摘 要

矸石渣是以低热值的煤矸石作燃料，采用锅炉工艺发电后排放的工业废渣，其主要成分是SiO₂、Al₂O₃、Fe₂O₃。本文研究了矸石渣机制砂的球磨工艺，并利用磨好的机制砂制备流动性好，工作性能强的干粉砂浆，为矸石渣的再利用寻找新方法。

通过改变矸石渣的球磨时间，来研究矸石渣机制砂在不同球磨时间下的各项参数。研究结果表明：当除去4.75mm以上粒级时，矸石渣机制砂的颗粒级配基本都落在2区砂范围，且随着球磨时间延长，细粉含量和坚固性增加，细度模数减少。

用不同球磨时间下的矸石渣机制砂制备抹灰砂浆，发现当所制抹灰砂浆达到临界泌水点时，球磨时间为20s的机制砂制得的抹灰砂浆7天强度最大，但是所有的抹灰砂浆的强度均满足M7.5抹灰砂浆的要求；探究干粉砂浆的水胶比和粉煤灰掺量对抗冻性性能的影响，结果表明：随着水胶比的增大，抗冻性变差，尤其在水胶比为0.93时，压强损失率超过20%；抗冻性随着粉煤灰掺量增加呈现先增后减的趋势，在掺量为40%时最大。

关键词：矸石渣；球磨时间；配合比；抹灰砂浆

Abstract

The gangue slag is a low-calorie coal gangue used as fuel, and the industrial waste discharged after the boiler process is used to generate electricity. Its main components are SiO₂, Al₂O₃, and Fe₂O₃. In this paper, the ball milling process of vermiculite slag was researched, and the ground sand with good fluidity and strong working performance was prepared by using ground sand, which was a new method for the reuse of vermiculite slag.

By changing the ball milling time, the parameters of the gangue slag machined sand under different milling time were studied. The results show that when the 4.75mm above grain size is removed, the grain gradation of gangue slag sand falls within the area of the sand in Zone 2 and the fine powder content and sturdiness increase and the fineness modulus decreases as the ball milling time increases.

The plastering mortar was prepared with different milling time. It was found that when the plastering mortar reached the limiting bleeding point, the plastering mortar making by milling 20s gangue slag sand was the strongest for 7 days, but all plastering mortar strength meets the requirements of M7.5 plastering mortar; The influence of the water-binder ratio of dry mortar and the anti-freeze performance of fly ash was investigated. The results show that the frost resistance becomes worse as the water-binder ratio increases, especially when the water-binder ratio is 0.93, pressure loss rate exceeds 20%; frost resistance with the increase of fly ash content shows a trend of increasing first and then decreasing, when the amount of 40% is the largest.

Keywords: Gangue slag; Ball milling time; Mix ratio; Plastering mortar

目 录

摘要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1 研究背景、目的及意义 1

1.2 国内外研究现状 2

1.2.1 矸石渣的危害 2

1.2.2 机制砂的研究现状 3

1.2.3 干粉砂浆的研究现状 3

1.3 研究目标与内容 4

1.3.1 主要研究目标 4

1.3.2 主要研究内容 5

第2章 原材料及测试方法 6

2.1 原材料 6

2.2 试验方法 8

2.2.1 细集料基本性能测试方法 8

2.2.2 建筑砂浆性能测试方法 10

第3章 矸石渣机制砂的制备工艺 11

3.1 不同球磨时间下矸石渣的基本性能 11

3.2 矸石渣机制砂和石灰石机制砂对比 13

3.3 本章小结 14

第4章 矸石渣机制砂干粉砂浆 16

4.1 矸石渣机制砂对抹灰砂浆性能的影响 16

4.1.1 不同球磨时间的矸石渣机制砂对抹灰砂浆性能的影响 16

4.1.2 细粉含量对抹灰砂浆性能的影响 18

4.2 配合比对矸石渣抹灰砂浆抗冻性能的影响 19

4.2.1 水胶比对矸石渣干粉砂浆抗冻性能的影响 19

4.2.2 粉煤灰掺量对矸石渣干粉砂浆抗冻性性能的影响 21

4.3 成品石灰石砂浆和矸石渣机制砂抹灰砂浆性能对比 23

4.4 本章小结 24

第5章 结论 25

致谢 26

参考文献 27

绪论

研究背景、目的及意义

煤矸石是在采煤和加工废弃物时产生的，约占煤炭总产量的10％，其碳含量低、硬度比煤大、颜色呈灰黑色，主要成分是Al₂O₃和SiO₂，还含有为数不多了其他的金属氧化物。在过去，煤矸石一直不被利用，作为废弃物堆积在工厂的周围，是我国最多的工业固体废弃物。煤矸石在工厂周围的随意摆放占用了许多土地，在长期的堆积过程中会风化从而产生大量的扬尘，易对工厂周围的人群的呼吸道产生危害。而且煤矸石长期遭空气也会因自燃产生大量的有毒气体，如，H₂S、SO₂、NO_X等这些都会造成大气污染。此外，煤矸石的化学组成中还含有一些有毒元素，而那些可溶性的有毒元素在经历雨水冲刷后，可能会渗透进地下，导致地下水被污染。

煤矸石化学物质含量十分丰富，这决定了它的可利用性，且煤矸石的发热量在3000KJ/kg左右。矸石渣就是以这些低热量的煤矸石为燃料，用循环流化床工艺发电后排放的废渣。随着国内的矸石发电工艺的应用，产生了大量的矸石渣，这些具有高活性和高热量的矸石渣除了少部分用于生产水泥的原料外，绝大部分是填埋或者堆积，而这些大量堆积的煤矸石在含水量达到一定的限度之后，便转化成粘稠状的流体^[1]。可能由坍塌或滑坡体直接转变为泥石流，对人的生命安全造成威胁。因此这不仅会造成资源的浪费，还会侵占土地、污染环境，更可能会威胁到人的生命安全。矸石渣的高效利用技术亟待研究和开发。

目前，国内大部分的施工建设都是以天然河砂或石灰石机制砂为细集料，而天然河砂是短期内不可再生资源，产地也有限，使用时需长距离运输才可获得，这必然会增加天然河砂的使用成本；而石灰石机制砂主要以矿石为原料，一方面开山取石会破坏生态环境，另一方面需水洗去泥除粉，不仅耗费有限的水资源，还会污染环境。随着我国建筑行业的发展，国内许多地方都不同程度地出现了河砂资源短缺的问题，同时河砂质量的逐年下降都是河砂供不应求的原因^[2]。此外，天然河砂的长期开采以及一些地区的乱挖现象，造成了天然河砂资源枯竭。因此许多地方的政府都会实施许多政策还限制人们对天然河砂的开采。因此急需一种新的机制砂来代替天然河砂或者石灰石机制砂。

本课题就是以解决上述问题为前提，从实际工程应用出发，深入研究矸石渣的各项物化性能，并根据其特性以及存在的问题，开发出新的利用途径，加快矸石渣的利用进程。本文结合现如今国家和环境对建筑材料节能减排的要求，将矸石渣用于建设道路桥梁；拟实现矸石渣的无污染化，让废物再利用。不仅可以解决目前河砂资源供不应求的问题，还能够解决矸石渣资源浪费和侵占土地问题。这些不仅符合国家现阶段对废弃物利用最大化的要求，还可以减少矸石渣对环境的破坏。

国内外研究现状

矸石渣的危害

我国煤矸石资源十分丰富，煤矸石燃烧放出的热量较低。目前我国煤矸石的利用主要是用于发电，达到了35%，将煤矸石用于发电，既可以大量消耗堆积的煤矸石，还可以在回收其所含热量的同时，将燃烧过的煤矸石产生的粉煤灰和矸石渣用于建筑和化工行业。煤矸石在发电厂的应用，不仅给发电厂带来了利润，还可以降低电的价格，处理大量堆放的煤矸石，减少了煤矸石堆积或自燃对土地的占用以及对空气造成的污染。因此在煤矸石的利用方式中，矸石发电是最具前景的一种方式^[3]。

我国从六十年代开始研究循环流化床工艺，现如今的技术已经基本满足了国家对于环境保护的要求。包括成熟的脱硫、脱硝以及除尘技术，使得矸石发电这项工艺越来越成熟。但是这些又带来了新的问题，矸石渣的堆积以及难以利用性。矸石渣是指在电厂利用低热值的矸石发电后排放的废渣，一般会采用淬水冷却处理，属于火山灰质活性混合材料^[4]。目前国内大部分矸石发电厂并没有考虑矸石燃烧后矸石渣的后续处理问题，大多是采用水淬处理的方式，并且直接堆积在电厂周围，这样就会侵占大量土地，污染环境，；而且采用水淬处理的矸石渣含水率大，降低了其活性，使得其更加难以利用，与此同时还可能破坏其化学组成，造成资源的浪费。

窦兆祥^[5]等人用电厂炉渣为原料来代替熟料晶种配料。主要采用FR-2型碱性固体激发剂，以黄磷渣、钢渣为主要原料生产抗折强度高，耐磨性能高的磷渣道路水泥。而这些以黄磷渣和钢渣为原料的磷渣道路水泥在物理力学性能、抗蚀性能、抗干缩变形等方面具有优良性能。这种水泥变工业废渣为为一种价值较高的资源，减少了电厂炉渣对环境的危害，有显著地社会效益。

郭殿波^[6]等人系统的研究了电厂炉渣的物理化学性质以及活性，以此来研究电厂炉渣作水泥混和材的可行性。试验证明炉渣是符合国家对混合材的定义，属于活性火山灰质的混合材。炉渣作水泥混合材，既可以扩大了混合材原料的来源，又降低了水泥的生产成本，更可以废物再利用。炉渣结构疏松，孔隙率大，可吸收熟料中的游离氧化钙水化反应时导致的体积膨胀，从而在一定程度上消除f-CaO的对混合材强度的破坏作用，改善了水泥的安定性。水泥熟料的水化产物Ca(OH)₂激发了炉渣水化反应的活性，其二次水化又使水泥浆体中的碱度降低了，有利于水泥熟料中的各类矿物进一步水化，填充了水泥的孔隙，增加了致密性，所以，掺加了炉渣的水泥在早期时强度发展较慢，但后期强度的增长率较大。

机制砂的研究现状

随着天然河砂的开采量越来越少，而且开采天然河砂会对自然环境的造成巨大的破坏，导致机制砂在建筑行业的应用越来越多，特别是在砂浆和混凝土中的研究应用。在《建设用砂》中定义机制砂是经除土处理，由机械破碎、筛分制成的，其粒径小于4.75mm的岩石、矿山的尾矿或各种工业固体废弃颗粒，但是不包括软质、风化的颗粒。而天然河砂是在自然环境下产生的，经过人工开采后筛分取粒级小于4.75mm的岩石小颗粒,包括河砂、湖砂 、山砂、淡化海砂，但不包括软质、风化的岩石颗粒。但是机制砂在颗粒外观、各粒级含量与细粉含量等性能指标方面与天然河砂存在较大差异，这也导致了其影响砂浆和混凝土的性能，使之与天然河砂出现很大的差异，有关机制砂的制备、性能和应用，国内外学者都进行了大量研究。在国标中规定的机制砂的技术要求基本类似于天然河砂，但是由于机制砂中有石粉的掺入，其颗粒级配中150μm累计筛余放宽到了75%~97%；机制砂中的石粉含量一般不会超过5%，但是当MB值≤1.4时，石粉含量可以到达10%；

由于天然河砂的产地和产量有限制，因此特别是一些天然河砂资源比较稀缺的岛屿国家，如日本、英国等在很久以前对机制砂进行了研究，这些国已经有几十年的机制砂在砂浆和混凝土中的应用历史。在上世纪中期，英、美、日等国家就开始提高机制砂的应用并颁布制定了相关的标准。而在国内，最早开始研究机制砂的是贵州省，在上世纪六七十年代，国内的专家经过调查研究，根据当地山砂的特点编制了《山砂混凝土技术规程》。之后其他省也相继制定了机制砂的相关标准，且每个省因自然地理环境不同，相应的机制砂原材料也不一样。

蔡基伟^[7]等人进一步研究了石粉含量对于机制砂混凝土的作用以及对中低强度混凝土工作性能和力学性能的影响，探究出石粉在水泥水化反应过程中起到了晶核作用和微集料填充作用，增加了户能突拌合物的稠度和粘聚性；并增加了混凝土的密度，增强了混凝土的抗压强度。

李杰^[8]等人总结了目前齐国对机制砂混凝土的研究现状，主要是总结了石粉含量在机制砂混凝土中起到的作用。现在关于对机制砂混凝土中石粉含量对混凝土和易性的影响有不同的结论，一是机制砂混凝土的石灰会增加对用水量增加，这就导致混凝土的和易性变差。二是石灰对机制砂混凝土的和易性的影响存在一个临界点，在这点处的其和易性最好，当超过这个含量临界点时，和易性将逐渐变差。

干粉砂浆的研究现状

干粉砂浆也称作干混砂浆，是指经过干燥和筛分处理的河砂或机制砂、无机胶凝材料(如水泥)和外加剂等按一定比例进行物理搅拌混合而成的一种颗粒状或粉状的物质，通常以袋装或散装的形式被运输到工地，并且在加水拌和后就可以马上使用的材料

近些年来，国家对墙体材料的改革力度越来越大，导致墙体材料对新型材料的需求量越来越大，并且对砂浆的性能要求也越来越高，而干粉砂浆的性能远优于传统砂浆，因此干粉砂浆自然是墙体材料的最优选择。传统砂浆，由于原材料来源复杂，受施工人员知识水平和现场施工条件的影响，使得传统砂浆在许多方面的性能都比干粉砂浆差，显然满足不了墙体材料的需求；而干粉砂浆的优点很多，比如质量高且影响因素少，对环境的破坏少，使用方便。虽然干粉砂浆的生产成本较高，但是它既能保证产品质量又能减少环境污染，更方便现场施工管理。因此国家出台了许多措施来推广干粉砂浆的使用，这样既可以保证建筑工程质量、提高建筑施工现代化水平，还可以实现资源综合利用、减少环境污染、改善大气环境、发展干粉砂浆、实现资源的可持续发展的重要政策。所以，干粉砂浆在今后有着无比广阔的应用前景。

早在19世纪末期，欧洲等发达国家就开始了对干粉砂浆的研究，但是在当时干粉砂浆并没有被大家广泛接受，大部分地区仍在使用传统砂浆。直到二十世纪五十年代，在西欧和欧美，尤其是德国等一些国家，由于新型墙体材料的大量应用，极大的增加了人们对干粉砂浆的需求，从而使得干粉砂浆产业得到大力发展。目前，在发达国家基本看不到传统砂浆，都被干粉砂浆所取代^[9]。

而我国在干粉砂浆的研究起步较晚，仅仅有二三十年的时间，在认识到干粉砂浆的重要性后才开始大力发展干粉砂浆产业。政府采用引导干预的措施，并且投入了一定的人力物力，才使得干粉砂浆在国内有了较大的发展。但是目前国内对干粉砂浆的研究还不够系统，还没有摸透干粉砂浆的一些规律性问题。同时人们对于干粉砂浆的认识还不够，但是随着时代的进步，干粉砂浆的市场正在逐步形成。

对于干粉砂浆的发展，我们可以通过下面几种方式来做。政府可以通过限制传统砂浆，大力推广干粉砂浆；另一方面可以让部分企业先应用干粉砂浆，起到带头模范作用，让其他企业看到干粉砂浆相比与传统砂浆的优势；最后也是最重要的就是不要加大对干粉砂浆的研究力度，生产出更多性能更好，种类更全的干粉砂浆，同时使干粉砂浆时的成本、能耗和环境污染尽可能降低。甚至可以用其他的工业废渣和火山渣搭配使用，适当比例的火山渣可以改善砂浆性能^[10]。这样不仅可以使干粉砂浆得到广泛认可，还能降低污染，节约资源。

研究目标与内容

主要研究目标

矸石渣有着压碎值大、吸水率高，且级配不良、粒形差等问题，针对这个问题，需探索出矸石渣机制砂的制备工艺，同时找出影响矸石渣干粉砂浆工作性能、力学性能和抗冻性能的因素。为矸石渣的利用提供新的方法，开辟新途径，并促进干粉砂浆的发展。

主要研究内容

根据课题研究的目标，将分析矸石渣机制砂的基本性能以及对矸石渣干粉砂浆的影响，通过对比分析出矸石渣干粉砂浆的影响因素，内容分为以下几个方面：

（1）研究不同球磨时间下的矸石渣机制砂的性能，并进行对比分析，找出矸石渣的最佳球磨时间；对比石灰石机制砂，分析矸石渣机制砂，探究矸石渣的最佳球磨时间。

（2）对比不同球磨时间下矸石渣机制砂制备的干粉砂浆，探究球磨时间对干粉砂浆性能的影响；分析不同细粉含量机制砂制成的干粉砂浆的性能，分析细粉含量对干粉砂浆的影响；探究配合比主要是水胶比和粉煤灰掺量对干粉砂浆抗冻性能的影响；对比分析矸石渣干粉砂浆和石灰石干粉砂浆的性能差异，并探究产生差异的原因。

原材料及测试方法

原材料

1. 水泥：

水泥是湖北新华水泥公司生产P.C32.5R水泥。水泥的各主要成分指标及其基本物理力学性能指标如表2-1，表2-2。

表2-1 水泥的主要化学成分（wt%）

表2-2 水泥的基本物理性能

1. 粉煤灰：

汉川电厂F类Ⅱ级粉煤灰，各成分指标、矿物组成见及其物理力学性能指标如表2-3、表2-4所示。

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