煅烧活化煤矸石的机理探讨

本文采用不同温度煅烧方法激活煤矸石,并对其活化机理和水化过程进行系统探讨.为了更深入地了解煤矸石的煅烧活化情况,采用X射线、甘油-无水乙醇法、扫描电镜等分析方法,并对煤矸石复合水泥的力学性能加以分析.结果表明:在一定烧成温度范围内的热处理下,煤矸石的矿物组分和微观结构发生较大的变化,从而活性明显得到改善.     

煤矸石热活化及其活性评价的机理分析

对原样煤矸石和热活化煤矸石的微观结构进行了分析研究,选用化学结合水测定法对各活化煤矸石的活性进行评价,通过X射线衍射(X-ray diffraction,xao)和扫描电镜(Scanning electron microscope,SEM)等测试方法进行煤矸石热活化过程的微观分析研究.结果表明,煤矸石中的高岭石受热分解与玻璃化是煤矸石活性的主要来源,在低温活性区(500～1100℃),700℃煅烧煤矸石的活性表现最佳.对煤矸石活化过程进行了力学性能试验.试验结果同样表明,各种热活化煤矸石的力学性能与微观结构的分析结果是相一致的.     

热激发煤矸石活性组分的溶出

利用电感耦合等离子发射光谱(ICP)测定了热激发煤矸石在不同激发、溶出条件下活性组分(活性SiO2和活性Al2O3)溶出量.研究结果表明:在强碱性环境中,热激发煤矸石中的活性组分溶出量与煤矸石所经历的煅烧温度有关,存在一最佳煅烧温度;溶出温度和溶出时间对活性SiO2和活性Al2O3溶出所起的作用不同,溶出温度对活性Al2O3的溶出作用更大,而溶出时间对活性SiO2的溶出作用更大;采用快速溶出试验(90℃,3h)溶出的活性组分总量和热激发煤矸石的火山灰活性指数(PAI)具有较好的线性相关关系,因此可以用其来评价热激发煤矸石的火山灰活性.根据活性组分溶出量确定的热激发煤矸石的活性类型为:非活性煤矸石(＜30mg/g);低活性煤矸石(30～55mg/g);高活性煤矸石(55～90mg/g);极高活性煤矸石(＞90mg/g).     

煅烧工艺对活化煤矸石中残余碳的影响

为了制得残余碳含量较小的活化煤矸石,研究煤矸石在不同温度时煅烧的活化情况,以白度为指标评价残余碳含量,利用三因素三水平正交实验对加碱煅烧活化工艺进行优化,并采用X射线衍射、红外光谱、热重-差热分析、透射电子显微镜、扫描电子显微镜及合成4A沸石对煤矸石的活化情况进行表征。结果表明,当优化工艺条件是煅烧温度为800℃、煅烧时间为2 h、NaOH与煤矸石的质量比为1.5∶1.0时,活化煤矸石样品的白度最大,并且通过其合成的4A沸石是合格的,说明该条件下活化的煤矸石具有良好的活性。     

粒状煤矸石制备活性粉体材料的颜色转变及其量化表征

煤矸石经过适宜温度煅烧、粉磨后可制备活性混合材。但由于煤矸石的组成较为复杂,煅烧后其颜色变化较大,在水泥基材料中大掺量应用会影响水泥基材料的色泽。若能制备出与水泥基材料色差较小的煅烧煤矸石活性粉体材料,则对煤矸石在水泥工业中的应用有着重要意义。本工作研究了制备工艺对煅烧煤矸石活性粉体材料颜色的影响;基于PS软件中红、绿、蓝(R、G、B)三个通道的颜色值量化表征了煅烧煤矸石活性粉体材料的颜色;分析了粒状煤矸石制备活性粉体材料颜色转变的机理。结果表明:热活化时,煤矸石颗粒越小、热活化保温时间越长、煅烧环境中氧气越充足,制得的煅烧煤矸石活性粉体材料颜色越红,其红色值(R值)也越高。煤矸石中炭和菱铁矿的氧化程度是影响煅烧煤矸石活性粉体材料颜色的主要原因。当黑色的炭脱除较充分、菱铁矿被氧化为赤铁矿时材料颜色较红,而炭脱除不充分、菱铁矿被氧化为磁铁矿时材料颜色较黑。     

机械力化学效应对煤矸石物理性能的影响

用高能行星磨对煅烧后煤矸石进行机械力化学活化,通过XRD、SEM和FI-IR分析,研究了粉磨过程中煤矸石的粒度、密度、形貌和显微结构的变化情况.结果表明:煤矸石属于易磨性物质,极易细化,球磨处理后的煤矸石,颗粒表面光滑,高岭土晶相消失,α-石英结晶程度降低,Al-O键和Si-O键键能和键结构发生了明显的变化,煤矸石活性提高.     

煤矸石集料混凝土抗压强度及耐久性能

以煤矸石-普通碎石混合作为粗集料制备了一系列混凝土试样,其中煅烧和未煅烧煤矸石等量替代普通碎石的掺量为0%、30%、50%、70%和100%,探究了煤矸石粗集料掺量和700℃煅烧对混凝土抗压强度、快速氯离子渗透、抗碳化性能和抗硫酸盐侵蚀性能的影响,并借助X射线衍射仪(XRD)观测矿物成分变化,利用扫描电子显微镜(SEM)观测微观结构。实验结果表明煤矸石作混凝土集料是可行的,最大掺量受混凝土设计强度和所处环境的限制。煤矸石与胶凝材料粘结处空腔的存在不利于混凝土抗压强度和耐久性能,但对固化氯离子性能有利。相比于掺未煅烧煤矸石的混凝土,掺煅烧煤矸石的混凝土的内部结构更致密,但煅烧煤矸石自身的缺陷导致其未获得较大优势。后续研究将致力于更大程度地激发煅烧煤矸石集料的活性以更好地发挥其优势。本研究为煤矸石的大宗高效利用提供试验基础和理论依据。     

低温增钙煅烧煤矸石水硬活性探讨

本文以萤石或无水硫酸钠为矿化剂,将徐州煤矸石在850℃进行增钙活化煅烧.采用XRD和f-CaO测定煅烧样的矿物组成和石灰石的消耗情况从而判断煤矸石的活化效果,发现矿化剂的掺入明显改善煤矸石的活性,尤其以萤石为矿化剂;掺加45%石灰石的物料煅烧后生成有良好水硬活性的C12A7和C2S,也有利于煤矸石活性的改善.     

聚合物填充改性用煤矸石填料的制备技术研究

聚焦聚合物填料的三要素(化学组成、尺寸、填料与聚合物的界面特性),提出将高温煅烧处理、机械破碎和填料表面改性处理相结合的组合技术路线，实验获得各处理阶段的关键技术参数。采用高温煅烧方式对煤矸石进行除碳及活化处理，通过TG/DSC、XRD、FT-IR和SEM等手段分析确定煅烧温度及其对煤矸石理化性质和微观结构的影响规律，同时揭示煅烧活化煤矸石的相关机制。随后，以煅烧后的煤矸石为原料，在机械破碎的同时添加硅烷偶联剂，一步直接制备小尺寸、表面改性的煤矸石填料，并通过FT-IR和SEM等手段考察硅烷偶联剂对煤矸石填料的表面改性、改性填料的粒径和分散状况。结果表明，煤矸石的最佳煅烧活化条件为500℃煅烧2h;通过“一步法”可以实现高效率制备小尺寸和表面改性煤矸石填料。     

煤矸石质硅铝基材料胶凝机理的研究

系统地开展了利用低温煅烧煤矸石为主要原料制备早期强度高、水化热低且具有良好固土特性的硅铝基胶凝材料的基础研究.采用结构分析的方法,运用高分辨固体核磁共振、液体核磁共振和红外光谱等分析手段研究了煤矸石和高岭石在煅烧、碱介质中溶出和胶凝过程中硅、铝配位的变化,结合其胶凝产物的物相、形貌和水化热,从结构、配位和物相转变的角度来研究煤矸石质硅铝基胶凝材料胶凝机理.揭示了煤矸石的煅烧过程就是铝氧八面体中铝的四配位转化以及铝氧四面体和硅氧四面体解聚过程的重要规律,其中铝氧八面体中铝的四配位转化是煤矸石产生胶凝活性的本源.证明了煤矸石和高岭石在煅烧过程中铝配位的变化与地质界Thompson定律相吻合.比较研究了煤矸石和高岭石的活性与其结构之间的关系,发现低于900℃煅烧煤矸石的红外光谱中,560cm-1附近吸收峰的强度与Si、Al离子的溶出量具有正相关性;五配位铝是偏高岭石具有高活性的主要原因.证明了由于一价和二价阳离子的存在,以高岭石为主要矿物的煤矸石在煅烧过程中没有出现五配位铝.通过对硅铝质物料Si2p、Al2p和Ols结合能与其胶凝材料力学性能之间关系的研究,提出用硅、铝电子结合能评价硅铝物料胶凝活性的新方法.深入研究了不同介质条件下煅烧煤矸石的溶出特性及其胶凝机理.研究表明:煅烧煤矸石在碱性溶液中是以单聚体硅酸根离子和单聚体铝酸根离子的形式溶出;(HO)3SiO-和Al(OH)4-的溶出证明硅铝基胶凝材料反应初期是硅氧四面体和铝氧四面体的再解聚过程,体现在反应后,27Al和29Si NMR谱的共振峰向低场偏移;以硅酸钾为溶出介质,煅烧煤矸石溶出渣29Si MAS NMR谱中-97.36×10-6共振峰的出现揭示了硅铝基胶凝材料胶凝过程中原位键合的作用;随着反应的进行,27Al和29Si NMR共振峰都向高场偏移,表明胶凝过程中与中心铝原子在次级配位圈上直接连接[SiO4]四面体数量增多以及反应产物中硅氧四面体聚合度的增加.根据胶凝过程中硅、铝配位的变化,提出了硅铝基胶凝材料原位键合的反应机理,并将胶凝过程概括为解聚过程、胶结过程、原位键合过程和缩聚过程.     

不同活化方法对煤矸石胶凝性能的影响

主要研究了煅烧和增钙煅烧这两种活化方法对煤矸石胶凝性能的影响,同时通过NMR方法从Si、Al 原子所处环境和相互间的关系角度上对煤矸石活化过程作结构层次的研究.     

煅烧煤矸石粉体材料活性评价方法的研究进展

煤矸石是煤炭开采和加工过程中产生的固体废弃物,将其应用于水泥基材料是煤矸石资源化的有效途径。本文综述了国内外关于煅烧煤矸石粉体材料活性的评价方法——强度评价方法、火山灰性试验方法和现代分析测试方法(XRD、IR、NMR和ICP-AES)。针对煅烧煤矸石活性材料在水泥基材料研究和应用中存在的主要问题,分析阐明了其高效应用于实际工程中的研究重点。为加快煤矸石在水泥基材料中的资源化利用,提出了一些参考性建议。     

活化煤矸石超细粉体的制备技术研究

采用高温煅烧与控制硅酸二钙晶相转变活化煤矸石及制备煤矸石超细粉体。用X射线衍射法对煤矸石及活化煤矸石的矿物组成进行了测定,煤矸石的主要矿物为莫来石(3Al2O3·2SiO2)与石英(SiO2),活化煤矸石的主要矿物为硅酸二钙(C2S)和七铝十二钙(C12A7);研究了影响硅酸二钙晶相转变的主要因素:钙硅比、煅烧温度、煅烧时间、样品冷却方式等,找出了有利于硅酸二钙晶相转变的最佳参数,有效消除阻止C2S晶相转变的干扰因素,煤矸石高温烧结料自粉化率达到100%,自粉化料平均粒径小于1.0μm。     

利用煤矸石制备超细氢氧化铝的试验研究

为探索煤矸石的高附加值和清洁利用,以内蒙古某地的煤矸石为原料,采用改良的碱石灰烧结法处理煤矸石,使煤矸石中的SiO2组分转化为CaSiO3,然后将烧结熟料水溶后所得到的NaAlO2溶液,经脱硅除杂及降低苛性比处理,利用碳酸化分解法制备超细氢氧化铝粉体。结果表明:煤矸石经加碱烧结后,熟料的Al2O3溶出率为81%;碳酸化分解法制备超细氢氧化铝粉体为结晶度和分散性较好的拜耳石,颗粒尺寸大多在300~500 nm之间。     

微波辐照活化煤矸石-硅酸盐水泥体系试验研究

通过宏观试验和扫描电镜(SEM)微观测试分析技术研究了微波辐照活化煤矸石及掺量对硅酸盐水泥体系的细度、凝结时间、体积安定性、火山灰活性和强度等性能的影响,结果表明,大掺量微波辐照活化煤矸石对硅酸盐水泥体系各项技术性能无不良影响;微波辐照活化煤矸石硅酸盐水泥在水化硬化过程中有微膨胀,但体积安定性满足国家相关规范要求;在煤矸石中添加少量CaO利用微波技术可获得质地优良的水泥辅助性胶凝组分;与常规热活化煤矸石方法相比微波辐照活化煤矸石的节能和生产成本降低效果十分显著。     

活化煤矸石制备路基充填材料的探讨

为解决路基采空区塌陷治理,以及煤矸石资源化利用的难题,分析了物理活化对煤矸石胶凝活性的作用规律,利用煤矸石协同矿粉制备路基充填材料,并对其流变特性、凝结时间、抗压强度、吸水率等工作性能进行测试.实验结果表明:随煤矸石掺量的增加,浆液流动度增大,凝结时间延长,结石体强度逐渐降低.当煤矸石掺量为30％～40％时,煤矸石-矿...     

冻融环境下煤矸石混凝土损伤度评估方法研究

本研究对不同取代率的煤矸石粗集料混凝土冻融后的损伤演化行为及损伤评估方法进行了研究,依据超声波评测法确定损伤层厚度,并对冻融后煤矸石混凝土的抗压强度、损伤层厚度、损伤层特征值的变化规律进行分析;提出以便于工程检测的损伤层作为煤矸石混凝土冻融损伤的评价标准,并通过考虑损伤区域材料的残余强度对所测得的损伤层进行修正。研究结果表明:随着冻融次数的增加,煤矸石混凝土的抗压强度与损伤层特征值逐渐减小,损伤层厚度逐渐增大;引入损伤层修正系数后,冻融损伤度评估结果的精确性显著提高,且随着冻融次数的增加,修正系数逐渐增大,反映出损伤区域材料的残余强度不断减小,实际损伤度逐渐增大的演化行为。     

窄条带充填开采煤柱-矸石耦合力学特征分析

为了深入研究充填开采煤柱、矸石之间的相互作用关系,对碎矸体与巷采煤柱形成的组合结构在上覆岩层荷载作用下的力学机理进行了研究,形成了充填碎矸体对煤柱提供侧向约束力时的煤柱稳定性理论。结合晓楠煤矿工程实例,对不同采留比、不同碎矸体压缩率等充填效果进行了研究,研究结果对充填开采工程实践具有指导意义。     

硫铝酸钙-贝利特水泥熟料的低温制备及其水化性能研究

以煤矸石、脱硫石膏、石灰为主要原料,采用水热合成-低温煅烧方法制备了硫铝酸钙-贝利特水泥熟料,通过X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)等分析了水热合成物、煅烧试样及水化产物的矿物相,利用等温量热仪测定了水泥早期水化放热随时间的变化,并测定了水泥的力学性能。结果表明:在120℃下水热合成前驱体后再经煅烧,可在1 050℃低温下制成硫铝酸钙-贝利特水泥熟料。与一步法相比,该低温水泥的早期水化放热速率较高。当水泥中的二水石膏掺量为13%(质量分数)时,水泥1d、28d的抗压强度分别为30.2 MPa和57.3 MPa,28d的水化产物主要为长纤维状的AFt。