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        基于山東某煤矸石的熱活化機(jī)理研究★

        2023-01-17 03:28:16羅仲仁柯國(guó)軍石馬剛鄒品鈺宋百姓
        山西建筑 2022年22期
        關(guān)鍵詞:磨細(xì)莫來(lái)石高嶺石

        羅仲仁,柯國(guó)軍,2,3,石馬剛,鄒品鈺,宋百姓,金 丹

        (1.南華大學(xué)土木工程學(xué)院,湖南 衡陽(yáng) 421001;2.中國(guó)核建高性能混凝土重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖南 衡陽(yáng) 421001; 3.高性能特種混凝土湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖南 衡陽(yáng) 421001)

        0 引言

        煤矸石是我國(guó)排放量最大的工業(yè)固體廢棄物之一,堆放總量已達(dá)到45億t,且以每年1.5億t~2.0億t的速度增長(zhǎng)[1-3]。大量的煤矸石長(zhǎng)期堆放不僅占用土地,而且會(huì)造成嚴(yán)重的環(huán)境污染[4-5]。2019年,我國(guó)煤矸石的利用率僅為70%,且多集中在填埋、筑路、發(fā)電、制磚和化工等領(lǐng)域,其利用率及附加值較低[6-7]。目前,各國(guó)普遍認(rèn)為利用煤矸石作輔助膠凝材料是處理煤矸石的有效策略之一[8]。但原狀煤矸石活性低且其中含有一定量的碳,摻入水泥會(huì)對(duì)水泥強(qiáng)度產(chǎn)生不利影響,因此必須對(duì)其進(jìn)行適當(dāng)活化以破壞晶格結(jié)構(gòu)和增加非晶相,提高其反應(yīng)活性。

        本文采用上述煤矸石進(jìn)行煅燒,結(jié)合X射線衍射(XRD),熱重(TG-DTG)測(cè)試和掃描電鏡(SEM)等表征方法分析了煅燒過(guò)程中煤矸石物相及微觀形貌的變化,探究煤矸石的熱活化機(jī)理;同時(shí)結(jié)合試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)的煅燒前后煤矸石粉顏色轉(zhuǎn)變的現(xiàn)象,量化該煤矸石的活性激發(fā)程度,以期為煤矸石的活性激發(fā)與評(píng)價(jià)及煤矸石的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用提供參考。

        1 實(shí)驗(yàn)

        1.1 原材料及其處理

        實(shí)驗(yàn)用煤矸石取自山東某煤礦,煤矸石原料的XRD,SEM及其磨細(xì)粉的粒徑分布見圖1。如圖1(a)所示,該煤矸石的主要礦物成分為石英和高嶺石,結(jié)晶度較好。水泥為南方牌普通硅酸鹽水泥(P.O42.5),實(shí)測(cè)其28 d抗壓強(qiáng)度為44.8 MPa。煤矸石和水泥的主要化學(xué)成分如表1所示,其中煤矸石的主要化學(xué)成分為Al2O3和SiO2,且含有少量的CaO,F(xiàn)e2O3及其他金屬氧化物,表1中各化學(xué)成分的含量均指質(zhì)量分?jǐn)?shù)。實(shí)驗(yàn)用水為自來(lái)水。

        表1 水泥和煤矸石的化學(xué)組成 %

        采用鄂破機(jī)破碎煤矸石原料,取過(guò)6 mm圓孔篩的煤矸石顆粒置于SM-500型試驗(yàn)?zāi)デ蚰?5 min,其磨細(xì)粉的粒度分布曲線如圖1(b)所示。采用sx-12-16型箱式電阻爐對(duì)磨細(xì)粉進(jìn)行煅燒,為減小堆積狀態(tài)對(duì)煅燒過(guò)程的影響,每組實(shí)驗(yàn)取3 g磨細(xì)煤矸石粉松散而均勻的平鋪在底面為105 mm×45 mm的方形坩堝中(單位面積平均載重0.63 kg/m2)。煅燒溫度為400 ℃,500 ℃,600 ℃,700 ℃,800 ℃和900 ℃,升溫速率為10 ℃/min,達(dá)到預(yù)設(shè)溫度后保溫1 h,將制得的活性粉體材料密封保存。

        1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

        采用日本-理學(xué)-UltimaⅣ型X射線衍射(XRD)對(duì)經(jīng)400 ℃,600 ℃,800 ℃,900 ℃煅燒的煤矸石粉進(jìn)行物相分析,采用德國(guó)-蔡司-Sigma300型掃描電子顯微鏡(SEM)觀察其微觀形貌;采用瑞士-梅特勒-TGA/DSC3+型熱重分析儀對(duì)磨細(xì)后的原狀煤矸石進(jìn)行熱重測(cè)試,測(cè)試溫度為200 ℃~1 200 ℃,升溫速率為10 ℃/min。通過(guò)分析煅燒過(guò)程中煤矸石的物相及形貌變化,研究煅燒激發(fā)煤矸石活性的機(jī)理。

        將煅燒煤矸石粉取代30%質(zhì)量水泥,按照GB/T 17671—2020水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法(ISO法)制備膠砂試件并測(cè)試其28 d的膠砂抗壓強(qiáng)度;取15 g上述活化煤矸石磨細(xì)粉,置于自制的壓片器中(見圖2),使用600 kN電液伺服壓力試驗(yàn)機(jī)加壓至150 kN,加載速率為2 kN/s,將制得的薄片自壓片器中小心取出,使用相機(jī)拍攝上述薄片,抓取顏色底片。通過(guò)imread函數(shù)將圖片信息導(dǎo)入matlab軟件中,通過(guò)reshape函數(shù)將圖片信息數(shù)據(jù)化,得到可視化的RGB數(shù)據(jù)。通過(guò)rand函數(shù)在每張底片上隨機(jī)抓取9個(gè)像素點(diǎn),分別求出R,G,B三原色的平均值,并將其作為該煅燒粉末的三原色數(shù)值。令x=R/(R+G+B),y=G/(R+G+B),計(jì)算各樣品色品坐標(biāo)。將最優(yōu)活性下的磨細(xì)粉色品坐標(biāo)記為(xc,yc),計(jì)算并將原狀煤矸石粉的色品坐標(biāo)記為(x0,y0),定義熱活化率k:

        (1)

        本研究的具體流程如圖3所示。

        2 結(jié)果與討論

        2.1 XRD分析

        圖4給出了煅燒煤矸石粉的XRD圖譜,與圖1所示未經(jīng)煅燒的煤矸石相比,經(jīng)過(guò)400 ℃煅燒后,該煤矸石的物相幾乎沒有發(fā)生變化,主要為石英和高嶺石;煅燒溫度提高至600 ℃時(shí),由XRD譜圖可以看出煤矸石中屬于高嶺石的衍射峰已經(jīng)完全消失,這說(shuō)明此溫度煅燒下,該煤矸石中的高嶺石結(jié)構(gòu)已經(jīng)發(fā)生相變;600 ℃與800 ℃下煅燒煤矸石X譜圖顯示其衍射峰幾乎沒有變化,這說(shuō)明600 ℃~800 ℃溫度區(qū)間內(nèi),煅燒煤矸石基本沒有產(chǎn)生礦物相的轉(zhuǎn)變;當(dāng)煅燒溫度為900 ℃時(shí),煅燒煤矸石中出現(xiàn)少量新的結(jié)晶,XRD圖譜分析表明,該結(jié)晶為莫來(lái)石,結(jié)構(gòu)整體向有序向偏移。結(jié)合相關(guān)研究[9-10],可以知道高嶺石受熱會(huì)分解產(chǎn)生活性物質(zhì),這些活性物質(zhì)在過(guò)高的溫度下會(huì)反應(yīng)生成莫來(lái)石,而莫來(lái)石則是一種惰性晶體。

        2.2 SEM-EDS分析

        圖5給出了煤矸石原料及各溫度煅燒下煤矸石的SEM以及原狀煤矸石和經(jīng)過(guò)900 ℃煅燒后煤矸石的EDS面掃描分析結(jié)果。可以看出,原狀煤矸石的結(jié)晶度較好,結(jié)構(gòu)較為致密,僅表面存在少量的“孔洞”,與劉朋[11]對(duì)于原狀煤矸石的微觀結(jié)構(gòu)的描述相一致;400 ℃煅燒后,煤矸石的微觀形貌表明,此時(shí)會(huì)產(chǎn)生分散的片狀結(jié)構(gòu);600 ℃的煅燒后,煤矸石微觀結(jié)構(gòu)變得“酥松多孔”,片狀高嶺石結(jié)構(gòu)破壞變得蓬松,結(jié)合文獻(xiàn)[9,12]中的描述,此時(shí)煤矸石原料中發(fā)生的物相轉(zhuǎn)變應(yīng)為高嶺土脫去羥基,變成無(wú)序的偏高嶺石結(jié)構(gòu),煤矸石活性變高,這與XRD圖譜中,600 ℃煅燒后,煤矸石中高嶺石晶體衍射峰消失的結(jié)論相一致;當(dāng)煅燒溫度為900 ℃時(shí),微觀形貌表明,煅燒煤矸石開始向著有序的晶體結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變,其疏松程度較之600 ℃下的煅燒煤矸石大幅度下降,結(jié)合XRD測(cè)試,這是由已產(chǎn)生的活性物質(zhì)重結(jié)晶形成莫來(lái)石導(dǎo)致的。

        同時(shí),EDS元素分析表明,未煅燒煤矸石中含有一定量的C,而經(jīng)過(guò)900 ℃煅燒后,面掃描未發(fā)現(xiàn)有C元素存在。這說(shuō)明,煤矸石煅燒過(guò)程中會(huì)脫去其中的碳質(zhì)成分,碳質(zhì)成分的存在會(huì)對(duì)水泥強(qiáng)度產(chǎn)生不利影響,因此,煅燒煤矸石的活性,除了取決于其中黏土礦物結(jié)構(gòu)水的脫去,還受到其中殘余碳量的影響。

        2.3 TG-DTG分析

        圖6為煤矸石的TG-DTG曲線,反映了煤矸石的熱解特性,可以看出該煤矸石在400 ℃左右開始失重,DTG曲線表明496 ℃時(shí)煤矸石的失重速率達(dá)到峰值,結(jié)合XRD和SEM圖可知此時(shí)的溫度對(duì)應(yīng)高嶺石羥基集中脫去的溫度。溫度上升至800 ℃附近失重結(jié)束。由TG曲線可以看出400 ℃~800 ℃之間煤矸石持續(xù)失重,總失重達(dá)到12.80%,這與XRD圖譜表明的600 ℃時(shí),煤矸石中的羥基已經(jīng)完全脫去相矛盾,這是因?yàn)槊喉肥浅擅哼^(guò)程產(chǎn)生的固體廢渣,其中不可避免的會(huì)含有一定量的碳和有機(jī)碳質(zhì)物,EDS的掃描結(jié)果與此一致。煅燒過(guò)程中,這部分碳質(zhì)成分的燃燒和揮發(fā)也會(huì)導(dǎo)致煤矸石的質(zhì)量損失,同時(shí),碳質(zhì)物的燃燒放熱可能導(dǎo)致煤矸石局部溫度偏高,這也很好的解釋了900 ℃煅燒下,該煤矸石結(jié)構(gòu)中即出現(xiàn)了少量莫來(lái)石晶體,高于現(xiàn)有文獻(xiàn)中莫來(lái)石的生成溫度的現(xiàn)象。

        2.4 煤矸石的熱活化率模型

        由x=R/(R+G+B),y=G/(R+G+B)計(jì)算不同煅燒條件下煤矸石粉的色品坐標(biāo),并按照式(1)計(jì)算其熱活化率k,部分結(jié)果見表2。以熱活化率k為x軸,28 d膠砂強(qiáng)度為y軸繪圖,并進(jìn)行一次多項(xiàng)式擬合,結(jié)果如圖7所示。可以看出:煤矸石的熱活化率k與其28 d膠砂強(qiáng)度存在較好的線性關(guān)系(R2=0.92),即熱活化率模型能很好地評(píng)價(jià)該煤矸石的活性激發(fā)程度。

        表2 不同條件活化粉的熱活化率計(jì)算結(jié)果

        3 結(jié)論

        1)煅燒煤矸石的活性主要源自層狀高嶺石結(jié)構(gòu)向多孔無(wú)序的偏高嶺石的轉(zhuǎn)變;在一定溫度下煅燒煤矸石,能使煤矸石中的高嶺石全部轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂谢钚缘钠邘X石,且逐步脫去原料中對(duì)水泥強(qiáng)度不利的碳質(zhì)成分。2)對(duì)于該實(shí)驗(yàn)用煤矸石,600 ℃~800 ℃煅燒時(shí),該煤矸石樣品的物相幾乎沒有發(fā)生改變,處于高嶺石階段,具有較高的活性,900 ℃時(shí),活性物質(zhì)生成惰性煤矸石,活性反而降低。3)由于該煤矸石中含有一定量的碳,而碳會(huì)使混凝土的強(qiáng)度性能和工作性能嚴(yán)重降低。因此,煤矸石的最佳煅燒條件,實(shí)際上就是使煤矸石產(chǎn)生化學(xué)變化保持最高活性的同時(shí),最大可能的脫去其中的固定碳和有機(jī)碳質(zhì)物。4)該煤矸石煅燒后會(huì)產(chǎn)生顏色變化,結(jié)合顏色變化定義煤矸石的熱活化率k,建立其與煤矸石活化程度之間的關(guān)系,相關(guān)性分析表明熱活化率能很好地評(píng)價(jià)該煤矸石的活性激發(fā)程度。

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