控制用作优质掺合料的再生煤系高岭土废弃物的相转移

《Results in Engineering》：Controlling phase transfer of recycled coal-series kaolin waste used as superior admixture

本研究通过调控煤系高岭土（CSK）煅烧动力学，揭示其相变与水泥基复合材料力学性能的关联机制。在800℃煅烧时，CSK选择性生成高活性偏高岭土并抑制 inert Mullite结晶，使复合水泥强度保持率达94.8%，为工业固废资源化提供新路径。

　　
本文聚焦于将煤系高岭土（CSK）这一工业固废转化为高性能建筑材料的关键技术研究。研究团队通过系统性的热活化调控机制，首次建立了CSK相变过程与水泥基复合材料力学性能的定量关联，为固废资源化提供了创新解决方案。

研究始于对CSK的原料特性分析。原料取自中国陕西榆林籽子沟矿区，经球磨粉碎后获得粒径5.93微米的细粉。X射线荧光光谱（XRF）显示其化学组成为SiO?57.0%、Al?O?37.5%，伴生少量Fe?O?（1.21%）及K?O（0.84%）。这种高铝硅比的特征为后续热活化提供了物质基础。

在热活化机理方面，研究揭示了CSK相变的三阶段动态过程：第一阶段（600-700℃）发生脱水脱羟基反应，形成无定形活性高岭土；第二阶段（700-800℃）达到最佳活化温度，此时活性SiO?和Al?O?比例达峰值（占比达83.6%）；第三阶段（800-1000℃）则出现二次莫来石结晶，导致活性成分流失。通过差示扫描量热法（DSC）测定活化能发现，CSK的分解活化能（118.1 kJ/mol）显著低于纯高岭土（约140 kJ/mol），这归因于原料中石英杂质（占比约42.5%）对晶格结构的弱化作用。

材料性能优化方面，研究团队开发出温度梯度控制技术。当以5℃/min速率升温至800℃时，CSK中无定形高岭土转化率可达92.7%，而莫来石结晶量控制在3.2%以下。这种精准调控使复合水泥28天抗压强度达到42.5MPa（基准值），较传统粉煤灰掺量20%时提升15.6%。特别值得注意的是，在800℃处理时，材料中的活性位点密度达到每平方厘米1.8×101?个，是基准样品的3.2倍。

微观结构表征显示，最佳热活化样品（CG-800）呈现出独特的双相结构：纳米级（<50nm）高密度C-S-H凝胶占比达67.3%，与微米级（50-200nm）结构形成协同效应。三维CT扫描揭示其孔隙结构具有梯度分布特征——毛细孔（<1μm）占比61.2%，过渡孔（1-5μm）占27.5%，大孔隙（>5μm）仅占11.3%。这种多尺度孔隙结构使材料同时具备高流动性和低渗透性，28天抗压强度保持率高达94.8%。

在长期性能评估方面，纳米压痕技术显示，CG-800样品的弹性模量梯度分布（1.2-1.8GPa）较基准样品（0.9-1.5GPa）更趋平滑，这与其ITZ（界面过渡区）中高密度C-S-H凝胶（占比82.4%）密切相关。EDS面扫分析表明，活性区（pH>12）的Si/Al比值达3.7，而惰性区（pH<9.5）的Si/Al比值仅1.2，这种空间分布差异有效抑制了裂纹扩展。

研究还创新性地提出"双临界温度"控制理论：在650-750℃区间存在结晶度临界点，此时材料活性位形成速率达到峰值；而在800-900℃区间则存在反应完成度临界点，超过该阈值将引发莫来石晶核成核。通过建立动态热力学模型，成功将CSK利用率从传统工艺的45%提升至78.3%。

该成果在工程应用层面具有显著突破：经200次冻融循环（-20℃至60℃）后，CG-800样品的强度保持率仍达基准值的91.2%；在pH=12.5的强碱环境下，其抗压强度衰减率仅为0.7%/年，远优于普通粉煤灰。这些特性使其特别适合用于沿海地区海岛机场跑道混凝土（设计寿命50年）和硫酸盐侵蚀环境下的水工结构。

未来研究将聚焦于开发区域适应性调控技术：针对中国不同矿区CSK中石英含量差异（从32%到58%），建立基于原料特性的动态热活化参数矩阵。同时探索CSK与生物炭的协同活化机制，通过多尺度孔隙调控使材料抗压强度突破50MPa，为建造抗渗等级达P10的地下工程结构奠定基础。