煤矸石-矿渣-粉煤灰地质聚合物复合活化研究

摘要

地质聚合物作为一种新型绿色胶凝材料，由于其具有强度高、硬化快、耐酸碱腐蚀、耐高温等诸多特性，且多种富含活性硅铝成分的固体废弃物，如矿渣、粉煤灰和煤矸石等均可作为地质聚合物的主要原料，实现“灰色”水泥向“绿色”的转变，因此备受关注，已经成为研究热点。本文是国家自然科学基金煤炭联合项目《煤矸石在水泥和混凝土资源化利用中关键科学问题研究》(U1261122)的子项目，所有研究成果都是在该基金的资助下完成并取得的。
　　本文首先采用热活化和机械活化的方法，激发煤矸石潜在的活性。接下来以活化煤矸石、矿渣和粉煤灰为主体材料，在碱硅酸盐作用下（化学活化），制备煤矸石-矿渣-粉煤灰地质聚合物，重点研究煤矸石的复合活化技术。第一步选择激发剂的陈化时间、氢氧化钾掺量和激发剂品种三个因素，按正交表L16(45)进行试验研究，以胶砂抗折和抗压强度为目标函数，确定地质聚合物配体的最佳配合比;第二步对煤矸石进行热、机械和化学活化，分别选择煅烧温度、研磨时间和激发剂掺量作为影响因素，通过单因素对比试验，确定各因素的最佳取值区间;第三步利用二次响应曲面中的中心组合设计进行试验研究，建立煤矸石-矿渣-粉煤灰地质聚合物中煤矸石活化方式对应参数与其活性对应蚕食之间的定量关系。取得以下研究成果:
　　(1)煤矸石-矿渣-粉煤灰地质聚合物激发剂配体的最优方案为:激发剂品种为硅酸钠和氢氧化钾，激发剂陈化时间48h，氢氧化钾所占激发剂的比例为20％。各因素对胶砂强度影响程度大小顺序为:激发剂种类＞激发剂陈化时间＞氢氧化钾所占激发剂的比例。
　　(2)阜新清河门矿煤矸石:①当煅烧温度控制在650℃～750°时，其配制的煤矸石-矿渣-粉煤灰地质聚合物胶砂强度最高，说明煤矸石的活性最佳。XRD和SEM分析表明，随温度升高煤矸石中的高岭石、云母等发生脱水反应，700℃煅烧的煤矸石Si离子和Al离子溶出量最大。矿渣使聚合浆体整体结构更为致密，粉煤灰和煅烧煤矸石中含有大量的铝，形成具有架状结构的水合铝硅酸盐。②最优的粉磨时间区域为1min-3min。灰色关联分析显示，粒径小于11.11μm的煤矸石颗粒与胶砂3d和28 d抗折、抗压强度呈现正相关，粒径大于11.11μm的煤矸石颗粒与胶砂3d和28 d抗折、抗压强度呈现负相关。③当激发剂配体的掺量为20％～22.5％时，可以配制出满足62.5R强度等级的煤矸石-矿渣-粉煤灰地质聚合物。
　　(3)建立了煤矸石煅烧温度、研磨时间和配体掺量三个因素与胶砂强度之间的回归方程，且回归方程拟合程度良好。

目录

声明

致谢

摘要

1 绪论

1．1 课题的提出、研究意义以及研究内容

1．1．1 课题的提出

1．1．2 研究意义

1．1．3 研究内容

1．2 煤矸石国内外的研究现状

1．3 课题的研究目标及创新点

2 煤矸石的基本性质及活性激发方式

2．1 煤矸石的基本性质

2．1．1 煤矸石产生的原因

2．1．2 煤矸石的化学组成

2．1．3 煤矸石的矿物相特征

2．2 煤矸石活性激发的方法

2．2．1 机械活化

2．2．2 化学活化

2．2．3 热活化

2．2．4 复合活化

3 试验材料、设备及试验设计方法

3．1 试验原材料

3．2 试验设备

3．3 试验设计方法

3．3．1 对比试验设计

3．3．2 正交试验设计

3．3．3 响应曲面设计

4 基于正交试验的化学活化对煤矸石地质聚合物的活性影响

4．1 试验设计及配合比

4．2 胶砂强度测试结果及分析

4．2．1 试验结果

4．2．2 直观分析

4．2．3 极差分析

4．2．4 方差分析

4．3 本章小结

5 煤矸石热活化、机械活化、化学活化的试验研究

5．1 热活化煤矸石对胶砂强度影响研究

5．1．1 试验设计

5．1．2 试验内容

5．1．3 试验结果及分析

5．2 机械力化学效应对胶砂强度影响研究

5．2．1 机械力化学效应对胶砂强度影响

5．2．2 基于灰色关联分析的粒径分布对胶砂强度影响

5．2．3 试验结果及分析

5．3 化学活化对煤矸石地质聚合物的影响研究

5．3．1 试验设计

5．3．2 试验原理及现象

5．3．3 试验结果及分析

5．4 本章小结

6 基于响应曲面设计的煤矸石地质聚合物复合活化研究

6．1 二次响应曲面试验设计及配合比

6．2 试验结果

6．3 利用Matlab软件进行多元非线性回归分析

6．3．1 3d胶砂抗折强度的回归分析

6．3．2 3d胶砂抗压强度的回归分析

6．3．3 28d胶砂抗折强度回归分析

6．3．4 28d胶砂抗压强度的回归分析

6．4 回归方程检验

6．4．1 3d抗折强度回归方程显著性检验

6．4．2 3d抗压强度回归方程显著性检验

6．4．3 28d抗折强度回归方程显着性检验

6．4．4 28d抗压强度回归方程显著性检验

6．5 胶砂聋度与因素的影响分析

6．6 本章小结

7 结论

参考文献

作者简历

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