在煤炭开采、加工、利用过程中产生大量的煤矸石、粉煤灰等煤基固废,其长期堆存不仅侵占土地,而且引起严重的环境污染和生态破坏。全面推进煤矸石、粉煤灰等煤基固废的资源化综合利用成为煤电产区实现可持续发展的重要途径。煤矸石、粉煤灰是典型的铝硅酸盐煤基固废,含有13⁵0%的氧化铝和34⁷0%的氧化硅,从煤矸石、粉煤灰中提取铝硅系列产品是实现其资源化高值利用的重要方向。煤基固废中的铝硅酸盐矿物主要以高岭石、莫来石等形式存在,通常情况下,它们的结构稳定,化学反应活性较差,实现这些铝硅酸盐矿物的活化转化对于煤基固废中铝硅资源的利用非常关键。热活化、机械力活化是常用的活化方式,但其活化效率较低;相比较而言,采用碳酸钠助剂化学活化可高效激发煤矸石、粉煤灰的反应活性。然而,该活化过程中碳酸钠助剂耗量较大,成为限制其产业化应用的瓶颈。清晰认识煤矸石、粉煤灰的物相组成,以及各物相在碳酸钠作用下的物相转变机理,对于该工艺的进一步优化是非常必要的。基于此,本论文首先定量研究了煤基固废中晶相与非晶相矿物组成;然后采用模型矿物方法,分别研究了高岭石、莫来石在碳酸钠作用下的物相转变机理,以及煤矸石、粉煤灰中不含铝矿物二氧化硅对碳酸钠活化铝硅酸盐矿物的影响;最后,根据研究所获结果,开展了碳酸钠活化煤基固废的工艺优化研究。本论文所获得的主要结论如下:（1）煤基固废中晶相与非晶相矿物的定量分析。在对煤矸石中晶相矿物的定量分析研究中发现,有机质的出现会导致其晶相矿物测定结果准确度和精确度下降,且影响程度随着有机质含量增加而增加;但对于有机质含量小于30%的煤矸石而言,负面影响较小,即煤矸石无需经过低温灰化,也可获得较为可信的定量分析结果。对于粉煤灰中晶相与非晶相矿物的定量分析而言,可在现有定量分析方法的基础上,结合碱浸方式实现粉煤灰中非晶相二氧化硅和非晶相铝硅玻璃体的分离,从而提供一种更为全面测定粉煤灰中晶相与非晶相矿物的方法。在非晶相分离过程中,碱浸脱除非晶相二氧化硅反应终点以脱硅灰中生成新的晶相矿物羟基方钠石为标志。（2）考察了高岭石-碳酸钠、莫来石-碳酸钠分别在不同温度下的热分解行为、物相转化、微观结构变化,结合量化计算和理论分析结果,阐明了高岭石、莫来石分别在碳酸钠作用下的物相转变机理。结果表明:在300⁶00°C时,高岭石发生脱羟基,铝氧八面体（[AlO₆]）逐渐转变为铝氧四面体（[AlO₄]）;与此同时,在碳酸钠分解产生的氧化钠作用下,硅氧四面体（[SiO₄]）层和[AlO₄]层内部以及它们之间的桥氧键被打断,促使这些配位体发生分离;随着反应温度升高,各个单独的[AlO₄]、[SiO₄]以及碳酸钠分解产生的钠离子（Na⁺）之间会以特定方式发生重组,即反应生成不同的铝酸钠盐、硅酸钠盐和铝硅酸钠盐。对于莫来石与碳酸钠反应体系而言,它们之间的相转变过程也可以根据不同氧配位体的变化加以解释:在500⁸00°C时,碳酸钠分解产生氧化钠,并通过莫来石晶体结构中的氧空位进入反应体系;氧化钠与氧空位周围的氧原子发生相互作用,促使莫来石晶体中的[AlO₆]转变为[AlO₄];随着反应温度升高,源自莫来石晶体结构中更稳定的[AlO₆]将进一步转化成[AlO₄];然后同样会发生桥氧键的断裂以及不同氧配位体和Na⁺的重组现象。特别地,对于焙烧产物中Na:Al:Si摩尔比为1:1:1的钠铝硅酸盐、六方霞石和立方沸石而言,其所含[AlO₄]和[SiO₄]的排布受到Pauling静电价规则的限制,更倾向于以交替排布方式组合成阴离子架状结构;与此同时,Na⁺作为电荷补偿剂,填充于阴离子架状结构的空穴中,以确保反应生成物的电荷平衡和结构稳定。（3）考察了二氧化硅（包括晶相石英/非晶相二氧化硅）对碳酸钠活化铝硅酸盐矿物的影响,并与Na₂O-SiO₂-Al₂O₃体系的等温热力学计算结果进行了对比。结果表明:高岭石-碳酸钠、高岭石-石英-碳酸钠体系经850°C焙烧后生成物相的Na:Al:Si摩尔比主要由反应体系中碳酸钠的添加量决定;与高岭石-碳酸钠体系相比,石英的出现会抑制铝硅酸钠盐的生成。对于莫来石-铝硅玻璃相-石英/非晶相二氧化硅-碳酸钠体系而言,在碳酸钠作用下,适量的石英或非晶相二氧化硅均可与高Al:Si摩尔比的铝硅酸盐矿物发生相互作用生成铝硅酸钠盐,但超过一定限度后,即形成单独的硅酸钠盐,并引起碳酸钠耗量增加。热力学计算结果与实验测试结果相一致,即随着反应体系中二氧化硅含量增加,铝硅酸钠盐中的Al:Si摩尔比降低,并在二氧化硅超过一定限度后生成单独的硅酸钠盐。（4）考察了赤泥添加对碳酸钠活化煤基固废活化效率的影响,建立了赤泥协同碳酸钠活化煤基固废优化工艺。结果表明,赤泥协同碳酸钠活化煤基固废可有效降低碳酸钠助剂耗量。当煤矸石/粉煤灰-赤泥-碳酸钠体系中Na:Al:Si摩尔比控制在1:1:1至1.5:1:1之间时,可使煤矸石、粉煤灰中绝大多数铝硅酸盐矿物被活化。与碳酸钠直接活化相比,采用煤基固废-赤泥-碳酸钠协同活化技术可有效降低碳酸钠耗量约36⁴6%。造成碳酸钠耗量显著降低的主要原因是由于赤泥可调整煤矸石、粉煤灰中的Al:Si摩尔比,避免了其中所含的二氧化硅单独消耗碳酸钠生成硅酸钠盐。