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我国拥有储量巨大的钙镁质矿产资源,总计约700亿吨。由于Mg CO3和Ca CO3为共生矿物,且性质相近,在利用钙质资源的同时,必然会受到镁的影响。Mg O反应活性较低,缓慢反应生成Mg(OH)2,导致固相体积膨胀。现有方法多采用“堵”的方式,限制胶凝材料中Mg O的含量,造成约400亿吨富镁矿产资源的闲置浪费。本文采用“疏”的方式,对Mg O-Si O2-H2O胶凝体系的反应进行了深入的系统研究。依据热力学理论计算,开展了Mg O/硅灰(SF)浆体组成与结构、反应介质溶解平衡机制及调控、反应动力学和反应机理的研究。通过研究Mg O反应活性、水灰比、养护温度、拌合水p H值、外掺水化硅酸镁(M-S-H)凝胶及六偏磷酸钠(SHMP)对Mg O-Si O2-H2O胶凝体系反应进程的影响,阐明了M-S-H凝胶和Mg(OH)2的生成机制和竞争关系,实现了Mg O的快速反应和M-S-H凝胶的快速生成,为促进富镁矿产资源的利用奠定理论基础。最后,在理论研究的基础之上,制备了力学性能优异的新型镁质胶凝材料,并初步探索了钙镁复合保温板材的制备工艺,具体工作包括:为获得反应活性较高的Mg O,探讨了Mg O制备工艺及其对反应活性的影响。Mg O的反应活性主要取决于煅烧工艺,其内在作用机制为Mg O的晶粒尺寸和晶格畸变。当Mg CO3完全分解时,煅烧温度越低,Mg O晶体尺寸越小、晶格畸变越大、反应活性越高。另外,Mg O细度、煅烧时间、升温速率和冷却方式均会影响Mg O的反应活性。本研究中制备Mg O的最佳工艺为:D50为11.89μm的菱镁石以10°C/min的升温速率在850°C煅烧2h后自然冷却。制得Mg O的D50为6.25μm、BET比表面积为51.60m2/g、晶粒尺寸为46.2nm、晶格畸变为0.208%、反应活性为35.83s。计算了Mg O-Si O2-H2O胶凝体系的反应热力学,理论计算为Mg O-Si O2-H2O胶凝体系反应的调控指明了方向。M-S-H凝胶的?fGmθ明显低于的Mg(OH)2的?rGθ,表明M-S-H凝胶化学稳定性比Mg(OH)2更高;生成M-S-H凝胶的?rGθ低于生成Mg(OH)2的?rGθ,表明生成M-S-H凝胶的化学反应更容易发生,且Mg(OH)2可以与无定型Si O2反应生成M-S-H凝胶;生成M-S-H凝胶的化学平衡常数(K)大于生成Mg(OH)2的K,表明生成M-S-H凝胶的反应比生成Mg(OH)2的反应进行的更加彻底。研究了Mg O-Si O2-H2O胶凝体系反应产物并阐明了其反应进程和反应机理。Mg O-Si O2-H2O胶凝体系的反应产物为Mg(OH)2和M-S-H凝胶。Mg(OH)2为1-4μm的三方棱柱状结构,M-S-H凝胶为100nm左右的长絮状结构,且Mg/Si比介于0.66±0.03-0.98±0.02之间。在反应早期(7d),Mg(OH)2生成速率较高,而M-S-H凝胶生成速率相对较缓慢。14d后,M-S-H凝胶的含量不断增加,而Mg(OH)2与SF反应生成M-S-H凝胶,造成Mg(OH)2的含量降低。Mg O-Si O2-H2O胶凝体系的反应分为四个部分:Mg O的溶解、SF的解离、Mg(OH)2的生成和M-S-H凝胶的生成。Mg O的溶解反应为起始点,溶解生成Mg2+和OH-,两者达到Mg(OH)2饱和溶度积常数(Ksp)时生成Mg(OH)2。在碱性环境下SF解离,解离产生的硅酸根离子与Mg2+结合在SF表面生成M-S-H凝胶。依据Mg O-Si O2-H2O胶凝体系的反应机理和反应产物的生长过程,建立了反应动力学模型:早期为溶液离子反应,属于一级化学反应;后期为固相转变和生长的过程,属于反应产物异相成核和一维生长的过程。反应动力学方程为=1--?,反应速率方程为?=?-?。临界反应速率为0.250×10-6s-1,当反应速率低于该值时,仅生成M-S-H凝胶;高于该值时,同时生成M-S-H凝胶和Mg(OH)2。随着反应进行,反应速率逐渐降低,当低于临界反应速率之后,Mg(OH)2解离参与M-S-H凝胶的生成反应,造成M-S-H凝胶的含量逐渐升高,Mg(OH)2的含量不断降低。揭示了Mg O-Si O2-H2O胶凝体系反应的影响因素及作用机制,为调控M-S-H凝胶的生成反应提供了理论依据。Mg O掺量为30%-40%时,Mg O与SF可以完全反应,且最终反应产物只有M-S-H凝胶。高W/C比有利于Mg O的溶解和Mg(OH)2的快速生成,低W/C比有利于M-S-H凝胶的生成。高养护温度会提高Mg O反应速率,促进M-S-H凝胶和Mg(OH)2在早期快速生成。低活性Mg O(煅烧温度>1050°C)延缓了Mg(OH)2的生成,反应朝着生成M-S-H凝胶的方向进行,死烧型Mg O(1450°C煅烧)制备的Mg O/SF浆体仅生成M-S-H凝胶。高p H值溶液延缓了Mg O的溶解和Mg(OH)2的生成,促进了SF的解离和M-S-H凝胶的生成。SHMP的加入提高了Mg O/SF浆体流变性能,显著降低了W/C比,提高了Mg O反应速率,促进了Mg(OH)2和M-S-H凝胶在反应早期的快速生成。掺加合成M-S-H凝胶降低了Mg O反应速率,延缓了Mg(OH)2的生成,但增多了M-S-H凝胶成核中心,促进了M-S-H凝胶的生成。制备了3d、28d和90d抗压强度分别为19.0 MPa、65.0 MPa和75.0 MPa的新型镁质胶凝材料,并制备了表观密度为230 kg/m3,抗压强度为0.51 MPa,导热系数为0.0595W/(m·K)的钙镁复合保温板。本研究为开发硅酸钙镁复合材料奠定了理论基础,同时为拓宽建材行业所用钙镁质矿产资源的范围提供了理论指导和技术支撑,将大量废弃的富镁矿产资源重新应用于建材行业,具有极其重大的生态、经济和社会效益。