煤气化细灰粒径调控对水泥基材料水化行为及电磁波屏蔽性能的影响机制研究

《Results in Engineering》：Effects of particle size regulation of coal gasification fine ash on the hydration behavior and the electromagnetic wave shielding performance of cement-based materials

本研究针对传统电磁屏蔽水泥基材料成本高、工业固废煤气化细灰（CGFA）难以高值化利用的难题，系统探究了CGFA粒径调控对其在水泥基材料中水化行为及电磁屏蔽性能的影响规律。通过球磨制备不同粒径CGFA（D0.9=249.1μm、51.7μm、10μm），发现减小粒径可提升CGFA分散性、促进水化反应、优化导电网络，使40%掺量下砂浆仍满足M20强度要求，并在1.13-8.2GHz频段实现最高149%的屏蔽效能提升，为低成本功能化水泥基材料开发提供新途径。

　　

随着电子信息技术的飞速发展和人工智能时代的到来，电磁污染问题日益严重。高强度的电磁波不仅可能干扰医疗设备、航空航天和军事设施等关键系统，造成不可逆的损害，长期暴露还可能对人类健康产生危害。作为人类活动的主要场所，建筑环境的电磁屏蔽性能备受关注。目前，赋予材料电磁屏蔽性能的主要方式是添加导电和/或磁性填料，如碳基材料（碳纤维、石墨烯、碳纳米管、炭黑等）和金属基材料（钢纤维、铁氧体等）。然而，这些材料的高成本和复杂工艺严重制约了其在民用和商业领域的广泛应用。因此，开发低成本的电磁屏蔽填料成为推动水泥基材料电磁功能化的关键研究方向。

煤气化细灰（CGFA）是煤气化技术的主要副产物，年产量超过300万吨。该材料含有未燃烧的碳（含量约40%）和具有反应活性的玻璃微珠。传统建筑材料研究难以有效利用其高碳含量，导致资源严重浪费。值得注意的是，煤气化过程中未燃烧的碳在高温高压条件下形成了部分石墨化结构，赋予其优异的导电性。此外，其独特的多孔结构具有显著的界面极化能力。前期研究表明，提取的未燃烧碳与石蜡复合制备的吸波复合材料在5.04GHz处最低反射损耗可达-52.3dB，通过铁氧体负载改性还可将有效吸收带宽扩展至13-18GHz。这些发现证明CGFA中的未燃烧碳具有优异的电磁波损耗特性，在开发电磁屏蔽水泥基复合材料方面展现出巨大潜力。从经济角度看，CGFA作为大宗工业副产物具有显著成本优势，将其用于水泥基材料的电磁屏蔽功能化，既能实现废弃资源的高值化利用，又能大幅降低生产成本，促进电磁屏蔽水泥基材料的大规模应用。

尽管高掺量的CGFA可能因未燃烧碳含量高而降低水泥基材料的机械强度，但其含有的玻璃微珠状火山灰组分具有与粉煤灰相当的反应活性。研究表明，通过合适的活化方法可以激发CGFA的火山灰反应活性，有效补偿因未燃烧碳引起的强度损失，在保证水泥基材料屏蔽性能发展的同时维持足够的力学性能。目前，CGFA在水泥基材料中的应用研究主要集中在其对胶凝材料水化的辅助作用，而关于其增强水泥基材料电磁屏蔽性能的功能化研究却鲜有报道，尚属空白领域。作为新型水泥辅助材料，粒径调控是改性CGFA用于胶凝体系最基础且关键的手段。通过粒径调控，CGFA的结构特性、反应活性和分散性会发生显著变化，进而影响水泥基材料的性能与作用机制。

为此，发表在《Results in Engineering》上的这项研究，通过球磨将CGFA分离成三种不同粒径组分，系统研究了这些组分的形貌特征和分布模式对胶凝复合材料微观结构演变、力学性能发展和电磁屏蔽性能的影响，并建立了粒径参数、电磁屏蔽性能与水化机制之间的基本构效关系。研究结果为煤气化细灰的高值化利用提供了新思路，为工程应用提供了可参考的粒径和掺量参数范围，为低成本电磁屏蔽水泥基材料的开发开辟了一条实用的技术路径。

主要研究方法

本研究采用球磨法对CGFA进行预处理，获得未处理灰（A组，D_0.9=249.1μm）、中等粒径（B组，D_0.9=51.7μm）和小粒径（C组，D_0.9=10μm）三种粒径分布的样品。使用激光粒度分析仪、场发射扫描电子显微镜（SEM）、X射线衍射仪（XRD）和高分辨率工业计算机断层扫描（CT）表征了CGFA的颗粒特性、微观形貌、相组成和内部结构。通过测定水泥砂浆的折压强度、水化热、化学结合水含量以及采用四电极法和波导法分别评估了材料的力学性能、水化行为、导电性和电磁屏蔽效能（SE）。

研究结果

3.1. 形貌与结构

XRD分析表明三种粒径CGFA的相组成基本一致，主要为碳和氧化硅相。SEM显示未处理CGFA（A组）主要由具有多孔宏观特征的未燃烧碳和玻璃状微球活性组分组成。减小粒径至B组显著减小了未燃烧碳的尺寸并大幅破坏了其原始多孔结构，但孔结构得以保留。进一步减小至C组粒径时，未燃烧碳与活性组分完全混合，原始形貌特征无法区分。CT扫描显示，随着CGFA粒径减小，砂浆表面逐渐致密光滑，黑色加深，总孔隙率降低（A7、B7、C7的总孔隙率分别为4.67%、1.78%、1.43%）。

3.2. 力学性能与水化行为

3.2.1. 强度

随着CGFA掺量增加，砂浆的折压强度和抗压强度均降低，但减小CGFA粒径可显著提高强度。C组（最小粒径）样品的强度改善优于B组。当CGFA掺量达到50%时，A组和B组的3天抗压强度已无法有效测量，而C组仍保持6.5MPa的强度。更重要的是，即使用40%的C组CGFA等量替代水泥，复合砂浆的28天抗压强度仍能达到21.1MPa，完全满足标准中M20承重要求。

3.2.2. 相组成与化学结合水

XRD分析表明CGFA复合砂浆的相组成与普通水泥砂浆基本一致，主要衍射峰对应水化产物氢氧化钙（CH）、未反应的C2S和SiO2。化学结合水测试表明，水泥浆体的化学结合水含量随CGFA掺量增加而降低，但减小CGFA粒径可显著促进胶凝复合材料的水化过程。C组样品在所有配合比下均表现出化学结合水含量的显著增加。

3.2.3. 水化热

水化热测试表明，水泥浆体的累积放热量随CGFA掺量增加逐渐减少，但在相同CGFA掺量下，累积放热量随CGFA粒径减小而增加。值得注意的是，C5样品的累积放热量甚至超过了空白样品，证实减小CGFA粒径可增强CGFA水泥复合体系的早期水化能力，达到或超过空白样品的水平。

3.3. 电磁屏蔽性能

3.3.1. 导电性

CGFA水泥砂浆的电导率随CGFA掺量增加显著增强。未处理CGFA掺量30%为体系的渗流阈值，此时未燃烧碳颗粒建立起足够连续的导电通路。当掺量50%时，电导率达到最大值0.37S/m。复合砂浆的电导率随CGFA粒径减小呈增加趋势。当CGFA粒径减小至C组范围时，所有配合比样品的电导率均实现数量级提升，在50%掺量时高达0.57S/m。

3.3.2. 电磁屏蔽性能

掺入CGFA可显著增强水泥砂浆的电磁屏蔽性能，SE随CGFA掺量增加逐步提高。屏蔽性能随CGFA粒径变化表现出显著的频率选择性：在1.13-2.61GHz频段，SE随粒径减小而增加，C组比未处理CGFA的SE最高提升12%；在2.61-3.95GHz过渡频段，A组和C组性能相近，B组SE最低；在3.99-8.2GHz频段，SE随粒径增大而增加，未处理CGFA比C组SE最高提升17.3%。

3.3.3. 电磁屏蔽机制

在1.13-1.73GHz较低频段，电磁屏蔽性能由反射损耗（SE_R）和吸收损耗（SE_A）共同主导。随着频率升高至5.99-8.2GHz，屏蔽机制发生显著转变，SE_R贡献下降，SE_A贡献上升，逐渐从低频的双机制主导转变为高频以吸收损耗为主导。大粒径CGFA（A组）砂浆孔隙率相对较高，其多孔结构有利于界面极化并提供更多界面，诱导电磁波多次反射和散射，延长传播路径，增强能量耗散，因而在高频段屏蔽性能更优。小粒径CGFA（C组）则因未燃烧碳分散性改善，更容易形成致密均匀的导电网络，显著提升砂浆整体电导率，从而在低频段通过增强的反射特性和电阻损耗效应表现出更优的屏蔽性能。

结论与意义

本研究系统揭示了CGFA粒径调控对水泥基材料结构特性、电磁屏蔽机制和水化行为的影响规律。主要结论包括：减小CGFA粒径可破坏未燃烧碳的多孔特征，激发其火山灰活性，促进早期水化过程，增强基体密实度，从而有效改善强度，使40%高掺量下的砂浆仍能满足M20承重标准。掺入CGFA能显著增强水泥砂浆的导电性和电磁屏蔽性能（平均SE最高提升149%），且屏蔽性能表现出明显的频率-粒径相关性。未处理大粒径CGFA砂浆适用于高频电磁屏蔽，但强度下降显著，适用于抹灰砂浆等非承重应用；而小粒径CGFA砂浆在低频屏蔽方面表现更好，且强度保持良好，适用于承重砌体材料。

该研究不仅为煤气化细灰的高值化利用提供了创新思路，为工程应用提供了关键的粒径和掺量参数范围，而且通过利用工业固废显著降低了电磁屏蔽水泥基材料的生产成本和水泥消耗量，对减少行业碳排放具有积极意义，为低成本、高性能电磁功能水泥基材料的开发和大规模应用奠定了坚实的理论与实验基础。