機(jī)械力化學(xué)活化煤矸石的試驗(yàn)研究.pdf

1、煤矸石是煤礦建設(shè)、煤炭開采和加工過程中排放出的廢棄巖石，是目前我國最大的固體廢棄物之一，其主要化學(xué)成分一般以氧化物為主，如SiO2、Al2O3等，礦物成分主要由粘土礦物（高嶺石、伊利石、蒙脫石、勃母石）、石英、方解石、硫鐵礦及碳質(zhì)組成。大量堆存的煤矸石不僅影響了煤礦的可持續(xù)發(fā)展，而且對環(huán)境污染也相當(dāng)嚴(yán)重，因此煤矸石的處理和有效利用成為了一個(gè)環(huán)境問題。世界上許多國家都很關(guān)注煤矸石的有效利用，將其稱為“新資源”，其中對煤矸石用于水泥生產(chǎn)方面

2、有較多研究，但利用率較低，目前我國的綜合利用率尚不到15％。 針對目前這種現(xiàn)狀，為了實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略需要，關(guān)于煤矸石的基礎(chǔ)研究已被納入國家“973”計(jì)劃—《國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展規(guī)劃》項(xiàng)目（編號2001CB610703）之中。本課題即由此項(xiàng)目中應(yīng)運(yùn)而生，目的是希望通過對煤矸石作為輔助性膠凝組分的活化過程研究為有效解決該種廢渣的綜合利用提供可行的實(shí)驗(yàn)依據(jù)。 近年來，機(jī)械力化學(xué)的研究引起許多學(xué)者的重視。已經(jīng)證實(shí)機(jī)械粉碎尤其

3、是超細(xì)粉碎不僅僅是一個(gè)簡單的物理過程，而是一個(gè)復(fù)雜的物理化學(xué)過程。機(jī)械力作用于固體物質(zhì)時(shí)產(chǎn)生的機(jī)械力化學(xué)效應(yīng)能對物質(zhì)的潛在活性起到激發(fā)作用。 本文力圖從煤矸石的活性激發(fā)著手，在熱活化的基礎(chǔ)上采用機(jī)械力化學(xué)激發(fā)和化學(xué)激發(fā)的方法處理煤矸石，以達(dá)到替代部分水泥熟料，用較少量的優(yōu)質(zhì)熟料輔以高度激發(fā)的活性廢渣制備大量高性能水泥的目的。 德國P4高能行星磨處理煅燒后的煤矸石，產(chǎn)生機(jī)械力化學(xué)效應(yīng)，引起煤矸石物理性能、微觀結(jié)構(gòu)及其活性的

4、變化。測試結(jié)果表明：實(shí)驗(yàn)采用的山東煤矸石所含主要物相為α-石英和高嶺石，最佳熱活化制度為800℃保溫2小時(shí)；分析煤矸石在不同粉磨時(shí)間的粒度、密度和顆粒形貌，發(fā)現(xiàn)粉磨初期，顆粒迅速細(xì)化，密度增大，之后出現(xiàn)弱團(tuán)聚；繼續(xù)粉磨，弱團(tuán)聚被打破，粒度分布變窄，顆粒堆積緊密，密度達(dá)到最大值2.77g/cm3；粉磨至5h，10μm以下的顆粒占了絕大部分，密度減?。环勰?0h后，顆粒出現(xiàn)團(tuán)聚粗化現(xiàn)象，粉磨達(dá)到細(xì)化與團(tuán)聚的動態(tài)平衡，密度增大，但是基本不再改

5、變；整個(gè)粉磨過程中顆粒的形貌結(jié)構(gòu)由最初的不規(guī)則塊狀逐漸被破碎成為表面粗糙近似球形的細(xì)小顆粒。采用X-射線衍射（XRD）和紅外光譜（FT-IR）分析粉磨過程中煤矸石微觀結(jié)構(gòu)的變化，發(fā)現(xiàn)隨著粉磨的進(jìn)行，其中的高嶺石晶體會慢慢消失，而結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的α-石英則出現(xiàn)缺陷且被無定形化；Al-O鍵和Si-O鍵鍵能和鍵結(jié)構(gòu)發(fā)生了明顯的變化，體系的內(nèi)能增加。 測定不同粉磨時(shí)間和不同摻量煤矸石水泥的力學(xué)性能并借助于XRD、掃描電鏡（SEM）分析其水化過

6、程，結(jié)果表明：同細(xì)度的煤矸石，摻量越高，復(fù)合水泥的強(qiáng)度越低；相同的摻量，煤矸石粉磨時(shí)間越長，細(xì)度越小，復(fù)合水泥的強(qiáng)度越高，尤其是煤矸石經(jīng)過高能球磨后，其摻20％后的復(fù)合水泥的28d強(qiáng)度超過了純硅酸鹽水泥，摻量為40％的復(fù)合水泥28d強(qiáng)度達(dá)到44.1MPa。煤矸石的摻入顯著影響復(fù)合水泥的標(biāo)準(zhǔn)稠度需水量。同細(xì)度的煤矸石，隨著摻量增加，需水量增加，凝結(jié)時(shí)間縮短。相同的摻量，煤矸石越細(xì)，需水量越大，凝結(jié)時(shí)間越短。 本論文嘗試采用CaO和