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煤矸石轻质骨料的性能研究

文字:[大][中][小] 手机页面二维码 2020-4-10     浏览次数:    

煤矸石是一种在煤形成过程中与煤伴生和共生、含碳量较低的坚硬岩石,是开拓、煤炭开采和洗选加工过程中被分离出来的固体废弃物。煤矸石生产建筑材料,以其用量大、工艺简单、技术成熟和经济、社会效益显著的特点,成为煤矸石综合利用的一大热点,既可以减少工业废弃物的堆弃,又可以推进固体废弃物的资源化利用。
      目前,煤矸石生产轻集料主要经破碎、粉磨、成型、烧制而成,其生产工艺类似粘土陶粒,该工艺制备的陶粒表面坚硬、内部含有微细膨胀气孔,密度低、吸水率低,粒型好。用固体废弃物煤矸石取代粘土和页岩生产陶粒,可大大降低环境负担,消除环境污染,对实现可持续发展具有重要的意义。
1  煤矸石陶粒制备
      采用江西省内煤矸石(以下简称江西煤矸石)为主要原材料,并加入其它辅助原料,混合均匀。本实验采用破碎→干燥→配料→球磨→造球→预热→焙烧的工艺制备煤矸石陶粒。
1.1  原料制备
      江西省煤矸石单一组分焙烧温度过高,难以膨化,须加入其它辅助原料,降低焙烧温度,以利于膨化,同时加入一定量的黏土造球。为保证多组分固体原料的均匀混合,应配合辅料粉磨至一定细度。
      设备:辊式破碎机、卧式球磨机(200kg)、标准振动筛。流 程:破 碎( 小 块 ) → 球 磨( 过 150 目 筛 ) → 筛 余≤ 20% →取筛下料备用。
1.2  造球与干燥
        煤矸石陶粒配合料经细磨后,加入水(10%~20% 不同比例水分,成球含水率 25%~30%),机械搅拌后造球,塑性结团。湿的料球在烘箱中干燥,试验控制在 5℃ /min 升温至 150℃,鼓风干燥 3 h。将干燥后的生料料球按照直径分成不同粒径等级待用。
1.3  预热除碳
      煤矸石中含有较多的碳。一般陶粒从入窑到出窑,一般在25~40 分钟,在这样短的时间内,煤矸石陶粒内部的碳难以完全除尽,残留的碳非常难熔,致使陶粒内部粘度过大,表面因碳氧化而残碳少,粘度较小,只在熔化好的表面薄层中产生少量气孔,内部密实、黑心、无气孔。如提高温度,使内部粘度降低,则表面过度熔化,容易粘结成大块,甚至粘附于窑内壁,形成“结圈”。为此,在煤矸石陶粒的制备过程中,加入了特有的除碳工艺。
      预热除碳是在设定温度的高温炉中进行。将干燥后的生料球直接放入高温炉中,同时为防止高温后陶粒的粘结,炉中放入适量的耐火土,料球间保持一定距离。高温炉内为氧化气氛,仅以预热温度和预热时间作为控制参数,以控制除碳效果。生料料球→高温炉→加热至 950℃→保载不同时间(始终保持炉内高的过氧系数)。
1.4  焙烧膨化
      除碳后,快速升温,并控制最高温度,待陶粒完全膨胀后,停机随炉冷却,当温度下降至 800℃以下时取出在空气中冷却至常温。试验中我们以焙烧温度(1170℃ ~1290℃)和焙烧时间(20min~40min)作为控制参数,对陶粒的膨化进行控制。
1.5  实验结果
     通过控制生料料球粒径大小、除碳时间、膨化温度以及膨化时间,并将不同实验条件的煤矸石陶粒破碎观察,测量烧失量和吸水率,可将制备的到的陶粒分为以下各组,详见表 1。

2  煤矸石陶粒轻集料混凝土配合比设计
2.1  根据以往轻集料混凝土拌合物性能和力学性能设计出较
优的配合比,具体如表 2。

2.2  实验结果
      从混凝土抗折抗压强度数据可以看出,随着陶粒容重的增大,混凝土抗折强度明显增大,但容重达到 650kg/m3 时,强度增大趋势下降;随着容重的增大,抗压强度增大,当容重达到 450kg/m3 时,混凝土抗压强度增大趋势放缓,容重在 550kg/m3-650kg/m3 时,强度达到最大值。主要原因是随着容重的增大,骨料自身强度增大;另一方面,合理的容重可以避免混凝土的分层离席,保证均匀性,增大强度。
3  陶粒吸水率对混凝土性能的影响
3.1  煤矸石陶粒轻集料混凝土配合比设计
      根据以往轻集料混凝土拌合物性能和力学性能设计出较优的配合比,具体如表 3。

3.2  实验结果
      从实验结果可以看出,随着陶粒吸水率的增大,混凝土抗折抗压强度几乎都呈现下降的趋势,且当吸水率超过 10% 以后,强度下降非常明显。其主要原因是陶粒的内部含有许多大小不一的孔,在水泥、集料加水拌和的过程中,陶粒轻集料内部的孔会吸入水泥浆体中的自由水分,进而造成混凝土的流动性降低,所以陶粒轻集料混凝土具有较大的坍落度经时损失,对于有高吸水率的陶粒配制的混凝土而言更是如此;另一方面,陶粒吸收水泥水化初期所需水分,大大降低了水泥水化进程,降低强度。在工程应用中,为了减小混凝土的坍落度经时损失,在拌和前一般需要对陶粒进行预湿处理。经过预湿处理之后,陶粒在混凝土拌和过程中继续吸水的能力得到降低,但预湿处理将增加混
凝土的容重和运输成本,甚至还会对混凝土的抗冻性和耐火性产生一定的不利影响。因此控制合理的预湿处理时间,使陶粒内部保持一定的含水量,对于制备陶粒轻集料混凝土非常重要。
4  陶粒烧失量对混凝土性能的影响
4.1  煤矸石陶粒轻集料混凝土配合比设计
      根据以往轻集料混凝土拌合物性能和力学性能设计出较优的配合比,具体如表 4。

4.2  实验结果
      从实验结果可以看出,随着陶粒的烧失量增大,混凝土的抗折抗压强度都下降,其中抗压强度下降非常明显,抗折强度在烧失量大于 5% 之后下降非常明显。其主要原因可能是陶粒生料料球预热除碳不够充分,在除碳时间较短时,料球表面除碳完成,但中心部位碳含量依然较高,残留的碳非常难熔,致
使陶粒内部粘度过大,表面因碳氧化而残碳少,粘度较小,只在熔化好的表面薄层中产生少量气孔,内部密实、黑心、无气孔,陶粒骨料形成“外脆内硬”的不均匀包裹结构,降低了陶粒自身的机械强度,导致混凝土强度降低。
对该部分实验的陶粒进行外观和内部结构观察时也发现,部分陶粒试样内部有“黑心”,气孔大、不均匀,还存在少量带裂纹的颗粒,这也证实除碳工序对陶粒物理性能影响非常明显。
4.3  实验结论
        煤矸石陶粒作为轻骨料应用于混凝土中,其物理性能对混凝土性能影响非常明显。经过试验得到以下结论:
(1)陶粒粒径不宜过大,10-20mm 为宜;
(2)陶粒的容重应该严格控制,在达到轻骨料要求时避免混凝土出现离析现象,降低混凝土强度;
(3)陶粒的吸水率对混凝土影响非常明显,在不进行预湿处理的情况下,其吸水率不宜高于 5%,最大不可高于 10%;煤矸石陶粒应用于混凝土中时应多次试验确定吸水率和混凝土用水量,避免出现塌落度经时损失过大,水泥水化不完全;
(4)煤矸石陶粒因其特殊性,应严格控制碳含量,做好除碳工序,确保陶粒内部结构均匀,无缺陷。
5  结论与展望
        煤矸石陶粒作为轻骨料应用于混凝土中,其物理性能对混凝土性能影响非常明显。研究表明,陶粒粒径不宜过大,10-20mm 为宜;陶粒的容重应该严格控制,在达到轻骨料要求时避免混凝土出现离析现象,降低混凝土强度;陶粒的吸水率对混凝土影响非常明显,在不进行预湿处理的情况下,其吸水率不宜高于 5%,最大不可高于 10%;煤矸石陶粒应用于混凝土中时应多次试验确定吸水率和混凝土用水量,避免出现塌落度经时损失过大,水泥水化不完全;煤矸石陶粒因其特殊性,应严格控制碳含量,做好除碳工序,确保陶粒内部结构均匀,无缺陷。煤矸石陶粒作为集料制备的混凝土具备质轻、高强的特点,但同时会影响混凝土的流动性,通过预湿、憎水处理得到的陶粒混凝土可适当改善混凝土的流动性,若能通过煤矸石陶粒、碎石集料复合制备混凝土,有望取得兼具流动性能、强度的高性能混凝土。

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