【摘 要】
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随着煤气化技术作为一种高效环保的煤洁净技术的广泛应用,其伴生固体废弃物（煤气化渣）给当地环境造成了巨大压力。因此,如何有效的处理煤气化渣是当地政府和企业亟待解决的问题。矿山充填作为一种固废管理的有效方式被推广应用,但充填高成本问题是阻碍其广泛应用的主要因素。目前,使用廉价固废替代高成本胶凝材料,将其资源化利用于矿山充填,以降低充填成本,已然成为一种不可阻挡的趋势。本论文运用室内试验与理论分析相结合
【基金项目】
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国家自然科学基金（No.51874229,51674188,51504182,51904224）；
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随着煤气化技术作为一种高效环保的煤洁净技术的广泛应用,其伴生固体废弃物（煤气化渣）给当地环境造成了巨大压力。因此,如何有效的处理煤气化渣是当地政府和企业亟待解决的问题。矿山充填作为一种固废管理的有效方式被推广应用,但充填高成本问题是阻碍其广泛应用的主要因素。目前,使用廉价固废替代高成本胶凝材料,将其资源化利用于矿山充填,以降低充填成本,已然成为一种不可阻挡的趋势。本论文运用室内试验与理论分析相结合的研究方法,针对榆林地区煤气化渣的资源化处置和煤矿充填的发展需求,通过对煤气化渣粗渣（CGS）的物化特性分析,利用硫酸钠（SS）作为激发剂制备改性煤气化渣（MCGS）,然后用MCGS制备改性煤气化渣充填材料（MCGS-CPB）。随后对MCGS-CPB的工作性能和力学性能进行可行性分析,并基于水化热和电阻率对MCGS-CPB的水化特性及其微观结构演变规律展开研究,从本质上解释MCGS-CPB的宏观力学形成原理,以实现从微观层面对CGS的改性和MCGS-CPB制备进行调控。研究结论如下:（1）通过分析CGS的微观形貌、矿物相、化学成分、粒径分布和含碳量发现,随CGS粒径的减小,含碳量先增大后减小;CGS内部存在大量的非晶相,并且具有一定潜在的火山灰活性。（2）利用机械-化学活化对CGS进行改性处理,通过对其物化特性对比分析发现。MCGS的絮状残炭消失,粒径变小,棱角弱化。对MCGS非晶相含量以及其对饱和CH的消耗分析发现,机械-化学活化增加了非晶相含量,激发了潜在的火山灰活性。（3）在工作性能方面,其流动性能满足矿山管道输送要求,凝结时间可以根据实际矿山应用需求进行调节。在力学性能方面,MCGS可以等效替代水泥,部分30%MCGS和50%MCGS组可以等效替代10%以上的水泥。（4）MCGS-CPB的水化反应阶段分别为:溶解阶段、诱导阶段、加速阶段、减速阶段以及缓慢反应阶段。随SS和MCGS的添加,MCGS-CPB的N曲线出现了第三放热峰,Q120h逐渐增大。基于Krstulovic-Dabic动力学模型表征了 MCGS-CPB水化机理三过程:结晶成核与晶体生长（NG）、相边界反应（I）和扩散（D）,定量计算了晶体几何生长指数（n）、反应动力学常数（K）,发现n和K随SS和MCGS的增加而增大。另外,MCGS-CPB的水化机制为NG→I→D,添量较大的SS和MCGS在I过程停留的时间较长。（5）MCGS-CPB的微观结构发展阶段分别为:溶解阶段、凝结加速阶段、凝结减速阶段以及硬化阶段。随SS和MCGS添加,早期电阻率减小,后期电阻率增长速率增大,微观结构动力学参数Kc和D分别增大和减小。高含量的MCGS在适量SS的激发作用下,更有利于二次水化反应的发生,该反应消耗了 CH并生成水化产物AFt,使MCGS-CPB微观结构的密实速率加快,从而促进了强度的发展。本研究为煤气化渣矿山充填的配比优化、现场应用等提供指导,为促进煤气化渣矿山充填应用奠定理论基础。
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