本文由Danying Gao、Zhenqing Zhang、Yang Meng、Jiyu Tang和Lin Yang共同撰写，发表于2021年1月14日的《Materials》期刊。该研究的主要目的是探讨烟气脱硫石膏（Flue Gas Desulfurization Gypsum, FGDG）对硫铝酸钙水泥（Calcium Sulfoaluminate Cement, CSAC）与磨细高炉矿渣（Ground Granulated Blast Furnace Slag, GGBFS）混合体系性能的影响。研究通过系统分析FGDG对CSAC-GGBFS混合物的水化速率、凝结时间、机械强度、孔隙结构和水化产物的影响，揭示了FGDG在水泥体系中的作用机制。

研究背景

硫铝酸钙水泥（CSAC）自20世纪70年代在中国大规模生产和使用以来，因其低二氧化碳排放而被认为是一种环保型水泥。与普通硅酸盐水泥相比，CSAC具有更短的凝结时间、更快的硬化速度、更高的早期强度和更好的耐久性，广泛应用于快速修复工程、海洋工程、冬季施工等特殊工程领域。CSAC的主要矿物相为硫铝酸钙（C4A3S）、贝利特（C2S）和铁铝酸钙（C4AF），其中C4A3S的含量通常占总矿物相的60%以上，是CSAC性能的主要贡献者。

然而，CSAC的水化过程受石膏含量的直接影响。石膏的存在与否及其含量决定了水化产物的形成。近年来，为了降低成本和改善性能，许多辅助胶凝材料（Supplementary Cementitious Materials, SCMs）被用于与CSAC混合，如粉煤灰、石灰石、硅灰等。在之前的研究中，作者发现CSAC与GGBFS混合时，CSAC中的石膏不足以支持混合物的水化，因此需要额外添加石膏。此外，石膏作为一种硫酸盐，具有激发GGBFS火山灰活性的潜力，能够促进其水化反应。

研究流程

本研究设计了四种不同FGDG含量的CSAC-GGBFS混合物，FGDG含量分别为0%、3%、6%和9%。研究通过以下步骤进行： 1. 水化热测试：使用等温量热仪测量混合物的水化热流和累积水化热，分析FGDG对水化速率的影响。 2. 凝结时间测试：采用维卡法测定混合物的初凝和终凝时间，评估FGDG对凝结时间的影响。 3. 机械强度测试：制备砂浆试件，测试不同FGDG含量下砂浆的弯曲强度和抗压强度。 4. 孔隙结构分析：使用压汞法（Mercury Intrusion Porosimetry, MIP）测定硬化水泥浆体的孔隙结构，分析FGDG对孔隙分布和总孔隙率的影响。 5. 水化产物分析：通过X射线衍射（XRD）、热重-差示扫描量热法（TG-DSC）和扫描电子显微镜（SEM）分析水化产物的矿物相和微观结构。

主要结果

1. 水化热：FGDG的添加延长了CSAC-GGBFS混合物的诱导期，降低了早期水化速率，但促进了后期水化反应。
2. 凝结时间：FGDG的添加对CSAC-GGBFS混合物的凝结时间影响较小，混合物仍表现出快速凝结的特性。
3. 机械强度：在1天和3天时，FGDG的添加略微降低了砂浆的弯曲和抗压强度；但在28天后，FGDG的添加显著提高了砂浆的机械强度，尤其是当FGDG含量为6%时，120天的抗压强度提高了近20%。
4. 孔隙结构：FGDG含量在6%以下时，能够细化孔隙尺寸并降低总孔隙率；但当FGDG含量达到9%时，孔隙尺寸和总孔隙率增加。
5. 水化产物：FGDG的添加促进了CSAC-GGBFS混合物的水化反应，增加了水化产物（如钙矾石和C-S-H凝胶）的生成量，从而提高了后期机械强度。

结论与意义

研究表明，FGDG的添加能够显著改善CSAC-GGBFS混合物的后期水化反应和机械强度，尤其是在FGDG含量为6%时效果最佳。然而，FGDG含量超过6%会导致孔隙结构恶化，甚至引发微裂纹。因此，FGDG的添加量应控制在6%以内。

该研究不仅为CSAC-GGBFS混合物的水化机制提供了新的见解，还为FGDG在水泥工业中的应用提供了科学依据。通过利用FGDG作为天然石膏的替代品，不仅可以降低水泥生产成本，还能有效减少工业废弃物的排放，具有显著的环境和经济效益。

研究亮点

1. 重要发现：FGDG的添加能够显著提高CSAC-GGBFS混合物的后期机械强度，尤其是在FGDG含量为6%时效果最佳。
2. 方法创新：研究通过系统分析FGDG对CSAC-GGBFS混合物水化、凝结、机械强度和微观结构的影响，揭示了FGDG在水泥体系中的作用机制。
3. 应用价值：研究为FGDG在水泥工业中的应用提供了科学依据，具有显著的环境和经济效益。