【摘 要】
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工业固废堆存量大、固废利用率及附加值低、环境污染严重、建筑能耗水平高等问题,严重制约我国经济低碳、可持续、高质量稳定发展。利用工业固废制备低碳节能建筑材料是实现工业固废大规模消纳,缓解我国工业持续稳定发展与资源环境之间的矛盾,推动固废基绿色建筑新材料产业链升级的重要途径之一,有助于加快实现“碳达峰、碳中和”战略目标,促进经济、社会与生态的和谐发展。本文基于地聚合反应理论,以粉煤灰、锂渣、煤矸石、矿
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工业固废堆存量大、固废利用率及附加值低、环境污染严重、建筑能耗水平高等问题,严重制约我国经济低碳、可持续、高质量稳定发展。利用工业固废制备低碳节能建筑材料是实现工业固废大规模消纳,缓解我国工业持续稳定发展与资源环境之间的矛盾,推动固废基绿色建筑新材料产业链升级的重要途径之一,有助于加快实现“碳达峰、碳中和”战略目标,促进经济、社会与生态的和谐发展。本文基于地聚合反应理论,以粉煤灰、锂渣、煤矸石、矿渣、硅灰等典型工业固废为研究对象,以固废理化特性之间的协同-耦合关系、固废基碱激发胶凝材料性能强化、固废基无机聚合多孔材料绿色低碳制备与建筑节能应用为研究目标,借助SEM、XRD、DSC/TG、FTIR、NMR等微观分析方法,系统研究了:1)球磨机械力预处理对工业固废特性及其在地聚合反应过程中协同-耦合关系的影响;2)多固废体系、激发剂类型、养护制度等对固废基碱激发胶凝材料地聚合反应历程及综合性能的影响;3)固废基碱激发材料原位制备无机聚合多孔材料的性能调控及可持续性;4)热改性对无机聚合多孔材料孔隙结构、孔壁基质产物体系及高值化应用潜力的影响。取得的主要结论如下:(1)高掺量锂渣会造成浆体流动性和凝结速率显著降低;适量硅灰和矿粉的掺入以及延长养护时间有利于改善料浆特性,提高凝胶基质的致密度、均匀性和力学性能;高活性组分自身溶出特性以及各组分之间的协同-耦合关系会影响溶解-聚合反应过程,进而导致多固废体系碱激发材料在宏观性能、微观形貌、凝胶产物体系及结构等方面呈现出不同程度的变化。(2)Na2O/Al2O3<0.9时会导致OH-浓度下降,削弱硅铝质矿物的解聚水平以及凝胶基质的致密度;Ms在0.8-0.9范围内,有利于原料体系中活性组分的快速溶-聚反应,优化产物空间分布与力学性能;适当提高养护温度及时间可促进聚合态凝胶的形成,提高强度发展速率;但长时间高温养护下形成的凝胶产物可能会粘附在原料颗粒表面形成包覆层,改变反应动力学模型,并导致过程能耗的提高。(3)采用粉煤灰、锂渣、硅灰、矿渣及煤矸石质量比为45:30:4:16:5(Si O2/Al2O3=4.3)、激发剂的Na2Oeq=14.5%(Na2O/Al2O3=1.0)、复合激发剂模数Ms为0.9、预养护温度50-60℃、预养护时间3d、养护龄期7d、液固比0.5±0.05的条件下,料浆初始流动度为200±5mm,初凝时间为30-50min、终凝时间为170-190min、碱激发胶凝材料3d和28d抗压强度可分别达到30MPa和34MPa。(4)提高发气剂掺量会降低料浆发气稳定性和孔隙分布均匀性,同时显著降低体积密度、抗压强度及导热系数;较高的稳泡剂易于形成搅拌气泡,影响坯体成型稳定性及凝胶连续网络结构的形成;提高发气温度有助于缩短发气时间,但当高于30℃时,发气速率与料浆稠化速率无法形成良好的匹配关系,会导致连通孔道的大量形成;基于最佳方案的固废基碱激发胶凝材料,在发气剂掺量0.17%、稳泡剂0.2%、发气温度30±5℃的条件下,无机聚合多孔材料的体积密度可控制在500±20kg/m~3,抗压强度达到2.5-3.0MPa,导热系数0.165±0.005W/(m·K),且物理力学性能可满足GB11968中B05、A2.5级蒸压加气混凝土的相关要求。(5)无机聚合多孔材料制备与性能测试过程中产生的废料可作为硅铝质原料进行二次利用;但过量的再生料会降低活性硅铝质组分,影响料浆凝结特性与发气特性的匹配关系,不利于凝胶聚合度的提高以及致密三维网络结构的形成,综合性能明显降低。综合考虑清洁生产、循环利用及综合性能,再生料掺量应低于10%。(6)120-180℃的水热条件会促进凝胶产物向沸石类晶体转化,改变孔壁基质的晶胶比、物相空间分布、微孔数量以及整体形貌特征;600℃以上的高温改性会引起矿物结构分解、熔融与固相反应,导致霞石类矿物的生成,并形成多孔而均质的类陶瓷体框架结构;无机聚合材料的热稳定性与固废原料体系密切相关,微观结构及产物体系组成的改变会赋予材料不同的理化特性,进而提高其在多领域的应用潜力。
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