本论文通过对矿物外加剂进行组分优化匹配、颗粒群优化匹配、介稳态活化技术与理论 的多方面系统研究，旨在为矿物外加剂更科学、合理地资源化利用做点推动工作。 论文首先进行矿物外加剂组分优化配伍设计模型及机理研究。运用灰色关联分析原理 分析了矿渣、粉煤灰、煤矸石等每类矿物外加剂内各样本胶凝活性差异与其组成的内在关系。 进一步根据硅酸盐物理化学SiO2-Al2O3-CaO三元相图的分析，将矿物外加剂划分为高钙类 (如矿渣)、中钙类(如高钙灰)、及低钙类(煤矸石、偏高岭土、低钙粉煤灰)。通过矿 物外加剂所配水泥各龄期胶砂活性指数的模糊聚类分析，得到：矿渣是各矿物外加剂中活性 最高的。取阀值为0.9～1时，矿渣和高钙灰为一类，说明高钙灰与矿渣的活性最为相近； 阀值第一次降低至0.8～0.9时，煤矸石进入矿渣和高钙灰的活性等级；阀值第二次降低至 0.7～0.8时，偏高岭土进入矿渣、高钙灰和煤矸石的活性等级；阀值再次降低为0.6～0.7时， 低钙灰则最后也进入该类。矿物外加剂的胶凝活性依据其在SiO2-CaO-Al2O3三元相图的分 布位置依次为：高钙类＞中钙类＞低钙类。 应用点接触物理模型模拟复合胶凝体系，通过数学推导建立二元矿物外加剂复合效应的 特征方程，定量分析各类复合体系的复合胶凝效应。结果表明：高钙类-低钙类的矿渣-煤矸 石复合体系、中钙类-低钙类的高钙灰-低钙灰复合体系的各龄期抗折、抗压强度均呈现显著 或较显著复合效应；而同类型的低钙类-低钙类复合(煤矸石-低钙灰复合)回归曲线呈现下 凸的抛物线型，回归参数C均表现为＜1/2、＞K/(1+K)，表明该复合为弱复合效应。论文以高 钙类-低钙类的矿渣-煤矸石复合体系为典型样本，探讨具有显著或较显著复合效应的复合体 系的机理成因。提出复合胶凝效应的机理如下： (1)高钙类矿物外加剂矿渣和低钙高硅铝类矿物外加剂煤矸石水化过程中，液相离子互 补特性，促进了Aft、C-S-H等水化产物在早期形成，消耗了液相离子，使彼此的水解反应 互为诱导加速。 (2)矿渣类矿物外加剂玻璃体富钙分相具有较高的活性，水解反应被诱导加速，使玻璃 体中网络配位离子Ca2+不断地被萃取，造成玻璃体结构不稳定，在激发剂的复合作用下玻 璃体网络结构不断地被瓦解，使矿渣玻璃体表现出较高的水化活性，早期水化程度提高。 其次，论文探讨了复合胶凝体系颗粒群参数优化设计理论与方法。从如下几方面展开 研究： 1.研究矿物外加剂颗粒群分布表征方程，结果表明：Rosin-Rammler分布相对其它分布 的贴近度更高。故其后的研究采用Rosin-Rammler分布描述粉体颗粒群分布特征。 2.论文从Rosin-Rammler分布着手，研究了矿物外加剂颗粒群分布与其性能的关系。 得出：在矿物外加剂颗粒群分布相近(即n相近)的情况下，用比表面积值和特征粒径x’ 所反映的矿物外加剂总体粗细水平具有可比性。总体颗粒愈细，比表面积愈大，特征粒径愈 小；在矿物外加剂颗粒群分布相近条件下，特征粒径愈小，所掺矿物外加剂的水泥胶砂活性 愈高；在特征粒径相近时，宽分布较之窄分布具有高的早期活性；在比表面积相近时，窄分 布较之宽分布具有高的活性。 3.探讨了矿物外加剂中较有代表性的矿粉颗粒群分布特征与其水泥浆流变性能的相互 关系。结果为：相近分布、不同特征粒径的矿粉掺入水泥后，对其浆体的粘度、屈服值的影 响在低掺量(＜60％)时不明显，当掺量在60～80％之间时，则使水泥浆体粘度和屈服值有 较明显的上升；且随矿粉特征粒径的减小，粘度和屈服值呈上升趋势；特征粒径相等(或相 近)时，掺入宽分布矿粉试样后的水泥浆体的粘度、屈服值均高于掺入窄分布的矿粉试样； 比表面积相近的矿粉掺入水泥后，其水泥浆体的粘度、屈服值亦为掺宽分布矿粉试高铲掺 窄分布矿粉试样。 4.运用灰色关联分析原理，研究各类矿物外加剂颗粒群各粒径段颗粒含量与其活性的 内在关系。结果表明：通过提高矿物外加剂颗粒群总体细度对于增加其活性是积极有效的 途径之一；活性较高的矿渣和高钙灰，小于10μm的颗粒体积百分数与相应的水泥早期、 后期强度成正关联，而大于10μm的颗粒体积百分数与相应的水泥早期、后期强度成负关 联。即小于10μm的颗粒对其水泥早期、后期强度起促进作用，而大于10μm的颗粒对其 水泥早期、后期强度起削弱作用；活性相对较低的煤矸石和低钙灰，正、负关联的临界点 增大到20μm。 5.对矿物外加剂中质地较为坚硬的矿渣进行了助磨剂助磨效应及机理研究。结果表明： 选用的助磨剂中多元醇、胺类、硫酸盐、萘系和铝酸盐等有较明显的矿渣助磨效果。并从颗 粒群图像分析结果提出如下助磨机理： 1)助磨剂分子在粉磨过程中吸附于固体颗粒表面上，产生列宾捷尔效应，界面处的内 聚力降低了，使物料颗粒的表面自由能减小，促使颗粒软化。 2)助磨剂吸附于固体颗粒表面上，减小了颗粒的表面力，亦即有减小颗粒间粘附力和 团聚的作用。 3)由于列宾捷尔效应，加入助磨剂后，颗粒上原有的裂缝在吸附表面活性剂分子并形 成吸附层后更容易扩展，防止裂缝的愈合；同时助磨剂吸附在颗粒表面上能平衡因粉碎而产 生的不饱和价键，防止颗粒再度聚结，从而加剧了粉碎过程的进行，使颗粒圆度降低，表而 粗糙度增大。 6.建立矿物外加剂-水泥颗粒群分布与性能关系的神经网络模型。以矿粉为对象，根据 灰色关联分析筛选影响矿渣-水泥复合胶凝体系宏观性能的主要因素：矿粉-水泥复合胶凝体 系粉体的细度、水泥与矿粉的细度差别、矿渣微粉的颗粒形貌等，运用BP神经网络技术， 建立这些影响因素与矿粉-水泥复合体系宏观物理性能关系的神经网络模型。同时网络通过 逐步地对样本训练和自学习，能够不断提高处理问题的能力，因而用已训练成熟的神经网络， 可以由新样本的影响因素预测矿渣水泥的宏观物理性能。 7.矿物外加剂-水泥复合胶凝体系颗粒群匹配参数活性优化理论及设计方法研究。提出 复合胶凝体系性能-颗粒群匹配的优化设计理论：矿物外加剂-水泥颗粒群的匹配有化学活性 匹配和物理意义上的细度匹配两层意义。细度匹配是指两者匹配后的颗粒群堆积密实状况， 复合胶凝体系粉体的堆积密实程度将直接影响到其净浆、砂浆和混凝土的一系列性能包括复 合体系的硬化强度。化学活性匹配则是指水泥的水化反应速度(习惯上称一次水化反应)与 矿物外加剂水化反应速度(习惯上称二次水化反应)的匹配，对一定的矿物外加剂和水泥， 化学活性的匹配则就是各自颗粒群分布的匹配。化学活性匹配与物理细度匹配按一定的权重 分配，共同对矿物外加剂-水泥颗粒群匹配参数与活性关系的三维分布趋势产生影响。 通过较少的矿物外加剂-水泥颗粒群匹配样本，通过宏观活性、物理细度匹配参数和化 学反应速度匹配参数的测试基础上建立物理、化学匹配参数与胶砂活性的灰色关联，得到相 应的灰色关联度值。由灰色关联度值可以进行物理与化学因素的权重分配。同时，通过较多 的矿物外加剂-水泥颗粒群匹配样本，可以建立物理堆积参数-颗粒群匹配、化学活性匹配指 标-颗粒群匹配三维分布趋势的二维投影图，通过两者分布图的颗粒群最佳匹配范围、物理 与化学因素的权重值，可以从理论上推算复合体系胶砂活性-颗粒群匹配的最佳范围。理论 推算的最佳范围与实测结果具有很好的贴近度，说明该方法是可行的。 论文第三部分研究了介稳态矿物外加剂活化技术及机理。以煤矸石为对象，在各种热 激活工艺制度下对其进行热激活处理，综合考虑强度和煤矸石粉磨能耗，采用DFE(Decision Fuzzy Election)模糊决策模型，遴选出煤矸石试样最佳的热激活工艺制度：由于含有较多的 长石云母类矿物的煤矸石而致使活性较低，其粘土类矿物为蒙脱石、伊利石，热激活温度较 高且保温时间较长(950℃保温2hr)；含粘土矿物主要为高岭石的煤矸石活性较大，热激活 温度较低保温时间较短(900℃保温1hr)。 运用XRD、红外等测试技术研究了以粉煤灰为主要对象的矿物外加剂玻璃相结构的表 征，得到表征参数为：XRD的22～350处比较宽大的衍射峰和IR谱带铝硅酸盐的不对称振 动引起的频率在1000cm-1处的谱带。通过回归分析，建立了间隙氧化物含量与玻璃相结构 特征参数的量化关系，从而使玻璃相结构特征与矿物外加剂活性的关系得以链接。 最后，论文研究了矿物外加剂化学及其它添加剂激活效应及成因机理。化学添加剂采用 硫酸钠、烧石膏。矿物添加剂包括磨细石灰石粉、硅灰、自制晶种等。结果表明：自制晶种 对水泥-矿物外加剂复合胶凝体系有较好的早期、后期增强作用；硫酸钠的激活效果优于烧 石膏；硫酸钠与烧石膏复配有较好的复合效果；石灰石粉有明显的后期增强效果；烧石膏与 石灰石粉复合掺加可以产生较好的早期、后期增强效果。论文对晶种、石灰石激活从水化速 度、水化产物、硬化浆体结构等多层次多方面进行了机理研究。得出：晶种促使水泥-矿物外 加剂体系水化反应速度加快，并进而对该体系的各龄期强度起增进作用，是通过下列途径实 现的：由于晶种为水泥相胚芽形成晶核提供了非均匀成核的基面，从而促使水泥水化过程加 速。而矿物外加剂需在水泥水化的基础上，受水泥水化所释放的氢氧化钙激发而产生火山灰 活性，因此，氢氧化钙的加速释放也促使粉煤灰等矿物外加剂的反应速度得以加速，从而使 整个体系的强度有所增进。而石灰石粉对水泥-矿物外加剂复合胶凝体系的后期增强作用主要 是CaCO3在水化后期产生与硅酸三钙、铝酸三钙的化学反应所致。