煤矸石制備輔助性膠凝組分的活化及性能研究.pdf

1、煤矸石是煤炭開采和洗選過程中被分離出來的廢棄巖石，是我國目前排放量最大的固體廢棄物之一。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國煤矸石的年排放量近億t，累積量達(dá)30多億t。煤矸石的大量堆存不但占用耕地面積，還對大氣、水、土等生態(tài)環(huán)境造成嚴(yán)重危害。目前對煤矸石的利用途徑都是粗放式的直接使用，利用率不足20％，深入的科學(xué)應(yīng)用基礎(chǔ)研究刻不容緩。因此，本文旨在于尋找最佳的煤矸石活化激發(fā)途徑，探討激發(fā)過程中物相、微觀結(jié)構(gòu)的變化與活性的聯(lián)系，同時采用多種有效的活性評價手段，最

2、終建立一套完善、科學(xué)的煤矸石活化理論。
　　 無機(jī)材料的化學(xué)反應(yīng)活性的高低主要取決于其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，微觀結(jié)構(gòu)缺陷多、晶體的晶格畸變多、或呈無定型狀態(tài)的材料，其化學(xué)反應(yīng)活性高。從晶體化學(xué)觀點(diǎn)來看，即要求混合材有裂解的或可裂解的硅氧四面體骨架，又要求有可以和硅氧四面體分離的鋁氧四面體。
　　 煅燒煤矸石過程中，高嶺石脫水分解，生成偏高嶺石和無定形的SiO2和Al2O3，這是煤矸石活性的主要來源。鑒于此，本文以普通煅燒(500～

3、1100℃)和增鈣煅燒(850～1200℃)兩個方向激發(fā)煤矸石活性為主線，采用不同的煅燒機(jī)制和增鈣配比，并借助于IR、XRD、NMR等現(xiàn)代測試分析手段探索煅燒過程中煤矸石的物相與微觀結(jié)構(gòu)的變化規(guī)律，為煤矸石的活性評價提供堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)?；钚栽u價方法主要采用游離氧化鈣、化學(xué)結(jié)合水、煤矸石水化漿體的SEM、孔結(jié)構(gòu)、煤矸石-水泥復(fù)合體的力學(xué)性能測試。
　　 從煤矸石原礦的組成結(jié)構(gòu)分析入手。將13種不同產(chǎn)地的煤矸石作化學(xué)全分析得出Al2

4、O3/SiO2比介于0.15～0.63；XRD、IR定性分析指出煤矸石的主要礦物組成為石英和高嶺石；按照國家標(biāo)準(zhǔn)《沉積巖中粘土礦物總量和常見非粘土礦物X射線定量分析方法SY/T6210-1996》進(jìn)行礦物定量分析指出煤矸石中高嶺石含量介于35～73％；巖相、SEM、NMR分析煤矸石的微觀形貌與結(jié)構(gòu)。結(jié)果表明煤矸石具有潛在火山灰活性，為煤矸石的活化及其機(jī)理探討提供先決條件。
　　 普通煅燒采用500～1100℃保溫2h并在空氣中自

5、然冷卻的熱活化機(jī)制。借助于XRD、SEM、NMR對煅燒后煤矸石的礦物組成和微觀形貌與結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。借助于游離氧化鈣法、化學(xué)結(jié)合水法、SEM、孔結(jié)構(gòu)等對煅燒煤矸石-石灰體系的反應(yīng)進(jìn)程進(jìn)行探索。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：500～1100℃普通煅燒過程中煤矸石的低溫最佳活化溫度約為700～800℃。煅燒有效地破壞了煤矸石的致密結(jié)構(gòu)，造成了大量的孔洞與空隙。但是煅燒產(chǎn)物中沒有水硬膠凝活性礦物，究其原因在于煤矸石為低鈣的礦物集合體，煅燒過程中生成的活性SiO

6、2和Al2O3在降溫過程中分凝、重結(jié)晶，從而降低煤矸石的活性。
　　 以石灰和石灰石補(bǔ)充鈣源，分別在低溫850℃和高溫1000～1150℃兩個溫度段進(jìn)行增鈣煅燒，探討不同鈣含量對煤矸石活化的影響。利用XRD、NMR對增鈣煅燒后煤矸石的礦物組成和微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：低溫增鈣煅燒時活性礦物組分為C12A7和C2S；高溫增鈣煅燒時，摻加的氧化鈣的消耗量在1050和1100℃大幅度增加。1150℃時生成水硬膠凝性礦物C3A，

7、C2S和石英同為主要礦物。增鈣煅燒過程中的微觀結(jié)構(gòu)主要表現(xiàn)為：Si-O以四配位形式存在，但四面體的聚合度降低，絡(luò)陰離子團(tuán)結(jié)構(gòu)以Q0、Q2為主，硅氧四面體單體成為主要存在形態(tài)。鋁氧多面體在煅燒過程中以四配位形式存在，但與煤矸石原礦相比，配位數(shù)則由6轉(zhuǎn)變?yōu)?。
　　 從850～1200℃單摻石膏為礦化劑和850～1050℃復(fù)摻石膏和螢石為礦化劑兩個體系入手研究礦化劑對煤矸石活化的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：復(fù)合礦化劑大大降低了體系的低共熔點(diǎn)

8、，石英的晶格畸變溫度降低了100℃，有利于煤矸石活化反應(yīng)的進(jìn)行。復(fù)摻體系中淮南煤矸石和山東煤矸石的28d最高凈漿抗壓強(qiáng)度分別高于單摻體系的13.6％和17.7％。復(fù)摻石膏和螢石體系比單摻石膏體系更有效地活化煤矸石。
　　 摻量為30％的700℃普通煅燒煤矸石-水泥復(fù)合體系的3和28d抗壓強(qiáng)度分別能達(dá)到20.4和48.2MPa，與未煅燒煤矸石的復(fù)合水泥強(qiáng)度相比，分別增加了0.6和14.3MPa。摻量為30％的礦化增鈣煅燒煤矸石(7