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山西职业技术学院材料工程系毕业论文论文题目少熟料煤矸石水泥的试验研究学生姓名：钟永峰学号：0411090214专业班级：材A1102班指导老师：山西·太原日期：2016年5月目录前言.....................................................................................................11原料与方法....................................................................................11.1试验原材料...............................................................................11.1.1主要材料..............................................................................11.1.2辅助材料..............................................................................21.2试验方法...................................................................................32试验过程.........................................................................................32.1试验结果及分析.......................................................................42.2少熟料煤矸石水泥水化产物的分析.......................................53结论.................................................................................................6参考文献.............................................................................................6山西职业技术学院材料工程技术专业毕业论文1少熟料煤矸石水泥的试验研究钟永峰（山西职业技术学院材料工程系，山西太原，030006）摘要：从充分发挥煤矸石潜在活性的观点出发，在热活化的基础上采用化学激发的方法处理煤矸石，以达到用较少量的优质熟料辅以高度激发的活性废渣制备大量高性能水泥的目的。试验尝试采用CaO、Na2SO4和废渣磷石膏作复合激发剂，生产少熟料煤矸石水泥，通过对其强度和水化体系进行研究，找出三种激发剂的最佳配合比。在试验所采用的几种配比中，以5％磷石膏＋3％CaO＋2％Na2SO4的配比最好，煤矸石的掺入量可以达到50％，水泥净浆小试体28d强度可达48.1MPa。该水泥水化产物除了有C-S-H凝胶和钙矾石外，还生成网络状结构的无定形硅铝凝胶Na6[AlSiO4]6·4H2O。关键词：煤矸石；碱激发；水化体系前言煤矸石是煤炭生产中的副产品之一，目前煤矸石排放量约占采煤量的10%~25%。因此解决堆积如山的煤矸石的利用问题已势在必行。当前，缓解大量煤矸石堆存的处理方法和技术途径多种多样，而作为混合材掺加到水泥中已经是一个广为接受的处理途径[1]。但因煤矸石是火山灰质混合材料，本身几乎没有水硬性，因而需要在一定的物理化学激发下[2]改变其化学组成和内部结构，从而改善其物理化学性能。近年来，工业废渣用于生产少熟料、无熟料胶凝材料的研究逐渐成为水泥研究领域的热点问题。通过各种方法激发各类工业废渣的水硬性（火山灰性能）是生产性能较好水泥[3]和大量利废的最佳途径。本文从最大限度地利用煤矸石的角度出发，通过复合激发技术，探讨生产少熟料煤矸石水泥的技术途径。1原料与方法1.1试验原材料1.1.1主要材料煤矸石：山东，化学成分见表1，XRD图谱见图1。由图1可知该煤矸石存山西职业技术学院材料工程技术专业毕业论文2在的主要矿物为α-石英和高岭石。水泥熟料：江苏省龙潭水泥厂，化学成分见表1，熟料的率值及矿物组成见表2，比表面积控制在380m2/kg±10m2/kg。石膏：大连山水泥厂天然石膏，化学成分见表1。表1原材料的化学成分原料名称质量分数/%SiO2Al2O3Fe2O3CaOMgOK2ONa2OSO3烧失量煤矸石48.8219.034.472.032.290.191.43－16.78水泥熟料22.185.543.3365.271.36－－0.624.16石膏11.084.921.4331.673.040.7720.38242.46－表2熟料率值和矿物组成1.1.2辅助材料试验中用到的辅助材料有磷石膏、氧化钙和硫酸钠等，主要目的是对煤矸石进行碱激发。其中：磷石膏：来自国营江苏省涟水磷肥厂，试验前需100℃干燥2h,除去游离水，其化学组成见表3，XRD图谱见图2。从图2可知，磷石膏的主要矿物成分为CaSO4·2H2O和CaSO4·1/2H2O。氧化钙：化学纯，其灼烧后的w(CaO)≥97.0％，由中国医药（集团）上海化学试剂公司生产。硫酸钠：结晶硫酸钠（Na2SO4·10H2O），上海试四赫维化工有限公司生产，使用时须将结晶硫酸钠配成溶液。表3磷石膏的化学组成成分SO3CaOSiO2P2O5FAl2O3MgOFe2O3K2ONa2O其他质量分数/%53.9042.061.611.270.620.140.060.050.040.020.17KHSMIMw（C3S）w（C2S）w（C3A）w（C4AF）总量0.8812.501.6654.1522.79.0310.1296.00图2磷石膏的XRD图谱10203040506070802θ/°○α-QuartzKaolinite△△△△△○○△○○○○○○图1煤矸石的XRD图谱山西职业技术学院材料工程技术专业毕业论文31.2试验方法（1）煤矸石煅烧和粉磨：把煤矸石置于容器中放入程控硅碳棒电阻炉中，从室温升至800℃煅烧，保温2h，随炉冷却。然后在Φ500mm×500mm试验磨内粉磨40min，细度为0.08mm方孔筛筛余≤3％。（2）水泥净浆小试体强度试验：选用2cm×2cm×2cm的模具，称取150g粉料，人工手动搅拌，在标准条件下成型，24h脱模，25℃湿气养护，分别测定其3d和28d的抗压强度。（3）XRD分析：RigakuD/MAX-2250型X－射线衍射仪（Cu靶K射线，管电压40kV，管电流40mA），分析煤矸石少熟料水泥的水化产物。（4）扫描电镜分析：JSM-5900S扫描电镜，观察少熟料水泥的水化产物形貌。2试验过程本试验选用熟料量为40％，掺入少量的磷石膏、氧化钙和硫酸钠作为复合激发剂，生产少熟料煤矸石水泥（你原文中这里磷石膏作为混合材，而后面分析又将其归在激发剂；另文题说是少熟料煤矸石水泥，也未提复合水泥，显然不对。因此这里作了上述修改，感谢修改，完全接受。），并研究各激发剂的掺量对少熟料煤矸石水泥强度的影响。为了使这些因素之间达到最优化组合，采用了正交试验法[4]。初步设定正交试验原材料的配比采用三因素三水平，见表4。在此基础上按照正交表L9（33）来设计试验，正交试验表如表5，试验结果见表6。通过抗压强度的比较，得出三种激发剂的最佳掺量。为了利于比较，试验中也测定了水泥净浆小试体强度。设定小试体成型水灰比0.35。表4因素与水平列表水平磷石膏掺量/％氧化钙掺量/％硫酸钠掺量/％1103121552320103表5正交试验表试验号磷石膏氧化钙硫酸钠水平（掺量/％）水平（掺量/％）水平（掺量/％）11（10）1（3）1（1）21（10）2（5）2（2）31（10）3（10）3（3）山西职业技术学院材料工程技术专业毕业论文442（15）1（3）2（2）52（15）2（5）3（3）62（15）3（10）1（1）73（20）1（3）3（3）83（20）2（5）1（1）93（20）3（10）2（2）表6正交试验的试验配比和试验结果试验号各组分质量比例/%抗压强度/MPa熟料磷石膏氧化钙硫酸钠煤矸石石膏3d28d0950000538.1365.25140103146016.8844.38240105243016.8834.793401010337018.7533.33440153240017.0830.83540155337016.4625.756401510134014.3821.00740203334014.3827.25840205134020.7525.009402010228018.3328.002.1试验结果及分析对该正交试验的结果，通过简单的计算，可以分析各因素的哪一个水平较好，往往由此能找出较好的条件，也能粗略地估计一下哪些因素比较重要[5]。将表6正交试验中的抗压强度结果进行分析（见表7），得到各因子的显著水平，并兼顾水泥其它的各项指标，得到了磷石膏、氧化钙和硫酸钠三种激发剂材料的最优掺入量，分别为：磷石膏掺量10％、氧化钙掺量3％、硫酸钠掺量2％。其中磷石膏掺量对抗压强度影响最大，其次是氧化钙掺量的影响，另外硫酸钠掺量也对水泥的强度有所影响。即磷石膏对煤矸石有较强的激发作用，其激发作用优于氧化钙和硫酸钠。但上述9次试验中，并未出现最优组合方案。表7抗压强度的结果分析项目磷石膏氧化钙硫酸钠3d28d3d28d3d28dⅠ（1水平试验结果总和）52.51112.548.34102.4652.0190.38Ⅱ（2水平试验结果总和）47.9277.5854.0985.5452.2993.62Ⅲ（3水平试验结果总和）53.4680.2551.4682.3349.5986.33Ⅰ/317.537.516.1134.1517.3430.13Ⅱ/316.025.918.0328.5117.4331.21山西职业技术学院材料工程技术专业毕业论文5Ⅲ/317.826.817.1527.4416.5328.78极差R1.811.61.926.710.92.43从表6可以看出，试验1制得的少熟料煤矸石水泥28d小试体强度（44.38MPa）可以达到纯硅酸盐水泥强度（65.25MPa）的68%，而熟料量仅为纯硅酸盐水泥的40％，说明本次试验是有实际应用价值的。根据上述结果，继续改变磷石膏掺量，而氧化钙和硫酸钠掺量则选取上述试验的最优值（即氧化钙掺量3％、硫酸钠掺量2％），以找出磷石膏掺量的最优值。试验配比和试验结果见表8。表8试验配比和试验结果试验号质量配比/%抗压强度/MPa熟料磷石膏氧化钙硫酸钠煤矸石3d28d1405325013.848.12408324715.836.634010324516.041.5从表8看出，本次试验1配比制备的少熟料煤矸石水泥的28d强度最高，达到48.1MPa，超过了第一次试验（表6）中最高的1#样的强度值（44.38MPa）。但是这两次最优试验中的少熟料煤矸石水泥的3d强度并不是所有试验中最高的，这可能是因为磷石膏对煤矸石的激发作用比较缓慢，因此在早期不明显，在后期则可以反应充分。2.2少熟料煤矸石水泥水化产物的分析由强度分析结果看出，复合激发剂配比为5％的磷石膏＋3％的氧化钙＋2％的硫酸钠的试验体系强度最高（表8中1#样）。在碱性环境里氢氧根的浓度增大,有利于煤矸石活性组分的水化反应[8]。对该试验配制的少熟料煤矸石水泥28d水化体系进行微观结构分析，其XRD图谱见图3，SEM照片见图4。(a)(b)图4水化体系的SEM照片图3水化体系的XRD图谱山西职业技术学院材料工程技术专业毕业论文6从图3可以看出，该少熟料煤矸石水泥体系水