煤矸石在水泥和混凝土资源化利用中关键科学问题研究

Coal gangue can be used to replace clay to produce cement in cement and concrete, due to its high quantity and full of silica and alumina in quality, but with limited mixing amount. It is rarely reported the study and application of coal gangue polymer and coal gangue aggregate concrete, with huge consumption of slug. And research has not been found on the forming mechanism of “all coal gangue concrete” prepared with the former two materials. The study focuses on structure, materials, as well as properties of coal gangue polymer, coal gangue aggregate concrete and “all coal gangue concrete”. For coal gangue polymer, mechanism of thermal activation,acid-alkli-stripping, gelling process is to revealed through silicon, aluminum mixing change. With the help of relationship between mechanism of microstructure and macroscopic properties of goal gangue, the cementitious activity resource of coal gauge is found. For the two concrete”, through hydration morphology, transition zone defects, pore structure characteristics, and interface micro hardness, it is to reveal microstructure forming, durability deterioration mechanism, and mix design method based on durability is proposed, while constitutive model is established. Meanwhile, frost resistance, impermeability, reinforcement corrosion , carbonization and shrinkage of the two concrete and “all coal gangue concrete” will be researched, to improve the feasibility and universality of the two concrete on engineering.

煤矸石“量”上大宗性和“质”上富含硅、铝，在水泥和混凝土中可代替黏土生产水泥、作水泥混合材及混凝土掺合料，但掺量十分有限；对于吃“渣”量较大的煤矸石矿物聚合材料、煤矸石集料混凝土的研究与应用鲜有报道，而由二者配制成的“全煤矸石混凝土”机理研究报道尚未见到。本项目主要研究煤矸石矿物聚合材料、煤矸石集料混凝土及全煤矸石混凝土的结构、构成和性质。对于矿物聚合材料，从硅、铝结构配位变化来揭示煤矸石热活化、酸碱溶出和胶凝过程中作用机理，借助微观测试手段解析煤矸石及其水化浆体的微观结构与其宏观性能间的关系，揭示煤矸石胶凝活性的本源；对于两种混凝土从水化产物形貌、孔结构特征、界面过渡区缺陷及界面显微硬度等角度，揭示混凝土微结构形成及劣化机理，提出基于耐久性控制的配合比设计方法，并建立本构关系模型。同时对两种混凝土的抗冻、抗渗、钢筋锈蚀、碳化及收缩等性能进行研究，以提高两种混凝土工程应用的可行性与普及性。

随着国民经济的快速发展，水泥、混凝土需求日益增大，给我国资源、能源和环境保护带来了很大压力。如何科学而高效地利用最大宗的工矿固体废弃物——煤矸石，促进其在水泥和混凝土中的资源化利用，是一件关系到国计民生和社会可持续发展的大事。课题组采用现代测试技术与方法，描述了煤矸石地质聚合物、煤矸石集料混凝土结构形成过程中微结构演变的时变特征及其与宏观行为的本构关系。通过理论和试验研究、制备技术、结构形成与损伤劣化机理分析，建立了相应的理论模型和模拟方法，为工程应用提供了新理论、新方法与新技术。除完成规定内容，对煤矸石掺合料改善混凝土结构与性能也进行了研究。取得以下结论：①在配合比设计﹑施工技术和工程性能等方面，煤矸石地质聚合物、煤矸石集料混凝土都与现有的硅酸盐水泥及普通混凝土体系有重大不同。如何提升煤矸石集料混凝土的耐久性，特别是与现有耐久性理论的异化，尚待进一步工作。②煤矸石地质聚合物的反应机理与硅酸盐水泥的水化、硬化机制有很大区别，地聚合物与水泥水化产物有显著差别，不生成引起耐久性不良的片层状Ca(OH)2，因此聚合物混凝土表现出优异的耐久性。但如何最大程度利用或优化煤矸石地质聚合物的性能（如抗开裂和延性等），实现工程和经济效益最大化，尚待进一步工作。③建立了适合煤矸石地质聚合物、煤矸石集料混凝土的配合比设计方法、搅拌工艺，及相应的本构关系模型。④从水化产物形貌、孔结构特征、界面过渡区缺陷及界面显微硬度等角度，揭示了地质聚合物混凝土、煤矸石集料混凝土微结构形成及劣化机理。⑤在结构方面，上述几种材料制作的简支梁符合平截面假定，破坏特征与普通混凝土梁相似，仍有弹性、开裂、屈服和极限阶段，抗弯机理基本相同。相同条件下梁的开裂荷载大小次序为：煤矸石聚合物砼>煤矸石粗集料砼>煤矸石细集料砼>普通砼>煤矸石全集料砼；极限荷载为：煤矸石聚合物砼>煤矸石细集料砼>普通砼>煤矸石粗集料砼>煤矸石全集料砼。自燃煤矸石集料混凝土梁后期变形能力更好。《混凝土结构设计规范》(GB50010-2010)适用于几种新材料制作的受弯构件。但在连梁、框架、剪力墙等构件，及其抗震性能等方面，尚待进一步工作。⑥热活化煤矸石粉具有微集料和火山灰效应，优化了混凝土结构，使混凝土在保证预拌混凝土大流动及设计强度等级要求的前提下，抗氯离子渗透和抗冻融等耐久性能得到提高。建议在微结构演变与宏观行为的关系等方面深入研究。