（道路与铁道工程专业论文）煤矸石作为水泥混凝土骨料可行性的基础研究.pdf

一 g d i s s e r t a t i o ns u b j e c t ： f e a s i b i l i t ys t u d yo fc o a lg a n g u ea s a g g r e g a t eo fc e m e n tc o n c r e t e s p e c i a l i t y ：m g h 佾? va n dr 亘g 竖! 叁ye g ! 盟e 垦塾亘丛鱼 s u p e r v i s o r s ：丕丛丛g 丑盥：堑里b q 墅壁s 曼q b d a t eo fs u b m i s s i o no fp a p e r ：2 q ! q ： t h es c h o o lo fc o n f e r r i n gd e g r e e ：旦垦! 丛鱼l 丛! 亚堕i d q e ! 基g 魁q 殴鱼y j i i 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：体碴整 导师签名： 摘要 摘要 煤矸石是煤炭行业发生的废物之一，发生量大、对环境有严重的污染。目前 我国现有煤矸石储量巨大，而且每年都在产生大量的煤矸石，对煤矸石不进行合 理的利用，将产生巨大的社会、经济和环境的损失。利用煤矸石生产集料来拌制 水泥混凝土，可以大量减少土木工程中对天然集料的使用量，具有较好的经济效 益和社会效益。 作为煤矸石再生利用的可能途径之一，煤矸石被破碎、分选后制成煤矸石骨 料，掺入水泥混凝土替代部分普通集料，生产煤矸石混凝土。本研究对煤矸石集 料基本物理性能和微观构造特征进行全面的试验分析，并对煤矸石混凝土力学性 能、微观孔结构及耐久性能进行对比分析，系统地研究了煤矸石集料的基本性能、 取代率等因素对煤矸石集料混凝土的宏观力学性能、微观孔结构及耐久性能的影 响规律。研究结果表明： ( 1 ) 煤矸石性能具有较大的波动性，不同地点的煤矸石集料性能不同，即 使是同一地点产生的煤矸石，其性能也存在较大的差异。 ( 2 ) 煤矸石集料化学成分主要是石英；在s e m 微观形貌中发现煤矸石集料 不如普通集料均匀、密实；煤矸石集料与普通集料的微观孔结构存在较大的差异。 ( 3 ) 煤矸石砂浆孔结构具有分形特征，在一定条件下，孔分形维数可以评 定煤矸石砂浆孔结构特征；煤矸石砂浆强度与孔结构有一定关联关系，随着孔径 增大，孔隙率增加，孔分形维数减小，砂浆强度呈递减趋势；小于2 0 r i m 的无害 孔越多，大于1 0 0 n m 的大孔越少，煤矸石砂浆的抗压及抗折强度越高。 ( 4 ) 测试的各种煤矸石集料都为非碱活性集料；煤矸石掺量在一定范围内 时不会明显降低混凝土的抗渗性；随着煤矸石集料掺量的增加，混凝土的力学性 能并没有降低，但非引气混凝土的抗冻性能出现一定程度的下降；除了气泡间距 系数，煤矸石集料的吸水率也是影响煤矸石混凝土抗冻性能的重要因素之一，所 以，应结合气泡间距系数和集料吸水率，才能更确切地评定煤矸石混凝土的抗冻 性；煤矸石混凝土的水泥石一集料界面结构不同于普通混凝土。 对于煤矸石集料应用于水泥混凝土中，本研究对煤矸石的掺量、吸水率、压 碎值和针片状含量等指标提出了建议，以提高设计质量，保证结构安全。 关键词混凝土；煤矸石；微观形貌；分形维数；耐久性 北京工业大学_ t 学硕士学位论文 a bs t r a c t c o a lg a n g u ei saw a s t e ，p r o d u c e di nc o a li n d u s t r y t h ea m o u n to ft h ec o a l g a n g u ei si n c r e a s i n gi no u rc o u n t r y ，c a u s i n gas e r i o u sp o l l u t i o no fe n v i r o n m e n t a t p r e s e n t ，al a r g en u m b e ro f c o a lg a n g u ei sg e n e r a t e de v e r yy e a r i fc o a lg a n g u ec a n tb e m a d er a t i o n a lu s e ，i tw i l lb eg r e a tl o s s e so fs o c i a l ，e c o n o m i ca n de n v i r o n m e n t a l p r o d u c i n gc e m e n tc o n c r e t ew i t hc o a lg a n g u ea g g r e g a t e ，c a l lg r e a t l yr e d u c et h ed o s a g e o fn a t u r a la g g r e g a t ei nc i v i le n g i n e e r i n g ，a n dh a sm a d eb e t t e re c o n o m i ca n ds o c i a l b e n e f i t s t h ec o a lg a n g u ea g g r e g a t ei so b t a i n e db yc r u s h i n ga n ds i e v i n gc o a lg a n g u e ，a n d i sp r o p o s e dt op r o d u c ec e m e n tc o n c r e t ei n s t e a do fp a r to fn a t u r a la g g r e g a t ei nt h i s s t u d y t h ep h y s i c a lp r o p e r t i e so fc o a lg a n g u ea g g r e g a t ea r ei n v e s t i g a t e df i r s t l y , a n d t h e nt h em i c r o s t r u c t u r ec h a r a c t e r i s t i c so fd i f f e r e n tk i n d so fc o a lg a n g u ea g g r e g a t ea r e a n a l y z e d t h em e c h a n i c a lp r o p e r t y , p o r es t r u c t u r ea n dd u r a b i l i t yo fc o n c r e t e c o n t a i n i n g c o a l g a n g u ea g g r e g a t ea r ea l s om e a s u r e d t h ee f f e c to ff u n d a m e n t a l c h a r a c t e r i s t i c sa n dc o n t e n to nm e c h a n i c a lp r o p e r t y , p o r es t r u c t u r ea n dd u r a b i l i t yo f c o a lg a n g u ea g g r e g a t ec o n c r e t ew a ss t u d i e dt h r o u g hal a r g en u m b e ro f l a b o r a t o r yt e s t s t h er e s u l t ss h o wt h a t ： ( 1 ) v o l a t i l i t yo fp r o p e r t i e so fc o a lg a n g u ec h a n g e sg r e a t l y t h ep e r f o r m a n c e so f c o a lg a n g u ea g g r e g a t e sa r eg r e a td i f f e r e n c e si nd i f f e r e n tl o c a t i o n s ，e v e na tt h es a m e l o c a t i o n ： ( 2 ) t h em a i nc o m p o s i t i o no fc o a lg a n g u ei ss i 0 2 t h es e me x p e r i m e n t si n d i c a t e t h a t ，p o r e s t r u c t u r eo fc o a lg a n g u e sa g g r e g a t ei sd i f f e r e n tf r o mt h a to fn a t u r a l a g g r e g a t e ，a n dt h em i c r o s t r u c t u r eo fn a t u r a la g g r e g a t ei sm o r eh o m o g e n o u st h a nt h a t o fc o a lg a n g u e sa g g r e g a t e ( 3 ) t h ep o r es t r u c t u r e so fc o a lg a n g u em o r t a rh a v et y p i c a lf r a c t a ln a t u r e f r a c t a l d i m e n s i o nc a na s s e s st h ec h a r a c t e r i s t i c so fp o r es t r u c t u r ei ns o m ec o n d i t i o n t h e s t r e n g t ho fc o a lg a n g u em o r t a rh a sac e r t a i nr e l a t i o nt ot h ep o r es t r u c t u r e t h el a r g e r p o r ed i a m e t e ro fc o a lg a n g u em o r t a ri s ，t h eb i g g e rp o r o s i t yo fc o a lg a n g u em o r t a ri s ， t h es m a l l e rf r a c t a ld i m e n s i o no fc o a lg a n g u em o r t a ri s ，t h el o w e rp e r f o r m a n c eo fc o a l g a n g u em o r t a rb e c o m e s w i t h 也ei n c r e a s eo fs m a l ls i z ep o r e sl e s st h a n2 01 1 ma n d d e c r e a s eo fl a r g es i z e p o r e sb e y o n d 10 0n l l l ，c o m p r e s s i v es t r e n g t ha n df l e x u r a l s t r e n g t ho f c o a lg a n g u em o r t a rb e c o m el a r g e r ( 4 ) a l k a l ir e a c t i v i t yo fa l lc o a lg a n g u ea g g r e g a t ei sn o n a c t i v e w i t h i nac e r t a i n r a n g e ，c o a lg a n g u ew i l ln o ts i g n i f i c a n t l yr e d u c ec o n c r e t ea n t i i m p e r m e a b i l i t y w i t h i l 位i n c r e 够eo fc o a lg a n g u e ，m e c h a n i c a lp e r f o r m a n c e o fc o n c r e t eh a sn o tb e e nr e d u c e d ， b u tf r o s tr e s i s t a n c eo fn o n m re n t r a i n i n gc o n c r e t eh a sb e e n r e d u c e dt os o m ee x t e m b e s i d e ss p a c i n g 胁o ro fa i rv o i d ，w a t e ra b s o r p t i o n o fa g g r e g a t ei sa n o t h e r 皿p o r t 狃t f a c t o rf o ra s s e s s i n gf r o s tr e s i s t a n c eo fc o n c r e t e t h e r e f o r e ，s p a c i n g f a c t o ro fa l rv 0 1 d c a na c c u r a t e l ya s s e s $ f r o s tr e s i s t a n c eo f c o n c r e t ec o m b i n i n gw i t hw a t e ra b s 呻p t l o no t a g g r e g a t e mi n t e r f a c es t r u c t u r eb e t w e e na g g r e g a t ea n dh y d r a t e s o fc o 掣g a l l g u e c o n c r e t ei sd i f f e r e n tf r o mo r d i n a r yc o n c r e t e f o r 妇c 0 2 l 1g 趾g u ea g g r e g a t eu s e di nc e m e n tc o n c r e t e ，t h i ss t u d yp u t st - o 州删 s o m es u g g e s t i o l l so nc o a lg a n g u ec o n t e n t , w a t e ra b s o r p t i o n ，c r u s h i n g i n d e xv 2 l l u e ， f l a k va n de l o n g a t e da g g r e g a t ec o n t e n ti no r d e rt oi m p r o v et h e d e s i g nq u a l l t ) ，8 n d g u a r a n t e et h es t r u c t u r es a f e t y k e yw o r d sc 。n c r e t e ，c 。a lg a n g u e ，m i c r 。- m 。r p h o l 。g y , f r a c t a ld i m e n s i o i l ，i l 砸b i n t ) r lillkllilllliiliiiiiliil-li 北京工业大学工学硕士学位论文 i v 1 1 2 研究的意义3 1 2 国内外研究现状一3 1 2 1 煤矸石用作燃料3 1 2 2 煤矸石用作建筑材料原料4 1 2 3 煤矸石用作建筑材料1 0 1 2 4 煤矸石的化工利用。1 l 1 2 5 煤矸石生产农肥及改良土壤1 3 1 2 6 小结1 4 1 3 主要研究内容1 4 1 4 本文技术路线1 5 第2 章原材料与试验方法1 7 2 1 原材料1 7 2 1 1 水泥1 7 2 1 2 煤矸石。1 7 2 1 3 普通细集料1 7 2 1 4 普通粗集料。l8 2 1 5 减水剂18 2 2 试验方法1 9 2 2 1 混凝土拌合物含气量试验1 9 2 2 2 混凝土抗压强度试验1 9 2 2 3 砂浆抗渗性试验。2 0 2 2 4 混凝土抗冻性试验2 0 2 2 5 硬化混凝土气泡特征参数试验。2 2 2 2 6 压汞测定细孔结构试验。2 6 2 2 7 扫描电子显微镜分析( s e m ) 2 7 2 2 8x 射线衍射分析( x r d ) 2 8 北京工业大学工学硕士学位论文 2 2 9 差热分析( d t a ) 2 9 2 3 本章小结_ 。31 第3 章煤矸石集料基本性能的实验研究3 3 3 1 引言3 3 3 2 煤矸石基本物理性能3 3 3 3 煤矸石微观性能：3 4 3 3 1x r d 分析3 4 3 3 2e d s 试验结果3 5 3 3 3 微观形貌分析3 5 3 - 3 4 差热分析试验结果3 6 3 3 5 孔结构分析3 7 3 。4 本章小结3 9 第4 章煤矸石砂浆的子l 结构与强度的关系4 l 4 1 引言4 1 4 2 原材料4 1 4 2 1 水泥、水和j l - 力n 剂4 1 4 2 2 集料4 1 4 3 煤矸石砂浆试验概述4 2 4 3 1 配合比4 2 4 3 2 力学强度4 3 4 3 3 煤矸石砂浆微观构造4 3 4 4 混凝土孔结构分维模型及m i p 确定孔分形维数的方法。4 4 4 5 砂浆孔结构与强度的关系4 6 4 5 1 煤矸石砂浆分形维数4 6 4 5 2 煤矸石砂浆分形维数与孔结构的关系4 8 4 5 3 煤矸石砂浆的强度与分形维数的关系。4 9 4 5 4 煤矸石砂浆的强度与孔径分布的关系。5 0 4 6 本章小结5 0 第5 章煤矸石集料混凝土耐久性研究5 3 5 1 引言5 3 5 2 实验概述5 3 5 2 1 原材料。5 3 5 2 2 试验方法。5 4 i i i i i 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 问题的提出与研究意义 根据中国煤炭资源网及中国煤炭地质总局数据显示，我国煤炭年产量不断 增长，如图1 1 所示： 根据全国煤炭地质行业统计数据显 州 示，中国煤炭地质总局自1 9 5 3 年成立以 粤 来，5 5 年中累计提交各类地质报告9 0 0 0掣z u 多件；累计查明煤炭资源量1 3 万多亿吨，登 占全国已查明资源储量的9 0 以上。完 q1 0 成了3 次全国煤田预测，预测全国煤炭资 源量5 5 7 万亿吨，煤炭资源丰富。 o 煤矸石是我国目前排放量最大的工 业固体废弃物之一【，年产量达到3 8 亿 吨，目前已累计堆放7 0 多亿吨。我国每 年的煤矸石排放量占当年煤炭产量的 1 5 至2 0 。 1 1 1 煤矸石带来的问题： 2 0 0 32 0 0 52 0 0 7 年份 图1 1 我国煤矸石年产量 f i g 1 1a n n u a lo u t p u to fc o a l g a n g u ei nc h i n a 1 1 1 1 侵占土地 我国煤矸石积存约7 0 亿吨，累计排放矸石山16 0 0 座，矸石山占用土地 3 5 - - 4 0 万公顷，且每年以0 2 - - 一0 5 万公顷的速度递增。大量占用土地面积，浪 费土地资源。我国大部分产煤区都存在着大量煤矸石山，如图1 - 2 所示。 1 1 。1 2 污染大气 当前，煤矸石在堆放及处理过程中不同程度地排放出对我国大气环境造成 污染的最主要、最具普遍影响的污染物有5 种：烟尘、二氧化硫、氮氧化物、 一氧化碳和总氧化剂。 1 1 1 3 污染水体 煤矸石对水体的污染，按发生的原因分为两种：一种是物理污染，另一种 是化学污染。煤矸石中的硫化矿物与水和大气可发生化学反应，其实质是硫化 矿物的氧化反应。从煤矸石山渗流出的水是混合盐类的溶液，产生的酸继续与 其他成分反应生成各种硫酸盐，被渗流水携带到地表水体中的酸实际上是酸性 盐的水解产物。如果矸石中含有较多的重金属矿物，重金属对水体产生毒性污 北京t 业大学工学硕十学位论文 染，其危害往往较重，但这类污染不具普遍意义。水体一旦遭污染，被污染的 水就直接或间接地通过人体食物链毒害人体并危及整个生态系统。 图l 一2 煤计石山 f i g 1 - 2c o a lg a n g u eh e a p s 1 1 1 4 污染土壤。 煤矸石中含有的多种非中性物质以及微量重金属等，通过淋溶、扬尘等方 式进入土壤，再通过径流、渗透等方式在土壤中扩散，造成一定区域内土壤酸 碱性的明显改变，破坏植被适宜生长的环境，造成大量植被枯死，短期内很难 恢复。另外，矸石中重金属元素通过径流、渗透等进入土壤，并长期聚集，将 破坏土壤中重金属的本底值和平衡关系，破坏土壤的养分，还可能通过食物链 系统危及人体健康。 1 1 1 5 危害公共安全 1 9 6 6 年在英国南威尔士的阿邦芳，1 座高达6 0 m 的矸石山滑塌，1 1 万立方 米的矸石垮塌下来，使1 0 0 多人丧生。造成这次事故的原因是矸石堆在1 个矿 泉上，使矸石山内水量达到饱和，降低了矸石山的稳定性。1 9 7 2 年美国西弗吉 尼亚的布法罗山谷连降7 2 小时暴雨，降雨量达9 4 m m ，使堆在山谷中的米德福 克矸石蓄水坝破裂，近5 0 万立方米的水携带近1 7 万立方米矸石倾泻到下游， 冲毁了大量建筑物，使1 0 0 余人死亡，40 0 0 多人无家可归。造成这两次惨祸的 根本原因是贮矸场选址不当，矸石堆放时未经处理，堆积松散。2 0 0 4 年6 月5 日重庆万盛由于连日暴雨引起东源煤矿煤矸石山垮塌，造成3 死3 伤，1 8 人失 踪，煤矸石山整体迁移5 0 0m 。此外，还不断有矸石山烧死、熏死或滑塌压死 人的报道。正在自燃的矸石山，如遇雨水渗入，受热后空气急剧膨胀，还会引 起爆炸。 1 1 1 6 危害生态环境，破坏自然景观 煤矸石山对景观的破坏首先表现在自然景色上，煤矸石多为黑灰色或黑褐 第l 章绪论 色，影响大自然的风光。矸石风蚀扬尘，尘埃着落在建筑物和植被、森林上， 使其失去原来色调，以致矿区环境不雅观。尘埃还降低空气的清洁度和地面的 光照度，使矿区空气混浊不请，严重的影响人们的生活和植物的生长。另外， 大量煤矸石的堆放，即侵占耕地、阻塞河道，又影响生态环境。 1 1 2 研究的意义 综上所述，今后相当长时期内，煤炭在能源中将仍占主要地位。大量积存 的煤矸石严重危害生态环境，需要加强煤矸石的组分、结构与特性等基础方面 的研究，根据煤矸石的特性和实际需要，开发新的利用途径，加快煤矸石的综 合利用步伐。煤矸石应用于道路材料，可以实现固体废弃物的无害化、减量化 和资源化，具有显著的经济效益、社会效益和环境效益，有着很好的前景和重 要的意义。 1 2 国内外研究现状 从2 0 世纪6 0 年代起，国内外就有人开始研究煤矸石的综合利用，由于当 时人们的环保意识不强，对煤矸石在堆存过程中可能造成的环境污染及对人体 健康的危害认识不足，忽视“无害化”与“减量化”的研究。 2 0 世纪8 0 年代起，煤矸石的“无害化”研究受到重视，对自燃煤矸石山进 行“无害化”堆放处理的技术研究取得一定进展。基于煤矸石的再生利用方式， 以下介绍了国内外煤矸石在建筑、化工和农业等方面再生利用的研究现状。 1 2 1 煤矸石用作燃料 煤矿生产及煤炭洗选过程中排出的煤矸石都含有或多或少的可燃物，一般不 超过1 0 - 2 0 。由于受到能源危机的影响，各国都在进行矸石中可燃物回收利用 的研究，目前主要有二个途径：一是通过洗选从矸石中回收煤炭用作燃料；另一 是直接燃用煤矸石。 1 2 1 1 用洗选法回收煤炭 回收混在煤矸石中的煤炭资源，是煤矸石能源利用和其他资源化再生利用必 需的预处理工作。在煤矸石资源化再生利用之前，回收其中的部分煤炭既节约能 源又增加经济效益，同时对保证煤矸石建材、化工利用的产品质量，稳定生产工 艺和操作方法也十分重要。目前，回收煤炭的洗选工艺主要有水力旋流器分选和 重力介质分选。水力旋流器分选，是将含炭量高的煤矸石经水箱旋流分离再脱水 提取。其特点是机动灵活，可根据需要把全套设备搬运到适当地点。重力介质分 选是依据浮力原理，将含煤矸石颗粒放进悬浮液中，按密度不同来分选，此方法 可有效分选密度差( o 3 9 c m 2 ) 的矿物，其特点是费用小、分选粒度范围大、效 率高、处理能力强【2 1 。 ： 北京工业大学工学硕士学位论文 1 2 1 2 直接燃用煤矸石发电 含炭量高( 2 0 ，热值在62 7 0 - - - , 1 25 5 0 k j k g ) 的煤矸石，可以直接用作流 化床锅炉1 3 】的燃料发电。9 0 年代以来，随着循环流化床( c f b ) 锅炉逐步取代鼓 泡型流化床锅炉，以及消烟除尘技术的发展，利用煤矸石发电的技术日臻成熟， 成为煤矸石能源利用的一种重要方式。 利用煤矸石发电工艺较为简单。首先，将煤矸石和劣质煤的混合物破碎，筛 分成粒径在0 - 8 m m 的粉末状在循环流化床上进行燃烧。然后，由皮带机送入锅 炉内在循环流化床上进行燃烧，流化床燃烧是靠从床底送进的高压气流，使煤矸 石粉粒和煤粒在炉床上沸腾运动，形成一定高度的流化状态；最后，燃烧产生的 烟尘经除尘器后送入烟道，燃烧产生的灰渣经水冷后泵入灰场。 目前，煤矸石发电厂除尘多选用静电除尘器或袋式除尘器，除尘效率高达 9 9 以上；如果在矸石燃料中掺入石灰，可在循环流化床锅炉内直接脱硫，脱硫 率可达8 5 左右。经除尘和脱硫处理后，其烟尘和有害气体( s 0 2 、n o x ) 的浓 度可达到国家排放标准。煤矸石燃烧后的炉渣，约占燃烧前矸石质量的7 0 ，可 采用空气急冷、气流磨破碎等工艺处理，得到磨细炉渣，用于水泥砂浆及混凝土 中，可提高制品密实度、抗渗性。 1 2 2 煤矸石用作建筑材料原料 煤矸石除含有少量的可燃成分外，大部分是由各种矿物质组成，其中主要是 页岩、黏土等，与作建筑材料用的硅酸盐原料相似。因此，利用煤矸石作为制造 建筑材料的原料，不但工艺简单，而且用量大，可以全部利用，是煤矸石利用的 主要途径。 1 2 2 1 煤矸石制砖 据岩矿分析，我国大多数煤矿区的煤矸石的主要矿物成分是粘土矿物，它们 是制砖的好材料，法国、英国等国家用煤矸石生产烧结实心砖和空心砖，我国北 京门头沟等地区也利用煤矸石生产多孔砖。煤矸石可以制砖，但不是所有的煤矸 石都能制砖【4 j ，需视其物化特性( 主要指煤矸石的化学成分和工艺性能) ，是否 能满足烧制砖的要求。 ( 1 ) 煤矸石化学成分的要求 煤矸石的化学成分直接影响烧制砖的烧制程度、产品性能和质量。表1 1 列 出了对原料主要化学成分的要求。 煤矸石中的s i 0 2 主要以石英的形式存在于砂质岩石和泥质岩中，它是一种瘦 化剂，可降低煤矸石泥料的可塑性指数，减少胚体在干燥与烧制过程中的收缩 作用，加快胚体的干燥速度。石英在焙烧过程中，多次发生晶型转变，产生的 体积膨胀率为0 2 - 1 4 7 ，致使制品发生体积变化，进而产生应力，当s i 0 2 含 第1 章绪论 量超过7 5 时，应力引起制品的力学强度降低，特别是抗折强度降低显著，同时 在胚体进入高温段( 8 7 0 ) 时会发生爆炸，严重影响制品质量。因此，煤矸石 中的s i 0 2 含量应控制在5 5 - - - 7 0 为宜。当s i 0 2 含量过高时，可选除矸石中的大 粒径砂质岩石。 表1 1 烧结砖对煤矸石化学成分的要求 ( ) t a b l e1 - 1c o m p o n e n t r e q u i r e m e n t so f c o a lg a n g u e s i 0 2a 1 2 0 3f e 2 0 3 c a o m g o s 0 2 5 5 7 01 5 2 52 8 叟gs l 煤矸石中的多数a 1 2 0 3 以铝酸盐矿物形式存在，主要为高岭石或伊利石，是 一种塑化剂，可提高矸石泥料的塑性指数，保证胚体强度，当其含量过高时，将 提高制品的烧结温度，制品不易变形，外观呈黄色，而含量超过3 5 时，制品易 出现欠火现象。煤矸石中的舢2 0 3 应控制在15 - - 一2 5 为宜。 煤矸石中铁的存在形态复杂，若以黄铁矿的形式存在，则制品表面将出现铁 斑。f e 2 0 3 是一种助溶剂，可降低制品的烧结温度。在氧化气氛中，f e 2 0 3 是一种 着色剂，烧制砖时，f e 2 0 3 的含量应控制在2 8 之间。 煤矸石中的c a o 主要以石灰石形式存在，烧结砖时为有害成分。实践表明， 允许c a o 含量的多少与煤矸石粉碎后粉料的粒径有关，一般以粒径小于2 m m ，含 量不超过2 为宜。 煤矸石中的m g o 多以m g c 0 3 的形式存在，且往往与c a c 0 3 共生成白云质灰 岩，是烧结砖的有害成分。m g c 0 3 易产生过烧现象，另一方面，m g o 是一种助 溶剂，引起制品表面泛霜。一般要求其含量不超过3 。 在烧制过程中，窑内有大量水蒸气存在，煤矸石中的s 0 2 与水作用产生雾状 硫酸，对设备有腐蚀作用，所以煤矸石中的硫含量越少越好，一般s 0 2 含量应控 制在1 以下。 ( 2 ) 煤矸石工艺性能的要求 对原料的工艺性能要求是评价煤矸石是否适宜制烧结砖的重要依据，表1 2 给出了对主要工艺性能的基本要求。 表1 2 烧结砖对煤矸石工艺性能的要求 t a b l e1 - 2p e r f o r m a n c er e q u i r e m e n t so fc o a lg a n g u e 粒度 可塑性指数熔点，收缩率干燥敏感性系数 3 m m 0 2 7 m m ， 7 1 5 1 5 ) 、中( 7 1 5 ) 、低( 7 ) 三级， 烧制砖以中级原料为好。原料的可塑性指数过低，泥料散，成型困难，胚体强度 低。 我国混合煤矸石的熔点一般为11 0 0 13 0 0 ，据目前有关设备的实际，煤 矸石的熔点宜控制在12 5 0 以下。 胚体干燥过程中产生的干燥收缩和焙烧过程中产生的焙烧收缩，必然使胚体 与制品产生弯曲、裂纹等现象，当收缩量超过某一限度时，将使成品率下降。因 此，在选用煤矸石作原料时，一般控制总收缩率不超过4 。 干燥敏感性系数的取值与原料的干燥收缩率、干燥设备的选择及工艺参数有 关，从选料角度而言，其值应控制在2 以下。 粉料的粒度对胚体的成型、干燥及制品质量都有较大影响。为满足国家建材 质量标准对制品的要求，采用煤矸石烧制砖时，大于3 m m 的颗粒应q ，小于 0 2 7 r a m 的颗粒应在4 0 - 5 0 。 1 2 2 2 煤矸石制陶瓷 s i c 是一种常用的具有优良特性的陶瓷材料，它具有强度高、硬度大、耐磨、 耐腐蚀和耐高温等特性，在结构陶瓷领域有着广泛的用途。s i c 在地球上几乎不 存在，仅在陨石中有所发现，因此，工业上都是用硅质原料和碳素原料( 使用最 多的是石英砂和石油焦炭或无烟煤) 合成s i c 。何恩广等通过s e m 研究了硅质煤 矸石的微观结构，发现硅质煤矸石中s i 0 2 呈球状被包容于碳有机质薄壳中，s i 0 2 球体直径小于1 0 岬，有机质厚度小于5 1 m a 。据此提出了硅质煤矸石参与合成s i c 的反应过程模型，认为硅质煤矸石的微观结构适于s i c 合成反应在较低温度下快 速彻底地进行。通过以硅质煤矸石、高岭石质煤矸石、石英砂岩粉和气相s i 0 2 分别与烟煤混合为原料用a e h e s o n i 艺合成d s i c 的实验研究，证明了高岭石质煤 矸石在一般工艺条件下不宜直接用作合成原料，用煤矸石与弱黏结烟煤合成 1 3 - s i c 是可行的。而硅质煤矸石是合成p s i c 的优质原料。 煤矸石中s i 0 2 和c 的天然含量多少是决定能否达到理想合成产率的物质条 件，而s i 0 2 和c 的紧密混合程度以及是否存在挥发性物质则决定着s i c 合成的动力 学条件。硅质煤矸中s i 0 2 和c 的天然含量高，s i 0 2 和c 在天然地质条件下已达均匀 紧密混合。通过a f m 研究，发现硅质煤矸石的两种主要组成s i 0 2 和c 具有纳米粒 状结构和纳米层状结构。s i 0 2 纳米颗粒尺度为3 n m - 2 0 n m ，c 质纳米颗粒尺度为 1 0 n m - - 2 0 n m 。纳米层厚度为5 n m - 8 0 n m ，矸石中的s i 0 2 和c 呈密接触状态，这 种成分和结构的煤矸石为原料有利于s i c 的合成。矸石中的s i 0 2 与c 呈纳米结合状 态，有利于低温合成s i c ，但由于矸石中一般含有相当量的氧化铝，妨碍了s i c 的生成，合成前必须考虑除铝。孟凡勇等在氮气保护下热解活化煤矸石，然后用 酸浸去除其中的铝，从而达到除铝又不损失碳的目的，最终利用除铝后的矸石合 第l 章绪论 曼i 一! i i i i i i _i i i 曼 成了s i c 。 煤矸石的主要成分为a 1 2 0 3 和s i 0 2 ，这为合成s i c 复相陶瓷材料提供了可能。- 韩兵强等通过高温合成d s i c a 1 2 0 3 复相材料的试验研究结果表明：在高温及煤过 量的条件下，不加保护气体，通过碳热还原反应就可以得到较高含量的 1 3 - s i c a 1 2 0 3 复相陶瓷材料p j 。 1 2 2 3 煤矸石烧制轻骨料和空心砌块 轻集料和用轻集料配制的混凝土是一种轻质、保温性能较好的新型建筑材 料，可用于建造大跨度桥梁和高层建筑。轻集料的质量取决于煤矸石的性质和成 分。适于烧制轻集料的煤矸石主要是碳质页岩矸和选煤厂排出的洗矸，其含碳量 以低于1 3 为宜。 ( 1 ) 煤矸石轻骨料 轻骨料是为了减少混凝土的相对密度而选用的一类多孔骨料，轻骨料应比一 般卵石、碎石的密度小得多，有些轻骨料甚至可以浮在水上。用煤矸石生产轻骨 料的工艺大致可分为两类：一类是用烧结剂生产烧结型的煤矸石多孔烧结料；另 一类是用回转窖生产膨胀型的煤矸石陶粒。目前，国内生产煤矸石轻骨料还处于 试验阶段，多采用回转窖法，煤矸石陶粒的生产工艺包括破碎、磨细、加水搅拌、 选粒成球、干燥、焙烧、冷却等。 煤矸石陶粒的形成机理【5 】与黏土陶粒基本相同，在焙烧时主要产生两种物理 化学变化过程：a 矸石在高温作用下，类似矸石砖焙烧一样，矸石各种成分发生 相互反应：矸石软化、熔融，具有一定黏度，在外力作用下可流动变形；b 矸石 在高温作用下产生足够的气体，在气体压力作用下，使具有一定黏度的软化熔融 矸石发生膨胀，形成多孔结构。 用煤矸石生产的轻骨料性能良好，煤矸石陶粒成品的松散密度为4 8 0 5 9 0 k g m 3 ，颗粒密度为8 5 0 - - 9 5 0 k g m 3 ，筒压强度为1 2 7 2 5 0m p a ，l h 吸水率为 5 2 - - 8 2 。用该种轻骨料可配$ l j 2 0 0 - - - 3 0 0 号混凝土，用煤矸石生产的轻骨料 所配制的轻质混凝土具有密度小、强度高、吸水率低的特点，适于制作各种建筑 的预制件。 ( 2 ) 煤矸石空心砌块 以煤矸石生产的轻集料作为骨料，水泥为胶结材料，加入少量外加剂，加水 搅拌并经成型、自然养护而成的空心砌块称为煤矸石轻集料混凝土轻型空心砌 块，简称煤矸石空心砌块。这种砌块性能稳定，可取代全部砂石和部分水泥，并 具有质轻、高强、工艺简单、成本低和利废率高、使用效果好等优点，是一种很 有发展前途的新型墙体材料。此外还有以自燃或人工煅烧煤矸石为骨料，以磨细 生石灰、石膏作胶结材料，经振动成型、蒸汽养护而成的煤矸石空心砌块，这种 砌块的标号可达至u 2 0 0 号，性能稳定，使用效果良好。 北京工业大学工学硕士学位论文 煤矸石空心砌块与普通砖比起来具有轻质、高强、保温、节约能源和减少开 支等经济技术优势，同时还具有隔音、隔热等效果。用煤矸石空心砌块代替普通 砖，可以节约大量粘土，减少用土毁田。 1 2 2 4 煤矸石生产水泥 煤矸石中二氧化硅、氧化铝及氧化铁的总含量一般在8 0 以上，是一种天然 的黏土质原料，不仅可作为水泥生料中s i 、砧等组分的主要来源，还能释放一定 热量来替代部分燃料，可代替黏土配料烧制普通硅酸盐水泥、快硬硅酸盐水泥、 煤矸石炉渣水泥等【4 】。用作水泥原燃料的煤矸石其生产工艺过程与生产普通水泥 基本相同。 ( 1 ) 用煤矸石代替粘土烧制硅酸盐水泥熟料 表1 3 列出了我国水泥生料用粘土、矸石山上的混合煤矸石与洗煤矸石的化 学成分特征。数据说明：混合煤矸石和洗煤矸石的化学成分与粘土相近。其中洗 煤矸石成分变化范围小，因此在配料时应优先选用，但洗煤矸石中趾2 0 3 含量较 高，容易使熟料中形成大量的铝酸三钙( 3 c a o - a 1 2 0 3 ) ，配料时加入适量石膏、 萤石复合矿化剂，可使3 c a o a 1 2 0 3 含量大大降低，同时也可使用部分粘土作为硅 质校正材料，以提高熟料质量。 表1 - 3 粘土与煤矸石的化学成分比较 t a b l e1 - 3c o m p a r i s o no fc o m p o n e n tb e t w e e nc l a ya n dc o a lg a n g s i 0 2a 1 2 0 3f e 2 0 3 c a o m g os 0 2 l o s s ( 烧失量) 粘土4 0 6 01 0 2 52 82 1 00 50 35 1 5 混合矸石 3 0 7 01 0 3 0l 1 0o 1 00 50 31 0 3 0 洗煤矸石 4 0 6 51 5 3 52 2 00 5o 30 - - 31 5 3 0 用煤矸石代替粘土烧制水泥熟料，主要是选料和配料问题，选料和配料一定 要使所配生料的化学成分与各率值满足生产水泥熟料的要求。 另外，选料和配料时，要特别注意并限制原料中的有害成分的影响。 a 水泥中的m g o 含量超标将影响其安全性，原料中的m g o 经高温煅烧后， 大部分以方镁晶体形式处于游离状态，这种晶体水化速度相当缓慢，即使在水泥 硬化一二年后，该水化反应仍在进行，致使混凝土发生体积膨胀，造成建筑物崩 溃，因此，选原料时要控带l j m g o 含量不要超过3 。 b 水泥生料中如含有少量p 2 0 3 可提高水泥强度，但其含量如超过1 ，熟料 的强度更显著下降。 c 水泥熟料中如含有0 5 - - l 的t i