化学侵蚀环境下水化硅酸镁胶凝材料作为固化基体的稳定性研究

As a kind of eco-friendly, high-performance engineering materials, hydrated magnesium silicate binding material (MgO-SiO2-H2O) with good cementitious performance, hydrolytic resistance, low quantity of reaction heat, low pH value and peculiar molecule structure, can be applied to the immobilization of industrial solid waste (tailings, municipal solid waste incineration ash and so on with heavy metal), and other fields. There are many kinds of immobilization environment in China. Especially in the high alkalinity region and coastal areas, the immobilization materials require excellent resistance to chemical erosion. In this project, MgO-SiO2-H2O binding material will be selected as immobilization matrix. The potential transformation of phases, chemical reaction in pore solution, pore structure and molecule structure of hydrated magnesium silicate phases (M-S-H) will be investigated when the immobilization materials are in the different chemical environments, in order to reveal the erosion mechanisms of different erosion factors. The research results will reveal the mechanical and volume stability properties of MgO-SiO2-H2O binding material in the different chemical environments. This project will have very important significance for enhancing the safety and practical engineering.

水化硅酸镁（MgO-SiO2-H2O）胶凝材料属于新型绿色工程材料，由于其具有优良的胶凝性能、耐水性性能、低反应放热量、低pH值和独特的分子结构，适合应用于含有重金属离子的尾矿、垃圾焚烧灰等工业废弃物的固化处理。国内存放固化基体的环境多种多样，尤其是高碱度地区和沿海地区，不稳定的化学环境对固化基体的抗侵蚀能力提出了严峻的考验。本项目采用MgO-SiO2-H2O胶凝材料作为固化基体，针对不同化学侵蚀环境（不同Ca2+/SO42-/Cl-浓度的化学环境）对固化基体内部的物相、孔溶液种化学反应、孔隙结构和M-S-H凝胶结构变化进行研究，揭示不同化学环境对固化基体的侵蚀机理。本项目针对MgO-SiO2-H2O胶凝材料在不同化学环境中的力学性能和体积稳定性能进行研究，为提高固化基体安全性能提供依据，为以后能够应用于实际工程中具有指导性意义。

由于制备水化硅酸镁（MgO-SiO2-H2O）胶凝材料的主要原料为氧化镁和硅灰，相较于传统的硅酸钙水泥碳排放量较低，属于新型绿色工程材料。同时其主要反应产物水化硅酸镁凝胶（M-S-H）具有优良的胶凝性能和耐水性性能，反应过程中放热量低、低pH值的孔溶液环境，以及具有独特的分子结构，适合应用于含有重金属离子的尾矿、垃圾焚烧灰、中低放废料等工业废弃物的固化处理。.本项目采用MgO-SiO2-H2O胶凝材料作为固化基体，利用多重表征手段针对其反应进程和物相变化进行定性与定量分析，确定了该反应体系的演变进程；针对不同化学侵蚀环境（不同Ca2+/SO42-/Cl-浓度的化学环境）对固化基体内部的物相、孔溶液中化学反应、力学性能和M-S-H凝胶结构变化进行研究，揭示不同化学环境对固化基体的侵蚀机理。.试验结果表明：真正决定MgO-SiO2-H2O胶凝材料的反应进程和水化产物M-S-H凝胶生成速率的关键因素是硅灰的溶解过程；如果将MgO-SiO2-H2O胶凝体系孔溶液的pH控制在10-11之间是有利于M-S-H凝胶的生成，主要原因是促进了硅灰的溶解速率，但当pH值高于12时会严重抑制MgO的水解，最终导致孔溶液中Mg2+浓度过低，会抑制M-S-H凝胶的生成；完全反应的M-S-H凝胶抗化学侵蚀（高浓度Ca2+/SO42-/Cl-溶液）性能优良；针对未完全反应的MgO-SiO2-H2O胶凝体系中存在部分Mg(OH)2，在SO42-/Cl-的作用下MgO-SiO2-H2O胶凝体系的物相转变和力学性能变化不明显，但在高浓度Ca2+溶液中明显可以发现有C-S-H凝胶或CaCO3存在，并且Mg(OH)2的消耗受到抑制，进而可以推断M-S-H凝胶生成量有所降低；在MgO-SiO2-H2O胶凝体系中掺入少量的Ca2+可以促进MgO-SiO2-H2O胶凝体系的反应进程和M-S-H凝胶的生成；M-S-H凝胶的抗化学侵蚀性能优良，但是抗干湿循环性能和体积稳定性能较差，还有待进一步优化。本项目针对MgO-SiO2-H2O胶凝材料在不同化学环境中的力学性能和体积稳定性能进行研究，为提高固化基体安全性能提供依据，为以后能够应用于实际工程中具有指导性意义，同时研究过程中所提出的问题也成为本课题组今后探索的方向。