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煅烧活化煤矸石火山灰活性对水泥基材料的影响 冯奇王培铭 (同济大学材料学院，上海200092) 摘要分析了徐州煤矸石的化学成分、矿物组成及活化机理、活化后的活性成分及其含量。研 究了活化煤矸石．氢氧化钙体系的水化热、水化产物成分以及活化煤矸石．水泥体系的水 化程度、水化产物的界面微结构。结果表明，低温煅烧活化煤矸石的火山灰活性来源于 无定形siq及活性鸽q。在石膏的激发下，活化煤矸石能够发生二次水化反应，与 q(0H)：反应形成钙矾石、水化硅酸钙、水化铝酸钙等有利于提高水泥石强度的水化产 物。确定了煤矸石．水泥体系中Ca(0H)：的含量与养护龄期之间的关系，证明了相同龄期 时的煤矸石．水泥体系中的未水化颗粒多于纯水泥体系，至水化后期仍有未水化颗粒存 在，活化煤矸石能够降低水化产物中氢氧化钙的含量，抑制氢氧化钙晶体的生长和聚集， 改善水泥石结构，并提高活化煤矸石混凝土的耐久性。 关键词水泥煤矸石火山灰活性水化耐久性 1概述 煤矸石是煤炭生产过程中产生的固体废弃物，排放量相当于煤炭产量的10％左右，目前 已累计堆存30亿t，占地约1．2万hm2，是我国排放量最大的工业固体废弃物之一…。国外非 常重视对煤矸石的利用，利用率领先于我国，主要用于生产建筑材料、道路工程填充以及从煤 矸石中提取有用元素等幢j。我国在20世纪50年代就开始了煤矸石综合利用的研究[3]，近年 来，煤矸石建筑材料发展相当迅速，但是利用率仅有10％。减排煤矸石并使其无害化、资源化 已势在必行Ho。与其他固体废弃物相比，我国在煤矸石理论研究和应用方面都显得相当薄弱， 这主要是由于煤矸石的组成成分随出产方式不同而有较大变化，对煤矸石微结构缺乏了解也 在很大程度上制约了煤矸石的研究和开发利用。 本文分析了徐州煤矸石的物相组成及其煅烧产物的火山灰活性，判断了煅烧产物的活性 来源，并研究了煅烧产物与水泥混合体系的水化过程、水化产物微结构，阐明了煤矸石在水泥 中的作用机理以及对水泥水化的影响。 2煤矸石分析 2．1煤矸石组成 徐州煤矸石的主要化学成分见表1，磨细粉末的XRD见图1，红外光谱见图2。其特征波 104 冯奇等·煅烧活化煤矸石火山灰活性对水泥基材料的影响 由图1、图2分析确定了徐州煤矸石的矿物组成。结合化学成分，各矿物质量分数的计算结果 3．50％，其他成分3．34％。 2．2煤矸石的活化机理 通过物相分析，徐州煤矸石为粘土类矿物组成。通过差热分析，粘土类矿物组成的煤矸石 成的1：1型层状硅酸盐矿物，结构单层完全相同，层间以氢键相联结，无水分子和离子。其中 si和m的配位数分别是4和6。温度升至400℃一500℃开始脱水，脱水后仍然保持原有的层 状结构，但是原子间已发生了较大的错位，形成了结晶度很差的偏高岭石(A120，·2si02)№J。偏 高岭石中原子排列不规则，呈现热力学介稳状态，是一种具有火山灰活性的矿物。 表1徐州煤矸石的化学成分(％) 10 20 30 40 50 80 2-Theta(。) 图1煤矸石的XRD图谱 Wavenumber(cm。11 图2煤矸石的FI]R图谱 105 第2部分结构与材料的耐久性研究 煤矸石的活化即脱去高岭石中铝氧八面体中的羟基，使高岭石中的趾的配位数从6变为 4或者5，同时原来有序结构的高岭石变成无序结构的偏高岭石。本文采用的徐州煤矸石为经 煅烧热处理后的活化煤矸石。 2．3活化煤矸石的火山灰活性 混合材的化学和矿物组成、形