固废煤矸石的活化及其对混凝土力学性能的影响.pdf

2 0 1 3年 第 6 期 (总 第 2 8 4 期 ) Nu mb e r 6 i n 2 0 1 3 ( To t a l No 2 8 4) 混 凝 土 Co nc r e t e 原材料及辅助物料 M ATERI AL AND ADM I NI CLE 固废煤矸石的活化及其对混凝土力学性能的影响 蔺喜强 ， ，王栋民 z ，冯建华 ，张涛 ，霍亮 ， ，智艳飞 ( 1 中国建筑股份有限公司 技术中心，北京 1 0 1 3 0 0 ；2 中国矿业大学( 北京) ，北京 1 0 0 0 8 3 ) 摘要 ： 研究表明热力活化和机械活化方法能够有效的提高煤矸石 的活性。 煤矸石 的最佳活化煅烧温度为 9 0 0， 煅烧后的煤 矸石具有良好的易磨性 ， 粉磨至 比表面积 5 5 0 m 2 k g 左右为宜 。 高温煅烧使煤矸石结构膨胀及部分成分挥发 ， 出现较为明显的颗 粒状结构并伴有一定的孔洞结构。 煤矸石掺合料的需水量较粉煤灰和矿粉高 ， 煅烧煤矸石粉对混凝土有早期的增强作用 ， 且具有 后期的强度增长保持能力 ； 其活性介于粉煤灰和矿渣之间 ， 比较接近矿渣。 关键词 ： 固体废弃物 ；煤矸石 ；热力活化 ；机械活化 ；力学性能 中图分类号 ： T U5 2 8 0 4 1 文献标志码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 3 ) 0 6 0 0 5 8 0 4 Ac t i v a t i on o f g a n gu e a n d i t s i m p a c t o n t h e m e c h a n i c a l p r o p e r t i e s o f c o n c r e t e LI N Xi q i a n g ， WANGDo n ni n2 , FENG J i a n hu a1 ZHANG T a o ， HUO Li a n g ， ZHIYa nf e i ( 1 T e c h n o l o g yC e n t e r o f C h i n a S t a t e C o n s t r u c t i o n C o ， L t d ， B e i j i n g 1 0 1 3 0 0 ， C h i n a ； 2 C h i n a U n i v e r s i t y o f Mi n i n g a n d T e c h n o l o g y ， B e i j i n g 1 0 0 0 8 3 ， C h i n a ) Ab s t r a ct： R e s e a r c h s h o w e d t h a t t h e r ma l a c t i v a t i o n a n d me c h a n i c a l a c t i v a t i o n me t h o d c o u l d e f f e c t i v e ly i mp r o v e t h e a c t i v i ty o f c o a l g a ng ue 9 0 0 i s the o pt i mu m t e mpe r a t u r e o f h i g h t e mp e r a t ur e a c t i v a t i o n o f g an g u e i t h a d e a s y p o wde r g r i n d i ng c h a r a c t e r i s t i c s a f t e r c a l c i n i n g an d g r i n d i ng t o the s pe c i fic s u r f a c e a r e a o f 5 5 0 m2 kg wa s the b e s t T he gangu e s t r u c t u r e e x pa ns i o n a n d s o me o f t he i n gre d i e n t s v o l a t i l e a nd a p pe a r o b vi o u s g r a n u l a r s t r u c tur e a nd a s s o c i a t e d wi th c e r t a i n ho l e s t r uc t u r e a fte r h i g h t e mp e r a tur e c a l c i n a t i on Co a l g a ng u e a d mi x t u r e o fwa t e r d e ma nd mo r e tha n fly a s h and mi n e r a l p o wd e r ， c a l c i n e d c o a l g a n g ue po wd e r t o pr omo t e t h e e a r l y s t r e ng t h o fc on c r e t e i n c r e a s e d ， a n dh a dthe s t r e n g t h r e ma i n s a b i l i ty i nthel a t e Th ea c t i v eb e t we e nfl ya s h a n d s l a gb e tw e e n ， c l o s e r t ot h ea c t i v i ty o f s l a g Ke y w or ds： s o l i d wa s t e ； c o a l g an g u e； the r ma l a c t i v a t i on； me c h an i c a l a c t i v a t i o n； me c h a n i c a l p r o pe r t y 0 引言 煤矸石是煤炭生产 、 加工过程 中产生 的固体废物 ， 是 煤 的共生资源 ， 成煤过程 中与煤伴生 、 灰分通常大于 5 0 、 发热量一般在 3 5 8 3 m J k g 范围内的一种碳 质岩石 。 煤矸 石的主要矿物是高龄石 、 绿泥石等黏土矿物与 仅 一 石英 ， 主 要化学成分为 S i O ： 、 A 1 O ， 、 F e 2 0 等 ， 经活化处理后 ， 黏土矿 物分解成无定形 的 S i O 和 A l 0 物质使其具有一 定的活 性I l _ 2 1。 煤矸石活化的方法 主要有热活化 、 化学活化 、 机械活 化三种 。 其中煅烧煤矸石 的作用 ： 一是 除去煤矸石中的碳 ； 二是煅烧后煤矸石发生脱水和分解 ， 生成偏高岭石和无定 形的二氧化硅及氧化铝。 煤矸石活化及应用已经进行了大 量研究， 王培铭3 、 王栋民问 等对热激活煤矸石的火山灰活 性进行了研究， 表明煅烧能够提高煤矸石的火山灰活性。 陈龙德【 研究表明 ， 煅烧煤矸石易磨性优于熟料和矿渣。 张 长森同 等用磨细 自 燃煤矸石代替水泥配制的混凝土进行研 究 。 本试验通过热活化和机械活化两种方法对煤矸石进行 活化 ， 并研究了对混凝土的力学性能的影响。 1 原材料及试验 方法 1 1 原材料 水泥 ： 试验用水 泥为北京琉璃河水泥有 限公司产琉璃 河 P O 4 2 5 级水泥及水泥熟料 ， 水 泥熟料 的化成成分 如 表 1 所示。 活化煤矸石： 选用 5 I n l T l 以下北京房山区的软质煤矸石 煅烧粉磨制得。 活化煤矸石粉、 粉煤灰、 矿粉化学成分见表 2 。 砂 ： I I 区中砂 ， 细度模数 2 7 8 ， 含泥量 1 2 6 ， 低碱活性。 石： 卵碎石 ， 5 2 5 m m连续级配， 压碎指标 5 ， 针片状 含量 3 6 ， 低碱活性 。 超塑化剂： 天津雍阳聚羧酸高效减水剂。 表 1 水泥熟料的主要化学组成 收稿 日期 ：2 0 1 2 1 2 1 2 基金项 目：中建股份( C S C E C 2 0 1 0 Z 0 1 ) 58 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 表 2 煤矸石 、 粉煤灰及矿粉的主要化学组成 1 2试 验 方 法 煤矸石于马弗炉 中在不 同温度下煅烧 ， 保温 2 h后置 于空气 中快速冷却 ， 再经试 验室小型球磨 机粉 磨不 同的 时间。 采用勃氏比表面积仪测量磨细煤矸石的比表面积。 采用 L S P O P ( I I I ) 型激光粒度分析仪分析煅烧磨细煤矸石的 粒度分布。 胶砂强度试验按照 G B 1 7 6 7 1 - - - 9 9 9 胶砂强度检验 法 ( I S 0法 ) 进行 。 混凝土力 学性能试验按照 G B T 5 0 0 8 1 2 0 0 2 普通混凝土力学性能试验方法 标准进行测定 ， 混 凝土拌合物的工作性按照 G B T 5 0 0 8 0 - - - 2 0 0 2 普通混凝土 拌合物性能试验方法标准 进行测定。 微观结构特征测试 采用 日立公 司 S 3 4 0 0 型扫描 电镜 能谱分析仪观察分析 试样微观形貌。 2 试验 结果与讨论 2 1 煅烧温度对煤矸石活性的影响 煤矸石中的S i O ： 、 A 1 2 0 ， 和 F e 2 0 含量较高， 与黏土的化 学成分相似， 故可代替黏土与石灰石、 铁粉及硅质胶等原 料一起配料烧制水泥 。 将煤矸石分别在 8 0 0 、 9 0 0 、 1 0 0 0 的高温下煅烧并保温 2 h ， 将未煅烧的磨细煤矸石和经各不 同温度煅烧的磨细煤矸石以 3 0 的掺量分别掺入水泥熟 料、 石膏制成煤矸石水泥。 按 I S O法制成胶砂， 其强度试验 结果见表 3 。 表 3 煅烧温度对煤矸石活性的影响 3 2 8 养护龄期 ， d 图 1 煅烧温度对煤矸石活性的影响 由表 3 和图 1 可以看出， 纯熟料水泥胶砂不管是抗折强 度还是抗压强度在2 8 d 时均高于掺加活化煤矸石粉的组别， 说明煅烧火化后的煤矸石粉 的活性比较水泥熟料低。 对 比三 组不 同温度煅烧煤矸石水泥胶砂强度 ， 其 中在 9 0 0下煅烧 过的煤矸石具有较好的、潘 眭， 抗折和抗压强度与纯熟料水泥 胶砂 的最为接近。 此时， 2 8 d 抗压强度 4 9 9 MP a ， 为纯熟料水 泥的 8 7 ； 抗折强度 8 8 MP a ， 为纯熟料水泥的 9 4 。 对煅烧 过程 的研究还发现 ， 就试验用马弗炉而言， 煅烧材料 中细粉 料和颗粒料混合装入比两者单一装入的煅烧效果要好。 2 2 粉磨 时 间对煤矸 石活性的影响 通过试验确定 在 9 0 0下煅烧 的煤 矸石具有较好 的 活性 。 所以选取此 温度下煅烧并保温 2 h 所得煤矸石进行 粉磨 。 利用粉磨 l 0 、 1 5 、 2 5 、 3 5 mi n后所得煤矸石制备煤矸 石水 泥 ， 并制作胶砂 。 表 4 、 图 2为粉磨 时间对煤矸石性能 及胶砂强度的影响。 表 4 粉磨时间对煤矸石性能的影响 由表 4 、 图 2 可以看出， 经 9 0 0 煅烧后的煤矸石具有 良 好 的易磨性 ， 粉磨 1 0 m i n比表面积就 可以达 到 4 0 0 m k g ， 随着粉磨时间的延长， 比表面积不断增加 ， 同时煅烧磨细 煤矸石的活性也不断增加。 其中粉磨 1 5 m i n 后的煤矸石 水泥胶砂强度比粉磨 1 0 mi n 后的有较大的提高， 而当粉磨 时间增加到2 5 m i n 后， 比表面积变化的速率则变小 ， 尽管 比表面积达到了 7 0 0 m 2 k g ， 但相比粉磨 1 5 mi n的煤矸石的 强度提仅 3 - 3 MP a 。 考虑能耗及实际使用 的需要 ， 1 5 mi n的 粉磨时间做达到的比表面积比较适宜于制备水泥和混凝 土掺合料。 胶砂强度试验， 可以确定煅烧磨细后的煤矸石粉 可以用作混凝土矿物掺合料 。 2 3 热活化煤矸石微观形貌 煤矸石自身中有残余煤颗粒、 高岭石、 绿泥石、 云母等 多种矿物相。 在高温煅烧情况下， 随着这些矿物相的分解和 S 9 如 如 加：2m 5 0 苫 嚼出辖 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 日 、 鼎 出 d 、 醴 培 养护龄期 ， d 图 6 掺合料对 C 4 0混凝土强度的影响 养 护 龄 期 ， d 图 7 掺合料对 C 6 0混凝土强度的影响 掺人煤矸石后 ， 混凝 土用水量随矸石粉量 的增加而增大 ， 其 各龄期抗压强度 随掺量的增加呈现先增大后减小 的趋势。 煤矸 石与矿粉 、 粉煤灰对 比性试验研究证 明 ， 矸石混 凝土 需水量 矿粉 粉煤灰混凝 土的需水量 ， 但早期强度高于 粉煤灰 ， 与矿粉相差不多 ， 后期亦有较大 的增长。 活化煤矸石 在使用过程中既有早期的增强作用 ， 又有后期的强度增长保 持能力。 水化早期 ， 活性 A l 2 0 与水泥水化产生的 C a ( O H) 反应 生成钙 矾石 ， 可促 进水泥水 化 ； 水化后 期 ， 其 含有 的 活性 S i O ： 可与水 泥水化产物 c a ( 0 H) 发生二次反应生成 C H S 凝胶 ， 水化后胶凝相的孔结构更加合理。 上接第 5 7页 【 5 AL J AB RI K S， HI S A DA M， AL O RAI MI S K， e t a 1 C o p p e r s l a g a s s a n d r e p l a c e me n t f o r h i g h p e r f o r ma n c e c o n c r e t e J C e me n t C o n c r e t e C o m p o s i t e s ， 2 0 0 9 ( 3 1 ) ： 4 8 3 4 8 8 【 6 唐达高 铜尾矿在水泥生产中的应用研究 中国资源综合利 ，2 0 0 5 ( 1 0 )： 1 7 2 0 【 7 】付江盛， 成岳， 王淑梅 ， 等铜矿尾砂制备土聚水泥的试验研究叨 硅酸盐通报， 2 0 0 8 ， 2 7 ( 2 ) ： 3 0 1 3 0 6 8 8 A L P A I ， D E V E C I H， S U N G U N H U t i l i z a t i o n o f fl o t a t i o n w a s t e s o f c o p p e r s l a g a s r a w ma t e r i a l i n c e me n t p r o d u c t i o n J J o u r n a l o f Ha z a r d o u s Ma t e r i al s 。 2 0 0 8 ( 1 5 9 ) ： 3 9 0 3 9 5 9 】 饶春如， 肖国先， 郜志海， 等 泥熟料 的研究叨苏州科技学院学报： 工程技术版， 2 0 0 9 ， 2 2 ( 4 ) ： 3 7 - 4 0 【 1 0 Q I U G H， L U O Z Y， S H I Z L ， e t a 1 U t i l i z a t i o n o f c o a l g a n g u e a n d c o p p e r t a i l i n g s a s c l a y f o r c e me n t c l i n k e r c a l c i n a t i o n s J J o u r n a l o f W u h an Un i v e r s i t y o f Te c h n o l o g y - Ma t e r Sc i Ed ， 2 01 1 ： 1 2 0 5 -1 21 0 【 1 l l MO U R A W A， L I M A M B C o p p e r s l a g w a s t e a s a s u p p l e me n t a r y c e m e n t i n g m a t e r i al t o c o n c r e t e J J o u r n al o f M a t e r i a l S c i e n c e ， 2 0 0 7 ( 4 2 ) ： 2 2 2 6 2 2 3 0 1 2 A L J A B R I K S ， A L S A I D Y A H， T A H A R E f f e c t o f c o p p e r s l a g a s a f i n e a g g r e g a t e o n t he p r o p e r t ms o t c e me n t mo r t a r s a n d c o n c r e t e J C o n s t r u c t i o n a n d B u i l d i n g M a t e r i a l s ， 2 0 1 1 ( 2 5 ) ： 9 3 3 9 3 8 f 1 3 AL J AB RI K S， HI S A DA M， AL S AI DY A H， e t a 1 P e r f o rm a n c e o f 3结 论 ( 1 ) 煤矸 石的最佳活化煅烧温度 为 9 0 0， 煅烧后 的 煤矸石具有 良好的易磨性 ， 最佳粉磨时间为 1 5 mi n ， 比表 面积达 5 5 0 m g 左右为宜。 ( 2 ) 煤矸石经过 9 0 0的高温煅烧其结构膨胀及成分 挥发， 出现较为明显的颗粒状结构并伴有一定 的孔洞结构 。 孔洞和颗粒状结构最适 于煤矸石活性作用 的发挥 。 ( 3 ) 煤矸石掺合料 的需水量较粉煤灰 和矿粉高 ， 在一 般混凝土 中活化煤矸石粉对混凝土工作性影 响小 ， 在高强 混凝 土中对混凝土工作性影 响较大。 煅烧煤矸石粉对混凝 土有早期 的增强作用 ， 且具有后期 的强度增长保持能力 ； 活 性介 于粉煤灰和矿渣之间 ， 比较接近矿渣。 参考文献 ： 【 1 】K A K A L I G， P E R R A K I T ， T S I N I L I S S ， e t a 1 T h e r m a l t r e a t m e n t o f k a o l i n t h e e f f e c t o f mi n e r a l o g y o n t h e a c t i v i t y J Ap p l i e d C l a y S c i e n c e ， 2 0 0 1 ( 2 0 ) ： 7 3 8 O 2 A RME S T O L， MER I NO J L C h a r a c t e r i z a t i 0 n o f s o me c o a l c o mb u s - t i o n s o l i d r e s i d u e s J F u e l ， 1 9 9 9 ， 7 8 ( 5 ) ： 6 1 3 - 6 1 8 【 3 J3董刚， 王培铭， 冯齐 热激活煤矸石的火山灰活性试验研究【 J J 建 筑石膏与胶凝材料 ， 2 0 0 4 ( 1 0 ) ： 9 - 1 1 【 4 J范德科， 王栋民 ， 罗小红 ， 等煤矸石的机械一 热力复合活化研究【J J 混凝土与水泥制品 ， 2 0 0 8 ( 6 ) ： 1 8 2 1 【 5 】陈龙德 煅烧煤矸石作混合材改善水泥性能、 降低生产成本【J J 福建建材 ， 2 0 0 0 ( 1 ) ： 2 4 2 5 6 张长森， 蔡树元， 等启 燃煤矸石作活性掺和料配制高强混凝土 的试验研究 J 】 混凝土与水泥制品， 2 0 0 4 ( 6 ) ： 1 0 1 2 h i g h s t r e n g t h c o n c r e t e ma d e wi t h c o p p e r s l a g a s a fi n e a g gre g a t e 田 C o n s t ruc t i o n a n d B u i l d i n g M a t e r i al s ， 2 0 0 9 ( 2 3 ) ： 2 1 3 2 2 1 4 0 1 4 WU W ， Z HA NG W D， MA G W O p t i mu m c o n t e n t o f c o p p e r s l a g a s a fi n e a g gre g a t e i n h i g h s t r e n gth c o n c r e t e J Ma t e ri a l s a n d D e s i g n， 2 0 1 0 ， 3 1 ( 6 ) ： 2 8 7 8 2 8 8 3 1 5 胡旭亮， 成岳， 苏晓渊 用偏高岭石、 铜矿尾砂、 粉煤灰生产土聚 水泥试验 环保科技 ， 2 0 1 0 ， 1 6 ( 4 ) ： 3 7 4 3 1 6 H U A N G X Y， N I W， C U I W H， e t a 1 P r e p a r a t i o n o f a u t o c l a v e d a e r a t e d c o n c r e t e u s i n g c o p p e r t a i l i n g s and b l a s t f u r n a c e s l a g【 J J C o n s t ruc t i o n a n d B u i l d i n g Ma t e ri a l s ， 2 0 1 2， 1 ( 2 7 ) ： 1 - 5 1 7 N A J I MI M， S O B H A N I J ， P O U R K H O R S H I D I A R D u r a b i l i t y o f c o p p e r s l a g c o n t a i n e d c o n c r e t e e x p o s e d t o s u l f a t e a t t a c k J C o n s t r u c - t i o n a n d B u i l d i n g M a t e r i a l s ， 2 0 1 1 ， 4 ( 2 5 ) ： 1 8 9 5 1 9 0 5 【 1 8 ON UAG UL U C HI g 0， ER E N O Re c y c l i n g o f c o p p e r t a i l i n g s a s a n a d d i t i v e i n c e m e n t m o r t a r s J C o n s t r u c t i o n a n d B u i l d i n g Ma t e ri a l s ， 2 0 1 2 ( 3 7 ) ： 7 2 3 7 2 7 作者简介： 周婷婷( 1 9 8 9 一 ) ， 女， 硕士研究生， 主要从事水泥混凝 土力学性能研究。 联系地址： 江苏省盐城市迎宾大道 9 号 盐城工学院东校区材料 科学与工程学院( 2 2 4 0 5 1 ) 联 系电话 ： 1 5 1 8 9 7 5 6 2 3 0 61 ：2 如 们 如 加 m 0 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m