基于煅烧煤矸石的复合水泥强度研究.pdf

刘渊：基于燈烧煤研石的复合水泥强度研究设计研究中图分类号：TQ172.6基于烧煤研石的复合水泥强度研究文献标志码：B文章编号：1 0 0 7-0 3 8 9(2 0 2 3)0 4-1 9-0 2【D0110.13697/ki.32-1449/tu.2023.04.006刘渊 中国中材国际工程股份有限公司(南京),江苏南京2 1 1 1 0 0 摘要：以低品位煤研石为原料，制备了添加烧煤研石、燈烧煤研石和石灰石复配料的复合水泥，研究了烧煤研石掺量对水泥抗压强度的影响。结果表明燈烧煤研石具有明显的火山灰活性，掺入量达到3 0%时，2 8 d强度活性指数仍达到8 7%；石灰石的掺入，对复合水泥的强度发展起到了抑制作用，增加复配料中燈烧煤研石的比例，可在一定程度上改善水泥强度。关键词：碳减排；煤研石；辅助胶凝材料；抗压强度Strength investigation of composite cement prepared with calcined coal gangueLiu Yuan(Sinoma International Engineering Co.,Ltd.(Nanjing),Nanjing 211100,China)Abstract:Composite cement with calcined coal gangue,calcined coal gangue and limestone compound was prepared by using lowgrade coal gangue as raw materials.Effects of calcined coal gangue content on the compressive strength of cement were investigated.Results show that calcined coal gangue shows obvious pozzolanic activity.Compressive strength activity index of the composite cementat 28 d still reaches 87%even when the dosage reaches 30%.The addition of limestone inhibits the strength development of the com-posite cement.The compressive strength of the composite cement can be slightly improved by increasing the proportion of calcined coal gangue in the compound.Key words:carbon emission reduction;coal gangue;supplementary cementitious materials;compressive strength石，其烧失量在1 0%左右，Al,0，含量在2 0%左右，累0前言计库存达45亿t，如此大量的固体废弃物不仅占用国外如古巴和印度的研究机构对石灰石和烧大量土地，还存在易引发地质灾害和导致土地退化黏土复合水泥(Limestone calcined clay cement，LC)的风险。本文以邯郸某地低品位煤研石为研究对体系做了大量深入的研究-=。相关研究表明，黏土象，研究了在不同掺量下，熳烧煤研石、石灰石对基经过高温熳烧和机械粉磨等处理后，黏土中的高岭准水泥抗压强度的影响，为煤研石资源化利用提供石的晶相结构发生变化,形成了具有较强火山灰活参考。性的偏高岭石。用烧黏土（Supplementaryce-1实验原材料及方法mentitiousmaterials，S C M s）替代部分水泥熟料，能协同硅酸盐水泥水化,相较于普通硅酸盐水泥,其早期强度稍有所降低,但中后期强度明显增强 5。LC3水泥具有较低的水泥熟料系数，另外黏土熳烧分解不产生CO2，仅燃料燃烧产生少量的CO2,是极具应用前景的水泥行业碳减排技术。煤研石通常为高岭岩型研石，由碳、高岭土、碳酸盐、石英等组成，因其含有一定量的高岭土，也被称为煤系高岭土，属于低品质黏土的一种，烧后形成的偏高岭土具有较好的火山灰活性，与燜烧黏土相似，同样可用于制备LC3水泥。鉴于熳烧煤研石作为低碳水泥辅助胶凝材料的潜力，科研工作者做了大量的研究工作 7-1 0 1。不过，目前研究对象普遍是高品位煤研石，其烧失量大于1 0%，Al,0，的含量大于3 0%，以此制备的活化煤石-石灰石复合水泥的力学性能较优，对于低品位煤研石应用的相关研究较少。国内很多地区堆存着大量品位较为一般的煤研水泥工程2023年第4期1.1原材料基准水泥：PI42.5硅酸盐水泥，煤研石：河北省邯郸市某煤矿的煤研石（图1），Al,0,含量为22.04%，石灰石：河北某水泥厂石灰石。将块状煤石样品破碎后放人匣钵中，使用马弗炉进行烧，升温至8 50，保温2 h后将样品取出自然冷却，熳烧样品见图2。随后用球磨机粉磨直至比表面积达到550 m/kg，样品见图3。石灰石样品用球磨机粉磨至比表面积为550 m/kg。煤研石、石灰石化学分析检测结果见表1。缎烧前图1 煤研石原料缎烧后图2 烧煤研石-19-设计研究刘渊：基于燈烧煤研石的复合水泥强度研究石的掺量为1 0%时,试验水泥的各龄期抗压强度均略高于标准水泥,其3 d、2 8 d 活性指数（试验水泥与标准水泥的抗压强度比值)为1 0 1%,抗压强度高于42 5R标号硅酸盐水泥（GB1752007)的要求；随着烧煤研石掺量的增加，试验水泥的抗压强度呈减小趋势；当掺量为2 0%、3 0%时，3 d活性指数下降至7 0%左右，但2 8 d活性指数约8 7%，仍保持较高30.8的活性；当掺量达到50%时，试验水泥各龄期抗压图3煤研石烧粉磨样品表1化学分析检测结果试样烧失量w(Sio,)w(Al,O,)w(Fe,O,)w(CaO)w(MgO)煤石17.9752.70石灰石43.480.571.2配合比水泥净浆配合比（以质量百分比表示）见表2。表2 水泥净浆的配合比%编号水泥燈烧煤石PC100PM1090PM2080PM3070PM5050PM10L585PM 20L1070PM30L1555PM 22.5 L7.570PM 24 L6701.3试验方案及测试方法为了系统研究燜烧煤研石制备辅助性胶凝材料的活性，按照表2 的配合比制备水泥净浆。参照标准GBT17671一2 0 2 1 进行胶砂强度测试，采用40mmx40mm160mm棱柱试体,选定在2 0 标准温度下进行饱水养护，到试验龄期时进行抗压强度测试，图4所示为试块照片。图4试块照片2结果与分析2.1燜烧煤研石掺量对水泥强度的影响图5显示了不同比例熳烧煤研石掺入后，试验水泥在不同龄期的抗压强度。可以看到，当烧煤水泥工程2023年第4期-20-强度显著下降。%6053.822.042.170.260.1801020305010203022.52454.50.610.8254.370.82石灰石00000510157.563d128d50F46.8402220100PCPM10PM20PM30PM50图5缎烧煤研石掺量对水泥抗压强度的影响2.2熳烧煤研石与石灰石复配料掺量对水泥强度的影响M.Antoni等人的研究表明,LC3水泥水化反应机理可简述为：在存在过量钙离子的水溶液中，1mol偏高岭土与1 mol碳酸钙(石灰石)可反应生成1mol单碳铝酸盐水化物。故从化学反应计量系数来看，偏高岭土与碳酸钙的物质的量比应维持在1：1,此时偏高岭土和碳酸钙的质量比近似为2：1。试验考察了熳烧煤研石和石灰石质量比为2：1 时，不同复配料掺量对试验水泥不同龄期抗压强度的影响，试验结果见图6。53.85040302220100PC图6 烧煤石和石灰石复配料掺量对水泥强度的影响由图6 可以看出，随着掺量的增加，试验水泥的28d抗压强度逐步下降；当烧煤研石和石灰石复(下转第2 8 页)46.722.316.546.827.121.7PM10L5PM20L10PM30L1516.240.610.5网3 d128d35.80生产技术张冬冬，等：水泥窑协同处置生活垃圾的技术要点分析4吴晓六，张冬冬.协同处置固废过程中窑尾烟气HCI的达标排放 J.水泥技术,2 0 2 2(0 4):7 2-7 5.5李波,蔡玉良,杨学权,等.水泥窑处置城市生活垃圾后续产品中重金属的浸出迁移性研究 C.中国水泥协会环保和资源综合利用专业委员会成立大会会议文集，2 0 11:149-152.6徐化,马玉锋，潘淑萍,等.水泥窑协同处置垃圾衍生燃（上接第2 0 页）配料掺量为15%时，3 d和2 8 d强度活性系数分别为123%和8 7%；当烧煤石与石灰石复配料掺量为45%时，2 8 d抗压强度仅有3 5.8 MPa，3 d 龄期的样品强度太低，样品未成型故无检测数据。2.3熳烧煤歼石和石灰石复配比例对强度的影响基于文献提供的理论信息，偏高岭土与碳酸钙的物质的量比应维持在1：1,但煤研石属于低品质黏土，其高岭土含量低且不稳定，故当烧煤石和石灰石质量比为2：1时，偏高岭土和碳酸钙的实际物质的量比低于1:1。因此固定水泥配比为7 0%，考查了熳烧煤石和石灰石复配比例对抗压强度的影响，寻求采用低品位煤研石制备LC3水泥时的最优配比，试验测试结果见图7。46.743.03022.42016.2100PM30图7 烧煤研石和石灰石复配比例对水泥强度的影响由图7 可知，当提升烧煤石与石灰石比例时，强度有一定程度的提升，其中样品PM24L6的抗压强度也高于42 5R标号硅酸盐水泥的技术要求。说明对于低品位煤石，在配比过程中应适当提高烧煤研石用量，以免过量的石灰石对水泥水化后期强度产生抑制作用。另外，在总掺量相同的情况下，单掺熳烧煤研石样品的抗压强度优于烧煤石和石灰石复配样品的抗压强度。3结论以河北邯郸较低品质的煤研石为原料，制备了添加烧煤研石、烧煤研石和石灰石复配料的复水泥工程2023年第4期-28-料对烟气污染物排放及熟料品质的影响 J.环境污染与防治,2 0 19,41(11):12 7 3-12 7 7+12 8 5.（收稿日期：2 0 2 3-0 2-2 2)合水泥,并对其抗压强度进行了测试和分析，主要结论如下：（1）烧煤研石具有明显的火山灰活性,即使熳烧煤研石掺量达到3 0%时，制备的水泥试体仍具有较高的强度，2 8 d强度活性指数为8 7%。（2）对低品位烧煤研石，石灰石的掺入对水泥的强度发展起到了抑制作用，适当增加复配料中殿烧煤研石的比例，可在一定程度上改善水泥强度。参考文献1 Allan,Blanchard,Nikolai,et al.Calcined clay limestone ce-mentsC.2 S.Sanchez Berriel,A.Favier,E.Rosa Dominguez,et al.As-sessing the environmental and economic potential of Limestone3d128d43.240.621.421.7PM24L6PM22.5L7.5PM20L10Calcined Clay Cement in CubaJ.Journal of Cleaner Produc-tion,2016,124:361-369.3 S.Krishnan,A.C.Emmanuel,V.Shah,et al.Industrial Pro-duction of Limestone Calcined Clay Cement(LC)-Experienceand InsightsJ.Green Materials,2018.4 Y.Zhang,T.C.Ling.Reactivity activation of waste coal gangueand its impact on the properties of cement-based materials-AreviewJ.Construction and Building Materials234.5 M.Antoni,J.Rossen,F Martirena,et al.Cement substitutionby a combination of metakaolin and limestoneJ.Cement&Con-crete Research,2012,42(12):1579-1589.6 Jiayan Li,Jinman Wang.Comprehensive utilization and envi-ronmental risks of coal gangue:A reviewJJ.Journal of CleanerProduction,2019,239:117946.7 Zhao Cao,Yongdan Cao,Hongjuan Dong,et al.Effect of cal-cination condition on the microstructure and pozzolanic activityof calcined coal gangueJ.International Journal of Mineral Pro-cessing,2016,146:23-28.8袁帅.煤研石悬浮熳烧活化制备熳烧高岭土基础研究D.东北大学,2 0 19.9裘国华.煤研石、尾矿代粘土匹配低品位石灰石燈烧水泥熟料试验研究 D.浙江大学，2 0 12.10罗凯，李军，曾计生，等.活化煤研石-石灰石复合水泥的性能研究 J.武汉理工大学学报，2 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