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煤矸石輕質骨料的性能研究

文字:[大][中][小] 手機頁面二維碼 2020-4-10     瀏覽次數:    

煤矸石是一種在煤形成過程中與煤伴生和共生、含碳量較低的堅硬巖石,是開拓、煤炭開采和洗選加工過程中被分離出來的固體廢棄物。煤矸石生產建筑材料,以其用量大、工藝簡單、技術成熟和經濟、社會效益顯著的特點,成為煤矸石綜合利用的一大熱點,既可以減少工業廢棄物的堆棄,又可以推進固體廢棄物的資源化利用。
      目前,煤矸石生產輕集料主要經破碎、粉磨、成型、燒制而成,其生產工藝類似粘土陶粒,該工藝制備的陶粒表面堅硬、內部含有微細膨脹氣孔,密度低、吸水率低,粒型好。用固體廢棄物煤矸石取代粘土和頁巖生產陶粒,可大大降低環境負擔,消除環境污染,對實現可持續發展具有重要的意義。
1? 煤矸石陶粒制備
      采用江西省內煤矸石(以下簡稱江西煤矸石)為主要原材料,并加入其它輔助原料,混合均勻。本實驗采用破碎→干燥→配料→球磨→造球→預熱→焙燒的工藝制備煤矸石陶粒。
1.1? 原料制備
      江西省煤矸石單一組分焙燒溫度過高,難以膨化,須加入其它輔助原料,降低焙燒溫度,以利于膨化,同時加入一定量的黏土造球。為保證多組分固體原料的均勻混合,應配合輔料粉磨至一定細度。
      設備:輥式破碎機、臥式球磨機(200kg)、標準振動篩。流 程:破 碎( 小 塊 ) → 球 磨( 過 150 目 篩 ) → 篩 余≤ 20% →取篩下料備用。
1.2? 造球與干燥
        煤矸石陶粒配合料經細磨后,加入水(10%~20% 不同比例水分,成球含水率 25%~30%),機械攪拌后造球,塑性結團。濕的料球在烘箱中干燥,試驗控制在 5℃ /min 升溫至 150℃,鼓風干燥 3 h。將干燥后的生料料球按照直徑分成不同粒徑等級待用。
1.3? 預熱除碳
      煤矸石中含有較多的碳。一般陶粒從入窯到出窯,一般在25~40 分鐘,在這樣短的時間內,煤矸石陶粒內部的碳難以完全除盡,殘留的碳非常難熔,致使陶粒內部粘度過大,表面因碳氧化而殘碳少,粘度較小,只在熔化好的表面薄層中產生少量氣孔,內部密實、黑心、無氣孔。如提高溫度,使內部粘度降低,則表面過度熔化,容易粘結成大塊,甚至粘附于窯內壁,形成“結圈”。為此,在煤矸石陶粒的制備過程中,加入了特有的除碳工藝。
      預熱除碳是在設定溫度的高溫爐中進行。將干燥后的生料球直接放入高溫爐中,同時為防止高溫后陶粒的粘結,爐中放入適量的耐火土,料球間保持一定距離。高溫爐內為氧化氣氛,僅以預熱溫度和預熱時間作為控制參數,以控制除碳效果。生料料球→高溫爐→加熱至 950℃→保載不同時間(始終保持爐內高的過氧系數)。
1.4? 焙燒膨化
      除碳后,快速升溫,并控制最高溫度,待陶粒完全膨脹后,停機隨爐冷卻,當溫度下降至 800℃以下時取出在空氣中冷卻至常溫。試驗中我們以焙燒溫度(1170℃ ~1290℃)和焙燒時間(20min~40min)作為控制參數,對陶粒的膨化進行控制。
1.5? 實驗結果
     通過控制生料料球粒徑大小、除碳時間、膨化溫度以及膨化時間,并將不同實驗條件的煤矸石陶粒破碎觀察,測量燒失量和吸水率,可將制備的到的陶粒分為以下各組,詳見表 1。

2? 煤矸石陶粒輕集料混凝土配合比設計
2.1? 根據以往輕集料混凝土拌合物性能和力學性能設計出較
優的配合比,具體如表 2。

2.2? 實驗結果
      從混凝土抗折抗壓強度數據可以看出,隨著陶粒容重的增大,混凝土抗折強度明顯增大,但容重達到 650kg/m3 時,強度增大趨勢下降;隨著容重的增大,抗壓強度增大,當容重達到 450kg/m3 時,混凝土抗壓強度增大趨勢放緩,容重在 550kg/m3-650kg/m3 時,強度達到最大值。主要原因是隨著容重的增大,骨料自身強度增大;另一方面,合理的容重可以避免混凝土的分層離席,保證均勻性,增大強度。
3? 陶粒吸水率對混凝土性能的影響
3.1? 煤矸石陶粒輕集料混凝土配合比設計
      根據以往輕集料混凝土拌合物性能和力學性能設計出較優的配合比,具體如表 3。

3.2? 實驗結果
      從實驗結果可以看出,隨著陶粒吸水率的增大,混凝土抗折抗壓強度幾乎都呈現下降的趨勢,且當吸水率超過 10% 以后,強度下降非常明顯。其主要原因是陶粒的內部含有許多大小不一的孔,在水泥、集料加水拌和的過程中,陶粒輕集料內部的孔會吸入水泥漿體中的自由水分,進而造成混凝土的流動性降低,所以陶粒輕集料混凝土具有較大的坍落度經時損失,對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進程,降低強度。在工程應用中,為了減小混凝土的坍落度經時損失,在拌和前一般需要對陶粒進行預濕處理。經過預濕處理之后,陶粒在混凝土拌和過程中繼續吸水的能力得到降低,但預濕處理將增加混
凝土的容重和運輸成本,甚至還會對混凝土的抗凍性和耐火性產生一定的不利影響。因此控制合理的預濕處理時間,使陶粒內部保持一定的含水量,對于制備陶粒輕集料混凝土非常重要。
4? 陶粒燒失量對混凝土性能的影響
4.1? 煤矸石陶粒輕集料混凝土配合比設計
      根據以往輕集料混凝土拌合物性能和力學性能設計出較優的配合比,具體如表 4。

4.2? 實驗結果
      從實驗結果可以看出,隨著陶粒的燒失量增大,混凝土的抗折抗壓強度都下降,其中抗壓強度下降非常明顯,抗折強度在燒失量大于 5% 之后下降非常明顯。其主要原因可能是陶粒生料料球預熱除碳不夠充分,在除碳時間較短時,料球表面除碳完成,但中心部位碳含量依然較高,殘留的碳非常難熔,致
使陶粒內部粘度過大,表面因碳氧化而殘碳少,粘度較小,只在熔化好的表面薄層中產生少量氣孔,內部密實、黑心、無氣孔,陶粒骨料形成“外脆內硬”的不均勻包裹結構,降低了陶粒自身的機械強度,導致混凝土強度降低。
對該部分實驗的陶粒進行外觀和內部結構觀察時也發現,部分陶粒試樣內部有“黑心”,氣孔大、不均勻,還存在少量帶裂紋的顆粒,這也證實除碳工序對陶粒物理性能影響非常明顯。
4.3? 實驗結論
        煤矸石陶粒作為輕骨料應用于混凝土中,其物理性能對混凝土性能影響非常明顯。經過試驗得到以下結論:
(1)陶粒粒徑不宜過大,10-20mm 為宜;
(2)陶粒的容重應該嚴格控制,在達到輕骨料要求時避免混凝土出現離析現象,降低混凝土強度;
(3)陶粒的吸水率對混凝土影響非常明顯,在不進行預濕處理的情況下,其吸水率不宜高于 5%,最大不可高于 10%;煤矸石陶粒應用于混凝土中時應多次試驗確定吸水率和混凝土用水量,避免出現塌落度經時損失過大,水泥水化不完全;
(4)煤矸石陶粒因其特殊性,應嚴格控制碳含量,做好除碳工序,確保陶粒內部結構均勻,無缺陷。
5? 結論與展望
        煤矸石陶粒作為輕骨料應用于混凝土中,其物理性能對混凝土性能影響非常明顯。研究表明,陶粒粒徑不宜過大,10-20mm 為宜;陶粒的容重應該嚴格控制,在達到輕骨料要求時避免混凝土出現離析現象,降低混凝土強度;陶粒的吸水率對混凝土影響非常明顯,在不進行預濕處理的情況下,其吸水率不宜高于 5%,最大不可高于 10%;煤矸石陶粒應用于混凝土中時應多次試驗確定吸水率和混凝土用水量,避免出現塌落度經時損失過大,水泥水化不完全;煤矸石陶粒因其特殊性,應嚴格控制碳含量,做好除碳工序,確保陶粒內部結構均勻,無缺陷。煤矸石陶粒作為集料制備的混凝土具備質輕、高強的特點,但同時會影響混凝土的流動性,通過預濕、憎水處理得到的陶?;炷量蛇m當改善混凝土的流動性,若能通過煤矸石陶粒、碎石集料復合制備混凝土,有望取得兼具流動性能、強度的高性能混凝土。

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