化放热速率、化学收缩和电阻率，并可促进钙矾石生成。海水拌和能加快水泥水化，使得水泥浆体的流动度显著降低，凝结时间显著缩短，并生成水化产物Friedel盐。海水和适量的偏高岭土拌和促进了更多的钙矾石生成，提高了铁铝酸盐水泥浆体的抗压强度。各试样的180 d抗压强度与淡水拌和时相比提高48.6%~80.2%。

镁渣的资源化利用是一个迫切需要解决的问题。 以镁渣、 改性镁渣为主要胶凝材料, 通过复掺粉煤灰制备镁渣基胶结充填材料(UCGB)与改性镁渣基胶结充填材料(MCGB), 并对两种充填材料的流动特性、 力学性能、 微观结构和水化特性进行对比分析。 结果表明, 改性镁渣与粉煤灰的掺和比例为4/1时, 制备的MCGB试样具有优异的力学性能, 养护28 d龄期的单轴抗压强度高达4.213 MPa。 随养护龄期的增长, MCGB试样水化产生大量的C-S-H凝胶、 Ca(OH)2晶体、 丝状Ettringite等水化产物, 并与其他硅酸盐氧化物(［Fe, Mg, Al］2.5［Si, Al］2O5［OH］4)交织团聚在一起, 填充于试样内部的孔隙、 孔洞之中, 有助于提升MCGB试样的机械性能和耐久性。 相比于MCGB试样, UCGB试样的机械性能并不理想, 早期强度低, 水化仅产生极少量Ettringite和Ca(OH)2晶体, 形成疏松多孔的微观形貌结构。 此外, 通过红外光谱曲线分析可知, 改性镁渣原样位于997 cm-1附近出现了β-C2S的特征频率, 而镁渣原样位于820 cm-1附近出现了γ-C2S的特征辨识谱带, 结合X射线图谱分析得出, 镁渣改性后其矿物相主要转变为β-C2S, 而镁渣原样的矿物相主要为γ-C2S, 本身几乎没有水化活性, 不宜用作制备矿用胶凝材料。 因此, 该研究主旨在于制备以改性镁渣为主的新型矿用胶凝材料提供科学依据和指导。

砷污染问题已经在世界范围内引起了广泛关注, 砷的去除也随即成为有待解决的问题, 三价砷的毒性远远高于五价砷, 地下水中砷主要以三价砷存在。 水体中砷的除去与其水化特征密切相关, 而有关不同质子化亚砷酸［HmAsO3］m-3(m=2, 3)周围水化特征的研究少之甚少, 更无［HmAsO3］m-3(m=2, 3)水化层的红外光谱特征研究。 利用B3LYP/6-311G(d, p)方法优化并计算了［HmAsO3(H2O)12］m-3(m=3, 2)水化能, 采取约化密度梯度函数填色等值面分析水分子与［HmAsO3］m-3(m=3, 2)物种相互作用类型、 位置及强度, 并详尽解析［HmAsO3(H2O)12］m-3(m=3, 2)水化团簇红外光谱特征。 研究得出, ［HmAsO3(H2O)12］m-3(m=3, 2)水化团簇中HmAsO3倾向分布在水化团簇的表面, H3AsO3比H2AsO-3水化能力低。 有趣地发现, H3AsO3第一水化层通过氢键形成了一个变形的六元环, 氢键的平均键长为1.79 ; 而H2AsO-3第一水化层通过氢键形成了一个变形的五元环, 氢键的平均键长也为1.79 。 红外光谱中, ［H3AsO3(H2O)12］0的As—OP（质子化O）伸缩振动峰701和637 cm-1与FTIR实验光谱中的数据一致, 而［H2AsO3(H2O)12］-的As—OP伸缩振动峰为573, 562和449 cm-1, 发生了明显红移, 其As—ON（未质子化O）伸缩振动峰为798 cm-1。 ［H3AsO3(H2O)12］0中独立OP—H伸缩振动峰为3 696 cm-1, OP—H…OW中OP—H伸缩振动峰3 598和3 105 cm-1; ［H2AsO3(H2O)12］-中独立OP—H伸缩振动峰为3 678 cm-1, OP—H…OW中OP—H伸缩振动峰为3 576 cm-1。 H3AsO3第一水化层组成的六元环中OW—HW…OW的OW—HW特征伸缩振动峰为3 233和2 911 cm-1且弯曲振动峰为1 606 cm-1, 而当第一水化层中水与H3AsO3中H或OP形成氢键导致OW—HW伸缩振动峰和弯曲振动峰都蓝移。 H2AsO-3第一水化层组成的五元环中OW—HW…OW的OW—HW特征伸缩振动峰为3 383 cm-1, 且OW—HW弯曲振动峰为1 680, 1 674和1 660 cm-1; 当H2AsO-3第一水化层中水与H2AsO-3的H形成HW—OW…H时导致OW—HW伸缩振动峰蓝移而弯曲振动峰红移, 第一水化层中水与H2AsO-3的OP或ON形成氢键时导致OW—HW伸缩振动峰红移而弯曲振动峰蓝移。 相对于H3AsO3第一水化层红外特征, H2AsO-3第一水化层OW—HW伸缩振动峰和弯曲振动峰都发生了蓝移。

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。

为研究石灰石粉细度和掺量对水泥浆体流变性能和水化进程的影响, 采用安东帕流变仪测试了新拌浆体的流变性能, 通过计算触变环面积表征浆体的触变性, 同时利用湿堆积密度测试和水膜层厚度计算结果解释石灰石粉对水泥浆体流变行为的影响机制, 最后通过微量热测试和XRD定量分析阐明石灰石粉对水泥水化进程的影响规律。结果表明, 10%(质量分数)掺量下, 1 000目(5.25 μm)石粉的掺入使屈服应力较掺400目(17.34 μm)石粉降低了48.4%, 但较掺600目(11.23 μm)石粉提高了15.6%; 相同细度下, 掺10%和20% 600目石粉浆体屈服应力较空白组分别降低767%和818%; 石粉的掺入降低了浆体的触变性, 并改变了触变性随时间的变化规律; 增加石粉细度和掺量使浆体湿堆积密度增大, 颗粒水膜层厚度提高, 浆体屈服应力和稠度减小; 增大石粉细度能够缩短水化诱导期, 使水化第二放热峰前移, 促进早期C3S溶解和C-S-H生成, 加快水泥水化进程。

通过改变矿粉、粉煤灰、偏高岭土的配合比, 用复配后的水玻璃进行碱激发, 制备三元地聚物, 测试了三元地聚物凝结时间以及抗折、抗压强度。利用XRD、SEM、EDS及DTG研究硬化浆体中水化产物的形貌和成分, 并对水化过程进行分析。结果表明, 该三元地聚物是由原材料在碱激发水化作用下生成的以水化硅酸钙(C-S-H)、水化硅铝酸钙(C-A-S-H)和水化硅铝酸钠(N-A-S-H)凝胶为主的复合胶凝材料。矿粉掺量越高, 新拌浆体凝结时间越短, 水化产物中钙系凝胶越多, 试件强度越高。矿粉含量为10%、30%、50%、70%、90%(质量分数)的5组试件3 d抗压强度分别为2.1、14.1、24.2、29.7、37.9 MPa。养护龄期越长, 反应越完全, 水化产物越多, 试件抗压强度越高。当矿粉含量为50%时, 三元地聚物1、3、7、28 d抗压强度分别为12.3、24.2、27.3、36.8 MPa。当矿粉含量为90%、养护龄期为28 d时, 试件抗折、抗压强度最高, 分别为12.0、52.0 MPa。该体系较短的凝结时间使其在道路修补材料及3D打印等领域有着较为广阔的应用前景。

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。

将600目(23 μm)和1 000目(13 μm)煤系偏高岭土按照0%、5%、10%、15%(质量分数)的掺量分别掺入混凝土，通过强度测试、XRD、TG-DTG、SEM-EDS和氮吸附试验等研究了煤系偏高岭土细度和掺量对混凝土力学性能和微观结构的影响。结果表明：偏高岭土的掺入显著提高了混凝土的力学性能，当偏高岭土细度为1 000目、掺量为15%时，混凝土的抗压强度最大，90 d抗压强度达到了81 MPa；水化产物主要由氢氧化钙、钙矾石、类水滑石及水化硅酸钙(C-S-H)凝胶等组成，掺入偏高岭土并未改变水化产物种类，但是增加了水化产物中C-S-H凝胶的产生量，同时降低了氢氧化钙的含量。偏高岭土与水泥水化产物氢氧化钙发生二次水化生成C-S-H凝胶，提高混凝土致密性，这是偏高岭土能够增强混凝土力学性能的主要原因。

电石渣作为一种Ca(OH)2含量较高的工业副产品，可协同Na2CO3加速碱激发复合胶凝材料的水化过程。本文采用粉煤灰和矿粉作为复合胶凝材料的前驱体，探究不同电石渣(CCR)和Na2CO3质量比对复合胶凝材料的孔溶液pH值和力学性能影响。此外，通过水化热、X射线衍射、热重分析和扫描电子显微镜，探讨了CCR和Na2CO3协同激发作用对复合胶凝材料的水化过程和微观结构的影响。研究结果表明，随着CCR掺量的增加，复合胶凝材料的孔溶液pH值和力学性能均呈先增加后递减的趋势。当CCR和Na2CO3的掺量分别为6%和9%(质量分数)时，碱激发复合胶凝材料的3 d孔溶液pH值和28 d抗压强度分别达到最大值12.95和26.8 MPa。微观结构分析表明，在CCR和Na2CO3的协同激发作用下，碱激发复合材料能够生成更多的水化硅（铝）酸钙(C-(A)-S-H)凝胶，使得结构更加密实。