煅烧煤系高岭石高温相变特征及火山灰活性研究
煅烧煤系高岭石高温相变特征及火山灰活性研究
魏存弟１，２
马鸿文１
杨殿范２
张军２
李益３
（１中国地质大学材料科学与工程学院，北京１０００８３；２吉林大学材料科学与工程学院，长春
１３００２６；
，国电电力建设研究所，北京
１０００５５）
摘要通过ｘＲＤ谱和ＩＲ谱研究了煤系高岭石的高温相变特征。同时，通过煅烧高岭石的Ｓｉ，Ａｌ溶出实验和煅烧高岭石一石灰一石膏硬化体的强度实验研究了煅烧煤系高岭石的火山灰活性。煅烧高岭石的相转变经历了４个阶段，其ｓｉ，Ａｌ溶出浓度与相转变过程有关，Ａｌ的溶出浓度在９００℃时达到最高，ｓｉ在１１００℃时达到最高。煅烧高岭石一石灰一石膏硬化体的强度与钙矾石生成量的多少相关。煅烧高岭石中Ａｌ的溶出活性决定了硬化体中钙矾石的生成量。高岭石具有较高火山灰活性，其煅烧温度范围为５００～９００℃。
关键词
煅烧高岭石
相转变
火山灰活性
煤矸石是煤矿生产过程中采煤和洗煤时被分离出的煤系高岭岩，其颜色呈碳黑色。表１列出了其化学成来的废渣，是我国目前排放量最大的固体工业废弃物之一。大量堆存的煤矸石不仅占用大量的土地，同时还此外还有少量的ＴｉＯ：，ＦｅｚＯｓ，ＣａＯ，ＭｇＯ，Ｋ：Ｏ，及造成了严重的环境污染。因此，煤矸石的处置和有效利Ｎａ：Ｏ等。样品的烧失量较高，达到１８．８％，表明样品中用已成为环境保护和可持续发展的重要研究课题ｎ】。
含有较多的有机质碳。由ｘ射线衍射分析确定了样品高岭石是煤矸石的主要组成矿物心】。研究表明，磨细的新鲜煤矸石胶凝作用很弱，无火山灰活性，而煅烧表１
原料的化学成分
加／％
后的煤矸石具有很好的火山灰活性，表现出较好的胶凝性能【３，引。产生这种变化的根本原因是：在煤矸石的煅烧过程中，随着煅烧温度的升高，煤矸石中的高岭石在结构、物相及ｓｉ，Ａｌ元素的活性上发生了一系列的变化。因此，对煤系高岭石高温相变特征及其火山灰活１．２
测试
性的研究，具有重要的理论意义和实践意义。本文以吉ｘＲＤ分析采用粉末压片法在日本理学ＲＩＮｒｌ２０００
林通化的煤系高岭石为原料，利用ｘ射线衍射和红外型ｘ射线衍射仪上完成，实验条件：Ｃｕ靶，４０ｋＶ，光谱分析等分析测试技术，研究了煤系高岭石的高温２００ｍＡ，阶梯步宽０．０２。。红外光谱分析采用粉末固体相变过程。结合煅烧高岭石的Ｓｉ，Ａｌ溶出实验及煅烧压片法在日本电子ＪＩＲ一６５００型傅立叶红外分光光度高岭石一石灰一石膏硬化体的强度对比实验，确定了仪上进行。ＳＥＭ采用日本电子ＪｓＭ一５６００ＬＶ型低真空煤系高岭石获得最大火山灰活性的最佳煅烧温度。从电子显微镜。Ｓｉ，Ａｌ溶出浓度测定采用ＶＩｓＴＡ—Ａｘ型而为煤矸石的有效利用提供了科学依据。
等离子发光分析仪（ＩｃＰ）进行。
１
实验样品及测试
２
煅烧高岭石的高温相转变
１．１
实验样品
将样品粉碎至２００目（小于７４岬），每次取１０９粉
实验样品为采自吉林通化二道江煤矿太原组地层
体置于刚玉坩埚中，放人到高温炉中加热，升温到预
国家留学基金委２００３年度出国留学基金资助（２００２年度）．
作者简介：魏存弟（１９６８一），男，博士，副教授．主要从事矿物材料学的教学和研究工作．
煅烧温度的样品。
图１为原始样品及不同温度下煅烧样品的ｘ射线衍射图谱。可以看出，原始样品的主要组成矿物为高岭口，ａｒｌ
图２
不同煅烧温度下煅烧高岭石的红外光谱图
衍射峰全部消失，显示高岭石在５５０℃时其结构内羟基大量脱除，晶体结构受到破坏。５５０一１０００℃谱图基析出【５１。
本不变。１１００℃时，出现了强度很弱的莫来石的特征峰，说明在１１００℃时已经开始有少量莫来石的结晶。１２００—１３００℃时，莫来石、方石英的所有谱峰在衍射图结晶态的高岭石转变为非晶态的偏高岭石。当温度升谱中完整出现，呈现出明显的结晶态的特征，表明：当高到９５０℃时，偏高岭石分凝形成Ｙ—Ａｌ：Ｏｓ物相，同时温度升高到１２００℃时，莫来石继续析出，方石英也开非晶质ＳｉＯｚ也相伴分凝形成。１１００℃时开始有莫来石始大量结晶。
新矿物相的生成。随着温度进一步升高到１２００℃时，莫来石大量生成。同时，偏高岭石分凝形成非晶质ＳｉＯ：也大量结晶，形成方石英。由此将煅烧高岭石的相转变形成，５００℃煅烧样品这２个峰完好地存在，但比４５０℃有部分羟基水的脱出。５５０℃时，这个吸收峰完全消失，１１００℃），莫来石、方石英形成阶段（１１００℃以上）。
合并为一宽的吸收带，此时高岭石羟基已大量脱除，晶３
煅烧高岭石的火山灰活性
３．１
煅烧高岭石的Ｓｉ，Ａｌ溶出实验
和ｓｉ—Ｏ弯曲振动的４７０ｃｍ。１３条谱带，这些吸收带均煅烧高岭石的火山灰活性首先取决于试样中的ｓｉ
为偏高岭石形成的表征吸收带蹬，６１。到９５０℃时，在
和Ａｌ在水中的溶解…。为此，我们进行了ｓｉ，Ａｌ的溶出实验。取各温度煅烧的高岭石样品４９，分别置于１００ｍＬ的塑料瓶中，加入１００ｍＬ浓度为０．１ｍｏｌ／Ｌ的ＮａＯＨ随着温度上升到１２００℃，５７０ｃｍ。峰明显增强，并出溶液，水浴加热并保持８０℃，磁力搅拌１ｈ。将溶液离心现了１１６０ｃｍ一，９５６ｃｍ～，８９０ｃｍ～，７３６ｃｍ＿几条新的
分离，取上部清液１０ｍＬ测定ｓｉ，Ａｌ浓度。
图３为不同温度煅烧高岭石在８０℃浓度为０．１ｍｏｌ／Ｌ的Ｎａ０Ｈ溶液中Ｓｉ，Ａｌ溶出浓度曲线。可以看出，Ｓｉ，Ａｌ的溶出浓度随煅烧温度的不同具有明显的分阶段特征。Ａ１溶出浓度在５００℃前基本相近，均较
二｛ｊ～小；５００～８００℃时有较大增加；８００～９００℃时陕速升高
并达到最高值；超过９００℃后急剧降低，９５０℃时仅为９００℃的１／６左右，而后随着温度的升高逐渐降低。Ｓｉ～～
的溶出浓度在８５０℃前变化不大，与未煅烧样品基本相近；９００～１１００℃时快速升高并达到最高值；超过
２
０／（。）
１１００℃后又急剧降低。
图１不同温度煅烧高岭石的Ｘ射线衍射图谱
煅烧高岭石Ｓｉ，Ａｌ溶出浓度的这种变化规律与其
时，抗折强度迅速增大，达到了１１．０ＭＰａ；之后，随着煅
曼
烧温度的增高抗折强度缓慢增大，９００℃时达到最大值（１２．０６ＭＰａ），这一强度远大于常用硅酸盐水泥的抗折强度；温度超过９００℃后强度迅速下降，到１２００℃时仅
为１．７６
ＭＰａ。
萼
｛｛§
图５为以不同温度煅烧高岭石为原料制作的煅烧高岭石一石灰一石膏硬化体试件的ｘ射线衍射图谱。在２０。４５０℃的煅烧温度内，试件的组成矿物除原料中
图３不同煅烧温度下高岭石鳓，越溶出曲线
原有的硝石灰、石膏、高岭石和石英外还出现了新生水化产物钙矾石；在５００～９００℃范围内，原料中原有的组成矿物硝石灰、石膏和偏高岭石等基本消失，而钙矾石大量出现，成为试件的主要组成矿物，与此同时，还出现少量水合硅酸钙（ＣｓＨ）；１０００—１２００℃，试件的组成矿物则与原料的组成矿物完全相同，除硝石灰和石膏外，还有高温煅烧高岭石生成的莫来石和方石英。
相转变过程密切相关。当煅烧温度超过５００℃，随着高高岭石，此时Ａｌ活性增强，溶出浓度也相应增高；９５０℃时，不稳定的偏高岭石分凝形成稳定的新物相９００℃时Ａｌ活性达到最高；随着新物相１一灿ｚＯ，的形成，由偏高岭石分凝形成的非晶质ｓｉＯｚ的活性也逐渐速降低。
３．２
黻般芝。戳潞ｓ：ｃ：｛ｌｉｃ燃避：
Ｇ
煅烧高岭石一石灰一石膏硬化体的强度实验生条件为温度８０℃，湿度９０％，时间２４ｈ。
图５
２
Ｏ／（０）
不同温度煅烧高岭石制作试件的ｘ射线衍射图谱
试件中新生水化产物钙矾石的生成说明，在蒸养条件下，２０。９００℃煅烧高岭石中的Ａｌ：Ｏ，和硝石灰、石膏发生反应生成了钙矾石。同时，水合硅酸钙的生成也说明，５００～９００℃煅烧高岭石中的ｓｉＯ：与硝石灰发生反应。反应式如下：
Ａ１２０３＋３ＣａＳ０４・２Ｈ２０＋３Ｃａ（ＯＨ）２＋２３Ｈ２０—｝
３ＣａＯ・Ａ１２０３・３ＣａＳ０４・３２Ｈ２０
（钙矾石）
ｎＳｉ０２＋，ｎＣａ（ＯＨ）２＋髫Ｈ２０—＋Ｃ—Ｓ—Ｈ
（水合硅酸钙）
图６为以７００℃煅烧高岭石为原料制作试件（Ｍ７００）的ＳＥＭ图。可以看出，新生的水化产物钙矾石的形态为针状，相互间呈网状交织在一起，而胶状的水合硅酸钙也与钙矾石共同交织在一起，从而使试件具
ｃａｌｃｉｎｉ姐ｔ鲫ｐｅｒ８ｔｕｒｅ／℃
图４
不同温度煅烧高岭石的试件抗折强度
有了较高的抗折强度。结合图３，图４与图５可知，试件的抗折强度与新生水化产物，特别是钙矾石生成量的多少密切相关，而钙矾石的生成量又与煅烧高岭石中
Ａｌ的溶出活性相关。在５００～９００℃范围内，煅烧高岭石中Ａｌ的溶出浓度最高，活性最大，溶出的Ａｌ与硝石灰、石膏完全反应而生成大量的钙矾石，此时试件的抗折强度也最高。２０—４５０℃时，煅烧高岭石中Ａｌ的溶出浓度中等，部分Ａｌ参与反应生成了钙矾石，试件强度属中等。而１０００℃以上时，煅烧高岭石中Ａｌ的活性很低，没有钙矾石生成，试件强度最低。
（３）蒸养条件下煅烧高岭石一石灰一石膏硬化体的强度与新生水化产物，特别是钙矾石生成量的多少密切相关，而钙矾石的生成量又与煅烧高岭石中Ａｌ的溶出活性相关。
（４）煅烧高岭石具有较高火山灰活性，其温度范围
为５００～９００℃。
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３
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４
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４
结论
５
Ｆａ彻ｅｒ
ｖ
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（１）煅烧高岭石的相转变经历了４个阶段：脱羟阶段（约５５０℃），偏高岭石阶段（５５０—９５０℃），ｓｉＯ：及ｌ：Ｏ，分凝阶段（９５０。１１００℃），莫来石、方石英形成阶
（１１００℃以上）。
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（２）煅烧高岭石ｓｉ，Ａｌ溶出浓度随煅烧温度的不同具有明显的分阶段特征。总体上随着煅烧温度的增
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ｔｒａｎｓｆｏ珊ａ．
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煅烧煤系高岭石高温相变特征及火山灰活性研究
作者：作者单位：
魏存弟， 马鸿文， 杨殿范， 张军， 李益， Wei Cundi， Ma Hongwen， Yang Dianfan， Zhang Jun， Li Yi
魏存弟,Wei Cundi(中国地质大学材料科学与工程学院,北京,100083;吉林大学材料科学与工程学院,长春,130026)， 马鸿文,Ma Hongwen(中国地质大学材料科学与工程学院,北京,100083)， 杨殿范,张军,Yang Dianfan,Zhang Jun(吉林大学材料科学与工程学院,长春,130026)， 李益,Li Yi(国电电力建设研究所,北京,100055)硅酸盐通报
BULLETIN OF THE CHINESE CERAMIC SOCIETY2005,24(2)9次
刊名：英文刊名：年，卷(期)：被引用次数：
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