改性石墨尾矿-波特兰水泥熟料复合胶凝体系水化机理研究及其环境效益分析

《Journal of Building Engineering》：Study on the Hydration Mechanism of a Modified Graphite Tail - Portland Cement Clinker Composite Cementation System

本文系统研究了以改性石墨尾矿（MGTS）作为辅助胶凝材料（SCM）部分替代波特兰水泥熟料（PCC）的复合胶凝体系（CCS）。结果表明，30%质量替代率的MGTS可提升砂浆28天抗压与抗折强度，并通过微填充效应和二次水化反应（生成C-A-S-H凝胶）优化孔隙结构，促进水化动力学。该研究为水泥工业降低熟料用量、实现石墨尾矿（GTS）资源化利用及碳减排（CO2）提供了新策略。

　　

Highlight

复合胶凝体系（CCS）的宏观性能

图4展示了采用不同MGTS替代率制备的CCS砂浆试件（40毫米×40毫米×160毫米）养护28天后的情况。图例中的数字（0/1/2/3/4）分别代表MGTS替代率为0%、10%、20%、30%和40%的CCS砂浆试件编号。

在外观上，除PCC-CCS组的试件呈灰色外，其他组试件均呈现不同程度的浅红色，且随着替代率的增加，试件的红色调逐渐加深。所有试件表面均平整，无可见裂纹。

环境效益分析

全球每年约生产50亿吨普通波特兰水泥，每吨波特兰水泥熟料（PCC）的平均生产会产生约798千克的CO₂排放。根据GB 175-2023《通用波特兰水泥》对复合波特兰水泥组成的要求，并结合调查，如果在水泥生产过程中使用30%的MGTS替代PCC，那么每吨新型胶凝材料的生产将减少约239.4千克的CO₂排放。这为水泥行业的低碳转型和固体废弃物的资源化利用提供了重要的环境效益。

结论

本研究采用热-机械复合活化方法对GTS进行改性和活化。通过在传统水泥基CCS中替代不同质量分数的PCC，合成了以MGTS为基质的CCS。随后对该体系的净浆和砂浆进行了宏观性能测试。在综合宏观测试结果的基础上，选取代表性样品进行了一系列微观测试，以分析其水化过程、水化产物和微观结构演变。结果表明，MGTS的掺入不仅发挥了物理填充作用，还通过化学反应促进了水化产物的生成和微观结构的致密化，从而改善了CCS的力学性能和耐久性。