煤矸石活化的研究和利用

煤矸石是与煤层伴生的矿物质，在煤矿生产过程中开采和洗选时被分离出来，煤矿上常称为“夹矸”，是我国目前排放量最大的工业固体废弃物之一。它是含碳物（碳质页岩、碳质砂岩等，还要少量的煤）与岩石（页岩、砂岩、砾岩等）的混合物。大部分机构致密，成黑色；自燃后呈浅红色，结构疏松。由各种岩石组成的煤矸石的矿物成分是复杂多变的。主要由黏土矿物（高岭石、伊利石、蒙脱石。勃母石）和石英、方解石、硫铁矿及碳质组成。另外还含有丰富的植物化石、有机质和碳质等。黏土矿物大多数为板状、层状或纤维结构。此类煤矸石在所有煤矸石中占有相当大的比例。砂岩类矿物多数为石英、长石、云母、植物化石和菱铁矿结核等，同时含有碳酸岩的黏土矿物或其他化学沉积物。碳酸类的矿物组成为方解石、白云石和菱铁矿，并混有较多的黏土矿物、陆源碎屑矿物、有机物和黄铁矿等。铝质岩类均含有三水铝矿、一水软铝石和一水硬铝石等高铝矿物，此外还常有石英玉髓、褐铁矿、白云母和方解石等矿物。

以往煤矸石在水泥中的利用主要有：以煤矸石代黏土作原料来烧制水泥熟料，将煤矸石作为混合材生产水泥，制备煤矸石少熟料或无熟料水泥等。煤矸石经自燃或人工煅烧后颜色呈红色，影响水泥的本来颜色，这主要是由于铁离子氧化状态的变化、煅烧气氛等影响，对于燃烧充分的自燃煤矸石，碳已基本烧尽。自燃不够充分或煅烧温度过低时，煤矸石中的碳燃烧不完，会导致水泥制品有黑色粉末存在，表面颜色不均匀，严重影响产品的表观质量。由于碳对水有极强的吸附作用，且煤矸石本为多孔材质，这样的煤矸石用作混合材时，标准稠度用水量增大，也对强度产生不利影响。

煅烧煤矸石易磨性优于熟料或矿渣，采用煤矸石作混合材可以提高水泥磨台时产量并降低粉磨能耗。煤矸石以5%掺入水泥中，有利于水泥早期和后期强度。有研究表明，水泥中掺入10%煤矸石可制备425水泥，掺入30%煤矸石可制备325水泥。煤矸石煅烧后水淬急冷，较大程度地提高了煤矸石水泥的3d和28d强度。掺不同细度的煤矸石会影响煤矸石水泥强度。不同粒径分布的煤矸石掺入水泥中，计算出的28d强度指标与粒径分布的关联度大于相应的3d强度指标，可见粒径分布对煤矸石水泥28d强度影响比3d强度大，细颗粒（1~10μm）多的煤矸石对强度影响较大，小于10μm的

煤矸石颗粒对煤矸石水泥强度增长有积极贡献。

轻烧煤矸石中含有偏高岭石，磨细后掺入到水泥混凝土中，可以节约水泥用量，且增加强度14.3%，同时由于偏高岭石能够吸纳混凝土中部分碱的作用，又能缓解混凝土碱集料反应危险，延长了混凝土构筑物的使用寿命。采用碱性激发剂可制成800℃煅烧煤矸石掺量达60%，28d强度达42.6MPa的大掺量煤矸石水泥。这种水泥的标准稠度需水量、凝结时间、安定性等物理性均可满足国家标准和实际工程需要，且水化热低，7d为235KJ/kg。水泥石结构致密，孔隙率为0.0413cm3/g。

目前在我国煤矸石已运用于水泥工业，但在作为水泥原燃料使用时，在应用的原理上属于直接利用，未能使煤矸石的潜在活性得到充分发挥；用作水泥混合材时仅为经验性的利用，上述各种应用均未能形成规模生产。

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