石英岩型铁尾矿和废石硅氧断键在低水胶比下键合机理研究

The shortage of quality natral resources is observed with the large scale of infrastructure construction. How to find the way from the recycling of iron ore tailing and waste rock and other solid waste, reduce the blasting rocks, is the urgent issue to be solved for the reduction of emissions and pollution. According to the characteristics that the surfaces of quartzite type of iron ore tailing and waste rock contain large amount of silicon-oxygen broken bonds and aluminum-oxygen broken bonds, the evidence and characteristics of re-bonding between silicon-oxygen broken bonds and aluminum-oxygen broken bonds of quartzite type of iron ore tailing and waste rock and C-S-H gel and zeolite phase are investigated. The re-bonding mechanism of silicon-oxygen broken bonds and aluminum-oxygen broken bonds in the cementitious materials with low Ca/Si ratio and low water to binder ratio is revealed. The relational model among the Ca/Si ratio, water to binder ratio and the bonding of interface broken bonds in cementitous materials is established. When preparation of cement-based materials with the aluminosilicate based cementitious materials mainly of water quenched blast furnace slag and other metallurgical slag and quartzite type of iron ore tailing and waste rock aggregate, the effect of re-bonding silicon (aluminum)-oxygen tetrahedron on the interface, strength and durabilty of cement-based materials is cleared. The related scientific problems are sloved and the theoretical foundation is established for the development and preparation of green cement-based materials with quartzite type of solid waste.

随着我国基础设施建设的大规模进行，优质天然资源短缺，如何从铁尾矿和废石等固体废弃物的再生利用中寻求出路、减少开山炸石，是目前减少排放和污染亟待解决的问题。针对石英岩型铁尾矿和废石的表面本身含有大量硅氧断键和铝氧断键这一特性，本项目验证并研究石英岩型铁尾矿和废石表面硅氧断键和铝氧断键与C-S-H凝胶和类沸石相重新键合的证据和特征；揭示硅氧断键和铝氧断键在较低钙硅比和较低水胶比的胶凝材料体系中重新键合机理，建立胶凝材料体系中钙硅比、水胶比与界面断键键合的关系模型；明确以水淬高炉矿渣等冶金渣为主的硅铝基胶凝材料，在与石英岩型铁尾矿和废石骨料共同制备水泥基材料时，重新键合的硅（铝）氧四面体对其界面、强度和耐久性等方面的影响和贡献；为利用石英岩型固体废弃物开发和制备绿色水泥基材料，解决相关科学问题，奠定必要的理论基础。

目前，在铝硅酸盐工业废弃物或活性铝硅酸盐矿物综合利用的研究方面，主要的思路是采用碱激发剂，通过溶解-单体重构-聚缩反应得到的一种新型胶凝材料——地质聚合物，对在碱的作用下发生Si-O和Al-O键的断裂－重组的反应的聚合反应机理以及各物相、结构转变的研究并不深入。对于石英岩型铁尾矿和废石的表面本身存在大量硅氧断键和铝氧断键这个特征没有被充分的认识和 利用；对于铁与尾矿和废石的表面硅氧断键和铝氧断键与C-S-H凝胶和类沸石相重新键合的作用机理方面的研究，目前尚属空白；对于水淬高炉矿渣等冶金渣为主的硅铝基胶凝材料，如何发挥硅（铝）氧四面体对强度和耐久性等性能贡献潜力等方面的研究甚少。而这，正是本项研究的出发点和立足点。如果在此领域的研究中取得突破，对于低熟料胶凝材料的理论基础以及现代绿色高性能混凝土的应用开辟广阔前景。.本研究针对石英岩型铁尾矿和废石的表面本身含有大量硅氧断键和铝氧断键这一特性，验证并研究了石英岩型铁尾矿和废石表面硅氧断键和铝氧断键与C-S-H凝胶和类沸石相重新键合的证据和特征；揭示了硅氧断键和铝氧断键在较低钙硅比和较低水胶比的胶凝材料体系中重新键合机理，建立了胶凝材料体系中钙硅比、水胶比与界面断键键合的关系模型；明确了以水淬高炉矿渣等冶金渣为主的硅铝基胶凝材料，在与石英岩型铁尾矿和废石骨料共同制备水泥基材料时，重新键合的硅（铝）氧四面体对其界面、强度和耐久性等方面的影响和贡献；为利用石英岩型固体废弃物开发和制备绿色水泥基材料，解决相关科学问题，奠定了必要的理论基础。.重要结果如下：.（1）验证和揭示铁尾矿和废石表面硅氧断键和铝氧断键与C-S-H凝胶和类沸石相重新键合的证据和特征石英岩型铁尾矿和废石不同于石灰岩骨料，其表面本身含有大量硅氧断键和铝氧断键，这些断键与铝硅酸盐工业废弃物在强碱溶液的作用下Si-O和A1-O共价键发生的断裂相似，但不需强碱环境。.（2）明确低钙硅比和低水胶比凝胶体系中石英岩型尾矿（废石）表面断键键合机理胶凝材料在水化过程中形成的微结构是现代混凝土的“基因”。.（3）确定对低熟料硅铝基胶凝材料体系中硅（铝）氧四面体对断键键合调控的影响因素及参数。