中国不同产地煤矸石的本征特征及其火山灰活性的激发与预测

摘要

本文系统地研究了我国各地不同种类原状煤矸石的地质产状、组成、胶凝性能。在此基础上采用不同的激发方法对各地原状煤矸石的活性进行了激发，同时对于不同活性的热激发煤矸石在热激发煤矸石－Ca(oH)2体系以及热激发煤矸石—水泥复合体系的火山灰反应特征进行了系统的研究。结合原状煤矸石的野外地质产状、组成特征、活化制度等因素，对影响煤矸石活性的各种因素进行了分析，提出了对热激发煤矸石活性进行表征的一些方法，建立了基于不同参数对热激发煤矸石的活性进行预测的模型。研究中所做的主要工作及结论如下：1.系统地分析了各地不同类型煤矸石的化学组成、矿物组成特征，提出了化学组成、矿物组成与煤矸石的类型、野外地质产状之间的相关性，定量确定了各地原状煤矸石的矿物组成，特别是其中有效矿物高岭石的含量，研究了原状煤矸石的粉磨特性及其胶凝性能。2.研究了各种激发方法对煤矸石潜在活性的激发作用。研究结果表明：热激发是最为行之有效的激发方式，是其他各种激发措施的基础和前提，其他激发方式适宜作为辅助措施进一步提高煤矸石的活性。复合激发的效果优于单一方式的激发；热激发煤矸石的活性随煅烧温度的增加出现先增后降的特征，存在一最佳激发温度。各地煤矸石由于化学成分、矿物成分的差异，最佳激发温度也不同；机械粉磨中，煤矸石的活性随着粉磨时间的增加同样呈现先增后降的特征，存在一最佳粉磨时间。粉磨方式的差异对煤矸石的活性也存在极大的影响，采用“先混后磨”的粉磨方式的煤矸石水泥的胶凝性能明显要好于采用“先磨后混”的粉磨方式，这和矿渣、钢渣等硬度较大的混合材明显不同；化学激发中，化学激发剂对煅烧煤矸石的活性有一定的激发作用，但应注意化学激发剂与硅酸盐水泥的相容性的匹配。3.研究了不同活性的热激发煤矸石在热激发煤矸石－Ca(OH)2体系、活化煤矸石—水泥复合体系中的火山灰反应的特征。研究表明：在热激发煤矸石—Ca(OH)2－H2O体系中，火山灰反应消耗的Ca(OH)2量和体系的初始Ca(OH)2含量有关，存在最佳的Ca(OH)2初始含量。热激发煤矸石的活性、化学激发剂的类型及掺量、养护方式等对于体系火山灰反应程度、反应产物以及宏观力学性能有着极其重要的影响；在热激发煤矸石水泥复合体系中，煤矸石对于水泥水化的促进作用主要表现在早期，中间阶段对于水泥的水化会产生一定的抑制作用；水泥对于煤矸石的火山灰反应的激发作用贯穿于始终。4.确定了各地热激发煤矸石的火山灰活性指数(PAI)。以此作为标距，提出了活性组分快速溶出量、热激发煤矸石—Ca(OH)2—H2O体系中单位煤矸石消耗的Ca(OH)2量、热激发煤矸石—水泥复合体系中化学结合水量(扣除Ca(OH)2的结合水)等评价指标，分析了各种表征方法与PAI之间的相关性，给出了活性组分快速溶出量评价热激发煤矸石活性的划分标准。5.从宏观、微观不同层面分析了影响热激发煤矸石活性的因素，找出各地煤矸石活性差异的根源，揭示了热激发煤矸石的火山灰活性随各因素的变化规律。发现全碱量(K2O+Na2O)是影响热激发煤矸石火山灰活性指数(PAI)的一个最重要的指标。南、北方煤矸石由于地理条件的差异导致煤矸石中全碱量(K2O+Na2O)存在显著差别，因而北方热激发煤矸石的活性普遍高于南方；不同产出地质年代的煤矸石，随着地质年代由老到新，热激发煤矸石的火山灰活性呈现“马鞍状”分布特征，即年代较老和较新的煤矸石热激发后活性较高，年代中间的煤矸石热激发后活性较差；高岭石的含量与热激发煤矸石的火山灰活性指数呈现指数关系，高岭石的结晶程度与热激发煤矸石的火山灰活性指数呈现负相关的关系;在煤矸石的热激发制度中，煅烧温度、恒温时间、冷却方式三者之间也存在着一最佳的匹配关系。6.根据我国各地原状煤矸石的高岭石的含量以及热激发煤矸石的化学成分、活性组分溶出量，分别建立了我国不同地域分布煤矸石活性的预测模型。①基于原状煤矸石中高岭石的含量：PAI=24.123W0.3655②基于热激发煤矸石的化学成分：北方热激发煤矸石的火山灰活性的预测模型为：PAI=89.9526+0.5362W(Al2O3)+1.0827W(CaO)-2.4586W(MgO)-8.1363W(K2O)南方热激发煤矸石的火山灰活性的预测模型为：PAI=94.4237-0.1422W(SiO2)～0.0794W(Fe2O3)-1.2777W(MgO)-2.0485W(K2o);③基于热激发煤矸石的活性组分溶出量：北方热激发煤矸石的火山灰活性的预测模型为：PAI=57.2989e0.0053A (A为活性SiO2、活性AlO3的总量)南方热激发煤矸石的火山灰活性的预测模型为：PAI=28.7715A0.2700 (A为活性SiO2、活性Al2O3的总量)本论文的创新点主要有：1.在研究方法上，采用地质科学与材料科学相结合的研究方法，对煤矸石的野外地质产状、组成特征、激发后的火山灰活性高低及火山灰活性在不同反应体系中的发挥特征等进行了系统的研究，揭示了煤矸石活性的变化规律及影响煤矸石活性的最本质的因素。2.在研究内容上，全面地对我国不同地域分布、不同地质产状、不同成因类型的煤矸石进行系统研究，得出具有普适性的规律。3.对各地煤矸石的化学组成、矿物组成、活性组成进行了定量的确定，并根据热激发煤矸石的化学成分、矿物组成(高岭石)、活性组成建立了煤矸石活性的预测模型。关键词：煤矸石；活化；火山灰反应；活性表征；活性预测

目录

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第1章 绪论

1.1概述

1.2煤矸石资源的特征

1.2.1煤矸石资源的产出特征

1.2.2煤矸石资源的组成特征

1.3煤矸石资源的综合利用现状

1.4煤矸石资源在水泥工业中的应用现状

1.4.1煤矸石在水泥熟料制备中的应用

1.4.2利用煤矸石配制无(少)熟料水泥

1.4.3煤矸石活化后作为水泥混合材使用

1.5煤矸石活化的研究现状

1.5.1活化方法研究

1.5.2活性评价研究

1.6本研究的主要内容、技术路线与目标

参考文献

第二章 原状煤矸石的特征

2.1煤矸石的分布

2.1.1地域分布

2.1.2地质年代分布

2.1.3实验样品的采集

2.2原状煤矸石的化学成分

2.3原状煤矸石的矿物成分

2.3.1原状煤矸石矿物组成的XRD分析

2.3.2原状煤矸石矿物组成的IR分析

2.3.3原状煤矸石矿物组成的示性分析法

2.3.4原状煤矸石中高岭石矿物的定量

2.4原状煤矸石的粉磨特性

2.5原状煤矸石的胶凝性能

2.6本章小结

参考文献：

第3章 原状煤矸石的活性激发

3.1 原状煤矸石的活性激发方法及活性的表征

3.1.1原状煤矸石的活性激发方法

3.1.2活化煤矸石的活性表征方法

3.2原状煤矸石的热激发(煅烧)

3.2.1热激发条件的选择

3.2.2热激发过程中矿物的相转变

3.2.3热激发煤矸石的胶凝性能

3.3机械粉磨对热激发煤矸石活性的影响

3.3.1 不同粉磨时间对热激发煤矸石活性的影响

3.3.2不同机械粉磨方式对热激发煤矸石活性的影响

3.4化学激发剂对热激发煤矸石活性的影响

3.4.1试验原料及方法

3.4.2化学活化煤矸石水泥的胶凝性能

3.5本章小结

参考文献：

第4章热激发煤矸石的火山灰反应研究

4.1试验的设计及测试方法

4.1.1试验的设计

4.1.2试验过程

4.1.3测试方法

4.2热激发煤矸石—Ca(OH)2—H2O体系的火山灰反应研究

4.2.1 Ca(OH)2初始含量对于体系火山灰反应的影响

4.2.2热激发煤矸石的活性对于体系火山灰反应的影响

4.2.3养护方式对于体系火山灰反应的影响

4.2.4化学激发剂对于体系火山灰反应的影响

4.3 热激发煤矸石—水泥体系煤矸石与水泥的相互作用研究

4.3.1热激发煤矸石对水泥水化的作用

4.3.2水泥对热激发煤矸石的作用

4.4本章小结

参考文献：

第5章 热激发煤矸石活性的分析及预测

5.1 热激发煤矸石活性影响因素分析

5.1.1地理条件

5.1.2地质产状

5.1.3热激发煤矸石的化学成分特征

5.1.4煤矸石的矿物组成与结晶程度

5.1.5热激发制度

5.2热激发煤矸石活性的表征

5.2.1抗压强度比法

5.2.2活性组分溶出法

5.2.3化学结合水法

5.2.4单位煤矸石消耗的Ca(OH)2量

5.3热激发煤矸石的活性预测

5.3.1回归分析的原理

5.3.2分析数据的采集

5.3.3基于热激发煤矸石化学成分的活性预测模型

5.3.4基于热激发煤矸石活性组成的活性预测模型

5.3.5各种活性预测模型的比较分析

5.4本章小结

参考文献：

第六章 结论

致谢

个人简历 在读期间发表的学术论文与研究成果