煤矸石的活性激发及活性评价方法的探讨
摘要
自然资源的不可再生性和日益枯竭的趋势将使国民经济的持续发展面临重大的瓶颈问题，因此工业废渣的资源化具有巨大战略意义。煤矸石是煤炭工业排放的固体废渣，我国年排放量近亿吨，累积量达30多亿吨，而且逐年增加。它利用率尚不足20％，是急待开发的可利用资源，目前对它的利用途径主要都是粗放式的直接利用，其本质问题是缺乏深入的科学基础研究。因此，寻找不同的激发煤矸石活性的途径，探讨其内部结构和活性的关系，从根本上形成煤矸石活性激发的理论。同时，建立煤矸石活性的有效评价方法，将为煤矸石有效利用提供良好地应用基础。这些研究将具有科学与现实意义。遵循上述思路开展了研究，并取得了如下研究进展。
通过XRD、IR及岩相分析等方法，表征了原状煤矸石的本征特性。结果表明了山东淄博煤矸石中主要含有高岭石与α-石英两种矿物，另外，还含有少量二水石膏、方解石、赤铁矿和煤。掺30％原状煤矸石水泥力学强度和水泥石的表观质量很差。
研究了热活化、机械活化、化学活化、复合活化方法对煤矸石潜在活性的激发作用。结果表明500～900℃煅烧煤矸石水泥力学强度都比掺原状煤矸石水泥的强度有较大幅度的提高，掺30％700℃烧煤矸石水泥的3、28、90d抗压强度分别比掺原状煤矸石水泥的强度提高了1.5、6.3、24.5MPa，煤矸石热活化的最佳煅烧温度为700℃。机械活化和化学活化方法均能明显激发煤矸石活性并显著提高煤矸石水泥的力学性能，复合活化效果比单一的机械活化或化学活化要好。分析表明了热活化是煤矸石激发活性的必要条件，它不仅能激发煤矸石的活性，而且能利用它含有的热能，并消除了碳的存在对水泥胶凝性、耐久性、表观质量的不利影响。而机械活化是进一步提高煤矸石活性的充分条件。
利用XRD、IR、NMR等手段研究了煤矸石在热活化与机械活化过程中的结构渐变过程，煤矸石在煅烧过程中主要变化表现为：当温度从500升高至700℃时，煤矸石中的煤发生燃烧、高岭石中结构水不断脱除，并逐渐向偏高岭石转变，其中部分六配位铝氧多面体向四配位铝氧多面体转化，[SiO_4]~(4-)四面体聚合状态仍保持Q~3结构；至900℃时，偏高岭石的结构已完全破坏，并于1100℃时，形成了莫来石。煤矸石在研磨过程中，随着粒度的细化，试样中偏高岭石的晶格构造不断产生畸变，晶体有序结构发生部分瓦解，偏高岭石结构逐渐变得无序。根据实验结果，对煤矸石煅烧过程中高
Nowadays, the sustainable development of national economy has been restricted by the non-reproducing and exhausting of natural resources, so it is of crucial significant to recycle the industrial waste. Coal gangue is industrial solid residues which are discharged when coal is excavated and washed in the production of coal mine, and is one of the most industrial solid castoffs. In our country, annual discharge of coal gangue is nearly 100 million tons, and the gross amount reaches more than 3000 million tons, what's worse, the amount is increasing year by year. However, the recycling ratio of coal gangue is less than 20 percent because of the lack of the fundamental researches about their utilization which at present focuses mainly on directly taking advantage of this material in an extensive way. Therefore, the basic theory about the activation of coal gangue should be established by investigating activation ways of coal gangue and discussing the relationship between its internal structure and activation. Furthermore, an effective evaluation method of the activation of coal gangue should also be founded to offer application basis for the effective use of coal gangue. These researches are all useful for science and society development. Taking account of these thoughts, many progresses were obtained as follows.
The natural characteristics of raw coal gangue were characterized by use of modern testing such as X-ray diffraction (XRD), infrared (IR) and petrographic analyses. The results indicated that kaolinite and a-quartz are the main mineral compositions, and some gypsum, calcite, hematite and coal are also present in the coal gangue produced from Zibo, Shandong province. The cement mixed with 30wt.% raw coal gangue presents poor mechanical strength and apparent properties.
The excitation to the activation of coal gangue by serious methods such as heat activation, mechanical activation, chemical activation and complex activation were investigated. The results indicated that the mechanical strength of cement with coal gangue calcined at 500-900℃ was far higher than that of cement with raw coal gangue. The 3, 28 and 90d compressive strengths of the cement mixed with 30wt.% coal gangue calcined at 700℃ were 1.5, 6.3 and 24.5MPa respectively, which all were higher than those of cement only with raw coal gangue. The optimal calcining temperature of coal gangue for heat
通过XRD、IR及岩相分析等方法，表征了原状煤矸石的本征特性。结果表明了山东淄博煤矸石中主要含有高岭石与α-石英两种矿物，另外，还含有少量二水石膏、方解石、赤铁矿和煤。掺30％原状煤矸石水泥力学强度和水泥石的表观质量很差。
研究了热活化、机械活化、化学活化、复合活化方法对煤矸石潜在活性的激发作用。结果表明500～900℃煅烧煤矸石水泥力学强度都比掺原状煤矸石水泥的强度有较大幅度的提高，掺30％700℃烧煤矸石水泥的3、28、90d抗压强度分别比掺原状煤矸石水泥的强度提高了1.5、6.3、24.5MPa，煤矸石热活化的最佳煅烧温度为700℃。机械活化和化学活化方法均能明显激发煤矸石活性并显著提高煤矸石水泥的力学性能，复合活化效果比单一的机械活化或化学活化要好。分析表明了热活化是煤矸石激发活性的必要条件，它不仅能激发煤矸石的活性，而且能利用它含有的热能，并消除了碳的存在对水泥胶凝性、耐久性、表观质量的不利影响。而机械活化是进一步提高煤矸石活性的充分条件。
利用XRD、IR、NMR等手段研究了煤矸石在热活化与机械活化过程中的结构渐变过程，煤矸石在煅烧过程中主要变化表现为：当温度从500升高至700℃时，煤矸石中的煤发生燃烧、高岭石中结构水不断脱除，并逐渐向偏高岭石转变，其中部分六配位铝氧多面体向四配位铝氧多面体转化，[SiO_4]~(4-)四面体聚合状态仍保持Q~3结构；至900℃时，偏高岭石的结构已完全破坏，并于1100℃时，形成了莫来石。煤矸石在研磨过程中，随着粒度的细化，试样中偏高岭石的晶格构造不断产生畸变，晶体有序结构发生部分瓦解，偏高岭石结构逐渐变得无序。根据实验结果，对煤矸石煅烧过程中高
Nowadays, the sustainable development of national economy has been restricted by the non-reproducing and exhausting of natural resources, so it is of crucial significant to recycle the industrial waste. Coal gangue is industrial solid residues which are discharged when coal is excavated and washed in the production of coal mine, and is one of the most industrial solid castoffs. In our country, annual discharge of coal gangue is nearly 100 million tons, and the gross amount reaches more than 3000 million tons, what's worse, the amount is increasing year by year. However, the recycling ratio of coal gangue is less than 20 percent because of the lack of the fundamental researches about their utilization which at present focuses mainly on directly taking advantage of this material in an extensive way. Therefore, the basic theory about the activation of coal gangue should be established by investigating activation ways of coal gangue and discussing the relationship between its internal structure and activation. Furthermore, an effective evaluation method of the activation of coal gangue should also be founded to offer application basis for the effective use of coal gangue. These researches are all useful for science and society development. Taking account of these thoughts, many progresses were obtained as follows.
The natural characteristics of raw coal gangue were characterized by use of modern testing such as X-ray diffraction (XRD), infrared (IR) and petrographic analyses. The results indicated that kaolinite and a-quartz are the main mineral compositions, and some gypsum, calcite, hematite and coal are also present in the coal gangue produced from Zibo, Shandong province. The cement mixed with 30wt.% raw coal gangue presents poor mechanical strength and apparent properties.
The excitation to the activation of coal gangue by serious methods such as heat activation, mechanical activation, chemical activation and complex activation were investigated. The results indicated that the mechanical strength of cement with coal gangue calcined at 500-900℃ was far higher than that of cement with raw coal gangue. The 3, 28 and 90d compressive strengths of the cement mixed with 30wt.% coal gangue calcined at 700℃ were 1.5, 6.3 and 24.5MPa respectively, which all were higher than those of cement only with raw coal gangue. The optimal calcining temperature of coal gangue for heat
引文
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