碱激发煤矸石 - 电厂灰填充体的性能与水化机理研究

《Journal of the Indian Chemical Society》：Study on the Properties and Hydration Mechanism of Coal Gangue-Power Plant Ash Filling Bodies Activated by Alkali

　　**摘要**- 展示了Ca(OH)?在煤矸石-粉煤灰碱激发胶凝材料中对煤矸石和粉煤灰活性的激发作用。- 从微观结构角度分析了氢氧化钙对煤矸石和粉煤灰的激发效果。- 证实了氢氧化钙可以提高煤矸石-粉煤灰填充体的抗压强度。**引言**煤矸石是煤炭开采过程中产生的主要固体废弃物，是中国最大的矿业废弃物之一，占煤炭产量的10%至25%[1]。煤矸石是一种低品位能源，热值较低但汞含量较高。大量煤矸石被用作电厂燃料，使其成为新的人为汞排放源，引起了汞污染控制的广泛关注[2]。煤矸石主要由SiO?和Al?O?组成，这使其成为硅铝酸盐基功能材料的潜在原料。然而，原始煤矸石孔隙结构差、比表面积低，导致其直接利用价值有限[3]。随着电力行业的快速发展和中国用电需求的不断增加，燃煤电厂的粉煤灰年排放量持续上升。2023年，中国粉煤灰产量约为8.99亿吨，同比增长6.14%。当这些工业废弃物被堆存时，不仅占用大量土地，其中所含的重金属元素在降雨影响下还可能渗入周围土壤，造成污染。若不能有效利用，可能引起严重的环境污染和破坏[4]、[5]。除了堆存造成的土壤污染风险外，煤矸石和粉煤灰中含有的重金属成分还可能渗入水体，引发水体重金属污染。因此，实现固体废弃物的高附加值利用可以同时解决固废堆积和重金属污染的双重问题[3]。在采矿作业中，胶凝回填材料被广泛应用以确保作业安全、提高资源回收率并减少地表沉降。这些材料是将胶凝材料与水均匀混合形成浆体，再与骨料颗粒结合而成的[6]。这些材料不仅具有良好的塑性，还有助于缓解大量固体废弃物堆积造成的环境问题。此外，它们促进了煤矸石和粉煤灰等工业废弃物的资源化利用和循环利用。随着全球经济的持续增长，水泥消费量稳步增加，导致二氧化碳排放量上升。每吨水泥的生产通常释放0.65至0.95吨CO?，加剧了全球气候变化[7]、[8]、[9]。因此，探索新型可持续回填和胶凝材料势在必行。碱激发胶凝材料以粉煤灰、 slag、煤矸石等工业固体废弃物为原料，在碱激发剂的作用下转化为类似水泥的无机硅铝酸盐材料。这些材料具有强度发展快、凝结快、耐酸碱腐蚀、抗冻融耐久性好和耐高温等显著优势。此外，其制备过程能耗低，CO?排放大幅减少，展现出绿色低碳特性。因此，碱激发胶凝材料被认为是硅酸盐水泥的理想替代品[10]。目前，以煤矸石和粉煤灰为主要组分、掺加水泥或 slag、并通过碱激发剂激发以增强反应活性和整体性能的复合胶凝材料系统的研究正在不断深入。Zhou等人[11]系统研究了异氰酸酯（IA）添加对AAFS韧性和体积稳定性的影响。将不同剂量的IA引入AAFS，评估其对力学性能、微观结构和收缩行为的影响。Silva等人[12]探索了生物质粉煤灰（BFA）作为碱激发材料（AAMs）前驱体的潜在应用。制备了不同混合物的样品，包括四种仅使用不同NaOH浓度的BFA的混合物，以及九种用GP部分替代BFA的混合物。Yang等人[13]研究了碱激发煤矸石粉作为可持续稳定剂改善黄土特性的应用，系统评估了胶凝材料用量对和易性、无侧限抗压强度和耐水性的影响。随着养护龄期和胶凝材料用量的增加，28天时UCS达到2.06 MPa。Li等人[14]利用煤矸石（CG）制备了工程聚合物复合材料，通过宏观力学测试和微观结构表征揭示了其纳米、微观和宏观性质。结果表明，CG的加入使水化产物从单相C-(A)-S-H凝胶转变为C-(N)-A-S-H凝胶和jennite晶体的双相组合。Zhao等人[15]以煤矸石（CG）为主要原料，采用化学发泡法制备了地聚物泡沫混凝土（GFC），以CG和 slag为前驱体，硅酸钠为碱激发剂，H?O?为发泡剂。他们评估了CG与 slag比、H?O?含量和碱液性质对GFC性能的影响。Yi等人[16]研究了氢氧化钠模数、碱含量和水料比对煤矸石基地聚物材料强度和微观结构的影响。NH浓度对浆体流动性没有影响，但显著影响了地聚物的抗压强度。Lin等人[17]探索了碱含量和模数对室温养护的低钙粉煤灰地聚物（LCFAG）流动性、凝结时间和强度的影响。最优碱含量和模数分别为8%和1.4，56天抗压强度为30.9 MPa。Su等人[18]应用Talbot梯度理论，使用Na?SiO?、NaOH、煤矸石和粒状高炉 slag制备了绿色可持续的煤矸石基地聚物回填材料。采用数字图像相关法（DSCM）进行无侧限抗压强度测试，并通过X射线衍射和扫描电镜等技术揭示了微观结构演化机制。既往研究已共同证实，煤矸石和粉煤灰等工业固体废弃物可作为碱激发胶凝材料的原料，为配合比优化、力学性能调控和微观机理阐明奠定了基础。然而，现有研究主要集中于固体废弃物的单种或二元组合，煤矸石-粉煤灰-水泥三元体系的协同利用机理尚不明确；此外，已报道的性能评价大多局限于抗压强度和流动性。与传统的硅酸盐水泥基材料不同，碱激发材料的强度发展机理存在根本差异，因此其配合比设计仍有待进一步研究。此外，由于原材料的多样性，满足工程应用要求的高性能碱激发材料设计是一个关键问题[19]。据此，本研究采用煤矸石和粉煤灰作为主要原料，选择氢氧化钙作为碱激发剂。通过改变氢氧化钙含量、水胶比和粉煤灰含量进行正交试验，并采用抗压强度和应力-应变等测试方法，研究了氢氧化钙对填充材料力学性能的影响。此外，利用XRD、FTIR和SEM-EDS技术阐明了氢氧化钙对填充材料微观结构的影响。**章节摘要****2.1 实验原料**本实验使用的是P.C32.5型波特兰水泥。粉煤灰来自一座热电厂。采用激光衍射法测量了粉煤灰和水泥的粒径分布，如图1所示。粉煤灰的粒径主要分布在10至200 μm之间，其中10至100 μm的比例最高。水泥颗粒主要集中在5至50 μm范围内。煤矸石来源于煤矿矸石堆，使用锤式破碎机进行破碎。**3.1.1 抗压强度正交试验结果**煤矸石-粉煤灰-水泥碱激发胶凝材料在3 d、7 d和28 d的抗压强度测试结果如图4所示。如图4所示，所有组别的抗压强度均随养护龄期逐渐增大，表明在养护过程中水化反应和火山灰反应持续进行。胶凝产物不断生成并填充内部孔隙，从而促进了逐步……**4 氢氧化钙激发粉煤灰-煤矸石回填体机理分析**基于上述对煤矸石-粉煤灰胶凝材料抗压强度和微观结构的分析，从碱激发剂对煤矸石-粉煤灰回填体的激发效果以及胶凝基体与煤矸石骨料之间的相互作用两个角度，讨论了氢氧化钙对粉煤灰和煤矸石的激发机理。反应机理示意图如图14所示。氢氧化钙作为……**5 结论**本研究考察了氢氧化钙对煤矸石-粉煤灰-水泥回填材料力学性能和微观结构的影响，并进一步分析了其内在机理。（1）氢氧化钙的掺入显著提高了煤矸石-粉煤灰-水泥回填材料的抗压强度，最优抗压强度提高3.28 MPa，与对照组相比提升了97.6%。极差分析……**CRediT作者贡献声明****艾春明：** 撰写——审阅与编辑，资源，方法论，概念构思。**周世家：** 撰写——初稿，软件，数据整理。**王思琪：** 撰写——审阅与编辑，指导。**林海川：** 调查。**陈良：** 验证，指导。**袁心宇：** 指导。**利益冲突声明**我们声明，我们没有与其他个人或组织存在可能不当影响我们工作的财务或个人关系，我们没有任何专业或其他个人利益可能与本文手稿中的立场或审稿意见相关。