机械粉磨对煤矸石质胶凝材料活性的影响

张金龙

（北京科技大学，北京　100083）

机械粉磨对煤矸石质胶凝材料活性的影响

张金龙

（北京科技大学，北京100083）

摘要：粉磨成不同细度的煅烧矸，与硅酸盐水泥熟料和二水石膏和标准砂按比例混合制得砂浆，测其28天力学性能。借助XRD光谱衍射和SEM扫描电镜手段，对不同细度的煤矸石进行微观分析研究。结果表明：随着煤矸石细度的增加，复合砂浆28天的力学性能呈先增大后减小的趋势。机械粉磨可以减小煤矸石颗粒的细度，并使煤矸石中非活性石英的结晶度降低，活性物质数量增加，提高煤矸石的胶凝活性。

关键字：煅烧煤矸石；机械粉磨；结晶度

0　引言

煤矸石综合利用方面研究最广泛的是热活化制备复合胶凝材料，不仅降低水泥生产中的资源消耗，还实现水泥工业的可持续发展。煤矸石矿物组成中的黏土矿物主要为高岭石等，其必须经过热活化激发才会发挥出潜在的水硬特性。热活化使黏土类矿物脱水分解，转变成活性的硅铝物质，但仅仅依靠热激活来提高煤矸石的胶凝活性是不够的。有研究表明[1，2]：无机材料的化学反应活性高低与微观结构缺陷程度、晶格畸变程度和无定形程度有关。郭伟[3]研究了机械力化学效应对煅烧煤矸石活性的影响，发现在煅烧煤矸石的基础上进行适当的粉磨可以进一步提高其活性，掺入煤矸石水泥胶砂的强度明显提高。试验以某煤矸石为主要原料，在经热活化处理后，采用机械力粉磨对煅烧矸进一步活化，并结合宏观和微观手段对机械力活化煅烧矸做出研究分析。

1　试验材料和方法

1.1试验材料

所用实验材料包括：煅烧煤矸石（原矸产自山西古交）、 吉港水泥（山西），标号42.5、二水石膏（天津），分析纯、标准砂、纯净水。

1.2试验方法

煤矸石在800℃下煅烧2h，冷却后在转速为260Mpr的pm-2行星式球磨机中按照球料比2.2进行粉磨。向磨机中外掺激发剂硅酸盐水泥和二水石膏并低速混匀制成混合物料。在砂浆搅拌机中搅拌均匀制成砂浆，注入试模振动成型，带模放入温度为20±1℃，湿度为95%的养护箱中养护，24h后脱模养护，测定试件28d的强度。胶砂强度的测定参照GB/T 17671-1999。

2　试验结果和讨论

表1为不同粉磨细度下煤矸石水泥胶砂28天的强度。可见，随煤矸石粒度尺寸的降低，-200目含量由90.40%增加至99.53%，-500目含量由66.88%增加至89.80%，抗压强度呈先增后减的趋势。就体系强度发展来说，理论的最佳粉磨时间为60min，此工艺条件下28d的抗压强度达到了42.66Mpa，力学性能优于单纯的硅酸盐水泥体系。还可以看出，并非煤矸石的颗粒尺寸越小越好，经粉磨颗粒的比表面积增大，虽增大颗粒水化反应的接触面积，但超过一定范围，引起胶砂的流动性能下降，反而使胶砂的力学性能下降。

表1　不同粉磨时间下体系的物理性能

图1为不同粉磨时间下煤矸石的XRD图谱。可见，随粉磨时间的延长石英的衍射峰逐渐弱化，如26.72°处的石英的衍射峰的强度分别为70883、63000、60167、54183、53500、53450、53333，这表明机械力粉磨作用使石英的结晶度降低，粉磨60min之前这种变化更明显，60min之后趋于较小的变化幅度。在机械力粉磨作用下，煅烧矸中一些惰性物质（如石英）的结晶程度降低，由非活性态变成活性态，这种变化有助于煤矸石活性的提高。

图1　不同粉磨时间下煤矸石的XRD图谱

图2为粉磨颗粒的SEM显微观察。可见，粉磨矸颗粒的棱角清晰，表面不光滑。机械粉磨使得表面处石英颗粒的化学键发生断裂，晶格无定形程度增加，这在一定程度上提高了非活性物质石英的化学活性，增加了活性物质的数量。粉磨使得煤矸石颗粒大都在20um以下，强化了颗粒在水化凝胶中的填充效应，提高了煤矸石的胶凝活特性。

图2　粉磨颗粒的SEM显微观察

3　结论

（1）在一定范围内，机械粉磨有助于提高煤矸石的活性，但并非无限。这源于强度是由活性物质数量、水化接触面积和砂浆物理性能等多方面决定。本试验中随着粉磨时间的延长，胶砂28天的抗压强度呈先增大后减小的趋势，在粉磨60min时，力学性能最佳。

（2）机械力粉磨可以改善非活性物质石英的无定形程度，增加活性物质的数量，提高了煤矸石的胶凝活性。

参考文献：

[1]廉慧珍，张志龄，王英华.火山灰质材料活性的快速评定方法[J].建筑材料学报，2001（03）：209-304.

[2]裴向军，尹洪峰，杨小辉.水泥土环境中粉煤灰的活性及激发途径[J].长春工程学院学报（自然科学版），2003（01）：35-39.

[3]郭伟，李东旭，陈建华等.热活化与机械力活化对煤矸石胶凝性的影响[J].建筑材料学报，2011（03）：371-375.

作者简介：张金龙，（1988—），男，现就读于北京科技大学土木与环境工程学院矿物加工工程专业，在读硕士研究生，研究方向：固体废弃物资源化利用。