机械粉磨对煤矸石-水泥体系颗粒群特征及力学性能的影响

1、第卷增刊（）年月东南大学学报（自然科学版）（删）（）机械粉磨对煤矸石一水泥体系颗粒群特征及力学性能的影响顾炳伟，王培铭熊少波（同济大学材料科学与工程学院，上海）（淮海工学院土木工程系，连云港）摘要：采用了煤矸石单独粉磨后取代水泥、煤矸石与水泥混合后共同粉磨（先混后磨）、煤矸石与水泥分别单独粉磨后混合（先磨后混）（三者均按（煤矸石）：（水泥）：的比例）种不同的机械粉磨方式研究粉磨对煤矸石一水泥体系的颗粒群特征以及力学性能的影响研究结果表明：煤矸石单独粉磨掺入体系与煤矸石和水泥“先混后磨”，不同粉磨时间的混合体系的颗粒群具有相似的级配组合特征；煤矸石与水泥“先磨后混”形成的颗粒群特征不同于“先混后

2、磨”；对于相同的粉磨时间，煤矸石与水泥“先混后磨”的粉磨制度优于“先磨后混”；不同的煤矸石一水泥体系的颗粒群特征对于体系的力学性能产生不同的影响关键词：煤矸石；机械粉磨；颗粒群特征；力学性能中图分类号：文献标识码：文章编号：（）增刊（）一（锄（印耐，妤咄曲，），抽柚，）均：仃仃：，雒印（枷）舭！，铲！枷！色：；砒；缸煤矸石在建筑材料领域的应用已有几十年的历史早期的利用研究主要是用煤矸石来替代粘土烧制煤矸石砖，部分取代粘土原料来烧制水泥熟料以及用来制作混凝土的轻骨料近年来，将煤矸石经过活化作为水泥混合材及混凝土掺和料的研究引起了许多研究者的兴趣，已成为煤矸石应用研究的热点问题之一撕】机械粉磨是对

3、煤矸石进行活化的方法之一通过机械粉磨，改变煤矸石混合材的颗粒群特征以收稿日期：作者简介：顾炳伟（），男，博士生，副教授，东南大学学报（自然科学版）第卷及细度，从而改善其在煤矸石一水泥体系中的填充性能及反应活性对于煤矸石机械活化的研究，以前的研究工作者大多针对煅烧煤矸石来进行，因此，实际上是研究在热活化的基础上进行的热一机械复合活化本文则主要采用未煅烧煤矸石进行机械粉磨活化研究，以研究机械粉磨对于煤矸石一水泥体系的颗粒群的特征以及力学性能的影响试验试验原料煤矸石：采用山西大同煤矸石，其主要矿物成分为高岭石、石英以及少量的白云母、钾长石等水泥：采用项目第一课题组提供的高拉法基型硅酸盐水泥，质量分数

4、为其化学成分见表表水泥的化学成分试验方法试验主要采用种方法：一是将煤矸石分别粉磨至，按照厂，用水泥用量的的煤矸石取代水泥（所得的胶凝材料称为体系）制作水泥胶砂试件，在养护室养护至规定龄期，测定其胶砂强度；二是选择粉磨时间为的磨细煤矸石与高拉法基型硅酸盐水泥按与的比例混合后分别粉磨至，（所得的胶凝材料称为体系），将混合试样制作胶砂试件，采用与方法一相同的养护方法养护至规定龄期，测定其胶砂强度；三是按照方法二的煤矸石与水泥的粉磨时间，将煤矸石与水泥分别粉磨至规定的时问，按照与的比例混合后（所得的胶凝材料称为体系）制作水泥胶砂试件，采用上述同样的养护方法养护至规定的龄期，测定其胶砂强度在试样成型搅拌

5、过程中，对于混合样首先将煤矸石与水泥预拌，然后按照标准搅拌制度搅拌、密实成型、养护结果与讨论机械粉磨对于煤矸石一水泥体系的颗粒群的特征及力学性能的影响不同粉磨时间对于煤矸石的颗粒群特征的影响对于煤矸石一水泥体系一，固定体系水泥的颗粒群特征，通过对煤矸石进行不同时间的粉磨来改变煤矸石一水泥体系颗粒群的特征，这样煤矸石一水泥体系的力学性能主要受煤矸石颗粒群特征的影响不同粉磨时间煤矸石的颗粒群特征见图和图从总体上看，不同粉磨时间的煤矸石的颗粒群的级配组成虽略有不同，但基本相似的随着粉磨时间的增加，煤矸石的颗粒群特征随着粉磨时间的变化亦出现有规律的变化，峰值粒级的粒径范围逐渐向细粒级偏移，峰值粒径逐渐

6、下降，细粒级的组分比例逐渐增多煤矸石的平均粒径也呈现有规律的下降（如图所示）此外，从平均粒径随粉磨时间的变化曲线上可以得出：粉磨时间在以前，随着粉磨时间的增加，煤矸石的粒径出现显著的下降当粉磨时间超过后，粒径的下降趋势逐渐变缓即粉磨时间超过后，增加粉磨时间对煤矸石的细度影响不大因此，对于煤矸石的单独粉磨，比较适宜的粉磨时间为不同粉磨时间对于煤矸石一水泥体系的力学性能的影响掺不同粉磨时间煤矸石的煤矸石一水泥体系的胶砂强度变化规律见图由图可以看出：粉磨时间对于不同龄期的试件强度影响程度不同对于强度，不同粉磨时间对于煤矸石一水泥体系的抗压强度的影响较显著，以掺粉磨，煤矸石的试件抗压强度较大；粉磨时间

7、低于或超过，随着粉磨时间的增大或减小，抗压强度均显著降低；对于，强度，具有相似的规律，但强度差异逐渐减小，至龄期，以掺粉磨时间为的煤矸石的试件强度最高不同龄期的强度发展特征说明：随着龄期的增加，颗粒群差异对于煤矸石一水泥胶砂试件的强度的影响逐渐变小冰”冰冰释，。蛙娶蛏器蛙粒径，（）粒径，（）粒径如（）冰娶蛏冰聚故粒径（）粒径（）图不同粉磨时间煤矸石颗粒群的特综合分析体系颗粒群的特征以及各龄期的强度变化趋势，对于单独掺不同粉磨时间的煤矸石来说，煤矸石的适宜粉磨时间为超过这一时间，粉磨对煤矸石颗粒群的特征影响不大，且体系的抗压强度增长不大或反而降低：菱梨”厶一毫计”銎蜊曩出。辗粉磨时间腼图不同粉磨

8、时间煤矸石的平均粒径变化特征粉磨时间，图掺不同粉磨时间煤矸石的煤矸石一水泥体系的强度变化规律机械粉磨对于煤矸石一水泥体系的颗粒群特征及力学性能的影响煤矸石一水泥共同粉磨后的颗粒群特征将粉磨的煤矸石与水泥混合后（水泥）：（煤矸石）：）再共同粉磨，后，试样的粒度分析结果见图和图由图可以看出，个试样的粒度分布曲线具有相似的峰形特征，即试样的颗粒群组合特征相似因此，颗粒群的组合差异对于体系的力学性能的影响被消除，体系的力学性能主要受粉体的细度控制随粉磨时间的增加，试样的平均粒径的变化见图在粉磨小于时，粉磨时间增加，混合体系的平均粒径显著降低，超过这一粉磨时间继续粉磨，粒径下降趋于平缓因此，混合粉磨体系

9、比较适宜的粉磨时间亦为，这和煤矸石单独粉磨的适宜粉磨时间一致东南大学学报（自然科学版）第卷冰娶蛙冰器故粒径如（）粒径儿（）粒径加（）粒径（）图煤矸石一水泥先混后磨不同时间的体系颗粒群的特征不同粉磨时间对于煤矸石一水泥体系的力学性能的影响上述共同粉磨不同时间的煤矸石一水泥体系的胶砂强度的变化规律见图由图可以得出：对于和强度，粉磨时间小于时，随着粉磨时间的增加，煤矸石一水泥体系的胶砂强度也增加，粉磨超过后，粉磨时间增加，强度降低粉磨时间对于强度几乎没有影响即颗粒群差异对于强度的影结合混合粉磨体系的平均粒径随粉磨时间的变化规律以及强度变化规律，对于体系，煤矸石和水泥响程度随龄期的增加而逐渐减小，这与

10、体系卜的颗粒群特征对不同龄期强度的影响具有相似的规律混合共同粉磨的最佳时间亦为。蹬梨。蜜牛。髓室倒慧出蝠锄柏粉磨时间衄图先混后磨粉磨时间的关系粉磨时间，图先混后磨体系粉磨时间与强度的关系机械粉磨对于煤矸石一水泥体系的颗粒群特征及力学性能的影响煤矸石、水泥单独粉磨后混合体系的颗粒群特征根据体系中煤矸石和水泥的各自粉磨时间将两者单独粉磨后，按水泥与煤矸石的质量比为：混合获得混合物的颗粒群的特征见图比较图与图可以发现，样品“先混后磨”与“先磨后混”得到截然不同的颗粒群组合特征“先混后磨”得到的体系的粒度分布曲线连续流畅，各粒级粒径含量渐变过渡而“先磨后混”得到的颗粒群中出现不同粒径组分含量的突变，且

11、主要粒级的粒径变化范围较窄这些差异将对体系的力学性能产生截然不同的影响对于体系的平均粒径，亦随着粉磨时间的增加而逐渐变小（图）不同粉磨时间对于煤矸石一水泥体系的力学性能的影响对于煤矸石一水泥体系，其颗粒群特征对于强度的影响和体系有着截然不同的规律（图）随着粉磨时间的增加，煤矸石一水泥体系的强度逐渐下降并且同体系相比，对应粉磨时间的体系的试件强度明显高与体系试件的强度由此可知：煤矸石和水泥共同粉磨的效果明显优于两者单独粉磨的效果，这与硬度较大的矿渣、钢渣等混合材有着完全不同的粉磨规律增刊（）顾炳伟等：机械粉磨对煤矸石一水泥体系颗粒群特征及力学性能的影响冰、娶蝗袋、渗、器故娶故粒径（）粒径（）粒径

12、，（）粒径加（）图先磨后混体系不同粉磨时间颗粒群的特征。叠”曜黧霜螽。蓄。蝠：。柏粉磨时间图先磨后混体系平均粒径与粉磨时间的关系粉磨时间图先磨后混体系粉磨时间与强度的关系结论）对于煤矸石一水泥体系来说，不同的粉磨方式形成的颗粒群特征不同煤矸石单独粉磨掺入体系以及煤矸石与水泥“先混后磨”，不同粉磨时间的混合体系的颗粒群具有相似的级配特征，而煤矸石与水泥“先磨后混”，不同粉磨时间混合体系的颗粒群具有截然不同的特征）对于相同组成、相同的粉磨时间，煤矸石与水泥“先混后磨”形成的颗粒群特征不同于“先磨后混”前者的粉磨制度优于后者这一点和钢渣、矿渣等硬度比较大的混合材有所不同）不同的颗粒群特征的相同组分体

13、系具有不同的力学性能变化规律参考文献（）】冷发光煤矸石综合利用的研究与应用现状【】四川建筑科学研究，（）：锄锄，（）：（）】张永娟，张雄煤矸石颗粒群分布与煤矸石水泥活性的关系研究【】水泥技术，（）：一锄，柚（）：（）】关建适煤炭灰渣的活性】硅酸盐学报，（）：锄柚】删【吼，（）：（）】张长森，薛建平，房利梅碱激发煤矸石胶凝材料的力学性能和微观结构】硅酸盐学报，（）：一，坶（）（），（）：（）】李亚玲轻烧煤矸石粉水化机理的探讨】粉煤灰，（）：“血【】（）：（），宋旭艳，李东旭不同活化方法对煤矸石胶凝性能的影响】材料导报，（）：一！艳，【，（）：（）咖机械粉磨对煤矸石-水泥体系颗粒群特征及力学性能的

14、影响 作者： 作者单位： 顾炳伟， 王培铭， 熊少波， Gu Bingwei， WANG Peiming， Xiong Shaobo 顾炳伟,Gu Bingwei(同济大学材料科学与工程学院,上海,200092;淮海工学院土木工程系,连 云港,222005， 王培铭,熊少波,WANG Peiming,Xiong Shaobo(同济大学材料科学与工程学 院,上海,200092 东南大学学报（自然科学版） JOURNAL OF SOUTHEAST UNIVERSITY(NATURAL SCIENCE EDITION 2005，35(z1 3次 刊名： 英文刊名： 年，卷(期： 被引用次数： 参考文

15、献(6条 1.冷发光 煤矸石综合利用的研究与应用现状期刊论文-四川建筑科学研究 2000(06 2.张永娟.张雄 煤矸石颗粒群分布与煤矸石水泥活性的关系研究期刊论文-水泥技术 2004(01 3.关建适 煤炭灰渣的活性 1980(04 4.张长森.薛建平.房利梅 碱激发煤矸石胶凝材料的力学性能和微观结构期刊论文-硅酸盐学报 2004(10 5.李亚玲 轻烧煤矸石粉水化机理的探讨期刊论文-粉煤灰 2001(01 6.宋旭艳.李东旭 不同活化方法对煤矸石胶凝性能的影响期刊论文-材料导报 2004 相似文献(3条 1.学位论文 王吉晶 利用煤矸石生产氧化铝的工艺过程研究 2007 本文以内蒙古自治区

16、乌达平沟煤矿的煤系高岭岩类煤矸石为原料，探讨了从煤矸石中提取氧化铝的技术。借助化学分析、粒度分析、XRD、TG-DTA等 方法，首先对煤矸石的物化性能进行了表征，进而研究了高温煅烧和机械粉磨对煤矸石反应活性的影响，最后用盐酸溶液处理活化后的煤矸石，并通过 碳酸钙水解、碱溶方法、碳化、NaHCO3-NaAlO2反应、洗涤沉淀及煅烧，获得Al2O3，研究每个过程中温度、浓度、pH值等因素对Al2O3转化率及纯度的影 响。 2.期刊论文 顾炳伟.王培铭.熊少波.GU Bingwei.WANG Peiming.XIONG Shaobo 燥矸石的机械-热力复合活化研究 新型建筑材料2006,"

17、"(6 借助于X-射线衍射分析、激光粒度分析、宏观力学性能测试等手段,对煤矸石进行了系统的机械-热力复合活化研究,研究结果表明:采用机械-热力复 合活化,煤矸石中的活性来源矿物高岭石转变为偏高岭石的温度明显低于纯高岭石的转变温度.机械-热力复合活化的煅烧温度、粉磨时间参数对掺煤矸石 水泥早期强度的影响不大,但对后期强度有较大影响.在保持细度相同的情况下,对于煤矸石的热力活化存在最佳活化温度;在相同的热力活化制度条件下 ,对于煤矸石的机械活化存在最佳机械粉磨时间.在相同的热力活化制度、相同的粉磨时间条件下,采用"先混后磨"的粉磨方式优于"先磨后混"

18、;. 3.学位论文 顾炳伟 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 2007 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(oH2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

19、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，

20、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(OH2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(OH2H2O体系中，火山灰反应消耗的Ca(OH2量和体系的初始Ca(OH2含量 有关，存在最佳

21、的Ca(OH2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(OH2H2O体系中单位煤矸石消耗 的Ca(OH2量、热激发煤矸石水泥复合体系中化学结合水量(扣除Ca(OH2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

22、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。 基于原状煤矸石中高岭石的含量： PAI=24.123W0.3655 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