持续不断的工业扩张导致全球工业固体废弃物的持续积累,其可持续利用已成为实现长期环境可持续性的一项基本要求[1]。工业固废在建筑材料领域的应用已取得显著进展,特别是将其作为细磨原料用于水泥基胶凝材料,可显著减少水泥用量,同时带来显著的环境和经济效益[2]。
硅铝质工业副产物,如矿渣微粉(GGBFS)、粉煤灰(FA)和钢渣粉,具有潜在的火山灰活性,被广泛用作水泥体系中的矿物掺合料(SCMs)[3]。在适中的替代率下,矿物掺合料通过填充效应、成核效应和火山灰效应促进微观结构致密化,从而改善混凝土的力学性能[4],[5]。然而,矿物掺合料缓慢的火山灰反应活性通常导致高替代率下早期强度显著下降和凝结时间延长[6]。因此,工业固废作为矿物掺合料的掺量通常被限制在20%以下[7],这极大地限制了其大规模资源化利用。为了在不牺牲早期强度的情况下追求更高的固废利用率,大量研究集中于地质聚合物胶凝材料。强碱激发剂(如NaOH、Na2SiO3)促进了矿渣等工业固废中铝硅酸盐相的快速溶解和随后的缩聚反应,形成三维(N,C)–A–S–H凝胶网络,加速了早期力学强度的发展[8],[9]。地质聚合物主要由工业固废合成,通常具有优异的力学性能,从而显著提高了工业副产物的资源利用效率[10]。然而,强碱的高成本及其严重腐蚀性对施工人员构成了重大安全风险。在实际应用中,对于强度要求相对较低的工程项目,如半刚性路面基层[11]、矿山采空区注浆[12]和流态固化回填[13],用全固废胶凝材料替代水泥是一种更具经济性和环境可持续性的解决方案。全固废胶凝材料是一类完全由工业固废合成的水泥基材料[14]。与传统硫酸盐激发矿渣体系(通常需要少量水泥熟料或化学碱来提供初始碱性环境)不同,这些体系完全不含熟料和化学激发剂。它们利用多种固废之间的内在协同作用,形成类似于水泥水化产物中的胶结相[15],[16]。
烟气脱硫石膏(FGDG)是燃煤电厂烟气脱硫过程中的工业副产物[17]。由于其硫酸钙成分与自然石膏相似,FGDG被广泛应用于水泥和固废基体系中,以生产低成本、环境可持续的胶凝材料[18]。FGDG在水泥生产中可作为天然石膏的有效替代品,所生产水泥的抗压强度与天然石膏相当,仅略微延长了初凝时间[19]。它还能作为富铝硅酸盐工业固废中高效的硫酸盐激发剂,显著促进硬化基体的早期力学性能发展[20],[21]。先前的研究表明,在地质聚合物中掺入适量FGDG可显著增强各养护龄期的抗压强度,1天可提升高达400%[17],3天和28天分别提升约60%和35%[22]。这些发现突显了FGDG对早期强度发展的显著贡献。类似地,FGDG在全固废胶凝材料体系中也发挥着显著的增强作用。Yang等人[23]表明,在镁渣-气化渣-FGDG体系中,适量掺入FGDG可将7天和28天抗压强度分别提高约360%和240%。在另一由磷渣、电石渣、FGDG和偏高岭土组成的体系中,Cui等人[24]观察到3、7、28和90天的强度分别提升约285%、65%、44%和80%。综合来看,这些结果表明,尽管FGDG对不同全固废胶凝材料体系带来的强度提升差异较大,但其促进早期强度发展的效果始终显著。
大量研究表明,FGDG对固废基胶凝材料的影响主要通过调控钙矾石的形成来实现[25]。在传统体系如碱激发材料或水泥-矿渣体系中,硫酸盐主要起辅助作用,其影响通常归因于AFt的物理填孔或膨胀效应[26],[27],[28],[29]。然而,对于完全无熟料的全固废胶凝材料,关键挑战在于其初始水化缓慢导致的早期强度偏低。在此背景下,FGDG从辅助改性剂转变为早期水化过程的主要驱动力。尽管此前的研究已注意到硫酸根离子可加速铝硅酸盐前驱体的溶解并影响凝胶的形成[17],[30],但其具体的化学和结构机制——特别是大量掺入FGDG如何调控全固废体系中的非晶水化凝胶——仍不够清楚。将FGDG的主导增强效应仅归因于AFt的物理机制是一种过度简化。因此,迫切需要揭示晶相组成与非晶凝胶结构的耦合演化,以实现精准的性能调控。
本研究旨在阐明FGDG调控矿渣基全固废胶凝材料早期力学性能演化的机理路径。分别采用等温量热法和XRD Rietveld全谱拟合法评估反应动力学和晶相发育。为进一步解析非晶相的演化,结合凝胶区域的BSE–EDS统计分析和29Si MAS NMR光谱,揭示水化凝胶的化学组成和硅酸盐聚合度的变化。最后,通过MIP评估孔隙网络结构的细化程度。通过整合宏观、介观和微观层面的观测结果,本研究为FGDG在全固废胶凝材料体系中晶体相和非晶相发育的协同调控作用提供了新的科学见解。
