機械粉磨對煤矸石質(zhì)膠凝材料活性的影響

張金龍

（北京科技大學(xué)，北京　100083）

機械粉磨對煤矸石質(zhì)膠凝材料活性的影響

張金龍

（北京科技大學(xué)，北京100083）

摘要：粉磨成不同細度的煅燒矸，與硅酸鹽水泥熟料和二水石膏和標準砂按比例混合制得砂漿，測其28天力學(xué)性能。借助XRD光譜衍射和SEM掃描電鏡手段，對不同細度的煤矸石進行微觀分析研究。結(jié)果表明：隨著煤矸石細度的增加，復(fù)合砂漿28天的力學(xué)性能呈先增大后減小的趨勢。機械粉磨可以減小煤矸石顆粒的細度，并使煤矸石中非活性石英的結(jié)晶度降低，活性物質(zhì)數(shù)量增加，提高煤矸石的膠凝活性。

關(guān)鍵字：煅燒煤矸石；機械粉磨；結(jié)晶度

0　引言

煤矸石綜合利用方面研究最廣泛的是熱活化制備復(fù)合膠凝材料，不僅降低水泥生產(chǎn)中的資源消耗，還實現(xiàn)水泥工業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。煤矸石礦物組成中的黏土礦物主要為高嶺石等，其必須經(jīng)過熱活化激發(fā)才會發(fā)揮出潛在的水硬特性。熱活化使黏土類礦物脫水分解，轉(zhuǎn)變成活性的硅鋁物質(zhì)，但僅僅依靠熱激活來提高煤矸石的膠凝活性是不夠的。有研究表明[1，2]：無機材料的化學(xué)反應(yīng)活性高低與微觀結(jié)構(gòu)缺陷程度、晶格畸變程度和無定形程度有關(guān)。郭偉[3]研究了機械力化學(xué)效應(yīng)對煅燒煤矸石活性的影響，發(fā)現(xiàn)在煅燒煤矸石的基礎(chǔ)上進行適當?shù)姆勰タ梢赃M一步提高其活性，摻入煤矸石水泥膠砂的強度明顯提高。試驗以某煤矸石為主要原料，在經(jīng)熱活化處理后，采用機械力粉磨對煅燒矸進一步活化，并結(jié)合宏觀和微觀手段對機械力活化煅燒矸做出研究分析。

1　試驗材料和方法

1.1試驗材料

所用實驗材料包括：煅燒煤矸石（原矸產(chǎn)自山西古交）、 吉港水泥（山西），標號42.5、二水石膏（天津），分析純、標準砂、純凈水。

1.2試驗方法

煤矸石在800℃下煅燒2h，冷卻后在轉(zhuǎn)速為260Mpr的pm-2行星式球磨機中按照球料比2.2進行粉磨。向磨機中外摻激發(fā)劑硅酸鹽水泥和二水石膏并低速混勻制成混合物料。在砂漿攪拌機中攪拌均勻制成砂漿，注入試模振動成型，帶模放入溫度為20±1℃，濕度為95%的養(yǎng)護箱中養(yǎng)護，24h后脫模養(yǎng)護，測定試件28d的強度。膠砂強度的測定參照GB/T 17671-1999。

2　試驗結(jié)果和討論

表1為不同粉磨細度下煤矸石水泥膠砂28天的強度。可見，隨煤矸石粒度尺寸的降低，-200目含量由90.40%增加至99.53%，-500目含量由66.88%增加至89.80%，抗壓強度呈先增后減的趨勢。就體系強度發(fā)展來說，理論的最佳粉磨時間為60min，此工藝條件下28d的抗壓強度達到了42.66Mpa，力學(xué)性能優(yōu)于單純的硅酸鹽水泥體系。還可以看出，并非煤矸石的顆粒尺寸越小越好，經(jīng)粉磨顆粒的比表面積增大，雖增大顆粒水化反應(yīng)的接觸面積，但超過一定范圍，引起膠砂的流動性能下降，反而使膠砂的力學(xué)性能下降。

表1　不同粉磨時間下體系的物理性能

圖1為不同粉磨時間下煤矸石的XRD圖譜。可見，隨粉磨時間的延長石英的衍射峰逐漸弱化，如26.72°處的石英的衍射峰的強度分別為70883、63000、60167、54183、53500、53450、53333，這表明機械力粉磨作用使石英的結(jié)晶度降低，粉磨60min之前這種變化更明顯，60min之后趨于較小的變化幅度。在機械力粉磨作用下，煅燒矸中一些惰性物質(zhì)（如石英）的結(jié)晶程度降低，由非活性態(tài)變成活性態(tài)，這種變化有助于煤矸石活性的提高。

圖1　不同粉磨時間下煤矸石的XRD圖譜

圖2為粉磨顆粒的SEM顯微觀察。可見，粉磨矸顆粒的棱角清晰，表面不光滑。機械粉磨使得表面處石英顆粒的化學(xué)鍵發(fā)生斷裂，晶格無定形程度增加，這在一定程度上提高了非活性物質(zhì)石英的化學(xué)活性，增加了活性物質(zhì)的數(shù)量。粉磨使得煤矸石顆粒大都在20um以下，強化了顆粒在水化凝膠中的填充效應(yīng)，提高了煤矸石的膠凝活特性。

圖2　粉磨顆粒的SEM顯微觀察

3　結(jié)論

（1）在一定范圍內(nèi)，機械粉磨有助于提高煤矸石的活性，但并非無限。這源于強度是由活性物質(zhì)數(shù)量、水化接觸面積和砂漿物理性能等多方面決定。本試驗中隨著粉磨時間的延長，膠砂28天的抗壓強度呈先增大后減小的趨勢，在粉磨60min時，力學(xué)性能最佳。

（2）機械力粉磨可以改善非活性物質(zhì)石英的無定形程度，增加活性物質(zhì)的數(shù)量，提高了煤矸石的膠凝活性。

參考文獻：

[1]廉慧珍，張志齡，王英華.火山灰質(zhì)材料活性的快速評定方法[J].建筑材料學(xué)報，2001（03）：209-304.

[2]裴向軍，尹洪峰，楊小輝.水泥土環(huán)境中粉煤灰的活性及激發(fā)途徑[J].長春工程學(xué)院學(xué)報（自然科學(xué)版），2003（01）：35-39.

[3]郭偉，李東旭，陳建華等.熱活化與機械力活化對煤矸石膠凝性的影響[J].建筑材料學(xué)報，2011（03）：371-375.

作者簡介：張金龍，（1988—），男，現(xiàn)就讀于北京科技大學(xué)土木與環(huán)境工程學(xué)院礦物加工工程專業(yè)，在讀碩士研究生，研究方向：固體廢棄物資源化利用。