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。

为实现脱硫石膏晶须的绿色生产，以预处理后的脱硫石膏为原料，使用硫酸调节反应溶液pH值，通过水热法制备脱硫石膏晶须，通过在有、无试剂补偿条件下滤液的循环利用，研究滤液循环次数对晶须品质、溶液pH值、Na+浓度的影响。结果表明，在无试剂补偿条件下，随滤液循环次数增加，滤液pH值逐渐升高，Na+浓度逐渐降低，浓度损失为27.3%~34.6%。在有H2SO4和NaCl试剂补偿的条件下，滤液循环次数对反应前后溶液中Ca2+浓度变化影响不大，但对晶须结晶形貌、长径比、品质有一定的影响；当滤液循环次数小于5次时，获得的晶须品质相对较好。

为促进大宗化利用钢渣尾泥，以河北迁安的钢渣尾泥为研究对象，借助X射线衍射(XRD)、场发射扫描电镜(FE-SEM)、傅里叶红外光谱(FT-IR)、热重-差热分析(TG-DTA)测试方法，研究了钢渣尾泥在矿渣-脱硫石膏体系中的水化硬化特性。研究表明，经机械粉磨后的钢渣尾泥仍表现出较好的水硬胶凝特性，与普通钢渣-矿渣-脱硫石膏体系相比具有早期强度高的优势，其水化产物主要为钙矾石(AFt)和水化硅酸钙(C-S-H)凝胶。在水化反应过程中：钢渣尾泥为体系提供碱性环境，促使矿渣中玻璃体解离;矿渣水化不断消耗羟基,进一步促进了钢渣尾泥的水化;脱硫石膏为体系提供大量的Ca2+和SO2-4,这些离子与体系中的凝胶反应生成AFt。三者相互渗透协同反应推动了水化反应持续进行。

以脱硫石膏为原料通过水热合成法制备硫酸钙晶须, 借助X射线衍射仪、扫描电子显微镜、能谱仪、热重分析仪等测试手段进行分析, 研究了酸化预处理、料浆浓度以及反应温度对制备硫酸钙晶须的影响。结果表明: 酸化预处理可以有效去除原料中的CaCO3杂质; 随着料浆浓度和反应温度的增加, 晶须长径比均呈现先增大后减小的趋势; 当料浆浓度为3%(质量分数), pH值为6.5, 反应温度为120 ℃, 反应时间为2 h时, 取得的硫酸钙晶须最佳平均长度为161.2 μm, 最佳平均长径比为46.06。

受限于高氯离子迁移性能, 大量品质较低的脱硫石膏在石膏制品中无法被有效利用。本文研究了Q相(Ca20Al26Mg3Si3O68)对脱硫石膏中氯离子迁移性能的影响规律与机理。结果表明, 在脱硫石膏中以10%~30%(质量分数)的比例掺入Q相, 其水化产物主要为二水硫酸钙、钙矾石和AH3凝胶, 脱硫石膏样品中氯离子固化率和绝干抗压强度均得到了较大提升。掺入30%的Q相对脱硫石膏性能提升效果最佳, 此时氯离子固化率达19.55%, 石膏的绝干抗压强度提升了约51.5%。结合XRD、SEM和综合热分析探明了Q相-脱硫石膏水化产物中钙矾石、AH3凝胶对氯离子固化和石膏力学性能改善的作用机理。

以处理后的脱硫石膏为原料, 在H2SO4-H2O体系中以Cu(NO3)2为晶形控制剂采用水热法制备脱硫石膏晶须, 探讨了Cu(NO3)2对脱硫石膏晶须生长的影响机理。结果表明: Cu(NO3)2对脱硫石膏有明显促溶作用, 其中Cu2+可减小溶液中各离子的活度系数, 使溶液中的Ca2+浓度增大。NO-3通过静电作用在Ca2+周围聚集并对SO2-4产生屏蔽作用, 导致脱硫石膏继续溶解并使Ca2+和SO2-4的浓度处于相对稳定状态, 有利于半水脱硫石膏晶体的形核与生长。此外, Cu2+还可在晶须的生长过程中选择性吸附在晶须表面, 生成CuSO4, 促进了脱硫石膏的结晶生长, 最终在Cu(NO3)2用量为2.0%(质量分数)时制备的脱硫石膏晶须长径比约为73。