煤矸石是煤炭开发和洗选过程中被分离出来的废弃岩石,是我国目前排放量最大的工业固体废弃物之一,其主要化学成分一般以氧化物为主,如SiO2、Al2O3等,矿物成分主要由粘土矿物(高岭石、伊利石、蒙脱石、勃母石)、石英、方解石、硫铁矿及碳质组成。据统计,我国煤矸石综合排放量约占原煤产量的15%—20%,已累计储存量达70亿t之多。其中仅徐州地区每年排出的矸石就有200多万t,历年来已积存五、六千万t。大量堆存的煤矸石不仅是煤矿生产的沉重包袱,而且对环境污染也相当严重。因此煤矸石的处置和有效利用成为了一个环境问题。近年来,国内外越来越广泛地将煤矸石进行综合利用,其中对煤矸石用于水泥生产方面有较多的研究,但利用率较低。目前我国的综合利用率尚不到15%。针对目前这种现状,为了实现可持续发展的战略需要,关于煤矸石的基础研究已被纳入国家“973”计划——《国家重点基础研究发展规划》项目(编号2001CB610703)之中。本课题即由此项目中应运而生,目的是希望通过对煤矸石作为辅助性胶凝组分的活化过程研究为有效解决该种废渣的综合利用提供可行的实验依据。鉴于煤矸石的组成和结构等特性,本文力图从煤矸石的活性激发着手,对其进行了一系列的分析研究。无机材料的化学反应活性的高低主要取决于它的结构稳定性。一般而言,微观结构缺陷多、晶体的晶格畸变多或呈无定形状态的材料,其化学反应活性高。而实验所用的煤矸石其晶型结构比较稳定,故活性很低。鉴于此,在本论文的研究过程中,在对各种原材料的分析以及普通煅烧方式对煤矸石活性影响的研究基础上,通过大量的前期实验,首次较系统地研究了不同增钙煅烧方式对煤矸石活性激发的影响。试验结果证实:高温煅烧和增钙煅烧的方式均可以大大提高煤矸石的活性,且不同的煅烧温度和不同的增钙煅烧方式对煤矸石的活化程度不一,实验得知在低温活性区(500℃~1100℃)里试验所用的徐州煤矸石最佳热激活工艺制度为700℃保温2小时。在实验所采用的几种增钙煅烧方式中,以K2—煤矸石71%+石灰石25%+石膏3%+萤石1%(气冷)的增钙煅烧方式为最佳。借助于X-射线衍射分析(XRD)、扫描电镜(SEM)、核磁共振(NMR)和孔结构分析等现代测试方法对各种活化煤矸石的结构特征及各种煤矸石—水泥<WP=4>复合体系的水化过程进行了分析和研究。研究结果表明:煤矸石中的高岭石矿物在煅烧过程中发生分解,生成了无定形的SiO2和Al2O3,这是使得煅烧煤矸石具有活性的根本原因。经过增钙煅烧处理后的煤矸石中有可能存在硅酸盐活性矿物,这些矿物均能对煤矸石的活性起积极的作用。通过对煤矸石-水泥复合体系的水化过程的分析表明,其水化过程的特征和力学性能的实验结果是一致的。其中各体系中水化产物的生成和微结构变化与水泥水化基本是一致的。各种煤矸石水泥样的孔结构性能结果与强度之间的关系基本符合Powers规律。针对文中所采用的活化方法,研究中采用石灰吸收法对各种活化煤矸石进行了活性的评价。研究表明:各种煤矸石活性的高低在各种煤矸石—氧化钙体系中则表现为水化程度的高低、水化产物数量的多少。同时利用各种现代测试手段从结构特性的层次上为该种活性评价方法提供了理论上的依据。