机械力化学活化煤矸石的试验研究

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1、硕士学位论文摘要煤矸石是煤矿建设、煤炭开采和加工过程中排放出的废弃岩石，是目前我国最大的固体废弃物之一，其主要化学成分一般以氧化物为主，如SiO2、Al2O3等，矿物成分主要由粘土矿物（高岭石、伊利石、蒙脱石、勃母石）、石英、方解石、硫铁矿及碳质组成。大量堆存的煤矸石不仅影响了煤矿的可持续发展，而且对环境污染也相当严重，因此煤矸石的处理和有效利用成为了一个环境问题。世界上许多国家都很关注煤矸石的有效利用，将其称为“新资源”，其中对煤矸石用于水泥生产方面有较多研究，但利用率较低，目前我国的综合利用率尚不到15％。针对目前这种现状，为了实现可持续发展的战

2、略需要，关于煤矸石的基础研究已被纳入国家“973”计划—《国家重点基础研究发展规划》项目（编号2001CB610703）之中。本课题即由此项目中应运而生，目的是希望通过对煤矸石作为辅助性胶凝组分的活化过程研究为有效解决该种废渣的综合利用提供可行的实验依据。近年来，机械力化学的研究引起许多学者的重视。已经证实机械粉碎尤其是超细粉碎不仅仅是一个简单的物理过程，而是一个复杂的物理化学过程。机械力作用于固体物质时产生的机械力化学效应能对物质的潜在活性起到激发作用。本文力图从煤矸石的活性激发着手，在热活化的基础上采用机械力化学激发和化学激发的方法处理煤矸石，以

3、达到替代部分水泥熟料，用较少量的优质熟料辅以高度激发的活性废渣制备大量高性能水泥的目的。德国P4高能行星磨处理煅烧后的煤矸石，产生机械力化学效应，引起煤矸石物理性能、微观结构及其活性的变化。测试结果表明：实验采用的山东煤矸石所含主要物相为α-石英和高岭石，最佳热活化制度为800℃保温2小时；分析煤矸石在不同粉磨时间的粒度、密度和颗粒形貌，发现粉磨初期，颗粒迅速细化，密度增大，之后出现弱团聚；继续粉磨，弱团聚被打破，粒度分布变窄，3颗粒堆积紧密，密度达到最大值2.77g/cm；粉磨至5h，10µm以下的颗粒占了绝大部分，密度减小；粉磨10h后，颗粒出现

4、团聚粗化现象，粉磨达到细化与团聚的动态平衡，密度增大，但是基本不再改变；整个粉磨过程中颗粒的形貌I摘要结构由最初的不规则块状逐渐被破碎成为表面粗糙近似球形的细小颗粒。采用X-射线衍射（XRD）和红外光谱（FT-IR）分析粉磨过程中煤矸石微观结构的变化，发现随着粉磨的进行，其中的高岭石晶体会慢慢消失，而结构稳定的α-石英则出现缺陷且被无定形化；Al-O键和Si-O键键能和键结构发生了明显的变化，体系的内能增加。测定不同粉磨时间和不同掺量煤矸石水泥的力学性能并借助于XRD、扫描电镜（SEM）分析其水化过程，结果表明：同细度的煤矸石，掺量越高，复合水泥的强

5、度越低；相同的掺量，煤矸石粉磨时间越长，细度越小，复合水泥的强度越高，尤其是煤矸石经过高能球磨后，其掺20％后的复合水泥的28d强度超过了纯硅酸盐水泥，掺量为40％的复合水泥28d强度达到44.1MPa。煤矸石的掺入显著影响复合水泥的标准稠度需水量。同细度的煤矸石，随着掺量增加，需水量增加，凝结时间缩短。相同的掺量，煤矸石越细，需水量越大，凝结时间越短。本论文尝试采用CaO和Na2SO4复合激发剂，并利用废渣磷石膏做调凝剂，生产少熟料煤矸石水泥，通过对其强度和水化体系进行研究，找出三种混合材的最佳配合比。在实验所采用的几种配比中，以5％磷石膏＋3％C

6、aO＋2％Na2SO4的配比最好，煤矸石的掺入量可以达到50％，净浆小试体28d强度可达48.1MPa。该水泥水化产物除了有C-S-H凝胶和钙矾石外，还生成网络状结构的无定形硅铝凝胶Na6[AlSiO4]6·4H2O。关键词：煤矸石活性机械力化学碱激发活化II硕士学位论文AbstractCoalgangueisindustrialsolidresiduesthataredischargedwhencoalmineisbuilt,coalisexcavatedandprocessedintheproductioncourseofcoalmine,and

7、isoneofthemostindustrialsolidcastoffsinourcountry.ItsmajorchemicalcompositionsareSiO2andAl2O3etc.,anditsmineralcompositionsmainlyareclaymineralssuchasKaolinite,Illite，MontmorilloniteandBoehmite,Quartz,Calcite,Pyrite,Feldsparandsoon.Coalganguethatstoredupinlargequantitiesnotonly

8、blocksthesustaineddevelopmentofcoalmine,butalsoserious