本文是一篇土木工程论文，本文使用变质凝灰岩石粉固废为原材料，通过煅烧处理提高废粉的火山灰活性，然后使用碱激发方式制备煅烧变质凝灰岩基地聚合物胶凝材料。
第一章绪论
1.1课题研究背景与意义
1.1.1研究背景
随着全球应对气候变化的紧迫性不断增加，国家提出的“双碳”目标（碳达峰、碳中和）成为了推动各行业可持续发展的关键方向。在作为重要碳排放来源的建筑领域，硅酸盐水泥及混凝土制品作为传统建筑材料所带来的环境负担已经引起了广泛关注。混凝土是世界上使用最多的建筑材料，对混凝土的需求仍在日益增加[1]。生产1吨传统硅酸盐水泥会排放约1吨的二氧化碳，因为在硅酸盐水泥的生产过程中需要使用到大量的化石燃料，还有石灰石的煅烧处理，这些都会释放大量的二氧化碳，并且水泥生产还会造成自然资源的消耗和土地的污染问题[2,3]。据估计，水泥生产过程中的二氧化碳排放占全球总排放量的约8%。因此，探索低碳、环保的替代材料成为了建筑行业亟待解决的问题。其中，地聚合物（Geopolymer）作为一种新型环保建筑材料，其低碳排放特征逐渐引起了学术界和工业界的重视。
已有研究表明，在降低碳排放方面相比于传统水泥，地聚合物具有显著的优势。Duxson等[4]认为地聚合物至少可以减少80%的二氧化碳排放，同样地，Davidovits[5]报道称，在地聚合物生产中使用矿渣这一工业副产物，与水泥生产相比，可以减少80%的二氧化碳排放和59%的能源消耗。与传统水泥相比，地聚合物在生产过程中可大幅减少二氧化碳排放，并且具有较高的耐热性、耐腐蚀性及优异的力学性能。地聚合物的核心是通过富含铝硅酸盐矿物的前驱体材料与碱性溶液反应形成的无机聚合物，广泛应用于建筑、环境修复等领域。
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1.2国内外研究现状
1.2.1地聚合物胶凝材料
法国科学家Davidovits[6]首先提出了地聚合物（Geopolymer）这一概念。作为一种碱激发胶凝材料，地聚合物的原材料可以是经过高温处理的含硅铝酸盐天然矿物，如偏高岭土，也可以是工业废弃物，如矿渣、粉煤灰、钢渣、赤泥及各种尾矿等。这些原材料在常温或者较高温度养护条件下通过碱激发剂的激发作用，进行了解聚和缩聚反应，生成了一种具有三维空间网状结构的聚硅铝酸盐凝胶，主要由[SiO4]（硅氧四面体）和[AlO4]（铝氧四面体）结构单元通过共用氧原子键合而成[7-9]。地聚合物具有许多优异的性能，如较高的抗压强度、较好的耐久性和耐火性等，是一种很好的新型绿色胶凝材料[10]。
（1）工业副产品
使用工业副产品作为地聚合物前驱体的研究由来已久，早在1908年德国水泥工程师Kühl[11]就使用含玻璃质的炉渣与碱金属硫酸盐组合，或者加碱金属氧化物或氢氧化物制备胶凝材料，并得到不亚于硅酸盐水泥的优异性能。同样的，Purdon[12]在1940年发表的文献中报道了30多种高炉矿渣与碱金属氢氧化物混合制备胶凝材料，并得到与硅酸盐水泥相似的强度指标。
目前使用的工业副产品主要为粉煤灰、高炉矿渣等。粉煤灰主要来源于火力发电站使用的煤炭燃烧后产生的工业废粉[13]。粉煤灰由于其良好的活性是制备地聚合物的常见材料之一，常用于和偏高岭土、矿渣、尾矿以及赤泥等材料混合使用，制备复合地聚合物材料[14-19]。Leong等[20]以来自马来西亚和澳大利亚的两种粉煤灰为原料，研究了粉煤灰和混合料比例对地聚合物抗压强度的影响。结果表明，两种粉煤灰在粒径分布、化学成分、形貌性质和无定形相上的变化均与抗压强度相对应。而且两种粉煤灰基地聚合物7天的抗压强度分别为55 MPa和62MPa，表明粉煤灰基地聚合物可以成为一种潜在的建筑材料。Zhang等[21]研究了不同比例粉煤灰和偏高岭土制备地聚合物以及粉煤灰基地聚合物对重金属离子的固化行为。研究了4种不同粉煤灰含量（10%、30%、50%、70%）和3种固化养护方式（标准养护、蒸汽养护和高压釜养护），根据抗压强度和抗弯强度评价最佳制备条件。
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第二章原材料和试验方法
2.1原材料
2.1.1变质凝灰岩
试验原料采用甘肃临洮地区机制砂加工厂提供的变质凝灰岩微粉，该物料来源于干式制砂工艺中产生的石屑与静电集尘装置捕获的粉尘，经粉磨均化处理后形成的细粉体。变质凝灰岩石粉的外观如图2.1所示。变质凝灰岩石粉的主要化学成分为SiO2、Al2O3和CaO，这三种主要氧化物的含量占比高达74.29%，具有资源化利用的潜在价值，表2.1给出了变质凝灰岩石粉的详细化学组成。
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使用X射线粉末衍射仪（XRD）对变质凝灰岩石粉进行矿物成分分析，如图2.2。由图2.2所示可知，变质凝灰岩石粉主要包含四种主要矿物相，分别是鲕绿泥石（Chamosite）、石英（Quartz）、钠长石（Albite）和方解石（Calcite），从衍射峰高度来看，鲕绿泥石的含量最高。而且鲕绿泥石属于黏土矿物，具有层状硅铝酸盐结构，这一点和高岭石相似，高岭石的层状结构在高温煅烧过程中会崩塌，高岭石在这个过程中转化为具有较高活性的偏高岭土，所以鲕绿泥石也具有高温煅烧破坏其层状结构进而提高其活性的潜力。方解石在高温下性质也不稳定，达到一定温度会发生分解反应，生成CaO和CO2。石英和钠长石在高温下性质较为稳定，晶体结构不会被破坏，但是在后续的碱激发反应中会和碱激发剂反应，参与到地聚合过程中来。
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2.2煅烧过程
为了探究煅烧对变质凝灰岩石粉的影响规律，通过将原始变质凝灰岩石粉从室温(25℃)连续加热到指定温度(400℃、600℃、800℃、和1000℃)，获得了一系列煅烧的变质凝灰岩石粉样品。煅烧在实验室气氛回转炉中进行，升温速率为10°C/min，煅烧过程中通入空气。在目标温度下保持2 h后，在气氛回转炉中自然冷却至室温，试样编号T0、T400、T600、T800和T1000分别代表未处理石粉、400℃煅烧石粉、600℃煅烧石粉、800℃煅烧石粉和1000℃煅烧石粉。
不同石粉制备煅烧变质凝灰岩基地聚合物的配合比见表2.4和表2.5，制备流程如下：
共300 g石粉，110 mL 7.5 M NaO H溶液作为激发剂，先后放入行星式净浆搅拌机，先低速搅拌120 s，然后静置15 s，再快速搅拌120 s，搅拌完成后倒入20×20×20 mm3硅胶模具，置于振动台上1 min排出净浆内气泡，然后使用刮刀抹平净浆表面，等待放入烘箱养护，不同用途试样的后续养护过程有所区别。
表2.4中试样用于测试不同温度煅烧石粉的火山灰活性，置于80℃烘箱内养护4 h后脱模，脱模后置于加盖玻璃培养皿中，继续在80℃烘箱内养护至规定龄期，不同温度煅烧石粉制备的地聚合物试样编号分别为BT0、BT400、BT600、BT800和BT1000。
表2.5中试样使用不同养护温度，分别置于相应养护温度的烘箱统一使用养护24 h后脱模，脱模后置于加盖玻璃培养皿中，而后在相应养护温度的烘箱内继续养护至规定龄期，使用不同温度煅烧石粉和不同养护温度制备的地聚合物试样编号对应养护温度和煅烧温度分别为T80T0、T80T400、T80T600、T80T800、T80T1000、T40T800、T60T800和T100T800。
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第三章煅烧对变质凝灰岩反应活性的影响机制..............................26
3.1煅烧温度对变质凝灰岩石粉物理性质影响................................26
3.1.1外观特性.............................26
3.1.2粒径分布..................................27
第四章热处理对变质凝灰岩基地聚合物性能的影响机制..............40
4.1热处理对力学性能的影响............................40
4.1.1煅烧温度对力学性能的影响.................................40
4.1.2养护温度对力学性能的影响......................................42
第五章变质凝灰岩胶凝物聚合过程的分子动力学模拟..................70
5.1分子动力学模拟简介及软件介绍............................70
5.1.1分子动力学模拟简介...............................70
5.1.2计算模块简介.......................................71
第五章变质凝灰岩胶凝物聚合过程的分子动力学模拟
5.1分子动力学模拟简介及软件介绍
5.1.1分子动力学模拟简介
分子动力学（Molecular Dynamics,MD）模拟是一种利用计算机模拟技术研究分子行为和物质性质的有效方法。该方法基于经典力学原理，能够预测粒子在原子和分子尺度上的运动轨迹，从而揭示物质的微观结构、热力学性质、动力学行为以及分子间的相互作用等信息。分子动力学模拟通过数值求解微分方程，描述每个粒子在特定初始条件下的运动过程，通常涉及数千到数百万个原子或分子的模拟，能够在原子层面提供详细的物理现象数据。
在分子动力学模拟中，假设物质的行为可以通过牛顿运动定律来描述，即微观粒子在相互作用力的作用下按照一定规律运动。粒子间的相互作用力通过适当的势能函数（又称作力场）来描述，这些势能函数通常包括键合势能、角度势能、非键合势能（如范德华力、库仑力）等。通过这些力场模型，可以计算出粒子在每一时刻的受力情况，并由此推导出粒子的加速度、速度和位置。分子动力学模拟的主要任务是追踪每个粒子的位移和速度。假设系统中包含N个粒子，且粒子的运动符合牛顿第二定律。为了求解这一运动方程，通常采用数值积分方法，如Verlet积分或Leapfrog算法。针对运动方程的求解需求，通常采用时间步进离散化处理的数值积分策略，如Verlet位置积分法或蛙跳式（Leapfrog）算法。这类方法通过迭代更新粒子的空间坐标与运动矢量，实现粒子运动轨迹的高效数值模拟。
势能函数通常是根据分子系统的化学和物理性质选择的，常用的势能函数包括常见的Lennard-Jones势、Coulomb势以及一些更为复杂的分子力场模型。这些力场可以精准地描述分子间的相互作用，并且可以根据不同的研究需求调整和优化。通过这些力场计算出的力，可以在每一时刻更新粒子的速度和位置，模拟出分子系统随时间演化的全过程。
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第六章结论和展望
6.1主要结论
本文使用变质凝灰岩石粉固废为原材料，通过煅烧处理提高废粉的火山灰活性，然后使用碱激发方式制备煅烧变质凝灰岩基地聚合物胶凝材料。通过XRD、SEM、BET、FTIR、ICP以及SAI等测试对不同温度煅烧石粉的矿物晶体结构和火山灰活性进行表征，探究了煅烧温度对变质凝灰岩石粉晶体结构及活性的影响规律。还围绕煅烧温度和养护温度这两种热处理手段对煅烧变质凝灰岩基地聚合物胶凝材料物理力学性能的影响规律开展了研究，通过对不同龄期地聚合物试样的抗压强度、杨氏模量、表观密度和体积收缩率等物理力学性能试验明晰其随热处理条件的变化规律；还通过SEM、EDS、MIP、XRD、FTIR、TG/DTG等表征以及试样浸出液的pH测试明晰了热处理条件对煅烧变质凝灰岩基地聚合物胶凝材料微观结构的影响以及对物理力学性能的影响机理。同时，为了进一步验证煅烧温度对煅烧变质凝灰岩基
地聚合物性能的影响机制，使用分子动力学模拟方法，模拟了不同煅烧温度石粉制备的煅烧变质凝灰岩基地聚合物的反应过程，通过统计水分子生成、Qn和T-O-T等指标，明晰了煅烧温度对地聚合物产物的影响机制，验证了试验部分的结论。本文得到的具体结论如下：
1.明确了变质凝灰岩石粉矿物结构和活性随煅烧温度演化的过程，具体如下：
（1）变质凝灰岩的矿物结构在煅烧过程中发生明显变化，鲕绿泥石600℃煅烧后发生晶格转换，800℃煅烧后结构完全崩塌；方解石800℃煅烧后开始部分分解，1000℃煅烧后完全分解；石英在1000℃煅烧后晶体结构部分破坏；钠长石在1000℃煅烧后重结晶。
（2）变质凝灰岩的碱激发活性随煅烧温度的升高先升高后降低，对应矿物相的变化可以分为三个阶段：从室温到600℃时，结构无序化程度增大，反应活性逐渐升高；600℃~800℃时，鲕绿泥石层状结构崩塌，黏土颗粒破碎，无定型相含量升高，石粉反应活性持续升高；800℃~1000℃时，方解石完全分解，钠长石发生重结晶，反应活性下降。对变质凝灰岩石粉来讲，800℃煅烧时可以获得最高反应活性，继续升高温度反而导致活性下降。
参考文献（略）