粉煤灰基地质聚合物混凝土温室气体排放量研究
煤炭开采的温室气体逸散排放估算研...
乏对废弃 煤 矿、 矿 后 活 动 温 室 气 体 排 放 数 据 的 调
估算煤炭开采温室气体逸散排放,相关方法有
查,导致数据完整性受到影响.中国煤炭工业统计
排放因子、实 测、 地 质 统 计 方 法, 各 方 法 的 用 途、
采取自 下 而 上 的 逐 级 上 报 方 式 进 行, 分 省 市、 煤
因子法,瓦斯赋存 和 扰 动 有 较 大 的 地 域 不 一 致 性,
有小样本瓦斯逸散调研报道.
排放因子地域细化不够,国家层面提供的排放因子
２.２.２ 方法学
数据尚不能满足区域 (省级)层次的快速评估.
表 １ 煤炭开采温室气体逸散排放估算的相关方法学
方法
使用
排放因子
IPCC 推荐方法,主要产 煤 国 均 将 其 用 于 国 家 温 室 气
２ ００ ５ 年 CH ４ 排放量为 １ ２.９ ２ Mt ,国 家 瓦 斯 等 级 鉴
煤炭开采的温室气体逸散排放估算研究 ∗
据, IPCC 提供了 国 家 层 面 的 排 放 因 子 数 据 库, 然
而 IPCC 提供的排放因子不能适用于 各 国 的 实 际 煤
了适用于本国煤田的数据,但全球范围内,仍然缺
源特性.编制该项清单的目标在于控制温室气体和
保护利用资源,其作用可用于国家清单编制、组织
层次上温室气体排 放 和 清 除 量 化 及 环 境 影 响 评 估、
煤层气市场化.组织实施清单编制的单位主要有能
图 １ 煤炭开采温室气体逸散排放源及其过程
目前成熟的温室气体清单主要关注的是采掘活
动、废弃煤矿排放源,对于采出煤体中的低温氧化
逸散排放及其清单编制的相关研究工作.
本文通过概述世界主要产煤国逸散排放估算的
CM-101-V01-预拌混凝土生产工艺温室气体减排基准线和监测方法学-20160225144613888925
预拌混凝土生产工艺温室气体减排基准线和监测方法学编制说明一、方法学开发的必要性建筑业作为我国经济发展的三大支柱产业之一，能耗占人类所有能源消耗的40%，碳排放量也已经达到了排放总量的约50％。
在低碳趋势渐行渐近的今天，传统的高耗能、高排放的建筑行业亟须变革，发展低碳建筑已然是大势所趋。
在低碳经济的要求下，建设低碳预拌混凝土企业，减少混凝土生产过程中的碳排放，具有极高的创新性与前瞻性，同时也能为即将开展的国内自愿减排交易奠定基础。
根据我国《温室气体自愿减排交易管理暂行办法》，参与温室气体自愿减排交易的项目应采用经国家主管部门备案的方法学。
本项目拟针对混凝土生产工艺减排类项目参与自愿减排交易缺少适用方法学的现状，开发适用于预拌混凝土生产工艺的温室气体减排基准线和监测方法学，并向国家温室气体交易主管部门申请本方法学备案。
以此填补国内关于混凝土生产工艺自愿减排方法学的空白，同时也有利于推动混凝土低碳技术的发展。
二、工艺流程混凝土的原材料可分为胶凝材料、骨料和其他辅助材料三大类型；胶凝材料包括水泥、粉煤灰、矿粉等，骨料包括砂子、石子、陶粒等，其它辅助材料：水、外加剂等。
预拌混凝土就是将水泥、骨料、水以及根据需要掺入的外加剂、矿物掺合料等组分按一定比例，在搅拌站经计量、拌制后出售的并采用运输车在规定时间内运至使用地点的混凝土拌合物。
具体工艺流程如下图所示：三、减排原理本方法学的减排原理为：由于混凝土生产工艺/设备的改进，导致电量/燃料消耗降低和/或水泥在混凝土生产过程中的比例降低而产生一定的减排量。
预拌混凝土生产工艺温室气体减排基准线和监测方法学（第一版）一、来源、定义和适用条件1.来源本方法学属于“大规模”方法学，参考以下UNFCCC EB的CDM/CCER 方法学：• ACM0005 “Project and leakage emissions from transportation of freight”• AMS-III.AK “Project and leakage emissions from transportation of freight”• CCER方法学CM-002-V01“水泥生产中增加混材的比例”本方法学也参考了以下UNFCCC EB的CDM工具：• Tool to calculate the emission factor for an electricity system;• Tool for the demonstration and assessment of additionality;• Project and leakage emissions from transportation of freight.2.定义【混凝土】是指由胶凝材料将骨料胶结成整体复合材料的统称。
固废基道路地聚物注浆材料的组分优化及机理研究
第42卷第8期2023年8月硅㊀酸㊀盐㊀通㊀报BULLETIN OF THE CHINESE CERAMIC SOCIETY Vol.42㊀No.8August,2023固废基道路地聚物注浆材料的组分优化及机理研究曾铭乐1,王志祥2(1.广东交科检测有限公司,广州㊀510420;2.广东交科技术研发有限公司,广州㊀510420)摘要:地聚物注浆材料作为低能耗㊁低CO 2排放的清洁材料,在道路注浆领域应用前景广阔,在未来有望取代水泥注浆材料㊂为了探究材料组分及用量对地聚物注浆材料性能的影响,采用三种硅铝源灰料(粉煤灰㊁矿渣粉和煤矸石粉)与不同碱活化方式制备道路地聚物注浆材料,对其组成材料进行优选;然后,采用单因素试验对道路地聚物注浆材料的配合比范围进行优化;最后,利用X 射线衍射(XRD)㊁场发射扫描电子显微镜(FE-SEM)㊁能量色散谱(EDS)和傅里叶变换红外光谱(FTIR)对道路地聚物注浆材料的物相组成㊁微观形貌㊁微区能谱和化学键组成进行分析㊂结果表明:以粉煤灰和矿渣粉为硅铝源灰料,KOH 和水玻璃溶液为复合碱活化剂制备的道路地聚物注浆材料性能最佳;推荐道路地聚物注浆材料的配合比范围为:粉煤灰㊁矿渣粉质量比4ʒ6,水玻璃用量10%~15%(质量分数),KOH 用量5%~11%(质量分数),水灰比0.50~0.65;粉煤灰和矿渣粉被碱活化后溶解并重聚生成C-(A)-S-H 等无定形凝胶产物,最终形成SiO 4和AlO 4正四面体网状结构,且伴随类沸石相㊁碳酸盐㊁氢氧化钙等物质产生,这些物质可使地聚物浆体致密并促进其强度增长㊂关键词:道路工程;地聚物;注浆材料;组分优化;机理分析中图分类号:U414㊀㊀文献标志码:A ㊀㊀文章编号:1001-1625(2023)08-3033-12收稿日期:2023-04-18;修订日期:2023-06-01基金项目:广东省交通运输厅科技项目(科技-2017-01-001-06);广东华路交通科技有限公司自主立项科技项目(CD4-137-20243)作者简介:曾铭乐(1990 ),男,高级工程师㊂主要从事道路桥梁工程试验材料检测与研究工作㊂E-mail:Zmingle1990@ Composition Optimization and Mechanism Study of Solid Waste Based Road Geopolymer Grouting MaterialsZENG Mingle 1,WANG Zhixiang 2(1.Guangdong Jiaoke Testing Co.,Ltd.,Guangzhou 510420,China;2.Guangdong Jiaoke Technology R&D Co.,Ltd.,Guangzhou 510420,China)Abstract :As greener and carbon-friendly material,geopolymer grouting material has a broad application potential in the field of road grouting and is expected to replace cement grouting material in the future.In order to explore the effects of the kinds and dosages of each composition on the performance of geopolymer grouting materials,three kinds of silica-aluminum sources (fly ash,slag powder and coal gangue powder)were used to prepare road geopolymer grouting materials by different alkali activators.The mix proportion range of road geopolymer grouting materials was optimized by single factor test.X-ray diffraction (XRD),field emission scanning electron microscopy (FE-SEM),energy dispersive spectroscopy (EDS)and Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR )were used to analyze the phase composition,micro morphology,energy spectrum and chemical bond composition of road geopolymer grouting materials.The results show that road geopolymer grouting material with the best performance is prepared with fly ash and slag powder as raw materials,KOH and sodium silicate solution as composite alkali activator.The recommended mix proportion range of road geopolymer grouting material is:fly ash and slag powder mass ratio is 4ʒ6,sodium silicate dosage is 10%~15%(mass fraction),KOH dosage is 5%~11%(mass fraction),water-cement ratio is 0.50~0.65.The fly ash and slag powder are dissolvedand regenerated by alkali activation to form amorphous gel products such as C-(A)-S-H,and finally formed SiO 4and AlO 4tetrahedron network structure,accompanied by zeolite like phase,carbonate,calcium hydroxide and other substances.These substances can make geopolymer paste compact and promote its strength growth.3034㊀道路材料硅酸盐通报㊀㊀㊀㊀㊀㊀第42卷Key words:road engineering;geopolymer;grouting material;composition optimization;mechanism analysis0㊀引㊀言我国高速公路常用土石粒料作为路基填料,在地质环境及车辆等多因素作用下,许多公路路基内部及基层部位产生脱空和孔洞,最终导致道路的承载力下降甚至发生沉陷㊂为了提高道路稳定性及刚度,非开挖注浆处置是有效解决手段之一㊂水泥注浆材料是目前道路注浆处置常用材料,其优势在于技术成熟,应用广泛,但是存在析水率高㊁凝结时间长等缺陷㊂最重要的是,水泥的生产会消耗大量能源,同时排出大量温室气体和粉尘㊂据调查,水泥产业产生的CO2占全球温室气体排放总量的9%[1]㊂2021年3月,十部委发布了‘关于 十四五 大宗固体废弃物综合利用的指导意见“,将推进固体废弃物的综合利用和传统高能耗产业的绿色转型[2]㊂因此,对于日益增长的道路注浆材料需求,亟须寻找一种绿色清洁的注浆材料替代品㊂20世纪70年代,法国科学家Davidovits首次提出地聚物(geopolymer)概念㊂地聚物是一种由AlO4和SiO4四面体结构单元组成三维立体网状结构的无机聚合物,通过富硅铝相的硅铝源无机矿物(如矿渣㊁偏高岭土等)在碱性激发剂激发下发生解聚-重聚反应形成,因具有力学性能优异㊁绿色环保等优点被广泛关注㊂相较于水泥材料,地聚物材料可减少70%的CO2排放,被称为 绿色水泥 ,有望取代水泥等高能耗胶凝材料[3]㊂除此之外,钢渣[4]㊁煤矸石[5]㊁碱渣[6]㊁锂渣[7]等工业副产品也常作为原材料用于地聚物凝胶材料的制备㊂然而,在国内外注浆领域关于地聚物的应用研究不多㊂周梅等[8]利用响应面法制备煤矸石基地聚物注浆材料,用于矿区注浆,能有效实现矿山采空区加固;常利[9]采用地聚物注浆技术对半刚性基层的裂缝进行加固补强㊂而对道路路基脱空孔洞或基层裂缝等可注性欠佳的薄弱区域注浆,地聚物注浆材料需要具备更高的流动性实现压浆,且加固效果优异,同时常温下可反应并固化形成强度,这也对道路地聚物注浆材料提出了更高的技术要求㊂不同材料组分对道路地聚物注浆材料性能的影响明显,而目前鲜有对流动度高㊁固化效果优异的道路地聚物注浆材料组分优化及其机理分析的研究,这限制了地聚物注浆材料在道路加固补强工程中的应用㊂因此,本文基于道路注浆材料性能需求,选用粉煤灰㊁矿渣粉㊁煤矸石粉三种工业副产品作为地聚物注浆材料的硅铝源灰料,采用不同的碱激发方式在常温下制备道路地聚物注浆材料㊂首先,对道路地聚物注浆材料的材料组分进行优选;然后,采用单因素试验对道路地聚物注浆材料的配合比范围进行优化;最后,采用X 射线衍射(XRD)㊁场发射扫描电子显微镜(FE-SEM)㊁能量色散谱(EDS)和傅里叶变换红外光谱(FTIR)对道路地聚物注浆材料的物相组成㊁微观形貌㊁微区能谱和化学键组成进行分析,对道路地聚物注浆材料的反应机理进行探讨,为道路注浆补强材料的清洁生产及绿色处置提供参考㊂1㊀实㊀验1.1㊀原材料选用三种常见的工业副产品,粉煤灰㊁矿渣粉和煤矸石粉,作为道路地聚物注浆材料的硅铝源灰料㊂粉煤灰(fly ash,FA)为二级低钙粉煤灰,密度1.98g/cm3,比表面积210cm2/kg,平均粒径71μm;矿渣粉(slag powder,SP)为S95级矿渣粉,密度2.8g/cm3,比表面积400cm2/kg,平均粒径19μm;煤矸石粉(coal gangue powder,CGP)由煤矸石粉碎过325目(0.045mm)筛而得,平均粒径41μm㊂三种硅铝源灰料的主要化学成分如表1所示㊂表1㊀硅铝源灰料的主要化学成分Table1㊀Main chemical composition of silicon aluminum source materialsMaterial Mass fraction/%SiO2Al2O3CaO MgO Fe2O3Na2O K2O MnO TiO2 FA57.221.27.2 3.5 4.20.90.30.1 1.0 SP33.5 4.649.2 3.7 1.70.40.20.30.7 CGP43.039.00.60.40.30.20.10.050.1第8期曾铭乐等:固废基道路地聚物注浆材料的组分优化及机理研究3035㊀碱活化剂的性质对地聚物注浆材料的性能起着决定性的作用,对注浆材料的凝结时间和硬化浆体的强度影响巨大㊂碱活化剂主要用于促进水化产物的水化和激发高活性硅铝源灰料化学键的溶解和重聚㊂在本研究中,选用水玻璃㊁NaOH㊁KOH㊁Na 2CO 3四种常用的碱活化剂㊂水玻璃模数(Na 2O 与SiO 2摩尔比)为3.30ʃ0.03,波美度ʎBé为39.2;NaOH㊁KOH㊁Na 2CO 3均为市售固体纯试剂,纯度99%㊂水为广州工业用水㊂1.2㊀制备工艺由于配制碱活化剂溶液时强碱会释放大量热量,因此需提前制备碱活化溶液,静置冷却后使用㊂首先将20%的水与碱活化剂混合,静置冷却后将硅铝源灰料按不同比例混合加入净浆搅拌机中,并加入剩余80%的水和聚羧酸减水剂,以低速混合120s㊂然后将预制的碱活化剂溶液添加到搅拌机中,高速混合120s 后制得道路地聚物注浆材料㊂1.3㊀测试方法道路基层材料多为粒料材料,这要求道路地聚物注浆材料需具备良好的流动性㊁力学强度等性能㊂本研究主要对道路地聚物注浆材料的流动性㊁凝结时间㊁力学性能进行测试㊂流动性试验采用Marsh 漏斗粘度计进行测试,用500mL 注浆材料完全流出所需时间来表征,所用时间越少,则注浆材料流动性越好㊂力学性能测试参考‘公路工程水泥及水泥混凝土试验规程“(JTG 3420 2020)和‘水泥基灌浆材料应用技术规范“(GB /T 50448 2015),采用规格为40mm ˑ40mm ˑ160mm 的三联模成型试件并进行抗折㊁抗压试验㊂由于地聚物注浆材料属于化学注浆材料,其凝结过程与水泥材料相差较大,使用标准维卡仪测试时,注浆材料已完全失去流动性成为凝胶状,但其无塑性强度,无法满足维卡仪初凝时间测试时距底面(4ʃ1)mm 的规定,所以维卡仪不能有效表征地聚物注浆材料的凝结状态㊂因此,本文借鉴文献[10]和[11],采用倒杯法测试,在室温条件下,注浆材料于杯中45ʎ斜置并间隔一段时间倾斜摆正,直到放置水平时液面依旧倾斜45ʎ且失去流动性时,视该时间为凝结时间,超过此时间后则注浆材料难以完成注浆工作㊂采用X 射线衍射(XRD)㊁场发射扫描电子显微镜(FE-SEM)㊁能量色散谱(EDS)和傅里叶变换红外光谱(FTIR)对道路地聚物注浆材料的物相组成㊁微观形貌㊁微区能谱和化学键组成进行分析㊂XRD 测试采用X Pert PRO 衍射仪,仪器参数为Cu-K α射线,管电压40kV,扫描范围10ʎ~80ʎ㊂SEM /EDS 测试采用Nova Nano 450场发射扫描电子显微镜,最大可放大20000倍㊂FTIR 测试采用Nicolet iS5红外光谱仪,测试波数范围为400~4000cm -1㊂2㊀结果与讨论2.1㊀道路地聚物注浆材料组分优选道路地聚物注浆材料主要由三部分组成,分别是活性硅铝源灰料㊁碱活化剂㊁水,为了取得最佳性能,对活性硅铝源灰料㊁碱活化剂的材料类型进行优选㊂为减小试验误差同时方便数据对比,对初始试验配合比进行控制,并采用单因素试验探究各组分对地聚物注浆材料性能的影响㊂2.1.1㊀硅铝源灰料图1㊀硅铝源灰料的XRD 谱Fig.1㊀XRD patterns of silicon aluminum source materials 硅铝源灰料作为地聚物注浆材料的反应基料,材料的活性程度㊁硅铝源含量对于地聚物注浆材料的工作性能有重要影响㊂对于地聚物混凝土,强度要求较高,而流动性要求较低㊂但相比而言,对于注浆材料,制备的地聚物注浆材料流动性要求较高,同时需兼顾力学强度㊁凝结时间等性能,这与普通地聚物混凝土设计存在一定差异㊂本文选择粉煤灰㊁矿渣粉㊁煤矸石粉作为制备注浆材料的基料,首先对粉煤灰㊁矿渣粉和煤矸石粉进行XRD 物相分析,三种硅铝源灰料的XRD 谱如图1所示㊂矿渣粉的XRD 谱在2θ为25ʎ~35ʎ处存在明显的宽衍射峰,且无明显晶体峰,表明矿渣粉内含有较高含3036㊀道路材料硅酸盐通报㊀㊀㊀㊀㊀㊀第42卷量的玻璃体㊂粉煤灰在2θ为25ʎ~35ʎ处存在衍射峰,且含有明显的石英㊁莫来石等晶体峰,表明粉煤灰内含有少量玻璃体成分和石英等晶体㊂煤矸石粉的XRD谱中无非晶体衍射峰,且莫来石㊁石英㊁赤铁石等晶体峰明显㊂另外,三者均不含重金属离子,可消除在注浆中重金属污染㊂试验通过单掺㊁双掺和三掺的方式来确定粉料的种类,采用水玻璃+NaOH作为碱活化剂,用量分别是粉料质量的10%和5%,水灰比初设为0.60,不添加增韧剂㊂具体试验结果见表2㊂表2㊀硅铝源灰料复配对注浆材料性能的影响Table2㊀Effect of silicon aluminum source material compound on properties of grouting materialsRaw material m(FA)ʒm(SP)ʒm(CGP)Setting time/min Flowing time/s7d compressivestrength/MPa 7d flexural strength/MPaFA1ʒ0ʒ04535.72 4.90 1.01SP0ʒ1ʒ01731.469.72 1.25CGP0ʒ0ʒ19032.960.560.24FA/SP1ʒ1ʒ03432.3511.84 1.50FA/CGP1ʒ0ʒ14534.21 5.030.38SP/CGP0ʒ1ʒ14032.828.41 1.23FA/SP/CGP1ʒ1ʒ14532.987.05 1.14由表2可以看出:掺有矿渣粉的注浆材料的凝结时间较快,但过快的凝结时间会使材料迅速丧失流动性,使得材料可能无法进行顺利泵送;另外掺有煤矸石粉的注浆材料的凝结时间均较长,但抗压强度和抗折强度均较低,这是由于煤矸石粉内活性硅铝成分较少,在常温下活化难度较大,需高温煅烧才能有效活化,未煅烧的煤矸石粉常温下活性较低;掺有矿渣粉和粉煤灰的注浆材料的抗压强度和抗折强度均强于其他材料, 7d抗压强度达到11.84MPa,流动时间为32.35s㊂因此,用于地聚物注浆材料的硅铝源灰料选择粉煤灰+矿渣粉㊂2.1.2㊀碱活化剂不同的碱活化剂对于硅铝源灰料的活性激发程度存在明显差异,该差异能明显地体现在力学强度指标上㊂本研究选用地聚物研究中最常用的四种碱活化剂,分别是水玻璃㊁NaOH㊁KOH和Na2CO3,并对其分别进行单掺试验,水玻璃用量为10%(质量分数),NaOH㊁KOH和Na2CO3用量为5%(质量分数),来优选用于地聚物注浆材料的碱活化剂,试验结果见表3㊂表3㊀碱活化剂单掺对注浆材料性能的影响Table3㊀Effect of single alkali activator on properties of grouting materials Activator Setting time/min Flowing time/s7d compressive strength/MPa7d flexural strength/MPa NaOH1551.228.89 1.19KOH1454.399.21 1.39Na2CO39040.210.350.10Water glass6029.33 1.060.37由表3能明显看出,NaOH和KOH由于碱性较强和OH-的作用,以NaOH和KOH为碱活化剂的试样抗压强度和抗折强度都显著高于采用水玻璃和Na2CO3的试样,但是也使得注浆材料的流动性不足,且凝结过快㊂由于注浆材料力学性能较好但流动性极差,凝结过快,因此NaOH和KOH不适合单独作为注浆材料的碱活化剂㊂另外,水玻璃溶液对于注浆材料有明显的 降黏 作用,添加水玻璃可以使注浆材料的黏度大大下降,从而有效增加了注浆材料的流动性,但是由于水玻璃的碱性较低,对粉煤灰和矿渣粉的碱激发程度不足,使得其单独作为碱活化剂形成的注浆材料硬化浆体的力学性能较差㊂此外,采用Na2CO3制备的注浆材料凝结时间较长,但流动性和力学强度均不足,因此不适合单独作为注浆材料的碱活化剂㊂鉴于四种材料单独作碱活化剂时均具有一定劣势,因此将碱活化剂复合来实现不同材料性能的优势互补,选择水玻璃/NaOH㊁水玻璃/KOH㊁水玻璃/Na2CO3三种复合方式(质量比2ʒ1),来探究复合碱活化剂对于地聚物注浆材料性能的影响,试验结果见表4㊂由于水玻璃溶液对粉煤灰和矿渣粉的 降黏 效果,利用水第8期曾铭乐等:固废基道路地聚物注浆材料的组分优化及机理研究3037㊀玻璃和强碱试剂进行复合碱活化㊂三者的流动性没有因为碱活化剂的变化而产生大幅变化㊂对于力学性能,水玻璃/NaOH㊁水玻璃/KOH 的7d 抗压强度和抗折强度明显优于水玻璃/Na 2CO 3㊂这是因为NaOH 和KOH 的碱性更强,能水解出更多的OH -,大量的OH -有助于促进粉煤灰和矿渣粉内活性SiO 2和Al 2O 3及其玻璃体的解聚,加速体系内水化产物的生成;而Na 2CO 3水解出的OH -有限,同时体系的pH 值较低,无法有效激发活性组分㊂表4㊀复合碱活化剂对注浆材料性能的影响Table 4㊀Effect of composite alkali activator on properties of grouting materialsComposite alkali activatorSetting time /min Flowing time /s 7d compressive strength /MPa 7d flexural strength /MPa Water glass /NaOH 3432.3511.84 1.50Water glass /KOH 3433.6315.20 1.91Water glass /Na 2CO 36031.210.960.37通过场发射扫描电子显微镜(FE-SEM)对NaOH㊁KOH㊁NaOH /水玻璃㊁KOH /水玻璃四种碱活化剂制备的试样进行观察,如图2所示㊂NaOH 试样表面的微裂缝较少,同时伴随大量无定形水化产物㊂而且观察地聚物基体的密实程度,发现NaOH 激发的水化产物聚结现象不明显,结构较松散,因此表现为相比其他三者试样的强度较低㊂KOH 试样表面的水化产物已经板结,残留一定晶状水化产物,由于水化产物板结而产生微裂缝;采用水玻璃/KOH 和水玻璃/NaOH 复合激发的试样表面微裂缝较多,存在较明显干缩,同时材料聚结明显,结构基体致密,宏观表现为抗压强度较高㊂因此,采用复合激发手段对粉煤灰和矿渣粉的激发程度要高于单一激发手段,其中水玻璃/KOH 复合激发的试样力学性能最佳,同时添加水玻璃可明显提高注浆材料的流动性㊂因此,选择对粉煤灰和矿渣粉激发更有效的水玻璃/KOH 作为地聚物注浆材料的复合碱活化剂㊂图2㊀不同碱活化剂注浆材料的SEM 照片Fig.2㊀SEM images of grouting materials with different alkali activators 2.2㊀道路地聚物注浆材料的配合比范围优化为进一步探究各材料组分的用量对于其基本性能的影响,本节采用单因素变量法对不同的硅铝源灰料比例㊁水玻璃用量㊁KOH 用量和水灰比的地聚物注浆材料进行流动性㊁凝结时间㊁力学强度试验,其中水玻璃用量㊁KOH 用量和水灰比均为灰料质量的百分比㊂由于道路注浆材料需兼具良好的流动性和力学性能,参3038㊀道路材料硅酸盐通报㊀㊀㊀㊀㊀㊀第42卷照其他注浆材料性能[1],以7d 抗压强度不低于10MPa㊁流动时间不超过35s 为目标,优选道路地聚物注浆材料配合比㊂2.2.1㊀硅铝源灰料比例通过前期试验发现,过量的矿渣粉会加速注浆材料的凝胶化,导致可泵时间缩短;但过量的粉煤灰会使注浆材料硬化浆体强度发展不足㊂因此,合适的粉煤灰与矿渣粉的比例既可以获得良好的力学性能,又能获得优异的工作性能㊂因此,通过调整粉煤灰占总粉料的比例,分析各因素的影响,来探究地聚物注浆材料中合适的粉煤灰和矿渣粉的比例,试验结果如图3所示㊂图3㊀粉煤灰用量对注浆材料性能的影响Fig.3㊀Effect of fly ash dosage on properties of grouting materials 由图3可知:随着粉煤灰用量的减少,地聚物注浆材料的凝结时间明显缩短,这表明粉煤灰的加入会使得地聚物注浆材料的凝结时间延长,这是由粉煤灰的火山灰反应滞后造成的,而矿渣粉内玻璃体含量较多,后者更容易被碱性物质活化产生无定形凝胶;另外,流动时间随粉煤灰用量降低而降低,说明注浆材料流动性有所提高,这是由矿渣粉的颗粒较小和粉煤灰的滚珠效应共同作用引起的㊂硬化后试件的强度随粉煤灰用量减少先增加后降低,这是因为粉煤灰主要成分为活性的SiO 2㊁Al 2O 3,而矿渣粉的主要活性成分是CaO 和SiO 2,当二者混合时可以促进水化产物的生成,而且对硬化浆体的强度增长具有明显的作用,有助于提高体系的碱激发程度㊂其中,较多的矿渣粉和较少的粉煤灰可以获得更优异的力学性能,且在粉煤灰用量为40%时,硬化浆体的7d 抗压强度和抗折强度最优㊂因此,粉煤灰与矿渣粉的比例为4ʒ6时最佳㊂2.2.2㊀水玻璃用量水玻璃作为地聚物注浆材料中重要的碱活化剂组分之一,其具有特有的 降黏 功效,对地聚物注浆材料的流动性影响巨大㊂然而,水玻璃用量过少可能使注浆材料的流动性不足从而无法满足注浆工程的需求,水玻璃用量过多虽然可以获得更优异的流动性,但会使体系的pH 值降低从而降低碱活化剂对粉煤灰和矿渣的激发程度,宏观表现为力学性能下降㊂另外,水玻璃溶液的价格相对较高,过量的水玻璃也会使注浆工程的造价偏高㊂因此,本节通过单因素控制变量来探究水玻璃用量对于地聚物注浆材料各性能的影响,来确定水玻璃用量的合理范围,试验结果如图4所示㊂由图4发现,凝结时间随着水玻璃用量增加而呈先减小后增大的趋势,水玻璃在0%~10%的注浆材料凝结时间逐渐降低,这是由于随着水玻璃用量增加,注浆材料的pH 值增加,有利于活性组分Si O㊁Al O 等桥氧键断裂,加速解聚-重聚反应,使凝结时间减少;当水玻璃用量由10%增加至30%时,注浆材料凝结时间明显增加,这可能是水玻璃体积增加对注浆材料的稀释作用增强,固体颗粒间距增加,使得注浆材料难以短时间内形成足够多的C-S-H㊁C-(A)-S-H 等水化产物㊂同时,水玻璃用量增加对注浆材料的流动时间有较大影响,随水玻璃用量增加呈明显减小趋势㊂水玻璃用量增加,增大液固比,且水玻璃对地聚物材料有稀释 降黏 作用,有利于提高注浆材料的流动性㊂此外,随着水玻璃用量的增加,硬化浆体的7d 力学强度先增加后减小,0%~15%用量的抗压强度增加,超过15%后力学强度逐渐下降,超过20%后下降的速率明显增加㊂当水玻璃用量小于15%时,增加水第8期曾铭乐等:固废基道路地聚物注浆材料的组分优化及机理研究3039㊀玻璃用量有助于提高体系的pH 值,而且使体系混合反应更均匀,有利于胶凝体系的碱激发反应速率,反应生成一定量硅凝胶,填充微小孔隙从而达到优化孔结构㊁降低孔隙率的作用,从而提高了注浆材料硬化浆体的力学性能㊂但当水玻璃用量超过20%后,过快的解聚反应使产物不能及时扩展便发生重聚,包裹在颗粒表面;同时液体含量过多,增大了颗粒间距,进一步提高了水化产物扩散的难度,阻碍了后期碱激发反应程度,致使力学强度降低,同时试件表面会产生 泛碱 现象㊂综上,推荐水玻璃用量的范围为10%~20%㊂图4㊀水玻璃用量对注浆材料性能的影响Fig.4㊀Effect of water glass dosage on properties of grouting materials 2.2.3㊀KOH 用量KOH 作为强碱活化剂,对于地聚物注浆材料硬化后的力学性能提升明显,提高注浆材料体系的碱性有利于促进粉煤灰和矿渣粉的解聚和重聚㊂但是,高pH 值的注浆材料也存在凝结时间过短㊁黏度增大等问题,不利于注浆工程,另外有学者[12-13]指出,过量的碱对地聚物的长期性能有一定阻碍,可能产生 碱侵蚀 现象,从而导致硬化浆体的强度下降㊂因此,本文选用占粉料质量0%㊁2%㊁5%㊁8%㊁11%㊁14%㊁17%的KOH 来进一步探究碱用量对地聚物注浆材料性能的影响,结果如图5所示㊂图5㊀KOH 用量对注浆材料性能的影响Fig.5㊀Effect of KOH dosage on properties of grouting materials 由图5可以得出,随着KOH 用量的增加,注浆材料的凝结时间不断缩短,这是由于体系的pH 值不断增加,提高了注浆材料内部碱激发反应的速率㊂对于流动性,当KOH 用量低于11%时,碱用量增加对注浆材料的流动性影响不大,当KOH 用量超过14%后,注浆材料的流动性明显降低,表现为其表观黏度增加导致流动时间增加㊂随着KOH 的用量由2%增加到11%,注浆材料的7d 抗压强度和抗折强度均明显增加;但当KOH 用量超过14%后,注浆材料硬化浆体出现了明显的强度下降,伴随着试样表面 泛碱 状况, 泛碱 产生的白色晶体粉末主要是碳酸盐和碳酸氢盐,是试件内过量的氢氧化物与空气中CO 2反应生成㊂过量的碱用量不仅会使流动性降低和凝结时间缩短,造成注浆材料的工作性能下降,而且会使注浆材料pH 值较3040㊀道路材料硅酸盐通报㊀㊀㊀㊀㊀㊀第42卷高,引起碱泄漏的风险㊂同时,高碱用量也会带来高干缩性,这对最终注浆材料加固效果产生明显影响㊂因此,地聚物注浆材料中KOH 用量应控制在5%~11%,且在保证强度的前提下,尽量减少KOH 的用量㊂2.2.4㊀水灰比水灰比是用水量与硅铝源灰料之间的质量比,是关乎地聚物注浆材料的流动性和力学性能优劣的关键因素㊂低水灰比使得注浆材料不能具备良好的流动性,高水灰比使注浆材料的力学强度明显下降㊂合适的水灰比范围既能使地聚物注浆材料保持良好的工作性能,还能保证优异的力学强度㊂前期试验发现,地聚物注浆材料的水灰比一般在0.30~0.70,水灰比超过0.70会使地聚物注浆材料的胶凝性质下降,可能产生无法凝结的现象;水灰比低于0.30时,注浆材料的流动性较差,无法满足道路注浆需求㊂因此,对不同水灰比的地聚物注浆材料进行试验研究,结果如图6所示㊂图6㊀水灰比对注浆材料性能的影响Fig.6㊀Effect of water-cement ratio on properties of grouting materials 由图6可知,地聚物注浆材料的凝结时间随着水灰比的增加而增加㊂在水灰比小于0.45时,水灰比对凝结时间的影响较小,当水灰比在0.50~0.70时,注浆材料体系中水用量增加,注浆材料的凝结时间明显增加㊂这是因为增加水用量稀释了体系的碱活化剂溶液,降低了体系的pH 值,对延长凝结时间具有一定作用㊂同时,水灰比的增加使得注浆材料的黏度下降,从而提高了注浆材料的流动性,方便注浆材料渗透至路基的微小裂缝㊂但是,水灰比增加对强度会产生不利影响㊂如图6所示,随着水灰比增加,硬化浆体的7d 抗压强度和抗折强度均持续降低,尤其是水灰比超过0.60后,强度降低的速率迅速增加,强度明显下降㊂由于地聚物注浆材料必须具备优异的注浆工作性能和力学性能,注浆材料的流动性㊁凝结时间㊁力学性能对注浆过程的各阶段均至关重要㊂因此综合各物理指标,选择水灰比0.50~0.65作为地聚物注浆材料的水灰比范围,在实际注浆工程中应依据注浆环境㊁地质条件等对水灰比进行调整㊂综上,为了获得良好的注浆性能,推荐道路地聚物注浆材料的组分范围为:粉煤灰和矿渣粉质量比4ʒ6,水玻璃用量10%~15%,KOH 用量5%~11%,水灰比0.50~0.65,适用于对流动性要求较高的道路路基土石材料或基层裂缝病害的加固处置,具体设计需根据注浆环境进一步调整㊂2.3㊀道路地聚物注浆材料的微观分析为探究道路地聚物注浆材料的微观机理,选择2.2节的推荐范围的中值制备试样,并对道路地聚物注浆材料进行XRD㊁SEM /EDS 和FTIR 分析㊂2.3.1㊀物相分析图7为28d 地聚物注浆材料和粉煤灰㊁矿渣粉的XRD 谱㊂由图7发现,粉煤灰和矿渣粉中富含石英㊁莫来石㊁方解石等物相,其中粉煤灰光谱中晶体峰较多,在20ʎ~25ʎ处存在衍射峰,表明粉煤灰中含有大量晶体相和部分玻璃相;而矿渣粉晶体峰较少,在25ʎ~35ʎ处存在衍射峰,表明矿渣粉中含有少量晶体相和大量玻璃相㊂与粉煤灰和矿渣粉图谱相比,地聚物注浆材料图谱中,在30ʎ~35ʎ处产生明显宽大的弥散峰,这是粉煤灰和矿渣粉溶解重聚后产生大量的C-(A)-S-H 等无定形凝胶产物,在X 射线衍射中产生宽的布拉格散射;同时,该峰的峰尖尖锐,表明有部分类晶体产生,这是地聚合反应产生的类沸石半晶相物质,表现出一。
浅谈低碳绿色混凝土发展途径
浅谈低碳绿色混凝土发展途径【摘要】本文从混凝土原材料的发展运用，设计观念的改变，管理制度的建立等方面阐述了低碳绿色混凝土的发展途径。
【关键词】混凝土；低碳；绿色随着国家城市化进程的加速发展，基础建设的加快，为建筑业和建材行业提供广阔市场空间，混凝土作为最广泛的建筑材料，其生产和使用过程中的资源过度开发和废弃物排放造成了严重的环境污染和生态破坏，给社会经济的可持续发展及人类自身的生活带来了严重的危害。
因此低碳绿色环保混凝土是发展的必然选择。
1 混凝土原材料的低碳绿色发展1.1 低碳绿色水泥水泥被誉为“建筑工业的粮食”，是混凝土的主要组成材料。
水泥在生产过程中对资源和能源消耗量大，而且对环境污染严重。
低碳绿色混凝土的发展，低碳绿色水泥是必不可少的，即水泥的生产必须走低碳绿色发展道路。
普通水泥生产过程中需要高温煅烧硅质原料和钙质原料，消耗大量的能源，产生大量污染物，如二氧化碳、氮氧化物、二氧化硫等主要污染物排放。
如果采用无熟料水泥或免烧水泥配制混凝土，就能显著降低能耗，降低污染，达到节能环保的目的。
水泥在生产过程中利采用低化石燃料替代传统燃料、用非碳酸盐钙质原料替代石灰石，如在水泥制造领域，利用废轮胎、废油泥、废塑料等可燃废弃物替代传统燃料；利用粉煤灰、煤矸石、电石渣、各种尾矿渣、废石膏等替代部分石灰石原料以及利用经过适当处理的工业废渣替代水泥熟料，减少生产中CO2直接排放，这方面我国具有很大发展潜力。
调整水泥产业结构、大力发展推广新型干法水泥工艺、大力开发新型水泥。
新型干法水泥每吨熟料综合能耗降至115千克标准煤，温室气体减排方面走在其他高耗能产业的前列，二氧化碳排放强度下降35%。
积极研发非波特兰体系新型水泥，如硫铝酸盐水泥、铝酸盐水泥和阿利尼特水泥等，其中硫铝酸盐水泥是利用低品位矾土、石灰石和石膏为原料，所以烧成温度低，CO2排放量也低。
虽然现在非波特兰水泥体系的水泥产量小，使用范围小，但在某些特殊场合可以代替普通水泥发挥很大的作用。
混凝土可持续发展
混凝土可持续发展混凝土是一种重要的建筑材料，被广泛应用于建筑、道路、桥梁等领域。
然而，传统的混凝土生产过程存在着能源消耗高、碳排放量大以及对自然资源的过度开采等问题，与可持续发展的目标相悖。
因此，为了实现混凝土行业的可持续发展，我们需要改变传统的生产方式，促进技术创新与资源节约。
1. 提高能源效率混凝土生产过程中最重要的能源消耗来自于水泥的制备和石灰石的煅烧。
为了提高能源效率，我们可以采用先进的热电联产技术，将废热转化为电力和热能供应。
此外，研发新型低能耗的水泥生产工艺也是一项重要的任务。
2. 降低碳排放混凝土生产过程中产生的二氧化碳排放是主要的温室气体来源之一。
为了降低碳排放，我们可以使用替代性的水泥材料，如粉煤灰和矿渣粉等，来减少对水泥的需求。
同时，将二氧化碳捕集和储存技术应用于混凝土生产过程，可以将大量的二氧化碳气体从排放源中捕集并储存起来，从而降低碳排放。
3. 促进循环经济混凝土可以通过回收再生的方式降低对原材料的需求，并利用混凝土的耐久性和可再生的特点延长其使用寿命。
同时，将废弃混凝土碎石等再利用于新的混凝土生产中，可以实现循环经济的理念，减少对自然资源的开采。
4. 加强建筑设计与施工管理在建筑设计过程中，要考虑混凝土的优化使用，减少浪费。
通过合理的结构设计和施工管理，减少废料产生，提高施工效率，进一步降低对环境的影响。
5. 增加宣传与教育混凝土可持续发展的实践需要得到更广泛的认可和支持。
政府、企业和媒体等应当加大宣传力度，提高公众对混凝土可持续发展的认知度，并倡导绿色建筑、绿色生活的理念。
总结起来，混凝土的可持续发展是一个系统工程，需要政府、企业和公众的共同努力。
通过提高能源效率、降低碳排放、促进循环经济、加强建筑设计与施工管理以及增加宣传与教育，我们可以实现混凝土行业的可持续发展，为未来建设可持续的城市和环境做出贡献。
基于强度指标的粉煤灰基地质聚合物设计
长、 验收员要严格 把关 ， 防止工作 面两 端割煤推 进不平 衡 ， 如果 出 开拓创新 ， 攻克采煤 过程 中的各种技 术难 关 ， 为煤矿 企业 采煤工 现一 端割煤推 进少 的情 况 ， 就 要 及早 在 这一 端采 取 调斜 补 刀措 作绽放出一朵朵美丽的鲜花 。 施， 杜绝刮板输送机窜 机头 、 窜机尾现象 。 参考文献 ：
第３ ９卷 第 ３ ５期
２ ０ １ ３年 １ ２月
山 西 建 筑
ＳＨＡＮＸＩ ＡＲＣＨＩ ＴＥＣＴＵＲＥ
Ｖｏ Ｉ ． ３ ９ Ｎｏ． ３５
Ｄｅ ｃ ． ２ ０ １ ３
・１ ２７ ・
・
建 筑 材 料 及 应 用
・
文章编号 ： １ ０ ０ ９ － ６ ８ ２ ５ （ ２ ０ １ ３ ） ３ ５ － ０ １ ２ ７ — ０ ３
０ 引言
地质 聚合 物抗 压强度最大。且以粉煤灰为原料 合成 了７ ｄ抗压强
８ ． ６ ＭＰ ａ的地质 聚合物 ， 并证 明 了粉煤灰 中较 高的 Ｃ ａ Ｏ含 在土木工 程中 ， 建筑能 耗约 占总能 耗 的 ２ ５ ％ 以上 ， 随着我 国 度达 ５ 提 出的建设 资源节约 型社会 的要 求 和国家节 能 降耗政 策 的相 继 量 和含有 部分 超细 颗粒 是 合成 高 强度 地质 聚合 物 的有利 条 件 。 目前 ， 中国粉煤灰 的排放 量每 年 已超 过 ３亿 ｔ 。 由于煤 炭在 中 国 出台 ， 低能耗型建 筑材料 势必将 成 为今后 新型 建材 的发展 方 向。
粉煤灰基地质聚合物材料的应用研究进展
性能。
刘泽等 ［９－１０］ 研究证明循环流化床超细粉煤灰基
地质聚合物与 Ｚｎ ２＋ 、 Ｐｂ ２＋ 均具有较好的相容性， 使
得大掺量 Ｚｎ ２＋ 的固化率达 ９９％以上， Ｐｂ ２＋ 的固化率
也达到了 ９０％ 以上。 其对含铬电镀污泥也可以进
行良好的固化， 固化体强度较高， 毛林清等 ［１１］ 对
Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｔｈｅ ｄｉｓｃｈａｒｇｅ ｏｆ ｆｌｙ ａｓｈ ｆｒｏｍ ｃｏａｌ － ｆｉｒｅｄ ｐｏｗｅｒ ｐｌａｎｔ ｈａｓ ｃａｕｓｅｄ ｃｅｒｔａｉｎ ｈａｒｍ ｔｏ ｔｈｅ ｅａｒｔｈｓ ｅｃｏｌｏｇｉｃａｌ
ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ ａｎｄ ｈｕｍａｎ ｈｅａｌｔｈ． Ｔｈｅ ｐｒｅｐａｒａｔｉｏｎ ｏｆ ｇｅｏｐｏｌｙｍｅｒ ｗｉｔｈ ｆｌｙ ａｓｈ ａｓ ｒａｗ ｍａｔｅｒｉａｌ ｈａｓ ｔｈｅ ａｄｖａｎｔａｇｅｓ ｏｆ
水等发泡剂对块体、 球形等吸附材料进行起泡处
技术的投入及研究， 以应对水资源短缺的问题。
理， 以增加其吸附活性位点， 从而加大吸附量。 因
粉煤灰本身具有特殊的多孔蜂窝状结构、 比表
面积较大， 又具有 Ａｌ ２ Ｏ ３ 、 ＳｉＯ ２ 、 ＣａＯ 等活性组分，
此， 块体及球形吸附剂特别是球形吸附剂很有可能
固体废弃物中包含了大量的重金属及其化合物， 如
且在内部形成密闭性良好的牢笼形状， 从而可以将
断富集并潜移默化地渗透到了广袤的土壤及水资源
实现了以废治废、 变废为宝的环保目标， 在材料、
Ｐｂ、 Ｚｎ、 Ｃｓ、 Ｓｒ、 Ａｓ、 Ｃｄ 等， 有害重金属离子不
重金属离子、 有毒废物质等包裹在牢笼空腔内部，
中， 这对人们赖以生存的生态环境造成了严重的威
水泥工业温室气体CO2的排放及其减排技术路线研究
水泥工业温室气体CO2的排放及其减排技术路线研究*马保国1曹晓润高小建董荣珍李相国(武汉理工大学硅酸盐材料工程教育部重点实验室，武汉 430070)摘要分析研究了温室气体CO2的排放现状、趋势及温室效应加剧对环境产生的危害性，着重探讨了我国水泥工业CO2的排放现状，并从材料学、热学和环境学等交叉学科入手研究了水泥工业温室气体CO2排放的控制技术，为水泥工业可持续发展以及解决CO2引起的温室效应提供了新的技术路线。
关键词温室气体CO2排放温室效应水泥工业CO2减排技术路线Study on the greenhouse gas CO2 emission in the cement industry and CO2 reduction technology route Ma Baoguo，Cao Xiaorun，Gao Xiaojian，et boratory for Silicate Materials Engineering, Wuhan University of Technology，Wuhan 430070Abstract：The current situation and trend of greenhouse gas CO2emission was introduced and many-faced effects on environment such as climate, ecological environment which are due to the strengthening of greenhouse effect was analyzed. A comparatively detailed expatiation about CO2 emission status quo in the cement industry of China was made, and the control technology of CO2emission in the Cement Industry was studied in terms of material science, thermionics and environment science. Finally, some feasible technology routes of CO2reduction for the continuous development of the cement industry were offered.Keywords：Greenhouse gas Carbon-dioxide emission Greenhouse effect Cement industry CO2 reduction Technology routes随着科技的飞速发展，人类的生活质量得到了极大提高，但同时也造成了各种生态环境问题。
浅析绿色高性能混凝土耐久性
节能环保Energy conservation and environmental protection100浅析绿色高性能混凝土耐久性许宇斌（华润混凝土（乐东）有限公司，海南乐东 572500）中图分类号：S210 文献标识码：B 文章编号1007-6344（2018）07-0100-01摘要：如今在建筑行业，最先进和最受欢迎的混凝土就是绿色高性能混凝土，该混凝土的应用范围特别广泛，在许多方面都被大量使用。
相比于普通混凝土，绿色高性能混凝土的性价比较高，以惠民的价格为人们提供了更好的服务质量。
这篇文章先是阐述了绿色高性能混凝土的定义，又分析了一些绿色高性能混凝土特有的性能，最后重点介绍了绿色高性能混凝土的耐久性。
关键词：绿色；高性能混凝土；耐久性0 引言混凝土的使用使我国的建筑事业迈向了一个新的台阶，带动了我国经济的发展。
混凝土相比于其他施工材料更加的坚固、稳定，所以非常的受欢迎，它的使用大大提升了人们的生活品质。
万事有利皆有弊，混凝土虽然具有众多优点，但是在大规模的使用之后，也对环境造成了影响。
构成混凝土的原材料复杂众多，有水泥、砂石、其他基料等，其中占用比最高的就是水泥。
为了满足人们对混凝土的需要，水泥被大量地生产出来，但是生产过程并不环保。
在制造水泥的过程中产生了许多粉尘，粉尘对人们的身体非常有害，吸入肺部后会损伤肺部。
煤炭作为能源物质，是制造水泥不可或缺的，但是我国的技术并不发达，无法提高对煤炭的利用率，极大地浪费了资源。
煤炭燃烧要产生二氧化碳，二氧化碳属于温室气体，如果大量排放，会给环境带来不可逆转的伤害。
砂石主要来源于山石和河道，如果大量开采会破坏自然环境。
鉴于以上传统混凝土的种种弊端，绿色高性能混凝土应运而生。
绿色高性能混凝土的优点有许多，如节能、环保、可持续发展等，最重要的就是具有较强的耐久性。
1 绿色高性能混凝土绿色高性能混凝土从字面上就可以看出混凝土的两大最强性能，即绿色和高性能，这符合当下倡导的绿色环保主题。
碱激发矿粉-粉煤灰-偏高岭土地聚物水化行为和力学性能
第42卷第6期2023年6月硅㊀酸㊀盐㊀通㊀报BULLETIN OF THE CHINESE CERAMIC SOCIETYVol.42㊀No.6June,2023碱激发矿粉-粉煤灰-偏高岭土地聚物水化行为和力学性能刘㊀刚1,2,丁明巍1,2,刘金军2,万惠文1,薛永杰1,蹇守卫1,2(1.武汉理工大学硅酸盐建筑材料国家重点实验室,武汉㊀430070;2.武汉理工大学材料科学与工程学院,武汉㊀430070)摘要:通过改变矿粉㊁粉煤灰㊁偏高岭土的配合比,用复配后的水玻璃进行碱激发,制备三元地聚物,测试了三元地聚物凝结时间以及抗折㊁抗压强度㊂利用XRD㊁SEM㊁EDS及DTG研究硬化浆体中水化产物的形貌和成分,并对水化过程进行分析㊂结果表明,该三元地聚物是由原材料在碱激发水化作用下生成的以水化硅酸钙(C-S-H)㊁水化硅铝酸钙(C-A-S-H)和水化硅铝酸钠(N-A-S-H)凝胶为主的复合胶凝材料㊂矿粉掺量越高,新拌浆体凝结时间越短,水化产物中钙系凝胶越多,试件强度越高㊂矿粉含量为10%㊁30%㊁50%㊁70%㊁90%(质量分数)的5组试件3d抗压强度分别为2.1㊁14.1㊁24.2㊁29.7㊁37.9MPa㊂养护龄期越长,反应越完全,水化产物越多,试件抗压强度越高㊂当矿粉含量为50%时,三元地聚物1㊁3㊁7㊁28d抗压强度分别为12.3㊁24.2㊁27.3㊁36.8MPa㊂当矿粉含量为90%㊁养护龄期为28d时,试件抗折㊁抗压强度最高,分别为12.0㊁52.0MPa㊂该体系较短的凝结时间使其在道路修补材料及3D打印等领域有着较为广阔的应用前景㊂关键词:矿粉;粉煤灰;地聚物;强度;微观形貌;水化过程中图分类号:TU528㊀㊀文献标志码:A㊀㊀文章编号:1001-1625(2023)06-2106-09 Hydration Behavior and Mechanical Properties ofAlkaline Excited Slag-Fly Ash-Metakaolin GeopolymerLIU Gang1,2,DING Mingwei1,2,LIU Jinjun2,WAN Huiwen1,XUE Yongjie1,JIAN Shouwei1,2(1.State Key Laboratory of Silicate Materials for Architectures,Wuhan University of Technology,Wuhan430070,China;2.School of Materials Science and Engineering,Wuhan University of Technology,Wuhan430070,China) Abstract:By changing the ratio of slag,fly ash and metakaolin,the ternary geopolymer was prepared by alkali excitation with the compound sodium silicate.The setting time,flexural and compressive strength of ternary geopolymer were tested. XRD,SEM,EDS and DTG were used to study the morphology and composition of hydration products in the hardened paste,and the hydration process was analyzed.The results show that the ternary geopolymer is composed of calcium silicate hydrate(C-S-H),calcium aluminate silicate hydrate(C-A-S-H)and sodium aluminate silicate hydrate(N-A-S-H)gels. The higher the slag content is,the shorter the setting time of newly mixed slurry is,the more calcium gel in the hydration products is,and the higher the strength of specimen is.The3d compressive strength of5groups of specimens with slag content of10%,30%,50%,70%,90%(mass fraction)is2.1,14.1,24.2,29.7,37.9MPa,respectively.The longer the curing period is,the more complete the reaction is,the more hydration products are,and the higher the strength of specimen is.When the slag content is50%,the compressive strength of ternary geopolymer at1,3,7,28d is12.3, 24.2,27.3,36.8MPa,respectively.When the slag content is90%and the curing age is28d,the flexural and compressive strength of specimen are the highest,which are12.0,52.0MPa,respectively.The short setting time of the system makes it have a broad application prospect in the field of road repair materials and3D printing.Key words:slag;fly ash;geopolymer;strength;microstructure;hydration process收稿日期:2023-02-19;修订日期:2023-03-27基金项目:海南省科技计划三亚崖州湾科技城联合项目(520LH016);湖北省科学技术厅重点研发计划(2021BCA126)作者简介:刘㊀刚(1981 ),男,教授㊂主要从事道路新材料研发㊁固废循环利用方面的研究㊂E-mail:liug@㊀第6期刘㊀刚等:碱激发矿粉-粉煤灰-偏高岭土地聚物水化行为和力学性能2107 0㊀引㊀言随着国家基础建设不断发展,如今水泥混凝土行业需要向绿色环保方向发展,解决由生产成本所带来的自然资源枯竭㊁能源消耗㊁温室气体排放等各种问题,以实现可循环发展目标[1]㊂相对于水泥基复合材料,完全由工业固废组成的复合材料更有望实现可持续发展,而地聚物被认为是替代水泥基复合材料的最佳选择㊂地聚物是一种由硅铝原料(如赤泥㊁粉煤灰㊁偏高岭土㊁炉渣㊁稻壳和玻璃废料)通过碱㊁酸或盐类激发而得的无机聚合物㊂与水泥相比,地聚物生产所需能耗更低,产生二氧化碳更少,并且可以减少自然资源的使用[2]㊂由于地聚物具有材料价格低廉㊁耐久性优异㊁机械性能好㊁耐酸性强㊁耐高温好等优点,近年来对于地聚物的研究越来越多㊂Barbhuiya等[3]发现由70%(质量分数)粉煤灰和30%(质量分数)偏高岭土组成的地聚物比仅由粉煤灰组成的地聚物具有更高的抗压强度,且增加碱激发剂的模数可以使粉煤灰反应更完全,地聚物微观结构孔隙更少㊂Kim等[4]探究了不同Si/Al摩尔比对粉煤灰地聚物强度的影响,发现了一种通过原料中无定形物质含量和碱激发剂掺量推导地聚物抗压强度发展趋势的方法㊂Yuan等[5]探究了3D打印矿粉-粉煤灰地聚物的影响因素,发现提高砂胶比㊁降低粉煤灰/矿粉比或使用低模数的碱激发剂均会降低地聚物的可挤出性和可建造性㊂Wan等[6]通过加入硅粉改变Si/Al摩尔比,探究了不同Si/Al摩尔比偏高岭土地聚物聚合过程中Al和Si的溶解速率,结果显示,溶解速率随着Si/Al摩尔比增加而增加,说明可溶性硅酸盐可以加速铝酸盐单体聚合,在Si/Al摩尔比为2ʒ1时,聚合速率达到最大㊂目前对二元地聚物体系研究较多,多为不同因素对地聚物力学性能影响的研究,以及地聚物其他基本性能的探究,但对多元地聚物体系的水化机理尚未厘清㊂所以本文结合矿粉-粉煤灰地聚物体系与粉煤灰-偏高岭土地聚物体系,以矿粉-粉煤灰-偏高岭土三元地聚物体系作为研究对象,通过矿粉水化提供早期强度,用粉煤灰来改善体系的流动度,利用偏高岭土的无钙特点来中和由矿粉钙含量过高导致的凝结时间过短和后期开裂问题㊂分析不同配合比及养护龄期对三元地聚物性能的影响,探究具有更高性能的地聚物的配合比,并结合微观形貌探究其水化过程,研究结果可为地聚物应用于3D打印或道路修补材料领域提供理论依据㊂1㊀实㊀验1.1㊀原材料原材料:S95级矿粉㊁偏高岭土粉㊁粉煤灰㊁氢氧化钠粉末(分析纯)㊁液体硅酸钠(模数为2.23)㊂矿粉㊁偏高岭土㊁粉煤灰均来自河南恒源新材料有限公司,其化学成分如表1所示㊂选用聚羧酸高效减水剂(SPC)㊁流变剂羟丙基甲基纤维素(HPMC)作为掺合料㊂水玻璃模数为1.5,由模数为2.23的硅酸钠溶液和氢氧化钠粉末配制而成㊂表1㊀原材料的化学成分Table1㊀Chemical composition of raw materialsMaterial Mass fraction/%SiO2Al2O3Fe2O3CaO MgO SO3TiO2Loss Slag32.915.4 37.010.50.1 0.8 Fly ash45.124.2 5.6 2.1 2.8 Metakaolin55.742.50.8 1.01.2㊀配合比设计通过调整矿粉㊁偏高岭土㊁粉煤灰的比例,加入SPC和HPMC,采用碱性激发剂激发并制备不同配合比的地聚物砂浆㊂地聚物砂浆配合比如表2所示㊂按表2所示配合比将各原材料混合均匀,然后将新拌浆体装入40mmˑ40mmˑ160mm的铸铁模具中,放入标准养护箱中养护24h后,取出模具并脱模,将成型的试件放入标准养护箱内继续养护至相应龄期,取1㊁3㊁7㊁28d龄期的试件进行力学性能测试㊂2108㊀资源综合利用硅酸盐通报㊀㊀㊀㊀㊀㊀第42卷表2㊀地聚物砂浆配合比Table 2㊀Mix proportion of geopolymer mortarGroup Slag mass fraction /%Fly ash-metakaolin (1ʒ1)mass fraction /%Alkali dosage (Na 2O mass fraction)/%Water-binder ratio Admixture mass fraction /%HPMC SPC Sand-binder ratio K1109040.336111K2307040.332111K3505040.332111K4703040.316111K5901040.3121111.3㊀测试方法按照‘建筑砂浆基本性能试验方法标准“(JGJ /T 70 2009),采用JJ-5型水泥胶砂搅拌机进行搅拌,然后测试新拌浆体的凝结时间㊂按照‘水泥胶砂强度检验方法(ISO 法)“(GB /T 17671 2021),采用万能压力试验机进行力学性能测试㊂采用X 射线衍射仪对样品进行物相分析,采用扫描电子显微镜观察样品微观形貌,采用能谱仪测定样品的元素及含量,使用热重分析仪进行热重测试㊂2㊀结果与讨论2.1㊀新拌浆体凝结时间图1㊀地聚物砂浆的凝结时间Fig.1㊀Setting time of geopolymer mortar 地聚物砂浆的凝结时间如图1所示,由图1可以清晰地看出,由K1至K5,随着矿粉含量提升,粉煤灰㊁偏高岭土掺量减少,地聚物砂浆的凝结时间呈下降趋势,分别为63㊁44㊁38㊁30㊁24min,这与其他学者[7]的研究结论一致㊂矿粉中的CaO 可以与拌合水反应放热,使反应环境温度升高,同时水量减少会引起环境碱度升高㊂艾纯志等[8]指出提高体系碱度和温度均会对碱激发胶凝材料的反应起到促进作用㊂王红等[9]指出掺入矿粉会使浆体流动性降低,掺入的粉煤灰含量大于矿粉含量时会使浆体流动性提高㊂而本文中,随着矿粉含量增加,粉煤灰含量降低,浆体流动度下降,凝结时间变短,与上述文献结果一致㊂K1~K4的凝结时间位于30~65min,适合应用于3D 打印或道路修补㊂由于K5的凝结时间较短,低于30min,在工程实际中应用难度较大㊂2.2㊀力学性能地聚物试件抗折㊁抗压强度与养护龄期之间的关系分别如图2㊁图3所示㊂图2㊀地聚物试件抗折强度与养护龄期的关系Fig.2㊀Relationship between flexural strength of geopolymer specimens and curingage 图3㊀地聚物试件抗压强度与养护龄期的关系Fig.3㊀Relationship between compressive strength of geopolymer specimens and curing age第6期刘㊀刚等:碱激发矿粉-粉煤灰-偏高岭土地聚物水化行为和力学性能2109㊀由图2可知,5组不同配合比地聚物试件的抗折强度随养护龄期延长在整体上呈不断增大的趋势,不同配合比试件早期(1㊁3d)抗折强度增长较低,但后期抗折强度增长较高,K1~K5组试件28d 抗折强度相对于7d 分别增长了113.0%㊁75.2%㊁58.4%㊁47.8%㊁31.9%㊂这是由于粉煤灰和偏高岭土水化速度较慢[10],28d 时试件抗折强度达到最大,分别为3.3㊁8.3㊁10.8㊁11.8㊁12.0MPa㊂观察不同配合比试件抗折强度可知,地聚物试件的抗折强度随着矿粉含量的逐渐增加而增大㊂由图3可知,5组不同配合比地聚物试件的抗压强度随养护龄期延长在整体上呈不断增大的趋势,K1~K5组试件养护3d 时抗压强度分别为2.1㊁14.1㊁24.2㊁29.7㊁37.9MPa;28d 时抗压强度达到最大,分别为7.3㊁28.2㊁36.8㊁44.6㊁52.0MPa㊂K3组试件1㊁3㊁7㊁28d 抗压强度分别为12.3㊁24.2㊁27.3㊁36.8MPa㊂与矿粉-粉煤灰二元体系[7]和粉煤灰-偏高岭土二元体系[11]相比,本三元体系7d 抗压强度更高㊂这是由于:与矿粉-粉煤灰二元体系相比,本三元体系中偏高岭土对地聚物早期强度影响不大,但是可以填充孔隙以及延长凝结时间,改善矿粉速凝开裂导致强度锐减的情况;与粉煤灰-偏高岭土二元体系相比,本三元体系中矿粉水化速度更快,早期即可生成大量Ca 系凝胶,使试件强度快速提高[12]㊂在同一养护龄期内,随着矿粉含量逐渐增加,地聚物试件的抗压强度逐渐增大,且总体增长趋势较为平稳㊂K1组试件抗压强度总体都比较低,28d 抗压强度仅为7.3MPa,这是因为K1组试件矿粉掺量较低,而体系主要的Ca 源是由矿粉提供的,所以K1组试件Ca 含量低,生成的水化硅酸钙(C-S-H)㊁水化硅铝酸钙(C-A-S-H)凝胶少,不能提供足够强度㊂K2~K4组试件由于矿粉含量逐渐增加,Ca 含量逐渐增加,生成的C-S-H㊁C-A-S-H 凝胶逐渐增多,试件的抗压强度增大㊂2.3㊀物相组成分析图4为K3组地聚物样品在养护龄期为1㊁3㊁7和28d 时的XRD 谱㊂由图4可以看出,不同养护龄期的地聚物样品XRD 谱大致一样㊂地聚物样品在20ʎ~30ʎ处有一个较明显的弥散 馒头 状宽峰,据资料显示这些无定形 馒头 峰为生成的C-S-H㊁C-A-S-H 和水化硅铝酸钠(N-A-S-H)凝胶的特征峰㊂随着养护龄期延长,衍射峰出现小角度偏移的现象,这表明碱激发地聚物反应程度在不断提高㊂这些无定形凝胶能够明显提高试件的抗折㊁抗压强度,表明地聚物体系中发生了较高程度的聚合反应[10],与抗折㊁抗压强度的测试结果相吻合㊂同时从图4中可以看出,K3组3㊁7d 样品XRD 谱中在55ʎ附近有一个明显的C-S-H 凝胶特征峰,但K3组28d 样品XRD 谱中该特征峰消失㊂这是由于矿粉活性高,水化速度快,在水化前中期大量矿粉与水玻璃发生碱激发反应,生成了大量C-S-H 和C-A-S-H 凝胶,在水化后期粉煤灰和偏高岭土开始水化,为地聚物体系中提供了大量Si 和Al,这些Al 在扩散作用下将水化产物C-S-H 凝胶中部分Si 置换出来,形成了C-A-S-H 凝胶㊂同时水玻璃中的Na 也可以与C-A-S-H 凝胶中的Ca 发生置换反应,生成N-A-S-H 凝胶㊂因此,K3组样品在55ʎ附近的C-S-H 凝胶特征峰随养护龄期延长逐渐降低,至28d 时该特征峰消失㊂图4㊀不同养护龄期K3组地聚物样品的XRD 谱Fig.4㊀XRD patterns of K3geopolymer samples at different curingages 图5㊀不同配合比地聚物样品养护7d 的XRD 谱Fig.5㊀XRD patterns of geopolymer samples with different mix proportion curing for 7d㊀㊀图5为不同配合比地聚物样品在7d 养护龄期下的XRD 谱㊂由图5可以看出,随着矿粉含量增多,粉煤灰和偏高岭土含量减少,样品中的Ca 含量上升,样品在29ʎ处的C-S-H 凝胶特征峰逐渐升高,逐渐增多的2110㊀资源综合利用硅酸盐通报㊀㊀㊀㊀㊀㊀第42卷C-S-H凝胶紧密堆积,填补了试件中的空隙和裂纹,使试件的有害孔体积下降,无害孔增多,试件孔结构情况改善,对地聚物砂浆试件的抗折㊁抗压强度起到正面影响,与强度测试结果相符合㊂同时,在各配合比下均没有新的晶体相生成,水化产物主要为无定形的C-S-H㊁C-A-S-H和N-A-S-H凝胶,说明改变配合比并不影响反应的整体路线㊂2.4㊀微观形貌分析养护龄期为3d时,不同配合比(K1~K5)地聚物样品的SEM照片如图6(a1)~(a5)所示㊂如图6(a1)所示,K1组样品3d的水化产物主要以团簇状的凝胶形式存在,可见未反应的粉煤灰颗粒与矿粉颗粒㊂K1组样品水化程度较低,结构松散,空隙㊁裂纹较多,导致其抗折㊁抗压强度较低㊂如图6(a2)所示,K2组样品3d的水化产物主要以无定形的凝胶形式存在㊂相比于K1组,其结构相对致密,抗折㊁抗压强度得到提升㊂如图6(a3)所示,K3组样品3d的水化产物主要以无定形的凝胶形式存在,将正在反应的粉煤灰颗粒紧密连接并逐渐包裹㊂区域1~3的元素占比如表3所示,区域1是粉煤灰水化形成的N-A-S-H凝胶,区域2是大量C-A-S-H㊁C-S-H凝胶和少量N-A-S-H凝胶相互交织混杂形成的无定形凝胶结构,区域3主要是团簇状N-A-S-H凝胶㊂这些凝胶填充了试样孔隙,将未反应原材料紧密相连,进一步提高了试件的抗折㊁抗压强度㊂如图6(a4)所示,K4组样品3d的水化产物主要以C-A-S-H㊁C-S-H和N-A-S-H交织的致密无定形凝胶以及大量团簇状N-A-S-H凝胶形式存在,N-A-S-H凝胶位于C-A-S-H㊁C-S-H和N-A-S-H交织的致密无定形㊂凝胶上,数量多,分布广㊂试件的抗折㊁抗压强度进一步提高第6期刘㊀刚等:碱激发矿粉-粉煤灰-偏高岭土地聚物水化行为和力学性能2111㊀图6㊀养护3㊁7和28d 时地聚物样品的SEM 照片Fig.6㊀SEM images of geopolymer samples curing for 3,7and 28d ㊀㊀如图6(a 5)所示,K5组样品3d 的水化产物主要以片状以及无定形的凝胶形式存在㊂区域4~5的元素占比如表3所示,区域4的片状凝胶主要是由C-A-S-H 凝胶和少量N-A-S-H 凝胶构成,片状结构充当了骨架结构,使水化产物紧密堆积,形成致密三维结构,试件的抗折㊁抗压强度达到最大㊂区域5的无定形凝胶也是由C-A-S-H 和N-A-S-H 构成,但区域5的Na /Ca 比较区域4更高㊂表3㊀SEM 照片区域1至5中的元素占比Table 3㊀Element proportion in area 1to 5of SEM imagesElementAtom fraction /%Area 1Area 2Area 3Area 4Area 5O 63.0959.3863.3362.1571.45Na3.49 5.09 1.81 1.09 1.42Mg 0.280.670.170.330.58Al 11.297.9719.05 6.73 5.77Si 21.4616.8814.6727.9519.46Ca0.3910.020.98 1.75 1.31养护龄期为28d 时,不同配合比(K1~K5)地聚物样品的SEM 照片如图6(c 1)~(c 5)所示㊂观察SEM照片可以看出:K5组样品较前几组样品的粉煤灰颗粒数量大幅度下降,且基本被水化生成的凝胶所包裹;生2112㊀资源综合利用硅酸盐通报㊀㊀㊀㊀㊀㊀第42卷成的C-A-S-H㊁C-S-H 和N-A-S-H 凝胶数量更多,但凝胶形貌并非内部结构疏松的团簇状而是结构十分致密的形貌㊂随着矿粉含量增加,大部分原材料已经水化或正在水化中,填补了试件中的裂痕和孔隙,微观结构更致密,试件的抗折㊁抗压强度更高㊂对比3和28d 的SEM 照片发现,随着养护时间增加,原材料水化程度进一步提高,未反应的粉煤灰数量进一步减少,水化产物种类依旧是C-A-S-H㊁C-S-H 和N-A-S-H 凝胶,未出现新物相,但是致密程度均有提高,表面团簇状的无定形凝胶减少,取而代之的是均匀而致密的三维结构,试件总体抗折㊁抗压强度更高㊂分析比较不同龄期(3㊁7㊁28d)K3组样品的SEM 照片,如图6(a 3)㊁(b 1)㊁(c 3)所示,K3组样品7d 的水化产物主要以C-A-S-H㊁C-S-H 和N-A-S-H 交织的致密无定形凝胶以及大量团簇状N-A-S-H 凝胶形式存在㊂随着养护时间由3d 延长到7㊁28d,样品中生成的C-A-S-H㊁C-S-H 和N-A-S-H 凝胶数量逐渐增加,开始在原材料周围生成,随后逐渐反应将原材料包裹㊂粉煤灰等原材料反应程度更完全,样品裂纹更少,凝胶更致密㊂由以上分析可知:本文所用原材料中有大量Ca㊁Al㊁Si 的氧化物,在反应前期,由于水玻璃作为碱激发剂加入,为体系引入大量的OH -,原材料中的Si O 键和Al O 键发生断裂,[SiO 4]4-和[AlO 4]5-被大量溶出,形成了以Si O Si 和Si O Al 为主体的低聚物,[SiO 4]4-与矿粉中的Ca 2+结合生成C-S-H 凝胶㊂与此同时,原材料中Si㊁Al 的氧化物在碱激发剂提供的强碱环境下开始溶解,[SiO 4]4-和[AlO 4]5-四面体发生缩聚反应,生成以 Si O Al O 为骨架的三维网络结构的无机高分子地聚物,成型硬化后形成早期强度[13]㊂随着养护时间的增加,地聚物试件中Ca㊁Al㊁Si 的氧化物被充分溶解,随着解聚-缩聚反应的进行,试件内部生成了大量的C-A-S-H㊁C-S-H 和N-A-S-H 凝胶,这些凝胶相互堆积形成致密的三维网状结构,使试件的抗折㊁抗压强度达到最大㊂2.5㊀TG-DTG分析图7㊀养护3㊁7和28d 时K3组地聚物试件的TG-DTG 曲线Fig.7㊀TG-DTG curves of K3geopolymer specimens curing for 3,7and 28d K3组地聚物试件在养护龄期3㊁7㊁28d 下的热重曲线如图7所示㊂TG 曲线可以直观反映出试件质量随温度变化的过程,将TG 曲线对温度求一阶微分即可得到DTG 曲线㊂由图7可以看出,在0~200ħ和200~600ħ有两个明显的吸热失重特征峰,第一个失重峰对应过程为试件中自由水以及水化产物C-S-H㊁C-A-S-H 和N-A-S-H 凝胶部分吸附水的蒸发[14-16],第二个失重峰的产生是温度升高,C-S-H㊁C-A-S-H 和N-A-S-H 凝胶脱去 羟基水 所导致的[17-18]㊂结合XRD 和EDS 分析,碱激发矿粉-粉煤灰-偏高岭土三元地聚物体系的水化产物主要为C-S-H㊁C-A-S-H 和N-A-S-H 凝胶㊂对比试件3㊁7㊁28d 的DTG 曲线可以发现:试件3d 的DTG 曲线第一个失重峰面积最大,推测是由于水化时间最短,试件中剩余自由水㊁吸附水较多;试件3㊁7d 的DTG 曲线第二个失重峰变化较小,是由于粉煤灰的水化速度较慢,而试件28d 的DTG 曲线第二个失重峰面积最大,说明试件28d 损失质量最多,生成水化凝胶最多,与SEM 结果相吻合㊂结合材料宏观力学强度分析可知,试件强度与水化生成凝胶产物脱水的失重率成正比,试件强度随着失重率的增大而增大,即生成的C-S-H㊁C-A-S-H 和N-A-S-H 凝胶越多,强度越高㊂3㊀碱激发矿粉地聚物水化过程水化初期,原材料在碱性环境中开始溶解,Ca 相中的Ca O 键㊁Si-Al 相中的Si O Si 键和Al O Al 键开始发生断裂,并释放出Ca 2+㊁硅氧四面体单体和铝氧四面体单体,由于Ca O 键㊁Si O Si 键和Al O Al 键具有不同的稳定性,Ca 2+㊁硅氧四面体单体和铝氧四面体单体溶出的先后顺序会有所不同㊂由于Ca O 键的键能最低,Ca O 键会首先断裂,然后是铝氧四面体单体,最后是硅氧四面体单体[19]㊂液相㊀第6期刘㊀刚等:碱激发矿粉-粉煤灰-偏高岭土地聚物水化行为和力学性能2113中一部分Ca2+会与环境中硅氧四面体单体反应生成C-S-H凝胶㊂随着水化时间增加,在碱激发剂作用下,液相中硅氧四面体单体和铝氧四面体单体浓度迅速增加,碱激发剂中的Na+和OH-分别与硅氧四面体单体和铝氧四面体单体形成大量 Si O Na㊁Al(OH)-4㊁Al(OH)2-5和Al(OH)3-6等硅铝酸盐低聚体[20]㊂水化中期,由于生成的低聚体结构稳定性较差,这些硅氧四面体单体和铝氧四面体单体之间会发生聚合反应,生成网状的N-A-S-H和C-A-S-H凝胶,但此时网状结构的聚合度还很低㊂随着反应继续进行,更多硅氧四面体单体和铝氧四面体单体被溶出,聚合度提高,形成N-A-S-H和C-A-S-H凝胶相互交织的三维网络结构㊂由于此时地聚物浆体已经达到初凝点,浆体中各种单体和低聚体的流动性已经很小,体系中各种聚合反应主要由扩散作用主导[19]㊂此时地聚物的水化产物主要为相互交织的C-S-H㊁C-A-S-H与N-A-S-H凝胶㊂由于体系中Ca2+和Al3+含量较高,Ca2+会取代N-A-S-H凝胶中的部分Na+,Al3+会取代C-S-H凝胶中的部分Si4+,生成相互交织的三维(N,C)-(A)-S-H凝胶结构[21]㊂水化后期,体系中的C-S-H㊁C-A-S-H和N-A-S-H凝胶随着养护时间的增加逐渐脱水,固结硬化成地聚物块,填充地聚物空隙,使有害孔减少,无害孔增加,有效改善了地聚物的孔结构,使地聚物整体更加致密,抗折㊁抗压强度提高[22]㊂4㊀结㊀论1)矿粉-粉煤灰-偏高岭土地聚物抗折㊁抗压强度随着矿粉含量增大呈增大的趋势,因为矿粉含量越高,生成的C-S-H㊁C-A-S-H凝胶越多㊂当矿粉含量为90%(质量分数)且养护龄期为28d时地聚物的抗折㊁抗压强度最高,分别为12.0㊁52.0MPa㊂2)矿粉-粉煤灰-偏高岭土地聚物的抗折㊁抗压强度随着养护龄期延长呈增大的趋势,当矿粉掺量为50% (质量分数)时,地聚物1㊁3㊁7㊁28d抗压强度分别为12.3㊁24.2㊁27.3㊁36.8MPa㊂反应初期(3d),虽然体系中OH-含量高,但粉煤灰㊁偏高岭土水化速度慢,生成凝胶较少,地聚物强度较低;待水化到28d后,原材料水化充分,生成的C-S-H㊁C-A-S-H和N-A-S-H凝胶填充了孔隙和裂纹,地聚物整体强度提高㊂3)矿粉-粉煤灰-偏高岭土地聚物的水化机理主要为原材料在碱性激发剂作用下溶出Ca2+㊁[SiO4]4-单体和[AlO4]5-单体,通过解聚-缩聚反应以及离子取代反应生成C-S-H㊁C-A-S-H和N-A-S-H凝胶并填充在孔隙中,使地聚物的强度大幅度提升㊂4)当矿粉掺量为30%㊁50%㊁70%(质量分数)时,矿粉-粉煤灰-偏高岭土地聚物凝结时间分别为44㊁38㊁30min,3d抗压强度分别为14.1㊁24.2㊁29.7MPa,符合3D打印或道路修补对材料最基本的工作性能要求㊂参考文献[1]㊀VAN DEVENTER J S J,PROVIS J L,DUXSON P,et al.Chemical research and climate change as drivers in the commercial adoption of alkaliactivated materials[J].Waste and Biomass Valorization,2010,1(1):145-155.[2]㊀CHEN S K,RUAN S Q,ZENG Q,et al.Pore structure of geopolymer materials and its correlations to engineering properties:a review[J].Construction and Building Materials,2022,328:127064.[3]㊀BARBHUIYA S,PANG E.Strength and microstructure of geopolymer based on fly ash and metakaolin[J].Materials(Basel,Switzerland),2022,15(10):3732.[4]㊀LEE B,KIM G,KIM R,et al.Strength development properties of geopolymer paste and mortar with respect to amorphous Si/Al ratio of fly ash[J].Construction and Building Materials,2017,151:512-519.[5]㊀YUAN Q,GAO C,HUANG T J,et al.Factors influencing the properties of extrusion-based3D-printed alkali-activated fly ash-slag mortar[J].Materials,2022,15(5):1969.[6]㊀WAN Q,RAO F,SONG S X,et al.Geopolymerization reaction,microstructure and simulation of metakaolin-based geopolymers at extendedSi/Al ratios[J].Cement and Concrete Composites,2017,79:45-52.[7]㊀刘梦珠,卞立波,王㊀琴,等.碱激发矿渣/粉煤灰胶凝材料力学性能研究[J].粉煤灰综合利用,2019,32(5):49-54.LIU M Z,BIAN L B,WANG Q,et al.Study on mechanical properties of alkali-activated slag/fly ash cementitious material[J].Fly Ash Comprehensive Utilization,2019,32(5):49-54(in Chinese).[8]㊀艾纯志,林㊀军.碱激发粉煤灰混凝土微观性能试验研究[J].混凝土,2022(4):78-80+85.AI C Z,LIN J.Experimental study on microcosmic properties of alkali activation fly ash concrete[J].Concrete,2022(4):78-80+85(in Chinese).2114㊀资源综合利用硅酸盐通报㊀㊀㊀㊀㊀㊀第42卷[9]㊀王㊀红,董双快,郭㊀爽,等.基于响应面法的水泥-粉煤灰-矿粉浆体流变分析[J].建筑结构,2022,52(增刊1):1576-1581.WANG H,DONG S K,GUO S,et al.Rheological analysis of cement-fly ash-ore slurry based on response surface method[J].Building Structure,2022,52(supplement1):1576-1581(in Chinese).[10]㊀孙双月.利用矿渣和粉煤灰制备地聚物胶凝材料的正交试验研究[J].中国矿业,2019,28(11):118-122+127.SUN S Y.Orthogonal experiment research on geopolymer synthesis by utilizing slag and fly ash as raw material[J].China Mining Magazine, 2019,28(11):118-122+127(in Chinese).[11]㊀王顺风,马㊀雪,张祖华,等.粉煤灰-偏高岭土基地质聚合物的孔结构及抗压强度[J].材料导报,2018,32(16):2757-2762.WANG S F,MA X,ZHANG Z H,et al.Pore structure and compressive strength of fly ash-metakaolin based geopolymer[J].Materials Review, 2018,32(16):2757-2762(in Chinese).[12]㊀荆㊀锐,刘㊀宇,张慧杰,等.偏高岭土和粉煤灰对碱-矿渣复合胶凝材料的凝结时间及早期力学性能的影响[J].硅酸盐通报,2020,39(10):3237-3243.JING R,LIU Y,ZHANG H J,et al.Influences of metakaolin and fly ash on setting time and early age mechanical properties of alkali-activated slag composite cementitious materials[J].Bulletin of the Chinese Ceramic Society,2020,39(10):3237-3243(in Chinese). [13]㊀童国庆,张吾渝,季港澳,等.粉煤灰地聚物强度特性及微观机理研究[J].硅酸盐通报,2020,39(6):1835-1841.TONG G Q,ZHANG W Y,JI G A,et al.Study on strength characteristics and microscopic mechanism of fly ash geopolymer[J].Bulletin of the Chinese Ceramic Society,2020,39(6):1835-1841(in Chinese).[14]㊀DUXSON P,LUKEY G C,VAN DEVENTER J S J.Thermal evolution of metakaolin geopolymers:part1-physical evolution[J].Journal of Non-Crystalline Solids,2006,352(52/53/54):5541-5555.[15]㊀王东星,王宏伟,邹维列,等.碱激发粉煤灰固化淤泥微观机制研究[J].岩石力学与工程学报,2019,38(增刊1):3197-3205.WANG D X,WANG H W,ZOU W L,et al.Research on micro-mechanisms of dredged sludge solidified with alkali-activated fly ash[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2019,38(supplement1):3197-3205(in Chinese).[16]㊀黄丽萍,马倩敏,郭荣鑫,等.碱矿渣胶凝材料水化产物的试验研究[J].硅酸盐通报,2020,39(4):1194-1200.HUANG L P,MA Q M,GUO R X,et al.Experimental study on hydration products of alkali-activated slag[J].Bulletin of the Chinese Ceramic Society,2020,39(4):1194-1200(in Chinese).[17]㊀ZHANG Y S,SUN W,LI Z J.Hydration process of potassium polysialate(K-PSDS)geopolymer cement[J].Advances in Cement Research,2005,17(1):23-28.[18]㊀刘淑贤,苏㊀严,杨㊀敏,等.钢渣:矿渣复合胶凝材料的制备及胶凝活性激发试验研究[J].金属矿山,2022(11):252-258.LIU S X,SU Y,YANG M,et al.Experimental study on preparation of the steel slag and slag composite cementitious material and its gelling activity inspiration[J].Metal Mine,2022(11):252-258(in Chinese).[19]㊀郭晓潞,施惠生,夏㊀明.不同钙源对地聚合物反应机制的影响研究[J].材料研究学报,2016,30(5):348-354.GUO X L,SHI H S,XIA M.Effect of different calcium resouces on reaction mechanism of geopolymer[J].Chinese Journal of Materials Research,2016,30(5):348-354(in Chinese).[20]㊀ZHOU X X,SHEN J M.Micromorphology and microstructure of coal fly ash and furnace bottom slag based light-weight geopolymer[J].Construction and Building Materials,2020,242:118168.[21]㊀王㊀磊,李金丞,张晓伟,等.地质聚合物激发剂及其激发原理[J].无机盐工业,2022,54(2):16-20.WANG L,LI J C,ZHANG X W,et al.Geopolymer activator and its excitation principle[J].Inorganic Chemicals Industry,2022,54(2):16-20(in Chinese).[22]㊀余春松,张玲玲,郑大伟,等.固废基地质聚合物的研究及其应用进展[J].中国科学:技术科学,2022,52(4):529-546.YU C S,ZHANG L L,ZHENG D W,et al.Research progress of geopolymer materials prepared from solid waste and their applications[J].Scientia Sinica(Technologica),2022,52(4):529-546(in Chinese).。
粉煤灰在硅酸盐水泥中的应用研究进展
粉煤灰在硅酸盐水泥中的应用研究进展硅酸盐水泥作为一种重要的建筑材料，具有较高的强度和耐久性。
然而，传统硅酸盐水泥的生产过程对环境造成了不可忽视的影响。
为了减少资源浪费和环境污染，研究人员开始探索使用替代性材料来替代部分传统硅酸盐水泥原料。
其中，粉煤灰作为一种常见的工业废弃物，因其丰富的资源、环境友好和对水泥性能的改进作用而备受关注。
粉煤灰是一种在煤燃烧过程中产生的细粉状灰烬，通常包含硅酸、氧化铁、氧化钙、氧化钾等成分。
由于其成分相对稳定，粉煤灰可以用来替代部分水泥熟料中的一些成分。
研究表明，采用粉煤灰替代水泥熟料可以显著降低温室气体排放、减少燃料消耗，同时提高硅酸盐水泥的力学性能和耐久性。
首先，粉煤灰在硅酸盐水泥中的应用可以有效减少碳排放。
传统硅酸盐水泥的生产过程需要高温煅烧石灰石，因此需要大量的燃料消耗，而这些燃料的燃烧会产生大量的二氧化碳。
粉煤灰作为含碳废物可在水泥生产过程中直接回收利用，减少了对石灰石的需求，从而减少了温室气体的排放。
其次，粉煤灰的应用能够提高硅酸盐水泥的强度和耐久性。
由于粉煤灰的细颗粒和高硅含量，它能够填充水泥基体中的微缝和孔隙，从而使水泥更加致密。
这种致密性可以提高水泥的力学性能，如抗压强度和抗弯强度。
此外，粉煤灰还可以通过化学反应提供额外的胶凝材料，形成更多的水化产物，从而增强了水泥的硬化过程。
此外，粉煤灰作为一种矿物附加剂，还可以改善硅酸盐水泥的耐久性。
粉煤灰中的酸性成分可以与水泥中的氢氧根离子反应，生成稳定的化合物，减少水泥中的碱骨架溶出，提高水泥的抗碱性。
同时，粉煤灰中的细颗粒可以填充水泥基体的微裂缝和孔隙，阻止水和气体的渗透，提高水泥的防水性和耐久性。
然而，粉煤灰在硅酸盐水泥中的应用也存在一些问题和挑战。
首先，粉煤灰的质量和性能可能受到原煤燃烧条件的影响。
不同种类的煤和燃烧工艺会产生不同成分和物理性质的粉煤灰。
因此，在使用粉煤灰替代水泥熟料时，需要对其进行充分的分析和调整。
混凝土减碳方法
混凝土减碳方法混凝土是建筑业中最常用的材料之一，但是它也是最大的温室气体排放来源之一。
根据国际能源署的数据，混凝土生产占全球二氧化碳排放量的约8％。
因此，减少混凝土碳排放是建筑业和环保的重要任务之一。
本文将详细介绍混凝土减碳的方法。
1. 选择低碳混凝土低碳混凝土是指在混凝土生产过程中使用的材料和技术可以减少碳排放。
例如，使用高性能混凝土，这种混凝土可以使用更少的水和水泥，因此可以减少碳排放。
另外，使用粉煤灰和矿渣等替代材料也可以降低碳排放。
2. 减少水泥的使用水泥是混凝土生产中最大的碳排放源之一。
因此，减少水泥的使用可以有效地减少混凝土的碳排放。
在混凝土生产中，可以使用替代材料，如粉煤灰、矿渣、高炉矿渣等，这些材料可以取代部分水泥，从而降低碳排放。
3. 优化混凝土配方混凝土的配方对其性能和碳排放有很大的影响。
因此，优化混凝土配方可以减少碳排放。
例如，使用高性能混凝土可以减少水泥的使用量，而使用细粉煤灰可以增加混凝土的强度。
此外，可以根据具体需求优化配方，如增加颗粒填料的使用量等。
4. 优化混凝土生产工艺优化混凝土生产工艺可以减少碳排放。
例如，使用低温干燥技术可以减少混凝土生产过程中的能耗，从而减少碳排放。
此外，可以使用节能设备，如新型混凝土搅拌机、自动化控制系统等，来减少混凝土生产过程中的能耗。
5. 减少混凝土废弃物的产生混凝土废弃物的产生也会导致碳排放。
因此，减少混凝土废弃物的产生可以减少碳排放。
例如，在混凝土生产过程中，可以使用可回收的模板和支撑材料，减少废弃物的产生。
6. 使用再生混凝土再生混凝土是指从废弃混凝土中回收的混凝土。
使用再生混凝土可以减少原始材料的使用，从而减少碳排放。
此外，再生混凝土的质量和性能也可以得到保证。
7. 优化混凝土使用优化混凝土使用可以减少建筑物的碳排放。
例如，在设计建筑时，可以采用轻型结构，减少混凝土的使用量。
此外，在建筑物使用过程中，可以采用节能措施，如使用节能灯具、改善建筑物的隔热性能等，从而减少碳排放。
混凝土材料的可持续性发展与环保特性研究
混凝土材料的可持续性发展与环保特性研究摘要：混凝土是建筑和基础设施建设中不可或缺的材料，然而，其生产和使用对环境和资源的影响不容忽视。
在全球可持续发展的背景下，建筑行业正积极寻求降低碳排放、减少能源消耗和减少资源浪费的解决方案。
混凝土材料的可持续性发展已成为关注焦点，其目标是实现在建筑工程中使用更环保、更高性能的混凝土。
关键词：混凝土材料、可持续性发展、环保特性、可持续建筑、环保混凝土技术1.混凝土材料的可持续性发展1.1可持续建筑和绿色建筑概念可持续建筑和绿色建筑概念是指在建筑设计、施工和运营过程中，通过采用环保材料、提高能源效率、减少废弃物和污染物排放等方法，来最大程度地减小建筑对环境的负面影响。
这一概念旨在实现建筑与自然环境的和谐共生，同时提供高品质的生活和工作空间。
混凝土材料在可持续建筑中的应用和发展扮演着关键的角色，因为它是建筑结构的主要组成部分，其性能和环保特性对建筑的可持续性产生重大影响[1]。
1.2混凝土在可持续建筑中的作用混凝土在可持续建筑中具有多重作用。
首先，它是一种坚固且耐久的材料，能够提供建筑结构所需的稳定性和可靠性。
其次，混凝土可以通过减少能源消耗，提高建筑的能效性能，例如在保持恒温和降低采光成本方面发挥积极作用。
此外，混凝土材料还具备出色的隔热和隔音性能，可改善建筑内部的舒适度。
总之，混凝土在可持续建筑中的作用不仅体现在其可持续性方面，还包括提供高质量的建筑环境，满足了人们对生活质量和环保性能的需求。
1.3混凝土生产的环境影响混凝土的生产对环境产生显著的影响。
其中，最明显的是混凝土生产所需的原材料，如水泥、碎石等，通常需要大量的能源来开采和加工。
这些过程导致能源消耗和温室气体排放的增加。
此外，混凝土搅拌和浇注等施工过程还会产生噪音和粉尘，对周边环境和人们的生活造成干扰。
因此，减少混凝土生产的环境影响已经成为可持续建筑领域的紧迫任务之一。
1.4可持续性标准和认证体系为了推动混凝土材料的可持续发展，建立了一系列可持续性标准和认证体系。
地质聚合物的研究现状
摘要近年来，人们相比之前更重视环境上的问题，普通硅酸盐水泥逐渐已经满足不了环保要求，它们优良的品质受到很多学者的重视。
地质聚合物是一种新型环保材料，广泛应用于建筑材料中。
与传统水泥相比，其生产工艺具有低能耗、低碳排放的优点，可以成为水泥的良好的代替品，它是材料领域的研究热点之一。
地质聚合物在早期阶段具有强度高、快速硬化、耐高温、耐酸碱性腐蚀等性能，其原料广泛应用于偏高岭土、粉煤灰、矿渣、污泥等工业废弃物的原料，其原材料来源比较广泛，制备工艺简单。
地质聚合物还应用在许多方面，比如可以作为水泥路面上的修补材料、处理有毒废渣，还可以作为新型陶瓷材料的开发。
总结不同原材料制成的地质聚合物的特性与应用，展望地质聚合物的行业发展现状。
关键词：地质聚合物碱激发偏高岭土矿渣基粉煤灰第一章地质聚合物的概述1.1课题的背景和意义自从改革开放以来，从我国经济建设快速发展的角度，建筑业的能源消耗占总能源消耗的35%左右，而且这一比例每年都在增加，因此，建筑业的能源消耗是阻碍我国经济发展的主要因素。
根据“十二五”计划提出的建设资源节约型社会的要求，国家出台了一系列节能政策。
未来节能建材必将主导国内新型建材市场。
因此，高性能、环保型轻质保温建筑材料的应用在近几十年来越来越受到人们的青睐，并且成为人们共同关注的焦点。
地质聚合物是符合国家“十二五”规划标准的节约性材料。
它是一种新型的环保材料，可以替代水泥材料。
它不只可以缓解当前的能源危机，减少温室气体的排放，而且可以减少中国的能源消耗问题，改善人类的生活环境具有及其长远的意义。
与传统水泥相比，地质聚合物生产工艺具有能耗低、碳排放低等优点。
它可以成为水泥的优良代替品，是材料领域的研究热点之一。
近年来，人们对环境问题越来越重视，普通硅酸盐水泥已逐渐难以满足环保要求，而地质聚合物以其优异的性能越来越受到研究者的关注。
研究的意义在于利用大量的固体废料可以变废为宝，化害为利，有利于可持续发展，提高经济效益、社会效益和环境效益。
粉煤灰作为固废的有效利用途径
粉煤灰作为固废的有效利用途径钢迪嘎【摘要】煤炭满足了我国社会对能源的大部分需求,但是燃煤带来了诸多环境问题.其中,大量粉煤灰排放给生态环境造成了一定的危害,因此有效综合利用和处理粉煤灰势在必行.本文阐述了粉煤灰特殊的物理、化学和矿物特性,并重点分析了其资源化利用的主要途径,如土壤调理剂、建筑工程、陶瓷、制备催化剂、沸石制备以及金属元素提取等.人们应重视对催化剂、沸石制备及金属元素提取等高附加值利用的研究,从而实现粉煤灰的有效利用.【期刊名称】《中国资源综合利用》【年(卷),期】2018(036)004【总页数】4页(P60-62,65)【关键词】粉煤灰;固废;综合利用【作者】钢迪嘎【作者单位】锡林郭勒职业学院褐煤粉煤灰工程技术研究院,内蒙古锡林浩特026000【正文语种】中文【中图分类】TD849.5从全球能源消耗来看，煤炭消费一直高于其他能源，如石油、天然气、水电、风能以及核能等，世界能源需求的将近30 %由火力发电厂供应。
中国是世界上最大的煤炭消耗国家，其2012年消耗量占全球煤炭消耗的50.2%，中国工业增长的将近70 %靠煤炭资源。
但是，燃煤会带来大量粉煤灰，全球每年产生7.5亿t左右粉煤灰，因其较为复杂的化学成分和大量的排放，对人类生活和生态环境都造成一定的危害，污染土壤、水资源以及大气等环境。
粉煤灰因煤质、燃煤方式、收集方式等的不同，其化学成分较为复杂，物理化学特性也有所不同。
从物理性质看，粒径普遍小于20 μm、容重在0.54～0.86 g/cm3、比表面积在300～500 m2/kg，具有轻薄质地性质。
粉煤灰主要含有的化学元素为Si、Al、Fe、Ca等，也含有一定量的As、Pb、Ni、Cr、Cd等重金属元素。
在不同粉煤灰中，大概含有316个矿物个体和超过188个矿物组合，这些矿物组成不仅有矿物晶体，也有非晶态玻璃，主要为莫来石、石英、磁铁矿、赤铁矿、方解石等，主要金属氧化物为SiO2、Al2O3、Fe2O3等[1]。
河南省2013-2018年水泥行业温室气体排放特征分析
郝宗超等河南省2013—2018年水泥行业温室气体排放特征分析河南省2013—2018年水泥行业温室气体排放特征分析"郝宗超卢中强郝大玮124党照亮12段理杰12王高强12(1河南省冶金研究所有限责任公司，河南郑州450003；25可南省科学院碳减排与利用工程技术中心，河南郑州450000；35可南理工大学能源科学与工程学院，河南焦作454000；4河南省冶金研究所有限责任公司工业节能与绿色发展评价中心，河南郑州450003)摘要水泥生产过程的CO2排放量巨大，因此水泥行业温室气体排放备受关注#以中国主要的水泥产品生产基地河南省为调查目标，对2013-2018年河南省水泥行业CO2排放量进行了核算分析#结果表明=2013-2018年，河南省水泥行业CO2排放总量为6435万一7816万t总体呈现先升后降再平稳的趋势；豫北和豫中是主要贡献地区，CO?排放量占比分别为30.94%-38.46%、34.29%-35.82%，其中新乡市、郑州市、平顶山市和南阳市居全省前列，CO2排放量分别占15.96%-20.70%'1.92%-14.61%、9.30%-13.57%、11.33%-13.10%；原料分解和化石燃料燃烧是两大主要排放源，CO2排放分别占总排放量的57.87%-58.97%35.62%-36.89%；纳入碳交易配额的熟料烧成工段CO2排放总量为6269万一7597万t排放强度总体呈下降趋势，说明国家及河南省相继实施的较为严格的水泥企业错峰生产等措施，水泥行业淘汰落后产能和清洁生产改造等行动已初见成效#关键词水泥行业温室气体排放特征节能减排河南省DOI：10.15985/ki.10013865.2021.05.012Analysis of greenhouse gas emission characteristics of cement industry in Henan during2013-2018HAO Zongchao1"", LU Zhnngqiang1"",HAO Dawei1"",DA#G Zhaoliang1",DUA#Lijie1'",WANG Gaoqiang1,2,.(1.Henan Institute of Metallurgy Co.(Ltd.^Zhengzhou Henan450003；2.Carbon Reduction and Utilization Engineering Technology Center,Henan Acade my of Sciences,Zhengzhou He n an450000&3.School of Ene r gy Sc i e n e e and Engine e r ing?He n an Poly t e c hncc Univ e r sity,J iaozuo He n an454000；4.Industrial Ene r gy Conse r vation and Gre e n D e<e lopm e n t Evaluation Ce n t e r,He n an Institut e of Me t allurgy Co..Ltd.^Zh e n gzhou H e n an450003)Abstract:Cement production process emits a large amount of CO2,so the greenhouse gas emission of cement industry attracts a lot of attention.Since Henan was a major cement products production base,i was taken as the surveyAargeA.The daAa of CO2emissions of cemenAindusAry inHenan during2013-2018were calculaAed and analyzed.Results showed that the CO2total emissions of cement industry in Henan during2013-2018were6.435X107-7.816X 107AwiAhageneralArendoffirsAincreasing"AhendecreasingandaAlasAAendingAobesAable.NorAhandcenAerof Henan were the main contributors to CO2emission,accounting for30.94%-38.46%and34.29%-35.82%, respectively'Among them"the emissions of Xinxiang"Zhengzhou"Pingdingshan and Nanyang occupied1596%-20.70%,11.92%-14.61%,9.30%-13.57%and1133%1310%,respectively,ranking in the front of the province.Thetwo majorsourcesofCO2emissionwereraw materialdecompositionandfossilfuelcombustion"whichaccountedfor57.87%-5897%and35.62%36.89%,respectively.The CO2total emissionofcementclinkerfiringsection"whichwas adopted by carbon trade,were 6.269X107-7.597X107t,with CO2emission intensity generally decreasing.The resultsindicatedthatthestrict measureslikepeakshiftingproductionofcementproductionenterprises andactions likeeliminatinglowproductioncapacityenterprisesandcleanproductionreformingtakenbythestateand Henanhad comeuptoachievements.Keywords:cement industry；greenhouse gas；emission characteristics&energy saving and emission reduction；Henan联合国环境规划署(UNEP)发布的《2019年排CO2当量计，下同)达到553亿t】1*,其中工业过程产放差距报告》显示"018年全球温室气体排放量(以生的CO2排放是温室气体的主要排放源，而水泥行第一作者:郝宗超，男"990年生，硕士，工程师，主要从事大气污染防控与节能减排研究严通讯作者#"中国清洁发展机制基金赠款项目(No.2014143)；河南省科学院科研开发专项(No.210210035)#・597・环境污染与防治第93卷第5期2021年5月业的CO2排放在工业过程中又占主导地位庞大的水泥制造规模带来大量CO2排放，对全球气候及生态环境产生了巨大影响79#研究者们已对温室气体排放量核算方法、温室气体清单编制技术和碳排放峰值模拟预测等进行了不少研究，并已取得了一些进展［1016］,但水泥行业由于原料种类繁多、生产过程排放复杂、企业数量多并且分布广等导致其温室气体排放数据收集和核算非常困难，因此水泥行业的具体排放行为及数据分析还很欠缺。
地质聚合物混凝土的高温损伤特性研究
地质聚合物混凝土的高温损伤特性研究朱靖塞;许金余;罗鑫【期刊名称】《混凝土》【年(卷),期】2014(000)008【摘要】制备了地质聚合物混凝土，对经高温处理后的地质聚合物混凝土开展了准静态力学试验和超声波检测试验，分析了不同温度、不同冷却方式下地质聚合物混凝土的损伤特性。
结果表明：地质聚合物混凝土的抗压强度随温度的升高而不断下降，600℃是抗压强度随温度变化曲线的拐点；随着温度的升高，损伤因子不断增大，性能逐渐劣化；冷却方式对高温后地质聚合物混凝土的损伤特性具有较大影响，相比于自然冷却方式而言，浇水冷却后试件的抗压强度降低地更为明显，声学损伤劣化加剧。
由此可见，地质聚合物混凝土的损伤随温度的升高而越加严重，而且，相比于自然冷却方式而言，浇水冷却后试件的损伤劣化加剧。
【总页数】3页(P8-10)【作者】朱靖塞;许金余;罗鑫【作者单位】空军工程大学工程学院机场建筑工程系，陕西西安 710038;空军工程大学工程学院机场建筑工程系，陕西西安 710038; 西北工业大学力学与土木建筑学院，陕西西安 710072;空军工程大学工程学院机场建筑工程系，陕西西安 710038【正文语种】中文【中图分类】TU528.01【相关文献】1.高温后地质聚合物混凝土声谱特性的小波包分析 [J], 任韦波;许金余;张泽扬;刘远飞2.高温后地质聚合物混凝土损伤特性试验 [J], 许金余;任韦波;刘志群;高志刚;罗鑫3.粉煤灰基地质聚合物混凝土和普通混凝土\r温室气体排放量的对比研究 [J], 蒲云辉;王清远;李文渊;张国敏;杨平4.矿渣掺量对粉煤灰基地质聚合物混凝土高温性能的影响 [J], 张雷苏;何胜豪;周华飞;李显;谢子令5.粉煤灰基地质聚合物固化Pb2+及其高温稳定性研究 [J], 仇秀梅;刘亚东;严春杰;董学林因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
预拌混凝土企业温室气体排放核算技术研究
预拌混凝土企业温室气体排放核算技术研究
张晓然;吴波玲;何更新
【期刊名称】《工程质量》
【年(卷),期】2024(42)S01
【摘要】随着国家双碳战略目标的出台,工程建设领域也在不断推进节能降碳相关工作,而预拌混凝作为建筑工程领域主要的构成要素,绿色低碳也成为预拌混凝土行业的重要指标。
论文主要围绕预拌混凝土企业的温室气体排放核算技术展开研究,针对如何科学、完整的界定预拌混凝土企业温室气体排放核算边界,正确识别预拌混凝土企业温室气体种类和排放源,并为合理选择预拌混凝土企业温室气体排放核算方法提供了依据,以期可以引导预拌混凝土企业在动态掌握自身真实温室气体排放的基础上,积极并及时通过工艺、技术、装备革新等措施降低温室气体排放,最终实现行业绿色低碳发展,从而助力建筑业尽快实现“双碳”目标。
【总页数】4页(P215-218)
【作者】张晓然;吴波玲;何更新
【作者单位】中国建筑科学研究院有限公司认证中心
【正文语种】中文
【中图分类】TU528
【相关文献】
1.《工业企业温室气体排放核算和报告通则》等首批温室气体管理国家标准发布
2.构建绿色智能新业态\r是预拌混凝土发展的必由之路\r——2019中国大型预拌混
凝土企业领导人会议(C10+峰会)侧记3.《工业企业温室气体排放核算和报告通则》等11项温室气体管理国家标准发布4.温室气体核算体系:助力碳排放市场——温
室气体数据质量管理研究成果发布会侧记5.有色行业控制温室气体排放的前沿探索——其他有色金属冶炼及压延加工业企业温室气体排放核算方法研究
因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
不同桥梁施工方案的碳排放差异分析
不同桥梁施工方案的碳排放差异分析张振浩;谭荣平;曾意;陈逵【摘要】为给桥梁施工提供切实有效的减碳指导,以降低桥梁建设期产生的碳排放,对桥梁采用不同施工方案所造成的碳排放差异进行了研究.结合实际的桥梁工程,对桥梁建设期碳排放计算边界进行了界定,将建设期划分为建材生产、材料运输及机械施工3阶段.应用因素分解理论和碳排放系数法,建立桥梁建设期的碳排放模型,并对该桥梁建设期碳排放进行了定量分析.研究结果表明:材料生产阶段的碳排放量占总碳排放量的95％,运输阶段的碳排放量占总碳排放量的2％,机械施工阶段的碳排放量占总碳排放量的3％.发现了用满堂支架法与用顶推法施工的碳排放差异.用顶推法对宽25.5 m的钢腹板PC组合箱梁桥进行施工的碳排放量比用满堂支架法进行施工的碳排放量减少了2.27 t/m.最后对碳排放量影响较大的几个参数进行了敏感性分析.【期刊名称】《交通科学与工程》【年(卷),期】2019(035)001【总页数】6页(P38-43)【关键词】桥梁;建设阶段;碳排放;施工方法;支架现浇;顶推法【作者】张振浩;谭荣平;曾意;陈逵【作者单位】长沙理工大学土木工程学院,湖南长沙 410114;江西工程学院土木工程学院,江西新余 338000;长沙理工大学土木工程学院,湖南长沙 410114;长沙理工大学土木工程学院,湖南长沙 410114【正文语种】中文【中图分类】U24公路桥梁在施工和运营过程中的能源消耗及产生的环境污染越来越受到关注。
开展桥梁建设的节能减排研究，对降低能源消耗、减少温室气体排放具有重要意义。
刘沐宇[1]等人应用 LCA评价方法，对桥梁材料生产、施工及运营维护3个阶段进行了环境影响评价。
徐双[2]对罗家港桥使用混凝土梁结构和钢混组合梁结构2种结构运营期的碳排放进行了研究。
姜志威[3]等人对上海沪闵高架桥建设期CO2排放量进行了计算分析。
杨朋超[4]提出生命周期环境影响评价方法，并对一座承载力不足的简支T梁采用4种加固方法时的环境影响进行了对比分析。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
粉煤灰基地质聚合物混凝土温室气体排放量研究蒲云辉;王清远;李文渊;张国敏;杨平【摘要】因普通混凝土用水泥作为胶凝材料致使其温室气体排放量高,而粉煤灰在碱激活剂的作用下可以作为辅助胶凝材料替代水泥拌制地质聚合物混凝土,该种混凝土具有降低温室气体排放量的潜力.以生产1 m 3粉煤灰基地质聚合物混凝土生产时的温室气体排放量为例研究表明,生产1 m 3地质聚合物混凝土的二氧化碳当量为273.280 kg,其温室气体排放主要集中在碱激活剂的制备和后期高温养护过程,约占总排放量的90%.【期刊名称】《成都大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2018(037)001【总页数】4页(P105-108)【关键词】地质聚合物;温室气体;二氧化碳当量;水泥;混凝土【作者】蒲云辉;王清远;李文渊;张国敏;杨平【作者单位】成都大学建筑与土木工程学院,四川成都 610106;四川大学新能源与低碳技术研究院,四川成都 610065;四川大学破坏力学与工程防灾减灾四川省重点实验室,四川成都 610065;成都大学建筑与土木工程学院,四川成都 610106;成都大学建筑与土木工程学院,四川成都 610106;成都大学建筑与土木工程学院,四川成都 610106;澳大利亚皇家墨尔本理工大学工程学院,澳大利亚墨尔本 VIC 3001;成都大学建筑与土木工程学院,四川成都 610106【正文语种】中文【中图分类】TU528.20 引言混凝土是目前全球使用量最多的建筑材料，而混凝土的生产不但需要消耗大量的自然资源，还会产生大量的温室气体[1].混凝土材料的基本组成成分包括：水泥，水，粗、细骨料.尽管粗、细骨料的成分在混凝土中的占比最大，但是水泥生产时的排放量才是混凝土产生温室气体的重要原因.水泥生产过程中产生大量温室气体的主要原因是：一方面，石灰在煅烧中分解出CO2,其化学式为CaCO3→CaO+CO2,可见平均每生产1 t CaO就会产生0.5 t CO2；另一方面，由于石灰煅烧时需要将温度升高到1 400 ℃，期间所消耗的能源也会释放温室气体.有研究表明，因生产水泥产生的温室气体排放量就达人类总排放量的7%左右[2].地质聚合物由Davidovits于1991年首次提出，研究发现，它可以在碱激发的作用下作为胶凝材料取代水泥[3].粉煤灰是火力发电厂煤粉燃烧后的产物，富含Si和Al元素，由于其来源广、价格便宜，是常用的地质聚合物之一，其在碱激发剂，如NaOH、KOH和玻璃硅酸盐，的作用下可以作为辅助胶凝材料取代水泥用于拌制粉煤灰基地质聚合物混凝土.为了使粉煤灰基地质聚合物混凝土强度能达到普通混凝土的强度，需要高温养护(40～80 ℃)至少6 h[4].与普通混凝土相比，粉煤灰基地质聚合物混凝土，一方面因减少水泥的用量可降低温室气体的排放量，另一方面又因碱激发剂的制备和高温养护时消耗能源，又会增加温室气体的排放量.因此，本研究拟在基于粉煤灰地质聚合物为主的相关材料的制备工艺和各能耗的碳排放系数等数据基础上，分析生产1 m3粉煤灰基地质聚合物混凝土产生的温室气体排放量，希望从节能减排的角度，为粉煤灰基地质聚合物混凝土的应用提供参考数据.1 方法1.1 系统边界本研究中，生产1 m3混凝土所产生的温室气体排放量包括：原材料的开采和加工，将原材料运至混凝土搅拌站，混凝土的拌制和养护时直接产生的温室气体，以及由于能源消耗而间接排放的温室气体，具体如图1所示.需要特别说明的是，由于粉煤灰基地质聚合物混凝土需要高温养护，其碱活性剂在制备过程的温室气体排放如图2所示.图1 生产1 m3混凝土温室气体排放的系统边界图2 制备碱激活剂时温室气体排放的系统边界1.2 研究方法不同的温室气体对地球温室效应的贡献程度不同，对此，联合国政府间气候变化专门委员会(IPCC)提出用二氧化碳当量(CO2-e)作为度量温室气体的基本单位，即一种气体的二氧化碳当量为该气体的吨数乘以其全球变暖潜能值(Global warming potential，GWP).GWP是指在百年时间里，该温室气体对应于相同效应的二氧化碳的变暖影响，其中CO2、CH4、N2O的GWP分别为1、25、298.因此，生产1 m3混凝土的温室气体排放量可以用∑CO2-e表示，其计算式为，(1)式中，∑CO2是指反应时直接排放的CO2总量，Qi是指完成某一个特定活动所消耗第i种能源的数量，碳排放系数EFi是指每消耗第i种能源所导致的CO2-e，该数值综合了所有温室气体的影响.不同燃料类型的碳排放系数如表1所示.为计算生产1 m3粉煤灰基地质聚合物混凝土温室气体的排放量，本研究涉及的相关数据，如能源消耗数量、材料运输距离以及碳排放量等，是通过实地调研材料生产商、运输商、混凝土生产商，以及分析相关文献数据获得.表1 不同燃料类型的碳排放系数能源类型碳排放系数单位备注煤炭0．518kg/kg来源文献[5]柴油0．592kg/kg国家发展和改革委员会发布天然气0．591kg/kg来源文献[5]电0．963kg/kWh来源：2015中国区域电网基准线排放因子1.3 材料配合比与研究条件1)本研究中，1 m3粉煤灰基地质聚合物混凝土的各成分含量如表2所示，其数据来源参照文献[6]中的材料配合比.表2 1 m3粉煤灰基地质聚合物材料构成材料/(kg/m3)粉煤灰基地质聚合物混凝土/1m3细骨料647粗骨料1318水泥粉煤灰437NaOH/10摩尔62硅酸钠∗156水—养护条件24h高温80℃注：硅酸钠溶液的成分为：Na2O=14.7%,SiO2=29.4%,水=55.9%2)相关研究表明，混凝土会与空气中的CO2发生碳化反应，但其结构表面50年后的碳化深度仅为20 mm[7].因此，本研究不考虑混凝土碳化作用对温室气体的影响.另外，在混凝土的拌制过程中所需的添加剂，由于其产生的温室气体量较少[6]，本研究不做考虑.2 结果与分析2.1 水泥水泥生产时，其二氧化碳排放当量的计算较为复杂，除了要考虑石灰分解时释放的CO2，还要考虑加热石灰时消耗能源所排放的温室气体.关于水泥生产的温室气体排放量，联合国政府间气候变化专门委员会(IPCC)提供的数据是1.06 kg/kg,国家发改委(NDRC)提供的数据是0.75 kg/kg，哈佛大学刘竹2015年在Nature上发表的文章中提供的数据是0.74 kg/kg[5].据此，在本研究中，水泥生产时的温室气体排放量取国家发改委和刘竹提供的数据的平均值，即0.745 kg/kg.2.2 粉煤灰由于粉煤灰是火力发电厂煤粉燃烧后的产物，因此有学者提出粉煤灰的原料可以看成是零碳排放的材料[8]，但是粉煤灰运输时需要消耗能源并产生温室气体，因此对粉煤灰的温室气体排放主要考虑后期运输时产生的温室气体排放量.2.3 碱激活剂电解盐水可同时获得NaOH和Cl2，其过程如图3所示.有研究人员通过监测NaOH的制备过程，得出制备1 kg NaOH的温室气体排放量为1.915 kg CO2-e[8].硅酸钠的在制备过程中的能耗及温室气体排放量如表3所示，经过计算得知硅酸钠制备过程中的温室气体排放量为1.222 kg CO2-e/kg.图3 NaOH的制备过程表3 硅酸钠制备过程中的能耗及二氧化碳当量硅酸钠制备过程中的能耗及二氧化碳当量能源消耗/(MJ/t)温室气体排放/(kgCO2⁃e/kg)电31181．065煤炭2960．027油(重型)90．001油(普通、轻型)4560．033柴油1440．010气12700．076其他780．009合计(kgCO2⁃e/kg)1．2222.4 粗、细骨料根据相关文献数据，生产1 t粗骨料和细骨料的温室气体排放量分别为3.66 kg CO2-e及3.12 kg CO2-e[9-10].经计算可知：1 m3粉煤灰基地质聚合物混凝土的细骨料与粗骨料的温室气体排放量分别为2.368 kg CO2-e和4.112 kg CO2-e.2.5 原材料运输建筑材料常用的运输方式有铁路、公路和水路3种.由于这3种运输方式所利用的能源不同，其碳排放因子也不相同，具体如表4所示[10].其中，各材料的运输距离取如下值：水泥为30 km、细骨料为20 km、粗骨料为50 km、粉煤灰为50 km，碱激活剂为20 km.运输方式设定为公路(柴油).表4 不同运输方式温室气体排放系数(kg CO2-e/(kg·km))铁路公路(汽油)公路(柴油)水路1×10-52．27×10-41．95×10-43．71×10-52.6 混凝土搅拌资料显示，普通混凝土的生产以及将混凝土运至混凝土预制厂所产生的温室气体排放量为1.05 kg CO2-e/m3[11].据此，粉煤基地质聚合物混凝土的生产以及将混凝土运至混凝土预制厂所产生的温室气体排放量与普通混凝土类似，同取1.05 kg CO2-e/m3.2.7 高温养护为了使粉煤灰基地质聚合物混凝土的强度达到与普通混凝土同样的强度，需要对其进行80 ℃高温养护24 h.本研究中，高温养护混凝土的能耗数据由实验室检测分析得出，具体为：80 ℃高温养护1 m3粉煤灰基地质聚合物混凝土24 h共耗电量为45 KWh.因此，该高温养护过程的碳排放量为，45 KWh/m3×0.963 kg/KWh=43.24 kg/m3.2.8 结果分析生产1 m3粉煤灰地质聚合物混凝土和普通混凝土的温室气体排放量情况如表5所示.表5 生产1 m3粉煤灰基地质聚合物混凝土的温室气体排放量/(kg CO2-e)分类混凝土的温室气体排放量/(kgCO2⁃e)原材料生产粗骨料：2．368细骨料：4．112粉煤灰：0碱激活剂：氢氧化钠，11．873 硅酸钠，190．320水：0．05运输过程20．267混凝土搅拌1．05高温养护43．24合计(kgCO2⁃e)273．280从表5中可知，粉煤灰基地质聚合物混凝土的温室气体排放量主要集中在碱激活剂的制备(尤其是硅酸钠)和后期高温养护过程，约占其总排放量的90%.生产1 m3粉煤灰地质聚合物混凝土的温室气体排放量为273.280 kg，而通常生产1 m3普通混凝土的碳排放量为321.502 kg[11].可见，在生产相同的情况下，粉煤灰基地质聚合物混凝土的温室气体排放量降低了为15%.3 结论粉煤灰在碱激活剂的作用下可作为辅助胶凝材料替代水泥拌制地质聚合物混凝土，尽管其在碱激活剂的制备以及后期高温养护时因消耗能源而释放大量的温室气体，但因其替代了高温室气体释放量的水泥，其总的温室气体排放量仍然较低.本研究认为，要降低混凝土生产过程中的碳排放量，积极发展与推广应用地质聚合物混凝土是一种可行的技术方案.参考文献：[1]Ellis.Industrially interesting approaches to low-CO2 cements[J].Cem Concr Res,2004,34(9):1489-1498.[2]Huntzinger D N,Eatmon T D.A life-cycle assessment of portland cement manufacturing:Comparing the traditi onal process with alternative technologies[J].J Clean Prod,2009,17(7):668-675.[3]Davidovits J.Geopolymers:Inorganic polymeric new materials[J].J Therm Anal,1991，37(5):1633-1656.[4]Duxson P,Fernández-Jiménez A,Provis J L,et al.Geopolymer technology:The current state of the a rt[J].J Mater Sci,2007,42(9):2917-2933.[5]Liu Z,Guan D,Wei W,et al.Reduced carbon emission estimates from fossilfuel combustion and cement production in China[J].Nature,2015,524(7565 ):335.[6]唐灵,黄琪,王清远,等.同一硫酸盐环境下地聚物混凝土与普通混凝土的耐蚀性能及机理分析[J].材料导报,2015,29(6):129-134.[7]Flower D J M,Sanjayan J G.Green house gas emissions due to concrete manufacture[J].Int J Life Cycle Ass,2007,12(5):282-288.[8]Stengel T,Reger J,Heinz D.LCA of geopolymer concrete—what is the environmental benefit[C]//Proceedings Concrete 09,24th Bienni al Conf Australian Concrete Institute.Sydney，Australia：Concrete Institute of Australia，2009：54-62.[9]余为韬,潘欣,史彬.考虑低碳排放的混凝土配合比多目标优化[J].计算机与应用化学,2014,31(3):307-310.[10]周越,葛坚,陆江.生物污泥陶粒加气混凝土砌块生命周期CO2排放量解析[J].新型建筑材料,2017,44(4):34-38.[11]汪振双,宁欣,赵一健.基于价值工程原理的混凝土物化阶段碳排放评价[J].硅酸盐通报,2016,35(12):4308-4313.。