活化煤矸石-矿渣作复合硅酸盐水泥混合材的试验研究

翟红侠 ，荆 喆，杨启安，杨利莉

（安徽建筑大学材料与化学工程学院，安徽 合肥 230022）

活化煤矸石-矿渣作复合硅酸盐水泥混合材的试验研究

翟红侠 ，荆 喆，杨启安，杨利莉

（安徽建筑大学材料与化学工程学院，安徽 合肥 230022）

本文对活化煤矸石及矿渣作为复合硅酸盐水泥混合材进行试验研究。通过正交试验寻找煤矸石热活化的最优条件，优化设计活化煤矸石-矿渣作混合材制备复合硅酸盐水泥，探索不同配比混合材、石膏对复合硅酸盐水泥性能影响。结果表明：煤矸石最佳热活化条件为煅烧温度700 ℃、保温时间1 h、物料粒度＜0.08 mm；以活化煤矸石为主的混合材掺量为40%，能够制备出强度等级达到32.5的复合硅酸盐水泥。关键词：活化煤矸石；矿渣；复合硅酸盐水泥

0　引　言

煤矸石是指煤矿在开采中排出的含碳岩石。目前我国煤矸石已累计堆存45亿吨，约占全国工业废渣的25%，且每年以3～4亿吨的速度增长。煤矸石长期堆存占用土地，污染大气和地下水，对环境造成立体污染，矸石山的自燃、泥石流等严重危及人们的生命和财产安全，加强煤矸石资源综合利用迫在眉睫［1,2］。由于煤矸石的潜在火山灰效应，将煤矸石经过机械活化与热活化处理，其中活性SiO2和Al2O3含量增大，活化后的煤矸石代替部分水泥熟料用于水泥生产中，具有很好的研究价值和经济效益［3,4］。

矿渣是具有潜在胶凝性的材料，由高炉炼铁熔融的矿渣骤冷时，来不及结晶而大部分形成的玻璃态物质。它具有较高的潜在活性，碱性环境可激发其活性，与水化合可生成具水硬性的胶凝材料。而水泥水化时产生的碱性环境可较好地激发矿渣的活性［5］。水泥生产中掺入活化煤矸石、矿渣等工业废渣，既能够降低水泥成本，节省水泥熟料，具有一定的经济效益，又可以充分利用工业废渣，节约水泥生产时消耗的能源、资源，减少CO2排放，具有较好的环境效益。

本文通过正交试验对煤矸石最优热活化条件进行研究，利用活化煤矸石-矿渣作混合材制备复合硅酸盐水泥并进行优化设计，采用胶砂强度试验来探索不同配比混合材、石膏对复合硅酸盐水泥抗压强度的影响，配制出混合材掺量为40%，强度等级满足32.5的复合硅酸盐水泥。

1　原材料

本试验采用的煤矸石取自安徽省淮北地区，矿渣取自马钢集团矿业有限公司，水泥熟料取自淮北相山水泥有限公司，石膏取自安徽省怀远地区，P.O 42.5水泥由淮北相山水泥有限公司提供。原材料主要化学组成见表1。

表1　原材料主要化学组成（%）

2　试验过程与分析

2.1煤矸石活化试验

煤矸石的活化途径通常有机械活化、热活化、化学活化和复合活化等。本试验主要采用机械活化和热活化的方法，以激发煤矸石的潜在火山灰效应。

试验过程：首先对煤矸石进行机械粉磨，将煤矸石放入颚式破碎机进行破碎，得到粒径在1.18～9.50 mm的煤矸石；再将破碎后的煤矸石置于烘箱中烘干，待其完全干燥后投入球磨机中进行不同程度的粉磨，得到粒径分布为0.08～1.18 mm和小于0.08 mm的煤矸石颗粒。对影响煤矸石热活化的参考因素设计三因素三水平的正交试验，各因素水平的选择、正交试验设计与结果见表2。将正交试验所得活化煤矸石以30%掺量加入P.O 42.5水泥，进行胶砂强度试验，以7天抗压强度为指标，找出煤矸石的最佳热活化条件，对粉磨所得煤矸石颗粒进行热活化处理。

表2　L9（34）正交设计与结果

表3　正交试验直观分析表

试验结果分析：对表2正交设计所得九组7d抗压强度进行直观分析，结果如表3所示。表中K1、K2、K3为各水平抗压强度平均值，△R为极差。比较K1、K2、K3，其强度随着煅烧温度、保温时间、物料粒度大小的不同而不同。通过△R值的大小可知，本试验因素相关性为A＞B＞C，即影响煤矸石活化的最主要因素是煅烧温度，其次为保温时间，物料粒度影响最小。比较直观分析表计算值可知，A因素K2值最大，B因素K1值最大，C因素K1值最大，故可以判断出煤矸石热活化的最优条件为煅烧温度700 ℃、保温时间1 h、物料粒度＜0.08 mm。

2.2活化煤矸石-矿渣作复合硅酸盐水泥混合材试验

试验过程：将经过活化处理的煤矸石、矿渣作混合材代替部分水泥熟料，制备复合硅酸盐水泥。按表4配制一定量的水泥进行胶砂强度试验，研究不同掺量活化煤矸石-矿渣及石膏对复合硅酸盐水泥力学性能的影响，具体操作步骤参见《水泥胶砂强度检验方法（ISO法）》（GBT17671-1999）。

表4　活化煤矸石-矿渣作复合硅酸盐水泥混合材试验

图1　活化煤矸石-矿渣作复合硅酸盐水泥混合材试验结果

试验结果分析：试验结果如图1所示，其中d1组未掺混合材，其他几组均掺入不同配比的混合材。可以看出，不同配比混合材对复合硅酸盐水泥抗压强度影响不同。从整体抗压强度看，d6组所得复合硅酸盐水泥的3天抗压强度为17.0 MPa，28天抗压强度为40.1 MPa，均满足32.5复合硅酸盐水泥力学性能要求。以下从混合材的掺入、不同配比及石膏三个方面分析对复合硅酸盐水泥的影响。

（1）掺入活化煤矸石-矿渣对复合硅酸盐水泥的影响相比较于d1，其他几组水泥的整体抗压强度均降低，且不同配比混合材降低幅度不同。说明掺入活化煤矸石-矿渣会使水泥抗压强度有所降低，且不同配比的影响不同。这是因为水泥的强度主要取决于水泥熟料中的矿物与水的反应程度。当活化煤矸石-矿渣代替部分熟料后，熟料矿物的含量减少，直接造成水化生成的C-S-H凝胶和Ca（OH）2的量随之减少［6］。此外，Ca（OH）2的量同时决定了二次水化产物的组成和结构，Ca（OH）2含量的降低导致其与活性SiO2、Al2O3反应生成水化硅酸钙和水化铝酸钙的量随之减少，远不能补偿因熟料矿物不足缺少的水化产物，于是强度降低。

（2）不同配比活化煤矸石-矿渣对复合硅酸盐水泥的影响

图2　不同配比活化煤矸石-矿渣对复合硅酸盐水泥的影响

d4中活化煤矸石掺量25%、矿渣掺量15%，d3中活化煤矸石掺量30%、矿渣掺量10%，d5中活化煤矸石掺量35%、矿渣掺量5%，这三组试验反应出当混合材总掺量为40%，活化煤矸石与矿渣的不同配比对复合硅酸盐水泥抗压强度的影响。从图2可知，三组试验的早期抗压强度相近，而后期抗压强度相差较大，随着活化煤矸石掺量的增加、矿渣掺量的减少，后期强度逐渐降低。这是因为水泥水化首先是熟料矿物水化，然后生成的氢氧化钙与混合材中的活性氧化硅和氧化铝发生反应，生成水化硅酸钙和水化铝酸钙。由于三组试验的熟料含量相同，所以水化前期的抗压强度相近。后期，由于三组混合材的配比不同，活化煤矸石中的活性SiO2、Al2O3与Ca（OH）2反应生成水化硅酸钙和水化铝酸钙的量也不同，所以后期抗压强度相差较大。矿渣所带来的CaO可以在含水情况下与活性SiO2和Al2O3发生化学反应，生成水化硅酸钙和水化铝酸钙［7］。所以随着活化煤矸石含量的增加、矿渣含量的减少，煤矸石中的活性物质不能充分发生反应，因此后期强度随活化煤矸石掺量的增大、矿渣掺量的减少而降低。

（3）石膏对掺活化煤矸石-矿渣复合硅酸盐水泥的影响

图3　石膏对掺活化煤矸石-矿渣复合硅酸盐水泥的影响

图3前三组试验只掺入活化煤矸石作混合材，后三组试验掺入活化煤矸石和矿渣作为混合材。d2与d6、d8与d3、d9与d7中石膏掺量分别为水泥总量的5%、7%、9%。比较前三组和后三组抗压强度可见，对混合材不同的水泥体系，石膏的影响有所不同。前三组水泥的早期强度随石膏掺量的增加先减小后增大，后期强度随石膏掺量的增加而有所减小。后三组水泥的早期抗压强度受石膏掺量影响较小，后期抗压强度随石膏掺量的增大而减小。

一般而言，在水泥中掺入一定量的石膏，可以起到调节凝结时间以及提高水泥早期强度的作用。随着时间的发展，石膏会在水泥中进行化学反应生成AFT，填充水泥水化产物的空隙，密实水泥内部结构，形成较强结构骨架，从而使水泥强度增大。只有当石膏与各物质在一定的配比范围内，才能充分发挥碱激发效应。当石膏掺量较大时，水泥后期强度会随石膏含量的增加而降低。这是因为较多的石膏会引起水泥中形成较多的膨胀性物质，造成在水泥内部产生很多微裂纹，从而降低强度［8］。因此，只有当石膏、熟料、活化煤矸石、矿渣在一定的配比范围内，整个体系才会表现出较好的力学性能。故应根据实际水泥配比，严格控制石膏用量，使其既能延缓凝结时间，又能提高水泥的抗压强度。

3　结论

（1）煤矸石最佳热活化条件为煅烧温度700℃、保温时间1 h、物料粒度＜0.08 mm。

（2）活化煤矸石-矿渣的不同配比对复合硅酸盐水泥力学性能影响不同，随着活化煤矸石掺量的增大、矿渣掺量的减少，复合硅酸盐水泥的早期强度变化不大，但后期强度越来越低。

（3）配制出混合材掺量为40%（其中活化煤矸石为30%、矿渣为10%），强度等级满足32.5的复合硅酸盐水泥。

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Experimental Study on the Activated Coal Gangue - Slag as theAdmixture of Complex Portland Cement

ZHAI Hongxia， JING Zhe， YANG Qian， YANG Lili
（School of Materials and Chemical Engineering, Anhui Jianzhu University,Hefei 230022,China）

This paper carries out an experimental study on the activated coal gangue and slag when they are taken as the admixture of complex portland cement. Orthogonal experiment is utilized to work out the optimal condition for the thermal activation of coal gangue, to optimize the design of the activated coal gangue-slag used to prepare the complex portland cement as an admixture, and to explore the infuence of the admixtures and gypsums with different ratios over the performance of complex portland cement. As has been shown by the result, the optimal conditions for the thermal activation of coal gangue are as follows： the calcination temperature, holding time, and material diameter are 700℃, 1h, and ＜0.08mm respectively； the amount of the admixture mainly constituted by activated coal gangue is 40%, and such admixture can be exploited to prepare the complex portland cement with the strength grade reaching 32.5.

Activated coal gangue；slag；complex portland cement

TU526

A

2095-8382（2016）04-060-04

10.11921/j.issn.2095-8382.20160413

2015-10-30

安徽省科技攻关计划项目（编号：1301042127）；

翟红侠（1962- ） , 女, 教授, 硕导, 主要研究方向：高性能水泥基材料。