（材料学专业论文）煤矸石的活性与应用研究.pdf

摘要 从环境资源学的观点看，煤矸石具有废渣和资源双重属性。煤矸石活化作为辅助性 胶凝组分应用到水泥基材料的研究，主要立足于这种工业废渣的“资源化”利用，解决 工业生产中的实际问题，达到节约能源、保护环境、变废为宝的目的。本论文通过对煤 矸石活性的研究，获得了其最佳活化方式和在普通砂浆中的掺量。同时，干混砂浆具有 品质稳定、品种齐全、使用灵活、适应性强等优点，可满足不同工程需要，在我国具有 广阔的发展前景。因此，本文在对煤矸石研究的基础上，设计出了掺活化煤矸石、水镁 石纤维砌筑干混砂浆的配比。 鉴于煤矸石的组成和结构等特性，论文首先采用机械一热复合活化的方法对煤矸石 进行活化处理，研究了6 0 0 9 0 0 下煤矸石的特性，将活化煤矸石以10 - - 4 0 的质量 比掺到硅酸盐水泥中，进行水泥砂浆强度试验。并结合x 衍射、激光粒度分析、偏光显 微等仪器的测试结果对比分析。结果表明，煤矸石进行活化预处理，最佳机械一热复合 活化工艺制度为先用球磨机粉磨5 小时，加热至1 7 0 0 后保温7 小时，冷却后再粉磨3 小时； 水泥砂浆强度随活化煤矸石掺量的增加在早期呈下降趋势，但随水化时间的增加，强度 有大的提高，甚至超过纯硅酸盐水泥砂浆强度。在活化煤矸石的用量为总灰量的2 0 的 情况下，砂浆2 8 d 抗折强度达到最大值，且高出纯水泥砂浆强度2 7 6 。在3 0 的掺量下， 砂浆2 8 d 抗压强度值最大，且高出纯水泥砂浆强度0 3 3 。分析认为，综合效果以掺量3 0 为最佳，当掺量超过3 5 后，强度大幅度下降；煅烧工艺可以提高煤矸石火山灰活性的 根本原因是煤矸石中的高岭石矿物在煅烧过程中发生分解，生成了无定形的s i 0 2 和 a 1 2 0 3 。 在获得了煤矸石在水泥砂浆中最佳活化方式和最佳掺量后，在原掺煤矸石普通砂浆 的基础上掺入水镁石纤维及减水剂进行不同灰矸比和不同灰砂比的水泥砂浆试验，除了 抗折抗压强度测试外，还测试了砂浆的粘结强度和稠度。研究表明：在掺加活化煤矸石 3 0 ，水镁石纤维3 ，萘系减水剂1 的基础上，通过改变灰砂比可配制出不同强度等 级的砌筑干混砂浆，且各项指标都符合规范；活化煤矸石具有吸水作用。随着其掺量的 增大，水泥砂浆的标准稠度用水量增大，凝结时间相应延长，但对水泥的体积安定性都 没有不良影响；复合活化煤矸石可以降低砂浆收缩值，煤矸石具有微集料效应和火山灰 效应，可生成致密的水化c 。s h 凝胶，填充了孔隙，不仅增加了砂浆的各项强度，同时配 合水镁石纤维的骨架支撑作用，使得砂浆干缩率大为减小。 通过对掺纤维与不掺纤维砂浆性能的对比分析，发现水镁石纤维与减水剂的加入不 仅很好的解决了砂浆的泌水问题，同时改善了砂浆的流动性，提高了砂浆抗压、抗折强 度，使得砂浆具有较好的保水、增韧、抗裂性能，再次证明了水镁石纤维在水泥基材料 中良好的性能。 此外，作者针对实验过程中的优缺点，并结合目前的研究现状提出对掺活化煤矸石 干混砂浆研究今后的工作重点和建议。 关键词：煤矸石，活性，复合活化，水镁石纤维，干混砂浆 a b s t r a c t f r o mt h ev i e wo fe n v i r o n m e n t a lr e s o u r c e s ，c o a lg a n g u eh a v er e s i d u ea n dr e s o u r c e sd u a l a t t r i b u t e s m a i n l yb a s e do nt h e ”r e s o u r c e ”u t i l i z a t i o no ft h i s i n d u s t r i a lw a s t er e s i d u e ， r e s o l v i n gp r a c t i c a lp r o b l e m si nt h ei n d u s t r i a lp r o d u c t i o n ，p u r p o s e so fc o n s e r v i n ge n e r g y p r o t e c t i n gt h ee n v i r o n m e n ta n dr e c y c l i n gb a o ，t h ea c t i v a t e dc o a lg a n g u ew a sr e s e a r c h e da s t h ec o m p l e m e n t a r yc e m e n t i t i o u sc o m p o n e n t i nt h ep a p e r , w er e c e i v e dt h eb e s ta c t i v a t i o n p a t t e r n sa n dt h eb e s tc o n t e n to fc o a lg a n g u ei nc e m e n tm o r t a rb ys t u d y i n gt h ea c t i v i t yo ft h e c o a lg a n g u e a tt h es a m et i m e ，d r y m i x e dm o r t a rh a sm a n ya d v a n t a g e ss u c ha ss t a b l eq u a l i t y , c o n s t r u c t i n ge x p e d i e n t l y , u s i n gb y p r o d u c t s ，g o o dt oe n v i r o n m e n t ，m e e t i n gt h en e e d so f v a r i o u sp r o je c t s i th a sb r o a dp r o s p e c t so fd e v e l o p m e n t t h e r e f o r e ，i nt h ep a p e r , b a s e do nt h e r e s e a r c ho fc o a lg a n g u e ，w ed e s i g n e dm i x t u r er a t i oo fm a s o n r yd r y - m i x e dm o r t a r , w h i c h d o p e da c t i v a t e dc o a lg a n g u ea n df i b r o u sb r u c i t e i nv i e wo fc h a r a c t e r i s t i c so fc o m p o s i t i o na n ds t r u c t u r eo fc o a lg a n g u e ，t h ec o a lg a n g u e w a sa c t i v a t e d b yt h em e a no fm e c h a n i c a l - t h e r m a lc o m p l e xa c t i v a t i o n a t f i r s t ，t h e c h a r a c t e r is t i co ft h e r m a la c t i v a t e dc o a lg a n g u ea t6 0 0 - - 。9 0 0 。cw a si n v e s t i g a t e d t h es t r e n g t h o fc e m e n tm o r t a rw a st e s t e da f t e ra d d i n gt h et h e r m a la c t i v a t e dc o a lg a n g u et op o r t l a n d c e m e n tw i t ham a s sf r a c t i o no f10 - - 4 0 x - r a yd i f f r a c t i o n ( x r d ) ，d i f f e r e n t i a lt h e r m a l a n a l y s i s ( d t a ) ，l a s e r - p a r t i c l es i z ea n a l y s i s ( l p s ) ，p o l a r i z e do p t i c a lm i c r o s c o p e ( p l m ) a n d o t h e rm o d e mm e t h o do ft e s t i n gw e r eu s e dt oa n a l y z et h ec o m p o s i t i o na n dm i c r o s t r u c t u r eo f t h ea c t i v a t e dc o a lg a n g u e t h er e s u l t ss h o wt h a tt h eb e s tm e c h a n i c a l - t h e r m a lc o m p l e x a c t i v a t i o ni st h a tg r i n d i n gf o rt h ef i r s tf i v eh o u r sw i t hb a l lm i l l ，h o l d i n gs e v e nh o u r sa f t e r h e a t i n gt o7 0 0 ，g r i n d i n gt h r e eh o u r sa f t e rn a t u r a lc o o l i n g ；t h es t r e n g t ho fc e m e n tm o r t a r d e s c e n d sa sc o n t e n to fb u r n e dc o a lg a n g u ei n c r e a s e s ，b u ti n c r e a s e sw i t ha g e t h ec o m p r e s s i v e s t r e n g t ha tt h ea c t i v a t e dc o a lg a n g u ec o n t e n to f3 0 c o u l dr e a c h6 1 5 6 m p a ，w h i c hw a so 3 3 h i g h e rt h a nt h a to fb l a n ks p e c i m e n t h ef l e x u r a ls t r e n g t ha tt h ea c t i v a t e dc o a lg a n g u ec o n t e n t o f2 0 c o u l dr e a c h8 5 6 m p a w h i c hw a s2 7 6 h i g h e rt h a nt h a to fb l a n ks p e c i m e n t h eb e s t m i xq u a n t i t yi s3 0 ，a n dt h es t r e n g t hd e s c e n d ss h a r p l yw h e nt h em i xq u a n t i t ym o r et h a n3 5 a c t i v es i 0 2a n da 1 2 0 3a r et h em a i ns o u r c eo fc o a lg a n g u ea c t i v i t yt h a ti sc r e a t e da f t e r c a l c i n a t i o n so fc o a lg a n g u ea n a l y z e db yx r d i i i a f t e rg a i n i n gt h eb e s ta c t i v a t i o np a t t e r n sa n dt h eb e s tc o n t e n to fc o a lg a n g u ei nc e m e n t m o r t a r , t h ef l e x u r a ls t r e n g t h ，c o m p r e s s i v es t r e n g t h ，b o n d i n gs t r e n g t ha n dc o n s i s t e n c yo ft h e m o r t a rw e r et e s t e da f t e ra d d i n gf i b r o u sb r u c i t ea n dw a t e r - r e d u c i n ga g e n t t h er e s u l t ss h o w t h a tb yc h a n g i n gt h ep r e p a r a t i o no fg r a ya n ds a n dc a nb ead i f f e r e n ti n t e n s i t yl e v e l so f d r y - m i x e dm a s o n r ym o r t a ra tt h ea c t i v a t e dc o a lg a n g u ec o n t e n to f30 ，t h ef i b r o u sb r u c i t e c o n t e n to f3 ，t h en a p h t h a l e n es u p e r p l a s t i c i z e rc o n t e n to f1 ，a n dt h ei n d i c a t o r sw e r ei nl i n e w i t hn o r m s ；a c t i v a t i o ng a n g u ew i t ha b s o r b e n tr o l e t h em o r t a rc o n s u m p t i o ni n c r e a s e d c o n s i s t e n c ys t a n d a r d s ，a n ds e t t i n gt i m ee x t e n d e da c c o r d i n g l y , b u tt h ev o l u m eo fc e m e n t s t a b i l i t yw e r en o ta d v e r s e l ya f f e c t e dw i t ht h ei n c r e a s eo fa c t i v a t i o ng a n g u ec o n t e n t ；c o m p l e x a c t i v a t i o ng a n g u em o r t a rc o n t r a c t i o nc a nr e d u c et h es h r i n k a g ev a l u e so fm o r t a r b e c a u s eo f a c t i v a t e dc o a lg a n g u eh a v ev o l c a n i ca s he f f e c ta n dm i c r o - a g g r e g a t ef i l l i n ge f f e c t ，c a ng e n e r a t e d e n s eh y d r a t i o nc s hg e l ，f i l l i n gt h ep o r e s ，w h i c hn o to n l yi n c r e a s e dt h es t r e n g t ho ft h e m o r t a r , a n ds u p p o r t e dt h es k e l e t o ns u p p o r t i n gr o l eo ff i b r o u sb r u c i t e ，m a k i n gm o r t a rr e d u c e d s h r i n k a g eg r e a t l y t h r o u g hc o m p a r a t i v ea n a l y s i st h ep r o p e r t i e so fn o n - d o p e df i b e ra n dd o p e df i b e rm o r t a r f o u n dt h a tb l e n d i n gp r o p e rq u a n t i t yo ff i b r o u sb r u c i t ea n dw a t e r - r e d u c i n ga g e n tn o to n l y r e s o l v e dt h ep r o b l e mo fb l e e d i n g ，b u ta l s oi m p r o v e dt h ef l o w a b i l i t ya n ds t r e n g t ho fc e m e n t m o r t a r t h ef u n c t i o no fw a t e r - r e t a i n i n ga n da n t i c r a c k i n go fc e m e n tm o r t a rw a so b v i o u s i t p r o v e dt h a tf i b r o u sb r u c i t eh a sag o o dp e r f o r m a n c ei nt h ec e m e n t - b a s e dm a t e r i a l so n c ea g a i n i na d d i t i o n ，t h ef u t u r ew o r kp r i o r i t i e sa n dr e c o m m e n d a t i o n sw e r ea l s os u g g e s t e db a s e d o nt h ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so ft h ep r o c e s so fe x p e r i m e n ta n dt h ec u r r e n ts t a t u so ft h e a c t i v a t e dc o a lg a n g u e k e y w o r d s ：c o a lg a n g u e ；a c t i v i t y ；c o m p l e xa c t i v a t i o n ；f i b r o u sb r u c i t e ；d r y - m i x e dm o r t a r i v 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行研究工 作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何 未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文储虢名香吁，口驴年乡月厶广日 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属学 校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权 利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成 果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名： 导师签名： 在季咩 谰 呼手 月 月 箩 多 年 年 多 9 一 如 b 长安人学硕i ：学位论文 第一章绪论 随着国民经济持续发展，对水泥的需求量仍将有大幅度的增长。但是水泥生产消耗 大量的石灰石、粘土、煤等不可再生的资源和能源，同时排放大量的废气和粉尘，对环 境造成严重污染。因此，提高水泥性能和降低消耗是水泥工业发展的重要方向，以较少 量的高性能水泥达到较大量低质水泥的使用效果是水泥研究的主要目标之一。另一方 面，由于工业的发展，各种各样的废弃物也随之而生，对人类的生存环境带来了严重的 威胁。充分的利用工业废渣，保护环境和生态已经引起了世界各国政府的高度重视。 煤矸石是堆积量最大的工业废弃物之一，随着采煤业的发展，其堆存数量还在不断 上升。危害很多，国内外学者对煤矸石的综合利用进行了大量的研究，但是由于技术、 经济等方面的原因，真正实施的还不多，大量的煤矸石还未得到合理利用。目前作为水 泥混合材的煤矸石通常采用化学活化和热活化的方式进行预处理，从使用的实际效果而 言并不理想，一方面是掺加量不高，一般在1 0 - - 2 0 左右；另一方面是粗放式的掺加常 以牺牲强度为代价，对水泥质量产生不良的影响。 干混砂浆亦称为干粉砂浆、干拌砂浆或预混( 干) 砂浆，是指由专业生产厂家生产的， 经干燥筛分处理的细集料与无机胶结料、保水增稠材料、矿物掺合料和添加剂按一定比 例混合而成的一种颗粒状或粉状混合物【1 】。因干混砂浆具有集中生产与统一供应等特点， 且有利于采用新技术与新材料，实行严格质量控制，改进施工方法，保证工程质量等， 因此其在优质、高效、节能、省料和环保等方面的优越性必将随着推广应用而被接受和 公认，发展干混砂浆成为必然的趋势。 基于以上原因，本论文首先研究了煤矸石的活化方法，以及作为辅助性胶凝组分对 砂浆性能的影响等，通过x r d 、粒度分析等测试手段分析探讨了煤矸石的活化和水化 机理。在得到以上对煤矸石研究结论及在调查分析干混砂浆的要求和国内外发展现状的 基础上，研制出了掺活化煤矸石、水镁石纤维、萘系减水剂普通干混砌筑砂浆的配方， 并对其力学性能进行了测试，最后针对实验过程中的优缺点结合目前的研究现状提出对 掺活化煤矸石干混砂浆研究今后的工作重点和建议。 1 1 煤矸石的特性 1 1 1 煤矸石的矿物组成 煤矸石的岩石种类主要包括粘土岩、砂岩、碳酸岩和铝质岩等。由各种岩石组成的 1 第一章绪论 煤矸石的矿物成分是复杂多变的【2 1 。 粘土岩类的主要矿物成分为粘土矿物( 高岭石、伊利石、蒙脱石、勃母石) ，其次 有石英、长石、方解石、云母、硫铁矿和碳酸盐等矿物，另外还含有丰富的植物化石、 有机质和碳质等【3 ，4 1 。粘土矿物大多数为板状、层状或纤维结构。 砂岩类矿物多数为石英、长石、云母、植物化石和菱铁矿结核等，同时含有碳酸岩 的粘土矿物或其它化学沉积物。 碳酸类的矿物组成为方解石、白云石和菱铁矿，并混有较多的粘土矿物、陆源碎屑 矿物、有机物和黄铁矿等。 铝质岩类均含有三水铝矿、一水软铝石和一水硬铝石等高铝矿物，此外还常有石英 玉髓、褐铁矿、白云母和方解石等矿物。 1 1 2 煤矸石的化学组成 由于各地的煤矸石所含矿物不同，其化学组成较为复杂，大约含有1 0 几种元素，一 般以硅、铝为主要成分。随着不同产地，不同层位，不同开采方式，煤矸石的化学组成 变化很大。除含有碳外，一般以氧化物为主，女n s i 0 2 、f e 2 0 3 、c a o 、m g o 、1 4 2 0 等， 此外还有少量稀有元素如矾、硼、镍、铍等微量元素。总之，煤矸石的化学成分是根据 岩石种类和矿物组成变化的。如粘土岩类煤矸石主要是s i 0 2 和a 1 2 0 3 。s i 0 2 波动在4 0 - 6 0 ，a 1 2 0 3 波动在1 5 - - , 3 0 。砂岩类煤矸石s i 0 2 含量最高，一般可达7 0 。铝质岩类a 1 2 0 3 含量可达4 0 左右。碳酸盐煤矸石c a o 含量可达3 0 左右。 虽然煤矸石的化学成分不稳定，不同地区的煤矸石成分变化较大，但一般在表1 1 所列的范围内。 表1 1 煤矸石的化学成分 1 1 3 煤矸石引起的社会环境问题 过去较长的一段时间内，由于受技术等因素的制约，煤矸石在采煤，选煤过程中只 有剔除和丢弃，所以几乎所有的矿区都有堆积如山的煤矸石堆。过去对煤矸石的处置方 法是以消极的堆放保存为主，这种处置方法付出的代价是相当大的，而且已经带来了诸 多的社会问题和环境问题 4 1 。 2 长安人学硕士学位论文 ( 1 ) 占用大量耕地 堆储煤矸石需要占用大量土地，据有关部门统计，截止到2 0 0 4 年底，全国有煤矸 石山1 5 0 0 多座，占地约2 2 万多公顷。土壤是很难再生的资源，又中国是一个耕地资源 非常紧缺的国家，耕地资源十分宝贵，而随着煤矸石排放量的增加，占地面积还将进一 步扩大。对于像我国这样一个人多地少的国家而言，其前景很不乐观。所以煤矸石的大 量排放对社会和经济发展造成的影响已不容忽视，必须加快对煤矸石的综合利用。 ( 2 ) 矸石山对环境的污染 煤矸石山对周围环境的污染主要表现在以下几个方面：破坏自然景观；形成扬 尘；污染地表水和地下水；污染土壤；地面高温；污染大气。 1 2 煤矸石综合利用的概况 1 2 1 煤矸石综合利用的现状 国外利用煤矸石最早始于第二次世界大战以前，直到2 0 世纪6 0 年代后期，才真正引 起各国的重视 5 】。到目前为止，在众多的研究当中，最成功的方法是生物复田法，生物 复田法可以说是当代最先进的复田工艺，它首先在美国和匈牙利获得成功，目前该项技 术正在向全世界推广。美国还研究成功了直接从燃烧着的煤矸石山中回收热能。法国煤 矸石的年产量约8 5 0 万吨，至今煤矸石的堆积总量超过1 0 亿吨，他们对灰分较大的煤矸 石进行洗选，回收了其中的可燃物，用于发电，从而可以节约煤炭。复田造地是彻底消 除煤矸石污染的根本方法，在国外已实验多年，效果相当显著，其中英国的青野露天矿 对此方法的实施较为长久，也卓有成效。 鉴于我国煤矸石的特点及各种组成成分，目前我国煤矸石综合利用的方式主要有： ( 1 ) 作为燃料使用；( 2 ) 从煤矸石中回收有用矿物；( 3 ) 用作充填复垦；( 4 ) 制作 建筑材料等。 1 2 2 煤矸石在建筑材料中的应用 煤矸石作为建材近年发展较快，利用的途径也日益增加，产品有砖瓦、水泥及水泥 制品、建筑砂浆、轻骨料、陶瓷和充填材料等。在这方面的应用所需设备少、投资成本 低，是首选的加工利用途径。 近十年来，煤矸石在水泥中的利用主要有：以煤矸石代粘土作原料来烧制水泥和将 煤矸石作为混合材生产水泥及煤矸石少熟料或无熟料水泥等【5 1 。 3 第一章绪论 作为水泥生产原材料 因煤矸石的化学成分与粘土相似，故可代替粘土，与石灰石、铁粉及硅质原料一起 配料，生产所需标号的水泥。利用煤矸石代替粘土( 或矾土) 作为硅铝质原料、节约部 分优质燃料来生产水泥是一种生产水泥的新工艺技术。它有代土、节煤、无废渣、增产、 生产适应性强等特点。如四川加华、重庆、渡口水泥厂，山西大同水泥厂采用少量煤矸 石或煤渣代替粘土配料，都获得了一定的增产效果。 煤矸石无熟料水泥及少熟料水泥 煤矸石无熟料水泥是以煤矸石为主要原料，掺入适量的石灰、石膏，磨细制成的水 硬性胶凝材料，有时也掺用少量熟料作激发剂，标号可达2 0 0 - 3 0 0 。这种水泥生产方法 简单，投资少、收效快、成本低、规模可大可小。煤矸石少熟料水泥也称煤矸石砌筑水 泥，它与无熟料水泥相比具有凝结快，早强性好等优点，标号可达3 0 0 - - - 4 0 0 。这种水泥 除用于砌筑、抹面外，还可以作为砖瓦和砌块的原料。用煤矸石生产少熟料水泥，可以 大量节省水泥生产的能耗、省去蒸汽养护，简化使用工艺等。 在研究成功大掺量煤矸石水泥的基础上，从抗冻性、碳化性能、护筋性能、抗硫酸 盐侵蚀性能、碱一集料反应等方面对混凝土的耐久性进行了研究。研究结果表明，大掺 量煤矸石水泥与普通硅酸盐水泥混凝土相比具有较好的耐久性。 煤矸石混凝土及其制品 以煤矸石为主要原料的新型墙体材料，如煤矸石空心砌块，是以自燃或人工煅烧煤 矸石和少量生石灰、石膏混合磨细为胶结料。在建筑上主要用于一般工业与民用建筑的 墙体，可作承重墙、非承重墙及内隔墙。 以人工煅烧煤矸石或自燃煤矸石为主要原料，加入适量磨细生石灰粉、生石膏粉， 经湿碾、振动成型、静停、蒸汽养护可制成一种硅酸盐混凝土，即：湿碾煤矸石混凝土。 另外，由煤矸石、硅质材料、钙质材料、水、发气剂和外加剂等按一定l i - , 4 莎, j 配合可 制成煤矸石加气混凝土制品。它具有容重轻、保温吸音好，可用于配筋或不配筋的墙体 砌块，内外墙板、屋面板、楼板、保温块和保温管等多种制品。 作为水泥及混凝土混合材 目前，为了降低水泥生产成本和保护环境，人们想了很多方法，以便充分利用煤矸 石作为水泥混合材。由于煤矸石经自燃或人工煅烧后具有一定活性，可掺入水泥及混凝 土中作活性混合材。 煤矸石作混合材，一般控制烧失量5 ，s 0 3 3 ，火山灰性能试验须合格，水泥 4 长，女人学硕j 二学位论文 胶砂2 8 天抗压强度比6 2 。煤矸石掺入量的多少取决于熟料质量与水泥标号与品种。 有资料介绍，用在沸腾炉中燃烧后的煤矸石残渣作混合材生产低热微膨胀水泥，其 7 天水化热较3 2 5 # 矿渣大坝水泥的指标还低，在干燥气候中微收缩，在湿空气中微膨胀， 2 8 天膨胀值仅为0 3 o 左右。 1 2 3 当前煤矸石综合工作中存在的问题 ( 1 ) 综合利用总体水平不高。主要表现在技术装备落后，企业规模小，竞争能力 弱，一些技术含量高的煤矸石综合利用技术还未得到广泛应用。 ( 2 ) 地区发展不平衡。在能源相对短缺的地区，煤矸石综合利用发展较快，而山 西等产煤大省综合利用率仅为2 7 ，潜力还很大。 ( 3 ) 地方优惠政策落实难，缺乏融资渠道，企业经营管理体制落后。煤矸石发电 在上网，电价，调峰等方面的优惠政策，由于涉及部f - j n 益等原因，在一些地区落实较 困难；商业银行对煤矸石综合利用贷款条件苛刻，使得一些煤矸石发电，煤矸石建材项 目难以落实。 1 3 干混砂浆的发展现状 随着现代住宅建设的发展和人们对居住环境的日益关注，以及建筑工业对建筑工艺 要求的不断提高，建筑工程对建筑砂浆的强度、功能性等提出了更高的要求，传统砂浆 由于种种缺陷而无法满足现代建筑的要求。为了适应现代建筑业发展的需要，一种具有 优良特性的新型的建筑砂浆正在蓬勃发展，它就是干混砂浆。 1 3 1 传统砂浆的弊端 我国的建筑砂浆多年来一直是现场人工配制的，目前仍然是以这种制作方式为主。 相比较于商品混凝土的广泛应用，商品砂浆显得十分落后。随着建筑工程质量更高的要 求，改革传统的砂浆制作方式日益感到急迫。 传统的砂浆制作方式不能适应我国建筑业的发展需要，这主要表现在以下几方面 6 】： ( 1 ) 计量不够精确；( 2 ) 细骨料粒径不能实现合理级配；( 3 ) 外加剂难以应用；( 4 ) 施工效率低，物料浪费大，污染较严重；( 5 ) 砂浆的品种有限。 1 3 2 干混砂浆的优点 相对于在施工现场配制砂浆的传统工艺，干混砂浆具有以下优点9 】： ( 1 ) 品质稳定。目前施上现场配制的砂浆质量不稳定，而干混砂浆采用工业化生 s 第一章绪论 产，对原材料和配合比进行严格控制，确保砂浆质量稳定、可靠。 ( 2 ) 工效提高。采用干混砂浆如同商品硷，不仅提高了生产效率，而且施工效率 也得到很大提高。 ( 3 ) 质量优异。如自流平砂浆，在施工现场加水搅拌均匀后只需倒在地面，轻推 到墙角即可获得平整度高、表面光滑的地坪。 ( 4 ) 品种齐全。干混砂浆包括的产品范围很广，几乎能满足建筑工程砂浆的所有 施工要求。 ( 5 ) 施工文明。当前，市区施工现场狭窄、交通拥挤，采用干混砂浆可以取消现 场材料堆场，便于施工物料管理，保证施工现场整洁文明。 1 3 3 干混砂浆的研究及应用现状 干混砂浆于1 8 9 3 年在欧洲首先发明，由奥地利的特里诺瓦( t e r r a n o v a ) 首先申请 矿物质纹理外观的饰面干混砂浆的生产专利1 0 】。 然而2 0 世纪5 0 年代以前欧洲绝大部分仍然使用现场搅拌砂浆，干混砂浆产业的兴 起是在二次大战后的奥地利、德国。商品砂浆首先是以预拌砂浆的形式出现，后来逐步 发展了干混砂浆。5 0 、6 0 年代期间，在西欧和美国，尤其是德国，建筑行业对新型建筑 材料和技术的需求增长迅速。因此，西方国家建筑行业对从技术上去开发和提高适用于 特殊用途的建筑材料。从2 0 世纪6 0 年代到8 0 年代，中欧各国的增长强劲，现在发展 主要在东欧和西欧，以及亚洲和拉丁美洲的一部分市场。 目前，在欧、美、日等发达国家和地区干混砂浆技术得到广泛应用，己基本取代了 传统技术。在欧洲，1 0 0 万人口的城市差不多就有2 个干混砂浆生产厂。德国、奥地利、 芬兰等国家早己经将干混砂浆作为主要的砂浆类建筑材料，俄罗斯、法国、瑞典、匈牙 利、波兰等国家的产量也逐年成倍增长。目前世界上最大的两个商品砂浆生产国是美国 和同本【1 1 】。但是干混砂浆利用最多、利用情况最好的是德国。在德国国内有7 0 多个干 混砂浆工厂，且德国的m a x i t 公司是欧洲最大的干混砂浆生产企业，其在欧洲的年销量 达5 0 0 多万吨。 在发展中国家，干混砂浆也有较快的发展。一些亚洲国家( 如新加坡、泰国、马来 西亚等) 虽起步较晚，但发展非常迅速。1 9 8 4 年，新加坡建立第一个干混砂浆生产厂， 主要生产墙面砂浆产品。马来西亚于1 9 8 7 年也投产了一条干混砂浆生产线，同样用于 生产墙面砂浆产品。 6 长安人学倾 ：学位论文 我国干混砂浆的发展起步较晚，直到上世纪9 0 年代木才开始加大宣传力度和采用 政府政策引导、干预的措施，积极灌输商品砂浆的观念，通过投入一定的人力、物力进 行开发研究，以科研单位牵头制定了一些规程，取得了一定的成绩。1 9 9 8 年广东省建成 国内第一条干混砂浆生产线；香港特别行政区2 0 0 0 年4 月建成投产一家年产1 5 万吨的 干混砂浆生产厂，目前主要生产墙面砂浆及瓷砖粘结剂：上海水泥厂2 0 0 1 年投产一条 生产线，设备与原材料均取自国内，年生产能力1 5 万吨【1 2 】；北京、湖南、浙江、江苏 等省市也开展了应用技术研究，并陆续有生产线建成。 1 3 4 我国干混砂浆产业化有待解决的问题 目前，国外研究的关键点及问题集中在新品种的开发、微量成分的作用机理研究、 生产及施工机械研究和降低成本上 1 3 - 1 s 。而我国对干混砂浆的研究，还处在生产工艺和 应用技术研究阶段，不管是研究、生产、技术、设备还是服务，都远远落后于国外。目 前应该从以下几个方面努力： ( 1 ) 扩大干混砂浆市场。一方面需要国家在政策上限制现场搅拌砂浆，鼓励使用 干混砂浆；另一方面也需要更多的试点工程应用干混砂浆，以利于我国的干混砂浆产业 积累经验，不断改善而开发出全面的、符合市场需要的砂浆品种，使其使用范围不受限 制，为其顺利推广创造有利条件。 ( 2 ) “本地化生产，利用工业废料和地方材料为主要原材料生产干混砂浆。粉煤 灰、矿渣、废石粉、炼油废渣、膨润土等的利用，不但能够降低干混砂浆成本，改善砂 浆性能，而且有利于保护环境，节约资源。 ( 3 ) 化学外加剂的价格较高，而我国干混砂浆外加剂主要依靠进口。所以我国应 自己生产相应的化学外加剂，以降低干混砂浆的制作成本。 ( 4 ) 开发自己的生产工艺与生产设备。目前我国的生产工艺还不成熟，一般生产 企业的生产线都是从国外引进的。投资一条生产线一般在2 0 0 0 - 3 0 0 0 万人民币，价格 昂贵。只有开发出符合我国国情的生产工艺与设备，才能为全面建设干混砂浆企业创造 条件，不但降低了投资成本，而且降低了生产成本。 1 4 水镁石纤维增强水泥基材料的发展现状 1 4 1 水镁石纤维的性能 水镁石又称氢氧镁石，为非金属矿资源的一种，是己知的含镁量最高的矿物。在俄 7 第一章绪论 国、美国、加拿大等国有较早的开发，己应用在建材、造纸、橡胶、翔料等领域。我国 的水镁石资源丰富，类型齐全，近几年相继在辽宁、吉林、陕西、四川等地发现并开发。 水镁石常见的构造有块状、球状和纤维状。其中，纤维状水镁石是一种独特的天然纤维 原料，我国的储量居世界之首，己引起国内外的关注。 纤维水镁石外观洁白或灰白，手感光滑，纤维丰富，抗拉强度达9 0 0 m p a ，属中等 强度纤维，同时具有良好的劈分性、亲水性和水分散性，可替代石棉、玻璃纤维、植物 纤维、有机纤维作补强增强材料【1 6 】。 水镁石纤维是一种天然纤维材料，己经证明它是一种对人体无害的纤维状矿物。水 镁石纤维矿是我国的优势矿产资源 1 7 - 1 9 】。 1 4 2 水镁石纤维在水泥基材料中的应用 水镁石纤维作为一种新纤维材料，可以单独或与其它纤维混用增强各种水泥制品， 如：增强轻质空心隔墙条板；全部或部分替代石棉生产水泥板、瓦；增强硅酸钙板和微 孔硅酸钙板等【1 6 】。 同时，水镁石纤维在砂浆和混凝土中也有了一些研究。水镁石纤维具有优良的力学 性能、抗碱性能、水分散性能及环境安全性，与水泥具有很好的相容性和结合强度。研 究水镁石纤维水泥基复合材料对于提高我国水泥混凝土的性能、发挥水镁石纤维矿物的 作用，合理利用我国的优势资源，都具有很大意义。已有研究结果表明【2 0 】：水镁石纤维 掺量在2 以下时，纤维对水泥砂浆的用水量和流动性影响不大，且能够提高水泥砂浆 的抗折强度和抗压强度。其中纤维掺量为1 2 时，试件的3 d 、7 d 、2 8 d 的抗折强度 分别提高了2 2 6 、2 1 7 和2 7 2 ，2 8 d 的抗压强度提高了3 7 5 ，体现了水镁石纤 维对水泥砂浆很好的增强增韧作用。此外，由于水镁石纤维是在碱性介质条件下形成的， 是一种组分简单的碱性矿物，具有很好的抗碱性能，在强碱中稳定性好，碱失量为2 左右，远强于抗碱玻璃纤维。而且天然产出的水镁石以短纤维为主，水镁石短纤维应用 于水泥混凝土中，操作工艺性能很好。水镁石纤维具有亲水性，应用于水泥混凝土中有 利于混凝土的保水性和粘聚性的提高。同时，水镁石纤维有利于提高混凝土的疲劳寿命。 1 5 研究目标与内容 1 5 1 研究目标 煤矸石作为辅助性胶凝组分的活化研究是本论文的主要研究内容。本课题的主要任 8 长安人学顾一 ：学位论文 务是对煤矸石进行机械一煅烧复合活化处理，充分发挥其潜在活性，使之成为水泥生产 中能够调节性能的辅助性胶凝材料，大幅度地提高其掺加量，以达到替代部分水泥熟料 的目的。这样，既可有效地降低需高温煅烧水泥熟料的生产量，减少有害气体的排放量 及矿产资源的消耗量，又可大幅度提高工业废渣的综合利用率，有效地降低对环境的污 染，并可在一定程度上改善水泥的质量，对水泥工业的可持续发展具有重要意义。 同时干混砂浆配合比的设计具有极大的社会意义。本文利用实验得到的煤矸石作为 辅助性胶凝材料的最佳活化温度和掺量，进而根据性能达标要求以及节能利废的原则通 过试验设计出合理的干混砂浆配合比。 1 5 2 研究内容 ( 1 ) 收集近几年国内外相关的资料，了解本课题的最新研究动态，确定研究方法。 ( 2 ) 利用x r d 、粒度测试等众多手段对煤矸石的组成和结构特征进行分析，研究 其各种活化机理，确定活化方式。 ( 3 ) 合理选择原材料，确定试验方案及技术指标。 ( 4 ) 利用两项水平对比试验确定出煤矸石的最佳活化温度和掺量。 ( 5 ) 在前面试验的基础上，进而在不同灰砂比的基准砂浆中掺入水镁石纤维及萘 系高效减水剂进行水泥胶砂试验，进行抗压、抗折、粘结强度测试。最终设计出强度等 级为m 5 0 - - - m 3 0 系列的干混砂浆配合比，并对其性能进行测试。 ( 6 ) 最后针对实验过程中的优缺点结合目前的研究现状作者提出对掺活化煤矸石 干混砂浆研究今后的工作重点和建议。 9 第一二章影响煤矸杠活一r k 的i 大j 素及活，h 激发方法 第二章影响煤矸石活性的因素及活性激发方法 近年来，我国在煤矸石综合利用上做了很多工作，也取得了一些成绩，但相对每年 新产出的煤矸石而言，利用量依然很小。为了进一步扩大其应用，对于掺煤矸石混凝土 的耐久性也已经进行了一定的研究，发现掺入煤矸石后，混凝土密实度提高，具有较好 的抗冻性、抗炭化能力、抗渗性、抗硫酸盐侵蚀、较低氯离子扩散速度和护筋能力2 1 2 2 1 ， 现在开始了全煤矸石水泥、高掺和复合掺高性能混凝土的研究。 但是在这些研究当中，多以自燃煤矸石为基础，其活性较低，如何更有效地激发煤 矸石的潜在活性是困扰研究者的一个主要问题。目前常采用物理激活、热激活和化学激 活，其中对于煤矸石热激活的研究较多，由于目前的活性激发主要是针对某一种方法的 结果进行分析，对于煤矸石活性的充分发挥远远不够，本章将从各种方法着手，对煤矸 石活性的激发进行比较全面的分析。 2 1 煤矸石的活性及影响因素 2 1 1 煤矸石的活性 活性是综合反映原材料中各有效成分在湿热养护条件下，与氧化钙作用能力的指 标，即是材料与生石灰和水混合后所具有的凝结硬化性质2 3 1 。水泥中的活性混合材必须 具有活性s i 0 2 和活。| 生a 1 2 0 3 。一般而言，微观结构缺陷多、晶体的晶格畸变多或呈无定 形状态的材料，其化学反应活性高。 煤矸石可作为水泥混合材，其原因在于粘土类煤矸石矿物，加热到一定温度( 一般 为7 0 0 。c 9 0 0 ) 时，原来的结晶相分解破坏，变成无定形的非结晶体，使煤矸石具有 活性。活性的大小和煤矸石的物相组成和煅烧温度等有关。 2 1 2 影响煤矸石活性的因素 自燃煤矸石中由于存在无定形的s i 0 2 和a 1 2 0 3 ，从而具有一定的火山灰活性，属于 活性混合材料。影响煤矸石活性的因素有很多，主要是煤矸石的化学组分和结构。 ( 1 ) 化学组分对煤矸石活性的影响 煤矸石的化学组分对煤矸石的活性有不同程度的影响。煤矸石中s i 0 2 对煤矸石中玻 璃体的形成有很大作用，但是如果其含量偏高的话就得不到m g o 、c a o 来与之化合， 特别是存在于结晶矿物中时，对煤矸石的活性影响