一种低温活化煤矸石粉体制备水泥掺合料的方法

本发明涉及一种低温活化煤矸石粉体制备水泥掺合料的方法，通过采用化学辅助-热活化法成功制备了高活性偏高岭土粉体，适用于煤矸石等固体废弃物高值化开发以及水泥掺合料应用等领域。

背景技术：

1、煤矸石是煤炭开采与洗选过程中产生的大宗固体废弃物，含有碳、硅、铝等有机物和无机矿物。

2、煤矸石中含有大量硅铝质矿物，其sio2和al2o3含量分别可达30％～60％和15％～40％，是一种“放错地方”的资源。水泥掺合料可以替代部分硅酸盐水泥，改善混凝土的微观结构和力学性能，同时减少水泥熟料的消耗，可有效减少资源浪费。水泥掺合料按其火山灰活性可以分为两类：活性掺合料和非活性掺合料。活性掺合料主要包括粉煤灰(fly ash,fa)、矿渣(slag)、硅灰(silica fume,sf)、偏高岭土(metakaolin,mk)和天然火山灰(natural pozzolans,np)等；非活性掺合料主要包括细粒石灰石(fine limestone,fl)和石英。

3、而煤矸石在热力作用下，其中的高岭石组分会转化为偏高岭石而产生活性，经活化后的煤矸石作为掺合料掺入水泥中可促进水泥水化，改善微观结构，增强力学性能。上述应用一方面能有效减少煤矸石的堆存，另一方面可降低水泥消耗量，实现可持续发展。将活化煤矸石粉体应用在水泥工业具有良好的经济、社会和环境效益。

技术实现思路

1、本发明的技术方案为：首先将块状煤矸石使用颚式破碎机进行粗碎，然后在使用双辊破碎机进行细碎，随后采用球磨机进行球磨至一定粒径；将符合粒径要求的煤矸石粉体与少量化学活化剂置于马弗炉中煅烧活化，保温一段时间后迅速取出在空气中急速冷却，最终得到活化煤矸石水泥掺合料。

2、活化煤矸石水泥掺合料的制备工艺步骤如下：

3、(1)将块状煤矸石进行粗碎、细碎成粒状煤矸石；

4、(2)将粒状煤矸石置于球磨机中球磨一定时间；

5、(3)称取一定量的煤矸石粉体与少量化学活化剂混合均匀；

6、(4)将(3)中煤矸石粉末置于马弗炉中煅烧，煅烧后取出在空气中急冷，最终得到活化煤矸石水泥掺合料。

7、优选地，所述步骤(1)中煤矸石的粒径大于25mm。

8、优选地，所述步骤(2)使用球磨机球磨时间为60min～180min。

9、优选地，所述步骤(3)中的化学活化剂为caso4和ca(oh)2以及na2co3的混合物，其质量比为1：1：1；煤矸石与化学活化剂的比例为1：0.0075。

10、优选地，所述步骤(4)中马夫炉的煅烧温度为500℃～800℃，煅烧时间为2h，煅烧时间结束后迅速取出在25℃室温下急冷。

11、本发明还提供了所述低温活化煤矸石水泥掺合料活在水泥胶砂中的力学性能测试应用，其特征包括以下步骤：

12、(1)活化煤矸石替代硅酸盐水泥，以水泥胶砂强度检验方法(iso法)规定的水胶比制备水泥胶砂，养护一定龄期后取出测试抗压强度。

13、(2)上述所制得的活化煤矸石水泥掺合料的活性指数7d>100％，28d>105％，达到s105矿粉的水平。

14、所述步骤(1)活化煤矸石粉体以一定的比例替代硅酸盐水泥。

15、所述步骤(1)在室温水箱中养护7d、28d后取出。

16、所述步骤(2)中的活性指数的计算方式是各龄期的活化煤矸石水泥抗压强度与同龄期基准水泥抗压强度的比值。

17、本发明的有益效果如下：

18、(1)本发明采用化学辅助-热活化的方式对煤矸石粉体进行活化，操作简单；

19、(2)该活化煤矸石水泥掺合料具有良好的化学稳定性和经济友好性；

20、(3)该活化煤矸石粉体可有效提高硅酸盐水泥混凝土的力学性能，改善其微观结构，同时可以节省水泥行业的资源消耗，实现生态环境保护。

技术特征：

1.一种低温活化煤矸石制备水泥掺合料的方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.如权利要求1所述的一种低温活化煤矸石粉体制备水泥掺合料的方法，其特征在于，所述步骤(2)的球磨时间为60～360min。

3.如权利要求1所述的一种低温活化煤矸石水泥掺合料制备方法，其特征在于，所述步骤(3)中化学活化剂为caso4和ca(oh)2以及na2co3的一种或几种混合物，煅烧温度为400～900℃；煅烧时间为0.5～6h。

4.一种低温活化煤矸石水泥掺合料，其特征在于，由权利要求1～4任一项所述的活化煤矸石粉体制备水泥掺合料的方法。

5.一种如权利要求4所述的热活化煤矸石制备所得的水泥掺合料，以30％的比例替代硅酸盐水泥制备水泥胶砂，7d活性指数>80％，28d>105％，达到s105矿粉水平。

技术总结本发明公开了一种低温活化煤矸石制备水泥掺合料的方法，该研究属于固废综合利用领域，主要是通过化学辅助热活化煤矸石制备偏高岭土在水泥水化过程中提供活性Al<subgt;2</subgt;O<subgt;3</subgt;和SiO<subgt;2</subgt;改善水泥微观结构，提高水泥等工程材料的力学性能。所述制备方法包括：将煤矸石破碎粉磨，添加少量化学外加剂后，将期置于马弗炉中煅烧保温，最后得到活化煤矸石水泥掺合料。本发明的有益效果如下：(1)所用材料主体为煤矸石，可实现煤基固废的高值化利用；(2)制备方法采用简单的机械‑化学辅助热活化法，成本较低，操作简单；(3)通过粒度、温度对煤矸石活化进行调节，可实现活化煤矸石水泥掺合料的性能调控，且煤矸石的引入可减少水泥熟料的消耗，同时减少了烧制过程的能源消耗，达到有效利用煤矸石中碳质的目的。技术研发人员：李春全,孙志明,钱珑受保护的技术使用者：中国矿业大学（北京）技术研发日：技术公布日：2024/6/18