崔 明 東

(齊齊哈爾建設(shè)職工大學(xué)，黑龍江 齊齊哈爾 161000)

1 前言

煤矸石是成煤過程中與煤伴生的一種含碳量低的的黑色巖石，是在煤炭開采和洗選過程中產(chǎn)生的固體廢棄物，也是我國年排放量和累計堆存量最多的工業(yè)固體廢棄物之一[1～2]。由于矸石中含有殘煤、碳質(zhì)泥巖及碎木材等可燃物質(zhì)，長期露天堆存，往往會發(fā)生自燃，排出CO、CO2、SO2、NOx等有害氣體，給周邊環(huán)境帶來一系列危害。

煤矸石發(fā)熱量在1 000至3 500大卡之間，因此一些煤炭企業(yè)將煤矸石作為循環(huán)流化床燃料，用來發(fā)電或供熱[3]。經(jīng)過多年的發(fā)展，煤矸石發(fā)電在技術(shù)和環(huán)境保護(hù)方面已取得了長足的進(jìn)步，但由此產(chǎn)生的煤矸石灰渣，因其在表觀形態(tài)和化學(xué)組成上與普通粉煤灰有很多不同之處而未能有效加以利用，造成了二次污染。

研究表明：煤矸石的主要化學(xué)成分為SiO2、Al2O3和C，其次是少量的Fe2O3、CaO、MgO、K2O、Na2O和SO3等。煤矸石的礦物成分以粘土礦物和石英為主，常見礦物為高嶺石、蒙脫石、綠泥石、石英、長石和云母等。煅燒處理后，粘土礦物的受熱分解與玻璃化是其活性的主要來源[4]。因此，可以利用煅燒后的煤矸石灰渣和部分熟料制備少熟料煤矸石灰渣水泥。

本文所指的煤矸石灰渣水泥以煤矸石電廠循環(huán)流化床爐底灰渣為主要原料，加入適量水泥熟料和輔助配料，并自配激發(fā)劑調(diào)節(jié)水泥性能。通過對煤矸石灰渣水泥與純熟料水泥標(biāo)稠需水量、凝結(jié)時間和3d、28d膠砂強度的對比性研究，表明50%摻量下煤矸石灰渣水泥性能符合國標(biāo)(GB175-2007)42.5R粉煤灰水泥標(biāo)準(zhǔn)。

2 煤矸石灰渣水泥原料和試驗方法

2.1 原材料

熟料：北京金隅集團(tuán)琉璃河水泥廠提供，密度為3.09g/cm3；煤矸石灰渣：山西平朔發(fā)電廠提供，包括粉煤灰和爐底渣；二水石膏：北京琉璃河水泥廠提供。原材料化學(xué)成分見表1。

表1原材料化學(xué)成分

激發(fā)劑：試驗選取了一些有機與無機類活化劑，并合理配制出有機/無機復(fù)合型活化劑。

砂：標(biāo)準(zhǔn)砂。

2.2 煤矸石灰渣水泥試驗方法

煤矸石灰渣水泥配合比如表2所示，將原材料按照表2配比準(zhǔn)確稱量后混合均勻，然后用小型球磨機按照每磨5kg配料粉磨20min。磨制好的水泥細(xì)度采用勃氏比表面儀按GB8074-87標(biāo)準(zhǔn)測定，對比性研究激發(fā)劑作用下不同摻量下煤矸石灰渣水泥標(biāo)稠需水量、凝結(jié)時間、安定性和3d、28d水泥膠砂強度，試驗方法遵照GB17671-1999膠砂強度檢驗方法(ISO法)進(jìn)行測定。采用日立S-3400型掃描電鏡觀測煤矸石灰渣水泥水化3d、28d微觀形貌，對制備好的煤矸石灰渣水泥進(jìn)行水化機理分析。

3 水泥基本性能試驗結(jié)果與分析

3.1 水泥基本性能試驗

按照表2所示的試驗配比制備煤矸石灰渣水泥，其中A0為純熟料水泥，B組與C組為單獨使用煤矸石爐底渣制備水泥，摻量分別為10%、30%和50%，按照激發(fā)作用有無作對比性研究；H組與G組是將粉煤灰與爐底渣按照1∶1的比例加入熟料中共同磨制成的水泥，其總摻料分別為10%、30%和50%，并在G組中加入激發(fā)劑與H組作對比性研究。試驗依據(jù)國標(biāo)(GB175-2007)42.5R粉煤灰水泥標(biāo)準(zhǔn)對所制備的試樣進(jìn)行檢測，水泥基本性能如表3所示，力學(xué)性能如圖1、圖2所示。

表2煤矸石灰渣水泥試驗配比

表3煤矸石灰渣水泥性能

從表3可以看出，加入煤矸石灰渣的水泥易磨，粉磨同等時間下，其比表面積均大于純熟料水泥A0，并隨著煤矸石灰渣摻量的增加而增大，當(dāng)混合材摻量為50%時，粉磨20min后水泥比表面積均在450m2/kg以上，分別對比C組與B組、G組與H組水泥試樣可知，同等粉磨條件下使用激發(fā)劑可增大水泥細(xì)度。這是由于煤矸石灰渣中的粉煤灰已具有一定的細(xì)度，而煤矸石經(jīng)煅燒后變得疏松多孔，相比水泥熟料而言硬度較低，易于粉磨。因此摻用混合材的水泥粉磨后較細(xì)，同等摻量下，粉煤灰與爐底渣混合使用時水泥比表面積更大一些。而加入激發(fā)劑后，激發(fā)劑作用下使其降低了水泥顆粒間的靜電效應(yīng)，減少了水泥顆粒的團(tuán)聚現(xiàn)象，因此同等條件下C組與G組水泥比表面積較B組與H組大，細(xì)度更細(xì)一些。

火山灰活性混合材通過二次水化反應(yīng)以體現(xiàn)其活性，摻入后將延長水泥凝結(jié)時間，煤矸石灰渣便屬此類材料，且摻量越高，作用越強。而水泥水化過程中，由于激發(fā)劑的作用，增大了水泥的水化速率，因此，同等摻量下，使用激發(fā)劑可降低水泥凝結(jié)時間。

3.2 水泥膠砂力學(xué)性能試驗

利用各水泥試樣進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)膠砂試驗，其3d與28d抗折、抗壓強度如圖1、圖2所示。

由圖1、圖2可以看出，隨煤矸石灰渣摻量的增加，各組膠砂試樣的抗折、抗壓強度均明顯降低；摻激發(fā)劑的試樣組(C、G)分別較未摻組(B、H)，其3d、28d抗折、抗壓強度均有提高；H、G組與B、C組對比可知，同摻量下雙摻粉煤灰與爐渣較單獨使用爐渣力學(xué)性能較好，單獨使用爐渣30%摻量加激發(fā)劑時(C2)，28d抗壓強度為47.4MPa,為空白試樣A0的82%；同等摻量下比較，G組試樣各齡期抗折、抗壓強度最高，50%摻量下，3d抗折強度為5.1MPa，為純熟料水泥A0的78%，抗壓強度為20.6MPa，為純熟料水泥A0的70%，28d抗折強度為7.8MPa,是A0相應(yīng)齡期強度的81%，抗壓強度為45.3MPa，為A0的79%，其強度結(jié)果已達(dá)到了國標(biāo)(GB175-2007)42.5R粉煤灰水泥標(biāo)準(zhǔn)。

煤矸石灰渣的活性來源主要是煅燒后分解生成的偏高嶺土，無定形的活性SiO2和Al2O3。水化早期，活性Al2O3與水泥水化產(chǎn)生的Ca(OH)2反應(yīng)生成鈣礬石，可促進(jìn)水泥水化；水化后期，其含有的活性SiO2可與水泥水化產(chǎn)物Ca(OH)2發(fā)生二次反應(yīng)生成C-H-S凝膠，即火山灰反應(yīng)[5]。

因此分析以上結(jié)果可知，激發(fā)劑激發(fā)了粉煤灰、爐渣的活性，加快了其水化、硬化的速度，使得同等混合材摻量下，摻加激發(fā)劑的試樣較未摻加的試樣力學(xué)性能高。當(dāng)粉煤灰與爐渣共同使用時，一方面由于粉煤灰顆粒較細(xì)，更易于被激發(fā)劑激發(fā)其活性；另一方面不同粒度顆粒間的相互填充效應(yīng)，使得水泥膠砂結(jié)構(gòu)更加致密，因此，雙摻較單獨使用爐渣抗折、抗壓性能更好。

4 煤矸石灰渣水泥水化形貌分析

試驗選取雙摻粉煤灰與爐渣50%摻量下，未摻激發(fā)劑的H3與摻入激發(fā)劑的G3比較，使用SEM電鏡觀察漿體3d、28d水化產(chǎn)物形貌，其電鏡圖片如圖3～圖6所示。

觀察圖3、圖5可以看出，試樣H3的3d水化產(chǎn)物中，存在大量的六方板狀Ca(OH)2結(jié)晶體，絮狀的C-H-S凝膠顆粒，未水化的粉煤灰、爐渣顆粒、部分水泥熟料及一些針狀、纖維狀產(chǎn)物。試樣G3水化3d產(chǎn)物中，已經(jīng)基本沒有六方板狀Ca(OH)2，存在部分針狀膠凝產(chǎn)物。比較而言，G3的3d水化產(chǎn)物中Ca(OH)2的數(shù)量要少于H3，其整個水化產(chǎn)物的致密程度要明顯高于H3,說明在激發(fā)劑的作用下，G3的早期水化程度要優(yōu)于H3。

對比圖4、圖6其28d的水化產(chǎn)物SEM圖片可以看出，試樣G3水化28d產(chǎn)物中出現(xiàn)了凝膠粒子相互連結(jié)交織成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的網(wǎng)狀凝膠和形同Ⅲ型C-H-S凝膠的絮凝狀凝膠，且在其中占相當(dāng)數(shù)量，縱觀整個水化區(qū)域，很少發(fā)現(xiàn)纖維狀和長針狀凝膠產(chǎn)物，結(jié)構(gòu)較為致密。而H3試樣28d水化產(chǎn)物中，存在Ⅲ型C-H-S絮凝狀凝膠粒子，但這些粒子比

較分散，結(jié)構(gòu)疏松，沒有交織成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，此外還可以觀察到部分針狀凝膠產(chǎn)物，水化程度不高。說明激發(fā)劑的加入，明顯加快了煤矸石灰渣水泥水化硬化速度。這也是同等混合材摻量下，G3水泥膠砂的抗折、壓強度明顯高于H3的原因。

5 結(jié)論

(1)煤矸石灰渣水泥易磨，粉磨同等時間下，其比表面積均大于純熟料水泥A0，并隨著煤矸石灰渣摻量的增加而增大，當(dāng)混合材摻量為50%時，粉磨20min后水泥比表面積均在450m2/kg以上。

(2)同等摻量下，雙摻粉煤灰與爐渣水泥較單獨使用爐渣水泥的性能更好，粉磨效率更高，需水量較小，抗折、抗壓強度更高。

(3)由宏觀和微觀試驗可知，激發(fā)劑可有效激發(fā)煤矸石灰渣水泥的活性，加快水泥水化硬化速度，縮短水泥初凝、終凝時間。

(4)摻加粉煤灰與爐渣1∶1比例，50%摻量下，加入激發(fā)劑后，水泥的3d抗折強度為5.1MPa，抗壓強度為20.6MPa，28d抗折強度為7.8MPa，抗壓強度為45.3MPa，其各項性能指標(biāo)均已達(dá)到了國標(biāo)(GB175-2007)42.5R粉煤灰水泥標(biāo)準(zhǔn)。

[1]李琦，孫根年，韓亞芬，陳素景.我國煤矸石資源化再生利用途徑的分析[J].煤炭轉(zhuǎn)化，2007，(1).

[2]梁愛琴，匡少平，丁華.煤矸石的綜合利用探討[J].中國資源綜合利用，2004，(2).

[3]張紹強.發(fā)展煤矸石電廠抓好煤炭企業(yè)節(jié)能減排[J].中國高?？萍寂c產(chǎn)業(yè)化，2008，(Z1).

[4]范德科，王棟民，羅小紅，江峰.煤矸石的機械-熱力復(fù)合活化研究[J].混凝土與水泥制品，2008，(6).

[5]許晨陽，范興旺，張亮，藺喜強.活化煤矸石作摻合料——混凝土力學(xué)性能的研究[J].商品混凝土，2010，(4).