干压循环流化床粉煤灰聚合物的长期力学性能及其微观结构机制

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Long-Term Mechanical Properties and Microstructural Mechanisms of Dry-Pressed Circulating Fluidized Bed Fly Ash Geopolymers

循环流化床飞灰（CFBFA）资源化利用研究：采用干压成型技术探究不同含水量和养护条件下纯CFBFA及多固废协同系统的力学性能与微观结构演变规律，发现优化含水量（55%）和密封养护可显著提升抗压强度（纯CFBFA达6.9MPa，多固废系统达12.9MPa），协同活化机制（Si-Al、碱度、SO?2?协同促进C-A-S-H凝胶和AFt生成）及致密微观结构是强化效果的关键。

　　

何家琦|王继伟|徐向天|刘宇航|王伟|王永涛|侯志楠|谭金林

内蒙古大学交通学院，中国呼和浩特 010070

摘要

循环流化床飞灰（CFBFA）的可持续价值化仍然是煤炭行业绿色转型面临的关键挑战。本研究采用干压成型方法，探讨了由纯CFBFA以及CFBFA与多种工业副产物混合制成的 geopolymers 在不同含水量和固化时间下的长期机械性能和微观结构演变。与传统湿法浇铸不同，干压成型利用压实驱动的致密化过程，通过消除对普通波特兰水泥的需求显著降低了碳足迹。对于纯CFBFA材料，无约束抗压强度（UCS）随含水量的增加而提高，在55%含水量时达到峰值，从7天时的3.00 MPa增加到120天时的6.90 MPa。适当的含水量促进了颗粒重排和火山灰反应，而过多或过少的含水量则会减缓反应速度。使用塑料薄膜密封固化有效限制了水分流失，并产生了最高的强度。在此基础上，引入了包含碳化物渣（CS）、磨细高炉矿渣（GGBFS）和烟气脱硫石膏（FGDG）的多固体废弃物协同系统，进一步改善了机械性能。GGBFS中的活性Si-Al、CS提供的碱度以及FGDG释放的SO₄^2?共同促进了C–(A)–S–H和AFt的共形。28天后，这种四组分混合系统的UCS达到了12.9 MPa，显著超过了单一添加系统的性能。扫描电子显微镜观察显示，材料具有致密的凝胶网络和连续的界面，证实了其强化机制受水分调控、活化剂协同作用和固化稳定性的影响。这些结果为设计用于路基应用、地面稳定和低碳建筑材料的CFBFA基粘合剂提供了依据。

引言

随着能源结构的持续调整和日益严格的环境法规，煤炭的清洁高效利用受到了广泛关注[1]。循环流化床（CFB）燃煤锅炉作为一种能够实现炉内脱硫的清洁燃烧技术，由于其低污染物排放、良好的经济效益以及对不同类型煤炭的广泛适应性而得到了广泛应用[2]。随着中国大规模部署CFB锅炉，循环流化床飞灰（CFBFA）的产量稳步增加，使其成为该国工业固体废弃物的重要组成部分[3],[4]。这一过程中产生了大量CFBFA，统计数据显示，中国每年的CFBFA排放量超过2.8亿吨[5],[6]。目前，这些固体废弃物主要通过堆放或填埋处理，这不仅占用大量土地资源，还可能导致重金属渗漏和粉尘污染等环境问题[7],[8]。因此，探索CFBFA的高效资源化利用途径对于推动煤炭行业的绿色转型具有重要意义。此外，促进CFBFA与其他工业副产物的大规模利用可以显著提高资源利用效率，减少固体废弃物的积累，并促进其在实际工程应用中的整合。

然而，与传统燃煤锅炉产生的粉煤灰（PCFA）相比，CFBFA在物理结构和化学成分上存在显著差异。CFBFA颗粒形状不规则，孔隙率高，灼烧损失低，并含有较高比例的活性成分（如CaO、SO₃和Al₂O₃），在碱性条件下表现出可测量的火山灰活性[9],[10],[11]。这些特性使其在水泥基材料、固化/稳定和土壤改良方面具有应用潜力。然而，其广泛的粒径分布、高水分需求和松散的微观结构也限制了其机械性能的发展[12]。因此，深入研究CFBFA在不同成型和固化条件下的结构演变和强度发展对于扩展其工程应用尤为重要，尤其是朝着可扩展和低碳的高价值固体废弃物利用方向发展。

先前的研究表明，CFBFA的机械性能受多种因素影响，包括含水量、成型方法和固化条件。其中，含水量的调控和固化环境对结构致密化和水泥化反应起着关键作用[12],[13],[14]。传统的湿法混合或混合使用往往无法充分激活CFBFA的内部活性成分，导致早期强度不足和体积稳定性差。相比之下，干压成型技术因其工艺简单、能耗低和环保性能优越而越来越被用于生产无机水泥基材料[15]。与传统浇铸方法相比，干压成型通常需要更低的水分含量，能够快速成型/脱模，并通过颗粒重排和压实压力提高成型密度。这些特点有助于减少泌水和分离现象，降低高水胶比带来的干燥收缩和开裂风险，特别适用于水泥基产品的预制和大规模生产。此外，较低的水分需求意味着较低的除湿负担，有利于节能和固化过程中的尺寸稳定性。

为了提高CFBFA的水泥化活性和结构稳定性，研究人员引入了额外的活性材料，如磨细高炉矿渣（GGBFS）、碳化物渣（CS）和烟气脱硫石膏（FGDG），以在混合系统中实现协同活化[16],[17]。GGBFS富含活性SiO₂和Al₂O₃，在碱性条件下与Ca²⁺反应生成致密的C–(A)–S–H[18],[19]。CS主要提供碱性环境和Ca²⁺以激活飞灰反应[20],[21]。FGDG可以释放SO₄^2-，参与钙矾石（AFt）等结晶相的形成。依赖单一辅助水泥基材料的传统系统通常限制了工业副产物的有效利用。相比之下，多固体废弃物协同活化能够同时利用多种工业废弃物，减少普通波特兰水泥的消耗，同时提高材料性能和稳定性，从而增强环境可持续性和实际应用性。然而，不同活化剂的协同机制、最佳用量及其对微观结构和强度演变的影响仍需通过系统实验验证。此外，固化条件对干压成型CFBFA的结构形成和机械发展有显著影响。密封固化可以防止水分蒸发，确保水泥化反应的持续进行，而水固化或直接暴露固化可能导致水分梯度和服务表面开裂，从而削弱试样的密实度和稳定性。因此，通过比较不同固化条件下的结构和性能差异，可以确定最适合CFBFA基材料的实际工程应用条件。此类比较对于干压成型产品的规模化生产也至关重要，因为在实际生产中固化条件往往与实验室条件不同，且长期固化过程中的强度发展和机械稳定性可能受到关键影响。

本研究系统地研究了干压成型下CFBFA的机械行为和微观结构机制。通过抗压强度（UCS）和弯曲试验评估了含水量、外加剂和固化条件的影响，同时使用扫描电子显微镜（SEM）阐明了反应产物和孔结构演变。基于这些结果，提出了一个涉及水分调控、固化稳定性和活化剂协同作用的增强机制，以支持CFBFA基材料和固化系统的工程应用和大规模利用。

部分摘录

原材料

本研究使用的主要原材料包括CFBFA、CS、GGBFS和FGDG。所有材料均来自中国内蒙古。仅将PCFA作为传统参考，以说明CFBFA的独特形态和水分需求。在混合物制备或后续性能评估中未使用PCFA。图中1(a)展示了本研究中使用的CFBFA的颗粒形态。

纯CFBFA的抗压强度

图6展示了不同含水量和固化时间下由纯CFBFA制成的干压试样的UCS。图6(a)显示了CFBFA的抗压强度变化情况。图6(b)显示了CFBFA强度增长速率的变化。总体而言，当初始含水量从35%增加到55%时，所有固化条件下的UCS均显著提高，在55%含水量时达到最大值。在7天的固化时间下，35%和40%含水量下的UCS值分别为

含水量对CFBFA抗压强度影响的机制

含水量是控制CFBFA工作性、凝胶形成、微观结构和最终强度的关键参数。与PCFA不同，CFBFA含有较高的CaO和SO₃含量。一方面，高Ca含量可以促进C–S–H的形成并提高早期强度；另一方面，高水分需求通常会导致大孔隙的形成，从而降低长期密实度和耐久性[35]。如图6所示，UCS随着含水量的增加而显著提高

结论

本研究以CFBFA为主要水泥基材料，采用干压成型方法研究了含水量、多种固体废弃物的协同活化以及固化方法对所得geopolymers的机械性能和微观结构的影响。主要结论如下：

(1) 纯CFBFA的抗压强度随固化时间的增加而显著提高，并且强烈依赖于含水量。

作者贡献声明

何家琦：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、可视化处理、软件应用、数据分析。谭金林：实验研究。王永涛：方法论设计。侯志楠：项目监督、数据管理。刘宇航：撰写 – 审稿与编辑、项目监督、资金获取、概念构思。王伟：方法论设计。王继伟：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、方法论设计、资金获取、概念构思。徐向天：撰写 – 审稿与编辑

利益冲突声明

作者声明以下可能被视为潜在利益冲突的财务利益/个人关系：

王继伟报告获得了内蒙古自治区关键研发项目和成果转化计划的财政支持。

王继伟报告获得了国家自然科学基金的财政支持。

徐向天报告获得了“通过人才发展内蒙古”项目的财政支持

致谢

本研究得到了内蒙古自治区关键研发项目和成果转化计划（2023YFDZ0032）、国家自然科学基金（项目编号42201143）、“通过人才发展内蒙古”项目（2025TEL01，隶属于中国共产党内蒙古自治区委员会人才工作领导小组）以及准格尔旗应用技术研发项目（2023YY-14）的支持。