碱激发粉煤灰反应机理与过程控制的多尺度研究

Because of its very fast reaction and process overlapping at early stage, the unresolved vitreous structural characteristics of fly-ash and the corresponding reaction products, the mechanism of alkali-activated fly-ash reaction is still unclear and remains in a description model stage, which makes the materials design and processing control unable, then results in the non-extensive field application. In this project, the combination of structural calculation and property testing will be used to determine the composition and structure of glass phase in fly-ash and the alkali-activated fly-ash products, based on the results, the phase structure changes, surface and interface Morphological development and the energies evolution will be comprehensively studied at multiscale using computational chemistry, thermodynamics simulation and experimental tests, thus, the dissolution of glass phases in fly-ash, ions migration during reaction, ionic groups repolymerization and their interactive effects will be revealed, so that the reaction mechanism reached, and the controlling factors determined. through the investigations in this project, a multi-parameter reaction model will be established based on the original components and structural issues, reaction initial conditions and parameters related to processing control factors. The research achievements will provide a theoretical basis for processing alkali-activated fly-ash materials, such as mixture design, construction control et al, also, will provide guidance for the widely real field application of the materials, and will give references for the recycling of all aluminosilicate solid waste.

碱激发粉煤灰早期反应的快速性与过程交叠性、反应物与产物的非晶特性以及结构特征的不明确性等因素导致了碱激发粉煤灰反应的机理仅停留在定性描述化阶段，不能指导相应材料设计和过程控制，使材料并未得到实际工程的广泛应用。本项目拟结合结构计算和性能测试，解决粉煤灰玻璃相、碱激发粉煤灰产物的组成与结构特征；进一步结合计算化学方法、反应热动力学模拟和实验测试，从反应过程中各相分子结构演变、表面与界面形态变化、反应能量变化等的多尺度综合研判，揭示反应过程中玻璃相的解聚、离子迁移、基团再聚合及各过程的交互影响等规律，阐释碱激发粉煤灰反应机理，确立反应控制因素。通过研究，力图建立基于反应物组成与结构信息、反应条件以及过程控制因素在内的多参数反应模型，为碱激发粉煤灰材料的配合比设计、施工控制等提供理论依据，为实现碱激发粉煤灰材料的广泛工程化应用提供指导，并为铝硅质固体废弃物的综合利用提供参考。

本项目针对碱激发粉煤灰早期反应的快速性与过程交叠性、反应物与产物的非晶特性以及结构特征的不明确性等因素导致了碱激发粉煤灰反应的机理仅停留在定性描述化阶段，不能指导相应材料设计和过程控制，使材料并未得到实际工程的广泛应用。本项目将粉煤灰中玻璃相组分进行剥离，研究了玻璃相的组成与结构、玻璃相溶蚀规律与结构演变特征，研究了碱激发粉煤灰反应过程的产物特征、形成过程以及热力学过程，研究了碱激发胶凝材料体系收缩、抗热、抗酸等宏观物理化学性能。研究结果表明粉煤灰玻璃相中Q1-Q4多种聚合体结构，Ca/Si比、Al/Si比以及Fe等组分含量的增加都会增加多聚体组成，使玻璃相具有更疏松的结构；粉煤灰玻璃相的碱激发反应过程可以表征为内部类氧化硅玻璃体在碱环境下向氧化硅单体和二聚体的解聚、解聚结构再聚合形成类水化硅酸钙、类沸石结构体产物的过程，解聚过程受溶液环境、反应温度等影响；碱激发高钙类材料水化产物主要以类水化硅酸钙为主；此外，拉曼光谱虽然是研究普通玻璃相结构的有效工具，但却并不能适用于碱激发粉煤灰体系；通过碱激发胶凝材料体系收缩、抗热、抗腐蚀等性能研究及其与普通硅酸盐水泥基材料体系对比研究表明，碱激发胶凝材料体系具有较低收缩性、较好的抗高温热和抗酸侵蚀性能。通过本项目的研究，探明了碱激发粉煤灰水化反应的微结构演变机理，初步提出了水化反应的机理与过程，为进一步深化反应热动力学模型提供了基础，为碱激发材料的设计与调控提供了一定的理论基础，对更广泛应用该类材料提供了依据。