煤矸石制备水泥辅助胶凝材料的应用研究

煤矸石是煤炭开采和生产过程中产生的固体废弃物，由于缺乏有效的综合利用技术，目前对煤矸石主要以堆积方式处理，不仅占用大量土地，还会导致较为严重的环境污染煤矸石在建筑材料领域的应用已有大量研究，例如煤矸石制机制砂石骨料、或与石灰石共同煅烧作为胶凝材料，但处置量和使用效果均不佳。

3.火山灰用处

因此，探究如何提高煤矸石的科学高效利用，是一项资源环保方面的重要研究课题很多煤矸石的主要矿物成分是高岭石，通过活化煅烧可制备具有较高火山灰活性的偏高岭土，将其作为辅助胶凝材料掺入水泥中，不仅可以取得替代部分水泥的效果，还可提高水泥基材料的后期性能。

4.火山灰粉末

同时，水泥生产过程会生成大量的CO2等温室气体，如能将煤矸石应用到水泥生产中，既能实现煤矸石的高效利用，还能响应国家政策，减少水泥工业的碳排放，具有重要的现实意义。

5.火山灰的药用价值

本文以河北某地6个矿区的煤矸石为原料，分析不同矿区煤矸石的矿物相组成，以热重方式探究煤矸石的煅烧温度区间，在不同温度不同时间的条件下开展煅烧煤矸石制备偏高岭土的煅烧实验，探究煅烧活化的最佳条件参数，同时将所制得产品掺入水泥中替代部分水泥，分析偏高岭土对水泥基材料的性能影响，分析该地区煤矸石做辅助胶凝材料的技术可行性，探究煤矸石在水泥混凝土中的规模化利用技术。

6.火山灰反应的作用

实验煤矸石：实验用煤矸石取自河北某地6个矿区的煤矸石，其外观形貌见图1，由图1可以看出，未经煅烧的煤矸石多呈黑灰色块状，部分试样呈红色将各矿区煤矸石粉磨至全部通过80μm方孔筛，将原料装入密封袋内封存备用。

7.火山灰里面有什么营养

采用X射线荧光光谱仪对煤矸石进行元素分析，采用X射线衍射仪对煤矸石进行物相分析（马尔文帕纳科公司X’pert powder型X射线衍射仪，用Cu靶Kα线作为X线源，波长λ=0.15406 nm，管电压40kV，管电流40mA）。

8.火山灰怎么处理

水泥：采用安徽海螺水泥厂生产的基准水泥，将水泥在105 ℃烘箱中恒温烘干24h后装袋备用石膏：采用化学纯二水石膏，主要成分为CaSO4•2H2O，纯度≥99%煤矸石煅烧：对试样进行TGA-DSC热分析（温度范围：20~1000℃；升温速率为20℃/min；气氛：空气），探究煤矸石的热解区间，将不同样品进行不同温度（800℃、850℃）、不同时间（2.0h、2.5h）的煅烧活化实验，对煅烧后的试样进行X-射线衍射分析，探究矿物相的变化。

9.火山灰可以食用吗

活性测试：将煅烧好的煤矸石与基准水泥和石膏复合，混合均匀制成试验水泥试块，配比为基准水泥∶煅烧煤矸石∶二水石膏=70∶30∶1.5，在水化3d，7d，28d时进行抗压抗折实验，并与基准水泥试块强度对比，探究煅烧煤矸石的掺入对水泥强度影响。

10.火山灰有什么营养

结果与讨论煤矸石样品化学组成及矿物组成：试验样品化学组成见表1，从表1可看出，所采用的煤矸石的主要成分为SiO2和Al2O3，此外还有TiO2, Fe2O3, CaO, MgO, K2O, Na2O, SO

3, P2O5等氧化物XRD分析结果见图2，结合原矿石化学成分分析，样品的矿物组成见表2从结果可以看到，样品主要矿物相为石英（~30%）、高岭石（29.5%~37.1%）和白云母相（21.9%~42.5%），此外含有少量的锐钛矿、方解石、伊利石和黄铁矿相。

其中#4矿物的高岭石含量较少，仅为7.4%，而伊利石相相对较多，达到了14.2%，且含硫量高

煤矸石热失重规律：6个不同样品的TGA-DSC图结果见图3从图看到，在100~200℃之间样品出现了少量失重，约2%~3%，此为煤矸石中的表面吸附水蒸发产生的失重样品主要失重范围为500~700℃在这段范围内，失重表现为连续的过程，在此期间煤矸石中的碳，有机杂质，游离水和层间水等物质逐渐分解。

在600℃左右时，煤矸石的失重速率达到最大当温度达到800℃左右时，煤矸石的总质量保持稳定，此时高岭石热解激发活性并转变为偏高岭土的反应已基本完成，在此失重过程中，煤矸石失重率约为10%通过热重实验结果可知，堆积态煅烧制备偏高岭土，为取得反应完全的产品，煤矸石的煅烧温度需达到800℃。

同时，考虑到加热温度850℃以上时，会发生再结晶现象，形成结晶铝硅酸盐尖晶石，当温度进一步升高时，它会转化为莫来石，矿物中的石英也会转化为方石英，而生成的这些相在水泥体系中是惰性的因此高岭石煅烧温度不应超过850℃。

因此实验选择煅烧温度为800℃和850℃两种分别煅烧2h和2.5h，取得制备水泥所用的偏高岭土

煤矸石及其煅烧样品的物相分析：图4为不同样品在800℃下煅烧2 h后衍射图可以看出，在12.4θ处可观察到的高岭石相已完全消失，而其他矿物相，如白云母和伊利石，其衍射峰仍相当明显这表明高岭石在800℃的煅烧下晶格结构发生了变化，变成了无序的偏高岭土。

而白云母和伊利石仍保持着高结晶度，在该温度下煅烧并不能激发其活性

煅烧煤矸石活性分析：活性指数结果定义为试样的抗压强度与基准水泥同龄期的抗压强度之比，其活性指数递进率定义为：28d活性指数相对于3d活性指数的增长情况图5为各试样的3d，7d和28 d的抗压强度

如图5所示，基准水泥试块的3d强度为34.5MPa，掺加了各矿区煅烧煤矸石胶凝材料后抗压强度有所下降，其抗压强度约在21~28MPa，其活性指数在68%~82%之间，其中#6实验组不同煅烧条件下其活性指数均超过了80%。

#1、#2、#3、#4、#5的试块3d活性均≥75%，满足了煅烧煤矸石活性的基本要求同时，各矿区样品以850 ℃煅烧2 h的活性指数稍高于其他煅烧条件煅烧煤矸石的掺入会对水泥基材料的早期强度产生不利影响，这是因为在水化早期，煅烧煤矸石不会参加胶凝材料的水化反应，该胶凝材料体系中的水化产物仅由水泥自身水化生成，因此其强度较基准水泥下降明显。

在水化7d时，基准水泥的强度为46MPa，掺加煅烧煤矸石的各组试块强度在33~37MPa之间，活性指数基本都达到了75%这说明在该水化阶段，体系中除水泥自身水化，煅烧煤矸石也开始生成水化产物，提高了胶凝材料强度。

此时煅烧煤矸石与水泥水化产生的Ca(OH)2反应生成C-S-H凝胶，该产物较为致密，从而促进体系强度提升。其水化机理方程：S+CH→C-S-H，其中S为煅烧煤矸石中的无定型二氧化硅。

在水化28d时，基准水泥强度达到了65MPa，掺加煅烧煤矸石的几组试样强度约在52~58MPa之间，其活性指数都达到了80%以上，其中#3、#2和#6几个矿区试块活性指数达到85%以上，满足了煅烧煤矸石活性28d的要求，而#4矿物试块的试块活性指数相对偏低，这是因为该矿区煤矸石中高岭石相含量较低，伊利石相含量较高，高岭石为1∶1型黏土，其火山灰活性较强，在800℃煅烧即可形成无定型的偏高岭土相，在水泥水化过程中会参与水化生成C-S-H凝胶从而促进其强度的发展。

而伊利石为2∶1型黏土，在经过煅烧后其火山灰活性仍较低，因此后期强度最低各煤矸石活性指数递进率在20%~30%之间，随着水化进行强度提升效果明显，且以850℃煅烧2 h的条件煅烧下其活性指数最高此时煅烧煤矸石完全参与水化反应，充分发挥了火山灰效应，产生了大量C-S-H凝胶，确保了水化后期的强度达到要求。

以上数据表明，以高岭石为主要成分的煤矸石在850℃的条件下煅烧2.5h后活性最强，达到了活性煤矸石的要求结语本文通过热重实验分析了不同矿区煤矸石的煅烧温度要求，将不同条件煅烧的煤矸石掺入水泥通过强度分析最佳煅烧条件，并与基准水泥强度对比分析其作为掺合料加入水泥的可能性，结果如下：。

（1）所用矿区煤矸石的主要矿物相为石英、高岭石和白云母相，此外含有少量的锐钛矿、方解石、伊利石和黄铁矿相，温度和煅烧时间的不同会影响所得产品的活性，将其在850℃条件下煅烧2.5h为激发其活性的最佳条件，在煅烧后样品中的高岭石相完全消失，已完全转化为偏高岭土。

（2）以30%的比例替代基准水泥，其3d早期强度相较于基准水泥下降明显，但几个矿区煅烧煤矸石活性仍可达到75%以上，随着煅烧煤矸石发挥其火山灰活性，其28d后期强度提升明显，活性基本都达到85%以上，满足煤矸石煅烧活性的基本要求，可作为掺合料掺入水泥中。

而以伊利石为主的#4样品由于其火山灰活性较低，后期强度无法达到水泥掺合料的标准

（全文结束）

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