1、中图分类号： I堕52墨!学科分类号： 5鱼Q 125三Q论文编号：安徽理工大学硕士学位论文煤矸石表面处理后做混凝土骨料的研究作者姓名： 直塞圭专业名称： 建筑生本王猩研究方向： 新型挝料皇结捡王猩导师姓名： 但修全熬援导师单位： 塞徵堡王太堂答辩委员会主席： 羞垒查论文答辩日期：2015年5月29日安徽理工大学研究生院2015年5月29日万方数据A Dissertation in Architecture and Civil engineeringResearch on Coal Gangue after Surface Treatment asConcrete AggregatesCand
2、idate： Gao WenzhiSupervisor：ProfNi XiuquanS chool of Civil Engineering and ArchitectureAnhui University of Science and TechnologyNo1 68，Shungeng Road，Huainan，23200 1，PRCHINA万方数据独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得安徽理工大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与
3、我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意学位论文作者签名耘匦 日期：刀矿年棚r日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解窆缝理王太堂有保留、使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属于塞徼堡王太堂。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权塞擞理墨太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。(保密的学位论文在解密后适用本授权书)a学位论文作者签名：船逼，签字日期：力盯年占月f日导师签名： 签字Et期：护哂年石月日万方
4、数据摘要摘 要煤矸石是在产煤行业中不可避免的、伴随产生的一种工业废料，并且在我国煤矸石的产量在逐年增长。煤矸石对无论是对社会环境还是对生态环境都带来了严重的负面影响，如果不加以控制，那么将会带来不可估量的损失。此课题本着以变废为宝的愿望，如果煤矸石可以代替石子做混凝土骨料，不仅可以解决目前石子材料价格高且紧缺的问题，还且还可以处理大量的工业废料，不仅保护了环境，而且还带来了经济效益。文章主要采用以下几个思路对煤矸石集料混凝土进行了研究：1查阅了大量关于淮南矿区煤矸石特性的资料文献，对煤矸石的化学组成有了大体地认识。2对淮南矿区不同地点的煤矸石的部分性质进行了测试，并用混凝土强度理论对其做了评价
5、。3将煤矸石表面进行包裹作为混凝土的粗骨料，制作不同等级的煤矸石混凝土并测试其抗压强度。4淑0试煤矸石混凝土的膨胀性及其对钢筋的锈蚀作用。文章的研究作为煤矸石的再生利用可能途径之一，作者通过以上思路的研究初步得出以下结论：1将煤矸石表面用水泥浆包裹的煤矸石集料混凝土的强度明显高于表面未做任何处理的煤矸石集料混凝土。2通过对煤矸石集料混凝土的强度理论分析，发现其破坏机理是“弱”包“强”转变为“强”包“弱”，通过试验发现煤矸石集料混凝土的适配强度是在C30以下。3煤矸石混凝土的强度不会因为随着龄期的增长而发生降低，其长期强度与普通混凝土基本一致。4通过测量混凝土膨胀性实验，煤矸石集料膨胀性小于规定
6、的标准值，为非活性集料。5通过半电池电位法测量表面处理后的煤矸石混凝土钢筋锈蚀情况，初步符合要求。图37表29参48关键词：表面处理煤矸石混凝土碱集料反应钢筋锈蚀分类号：TU5281；万方数据安徽理工大学硕士学位论文AbstractCoal gangue is a kind of industrial waste with the inevitable in the coal industryAnd in OUr country,coal production increased year by yearCoal gangue on both thesocial environment and
7、 ecological environment have brought serious negativeeffect，if not controlled，it will bring immeasUrable lossnlis paper based on thedesire of coal gangue turning waste into treasUre，if can take the place of stone asaggregate of concrete，it will not only solve the current hi【gh priceand stone materia
8、l shortage problem，but also can handle a large number of industrialwaste，not only to protect the environment，but also brings economic benefitsTllis paper mainly adopts the following ideas of coal gangue aggregateconcrete are studied：1Look up a large number of coal gangue literature in Huainan mining
9、 area，and Ihave a general understanding of the chemical composition of coal gangue2Test some properties of coal gangue in Huainan mining area in differentlocations，and evaluate it砸tll the concrete strength theory3The parceled gangue surface as COarSe aggregate，and make the coal gangueconcrete of dif
10、ferent grades and test its compressive strength4111e test of coal gangue concrete expansion and corrosion of reinforcementeffectThe research of coal gangue used as the one of the regeneration，the authorstudy the ideas ofthe preliminary draw the following conclusions：1The surface of the coal gangue i
11、s packaged by the cement slurryCoal gangueaggregate concrete strength is higher than the surface of untreated coal gangueaggregate concrete2nle theory of strength of coal gangue aggregate concrete analysis foundthat the failUre mechanism is”weak”package”s口ong。to”s仃ongpackage”weak”，through the experi
12、ment of coal gangue aggregate concrete we can know that itsadaptation strength is below C303The strength of the gangue concrete will not be decreased、，itll the increase ofage，its long-term strength is the sanae懿the ordinary concrete4By measuring the concrete expansion，we know the coal gangue aggrega
13、teconcrete expansion is less than the standard value，SO itS unactive aggregate5Through the measurement ofcorrosion of rebar in concrete of coalgangue surface treatment of half cell potential method，meet requirementspreliminarilyFigure 37 table 29 reference 48Keywords：surface treatment；coal gangue co
14、ncrete；alkali aggregate reaction；steelbar corrosionChinese books catalog：TU5281；II万方数据目录目录摘要兽IAbstractII1 绪 论111 问题的提出与研究意义1111煤矸石带来的危害1112论文研究的意义412国内外煤矸石研究的现状5121煤矸石用作燃料5122煤矸石用作建筑材料原料5123煤矸石用作建筑材料6124煤矸石的化工利用7125生产肥料及改良土壤7126小结813本实验研究的主要内容814对煤矸石资源化利用的一些建议815本章小结92原材料选择、试验方法介绍及基本性能试验研究1021煤矸石集料混
15、凝土的原材料10211胶凝材料10212煤矸石10213集料1422试验方法介绍及基本性能试验研究14221抗压强度试验介绍14222混凝土膨胀性试验介绍16223煤矸石集料混凝土钢筋锈蚀试验介绍1 8224煤矸石含碳量的试验介绍及其测定21225煤矸石压碎指标的试验介绍及其测定2223本章小结263表面处理的煤矸石集料混凝土的强度理论2731影响煤矸石集料混凝土强度的因素27311原材料的影响27312生产工艺的影响29313实验因素的影响3032集料基体协调性性3 133 小结。3 l4表面处理煤矸石混凝土的强度实验及分析3241煤矸石表面的预处理32411煤矸石表面预处理的方法32412
16、表面处理的煤矸石的制备3342实验材料及设备33421 实验材料33422实验设备34III万方数据安徽理工大学硕士学位论文43煤矸石集料混凝土的强度实验34431煤矸石集料混凝土的配合比设计的基本要求34432煤矸石集料混凝土的配合比设计的基本原则35433表面处理的煤矸石混凝土配合比设计步骤35434试验结果统计38435试验结果的分析43436煤歼石混凝土的强度和破坏机理45437水泥浆包裹煤矸石对混凝土强度增强的分析4644混凝土不同龄期的强度实验4745本章小结485煤矸石集料混凝土的耐久性分析4951煤矸石集料混凝土的耐久性概述4952煤矸石集料混凝土耐久性研究的主要内容及本章主要
17、内容49521煤矸石集料混凝土耐久性研究的主要内容49522本章的主要内容5053煤矸石集料混凝土的膨胀性的试验研究51531试验材料选择51532试验步骤5 1533实验结果统计51534实验结果分析5254煤矸石集料混凝土的锈蚀性能的试验研究52541 混凝土钢筋锈蚀的机理52542煤矸石混凝土钢筋锈蚀的特点54543实验过程54544实验结果统计55545实验结果分析5655本章小结566结论与展望5861结仑5862展望58参考文献。59致谢62作者简介63IV万方数据ContentsAbstractI1 Introduction111 Questions and significan
18、ce ofresearch1111 n忙harm ofcoal gangue1112 nle meaning ofthe research412 Current situation ofdomestic and foreign coal gangue5121 Coal gangue勰fuel5122 Coal gangne船raw material ofbuilding materials5123 Coal gangue used as building materials6124 The chemical use of coal gangue7125 Production offertili
19、zer and soil improvement7126 Summary813 The main content ofthis study814 Some suggestions and utilization ofresources ofcoal gangue815 Summary ofthis chapter92 The selection of raw materials and the basic methods for testing tlle performanceofthe experimental study1()21 nle rawmaterialscoal gangue a
20、ggregate concrete10211 Cementitious materia10212 Coal ganguel10213 Aggregate1422 Experimental study on baSic properties ofthetest metllods14221 The compressive strength tes，【14222 Concrete expansion test16223 Coal gangue aggregate concrete reinforcement corrosion test18224 Introduction and determina
21、tion ofcarbon content ofcoal gangue21225 Introduction and determination ofcoal waSte crashing index2223 Summary ofthis Chapter263 The strength theory ofthe coal gangne aggregate concrete。2731 The effect ofcoal gangue aggregate concrete s仃ength factor27311 The effect ofraw materials27312 The effect o
22、fprocess29313 The efrect ofexperiment factor3032 Matrix harmony ofconcrete aggregate3133 Summary3 14 Surface treatment strength experiment and analysis ofcoal gangue concrete3241 Coal gangue surface pretreatment32411 Methods ofcoal gangue surface pretreatment32412 Surface treatment ofthe coal gangue
23、 preparation3342 Experimental materials and equipments33421 Experimental materials33V万方数据安徽理工大学硕士学位论文422 Experimental equipments3443 Strength test ofcoal gangue aggregate concrete34431 111e coal gangue aggregate concrete basic design requirements34432 The coal gangue aggregate concrete basic princip
24、les ofdesign354133 The design steps ofcoal gangue surface treatment ofconcrete。35434 Resuits oftest statistics38435 Analysis oftest results43436 nle strength mechanism ofcoal gangue concrete45437 Analysis ofcement package gangneenhance its strength4644 Strength test ofconcrete in different age4645 S
25、ummary ofthis chapterz175 111e durability ofcoal gangue aggregate concrete analysis4951 nle durability ofcoal gangue aggregate concrete4952 Main content ofdurability research and the main content ofthis chapter49521 Main content ofdurability research49522 Main content ofthis chapter5053 Coal gangue
26、aggregate concrete expansion test5 1531 Test material selection515-32 Test procedure511；：3 The experimental results511534 Analysis ofthe experimental results5254 Test on corrosion properties ofcoal gangue aggregate concrete52541 111e mechanism ofcorrosion ofrebar in concrete。52542 The characteristic
27、s ofcorrosion ofcoal gangue concrete54543 The experimental process54544 Statisties ofthe experimental results55545 Analysis ofthe experimental results5655 Summary ofthis Chapte566 Conclusion and outlook5861 Conclusions。5862 Outlook5；References59To thank62Resume ofauthor63VI万方数据1绪论1 绪 论11 问题的提出与研究意义煤
28、矸石是伴随着采煤而生的、不可避免的一种工业废料，煤矸石内部含有一定的煤炭，但其含碳量要较低，比煤坚硬，呈黑灰色的一种岩石。由于采煤业的发展，由此也带来了煤矸石产量的迅速增长。目前，我国现在存放着大量的煤矸石废料，据不完全统计，全国煤矸石年产量6亿吨，累计堆放量70多亿吨，约占中国工业固体废物排放总量的40，如图l所示。如此的惊人数据是难以想象的，它给我们无论是生活还是生态都带来了不可估量的影响。冒8窭l5is磬28 2010年份图1我国煤矸石的堆积量Figl The accumulation amount of coal gangue111煤矸石带来的危害1煤矸石山引起的地质灾害具统计，我国目
29、前有两千六百多座大闺蜜的煤矸石山【21，其中大多数都是裸露在自然界中，而且这些裸露的煤矸石山大多结构疏松，周边也没有什么安全措施，极易引发地质灾害。目前煤矸石山引发的地质灾害多为泥石流、滑坡、坍塌等。近年来，由于煤矸石山引发的地质灾害不在少数，1994年，山东省枣庄市一煤矿煤矸石山发生爆炸垮塌，造成17人死亡；2004年，安徽省淮南市一煤矿的煤矸石山发生塌方事故，造成9人死亡。同年，河南省平顶山市一煤矿的煤矸石山自燃爆炸，造成8人死亡。由于煤矸石山造成的事故很多，所以说加强对煤矸石山的安全管制，武林是对我们人身安全还是生态环境都极为重要。万方数据安徽理工大学硕士学位论文图2裸露在自然界中的煤矸
30、石山Fi92 The coal gangue dump in the nature2对土壤的破坏由于煤矸石的产量大，并且逐年在增加，所以有很多矿区对煤矸石随意堆放，不仅造成了极大的安全隐患，还破坏了土壤结构，主要表现在占用良田和破坏土壤中的有机养分。1)占用良田就如前面所诉，目前我国的煤矸石储存量已达七十多亿吨，占我国工业废料的百分之四十，笔者也查阅了相关文献，有记载我国大规模的煤矸石山居然有两千六百多座【41，如此一个庞大的数据，我们不禁会想，先不论它的安全隐患，这么多的废料放哪，得占多少地方。另外，有很多矿区对煤矸石随意堆放，没有按照分次覆土堆积法科学合理的处理煤矸石，导致有的煤矸石侵占了
31、大量农田，给农业都带来的影响，如图3所示。煤矸石山坍塌覆盖农田前 煤矸石山坍塌覆盖农田后图3煤矸石山坍塌覆盖农田Fi93 Coal gangue occupy farmland2万方数据1绪论2)破坏土壤中的有机养分组成由于煤矸石的长期随意堆排放，加上煤矸石化学组成很是复杂，有的甚至含有重金属【51，长期暴露在外使煤矸石风化，是煤矸石中的重金属进入土壤中，破坏了土壤的有机组成，影响了植物的生长，进而影响了动植物和人类的健康。3煤矸石对水资源的污染煤矸石化学成分复杂，其有的内部含有有机物以及重金属，对水资源造成了一定程度的污染。1)重金属污染我们都知道，如果重金属含量在我们人类体内超过标准值，那
32、么对我们的生存健康将带来严重的危害。而煤矸石长期在外暴露，风吹日晒，而煤矸石中有含有一定量的硫化物，这些物质会随着雨水形成酸性溶液，然而这些酸性溶液在渗透迁移的过程中会带出如汞、镉、砷、铅等重金属，使得这些重金属进入土壤及地下水中，对环境造成极大的危害，同时也威胁着我们人类的安全健康。图4煤矸石山塌方侵占河道Fi94 Coal gangue encroach on rivers2)有机物污染已经有研究表明在煤矸石中检测到多种环芳烃【51，如果煤矸石侵占了河流，扩散到水中去，污染了水资源，那么将严重危害人类和动植物的健康。当然，也不是所有的煤矸石都含有有毒可溶物，其含量也自燃不尽相同，其含量主要
33、与当地的地质特征、开采条件以及堆积方式有关，不同的矿区煤矸石有机可溶污染物的含量不同，其对地下水的污染程度也不同。根据有关资料记载，我国的西部地区的煤矿含硫量就比东部西区的含硫量高，而且比较严重的是其内部含有的有害物质也比较容易溢出。有报道称山西汾西煤矿的井田周边的农田的镉、汞等重金属含量很高，附近的饮用水的总硬度很高，超过了生活饮用水的水质标准。4煤矸石自燃产生的大气污染万方数据安徽理工大学硕士学位论文其实有不少事故是有煤矸石山自燃引发的爆炸而引起的，其自燃的主要原因是在其内部含有硫铁矿【6】。硫铁矿易氧化，而且它的燃点很低，只有290摄氏度，硫化铁在自燃后会产生大量的热量，又由于煤矸石堆积
34、的很密集，这些产生的热量不能够及时的散去，从而使得温度上升，另外，煤矸石本身就含有一定的煤炭，当温度达到着火点是就会发生燃烧，久而久之就形成煤矸石山的自燃现象。下面列出了煤矸石自燃时主要发生的化学反应：FeS2-)Fes寺s凡是+1102哼Fe2D3+8s022FeS2+马0专凡D+H2S2S02+马0-9,t12S03从以上的这些反应可以看出以上均为放热反应，虽然放出的热量不是很高，但由于热量很难退去，当温度升到100摄氏度以上时，将会引发下面的放出大量热量的反应：c+D2-cD2+395KJmol2C+q一2C0+22KJmolC+2H20CD2+2H2+44KJmol从以上分析可以看出，
35、煤矸石自燃的内部因素是其韩流硫铁矿而导致的自燃；外部因素是煤矸石山没有采用合理的堆积方式，一般现在科学堆积煤矸石的方法是采用分层压实覆土堆积法。分层压实覆土堆积法的好处是空气中的氧气进入内部与硫铁矿接触，从而也就很难导致硫化铁自燃。具统计，我国目前存在的规模比较大的煤矸石山已达两千六百多座，其中发生过自燃的已达二百四十七座，还有一百四十四座正在自燃。由于煤矸石中还有许多其他元素，自燃将导致氧化产生一系列的有毒气体，如S02、CO、H2S、P205等等，严重污染了当地的空气质量和威胁我们人类的健康。112论文研究的意义我国是一个煤炭大国，煤炭在我国占有相当中的地位，而且今后在相当唱的时间内，煤炭
36、在能源结构中都占有重要的地位，所以，相当于就说我们无法避免对煤矸石的产生。但煤矸石对我们的生态环境都存在着极大的危害，所以，笔者试想将煤矸石变废为宝，如果可以将煤矸石作为混凝土骨料，那么不仅可以解决现在石子价格昂贵的问题，还可以解决煤矸石带来的生态污染问题。又由于煤矸石的化学成分差异性很大，主要其中含有硫化物，降低混凝土内部的碱性环境，使得钢筋表面的钝化膜不稳定而遭到破坏。故笔者设想将煤矸石4万方数据1绪论表面处理一下，防止煤矸石内部的化学物质扩散，从这一点出发，对其进行研究。12 国内外煤矸石研究的现状其实早在上个世纪六十年代，国内外就有人开始着手研究对煤矸石的综合利用，只不过当时人们对煤矸
37、石的危害认识不足，在环保方面一是也比较薄弱，忽略了煤矸石对环境的污染以及对人类自身身体健康状态的危害。从20世纪80年代起，人们的环保一是也逐渐增强，人们也开始着手对煤矸石对环境危害的研究，在煤矸石堆放无害化技术方面也取得了一定的进展。121煤矸石用作燃料煤矸石一般不都多多少少含有一些可燃物，不过一般超过1020。现在全球都受到能源危机的影响，各国都积极研究对煤矸石资源利用的问题，目前主要有两个方法：一是从煤矸石中回收煤炭来做燃料；二是将煤矸石直接做燃料。1用洗选法回收煤炭把煤炭从煤矸石中分离出来，是地煤矸石资源回收再利用的一个很好途径【7】。目前，从煤矸石中回收煤炭主要有水力旋流器分选发和重
38、力介质分选法。水力旋流器分选法，主要针对含碳量高的煤矸石，其特点是方便灵活。重力介质分选法是根据福利原理，根据福利的不同来分选回收煤炭。这种方法能分选密度较差的矿物，其特点是费用小、分选粒度范围大、效率高、处理能力强。2直接燃用煤矸石发电直接燃用的煤矸石需要含炭量高的煤矸石，这一类煤矸石含碳量一般大于20，其热值一般也在在6270-一12550 kJkg之间。自从90年代以来，科学技术日益发展，利用煤矸石发电的技术也越来越成熟，已经成为合理利用煤矸石资源的一种重要方式【71。122煤矸石用作建筑材料原料就目前而言，合理利用煤矸石资源的主要途径是用作建筑材料原料。因为可燃成分毕竟只占煤矸石的一少部分，其余大部分还是有矿物质组成，其中主要成分是页岩和黏土。1煤矸石制砖1)煤矸石制砖对其化学成分的要求煤矸石的化学成分的不同，对煤矸石制砖的性能和质量也不刚81，所以煤矸石制砖对其化学组成有所要求。表1列出了煤矸石制砖对煤矸石化学组成的要求。5万方数据安徽理工大学硕士学位论文5570 1525 28 52 g S12)煤矸石制砖对其工艺性能的要求煤矸石工艺性能的好坏严重影响其制砖的性能和质量，表2列出了煤矸石制砖对其主要工艺性能的基本要求。表2煤矸石制砖对其工艺性能的
