摘 要

我国煤系高岭土资源丰富、分布广泛，价格便宜，理化性质稳定，适合用作水泥掺和料。本文对煤系高岭土的活化及其对水泥早期性能的影响进行了详细的探索。采用XRD、XRF、TG-DSC等测试手段对煤系高岭土矿物特性进行了分析，并探究了煤系高岭土的活性以及其对水泥早期性能如:凝结时间和水化热的影响。

首先对湖北宜昌某公司的煤系高岭土原矿进行矿物特性分析，使用XRD、TG-DSC、FTIR等手段进行分析，结果表明：高岭土原矿组分SiO₂ 49.03%，Al₂O₃ 34.18%，原矿中石英杂质含量较低，铁杂质含量较少，钛杂质含量较高。

煤系高岭土在400℃开始发生脱羟基作用，伴随着亚稳态偏高岭土的生成，此时煤系高岭土火山灰活性增加，最佳的焙烧温度应当控制在700-800℃区间，煤系高岭土得到最大的活化。

系统研究了偏高岭土对水泥早期性能的影响。（1）水泥净浆的初凝时间和终凝时间随着偏高岭土掺入量的增大而减小；水泥净浆中掺入偏高岭土之后，发生二次水化反应，加速硅酸盐水泥的凝结。当偏高岭土的掺入量为9%时，水泥净浆试样的初凝时间降低了28分钟，终凝时间降低了50分钟；当偏高岭土的掺入量为15%时，水泥净浆试样的初凝时间比降低了50分钟，终凝时间降低了63分钟；当偏高岭土掺量达到20%时，水泥净浆试样的初凝时间降低了65分钟，终凝时间比降低了75分钟。（2）由图分析可知：偏高岭土取代部分水泥后，体系水化放热高峰提前大约1小时。随着体系中偏高岭土掺量增加，放热主峰高度减小，峰宽增大，产生的水化热比普通水泥减少0.5mW-0.7mW,说明偏高岭土的加入使得体系水化放热速度趋于缓和。（3）随着偏高岭土的添加，400-550℃(Ca(OH)₂)和100-400℃(C-S-H, C-A-H, C-A-S-H)的失重在绝对值上减少，但对比88%纯水泥产生的Ca(OH)₂和C-S-H, C-A-H, C-A-S-H，其失重量呈现增加的趋势，1天较不明显，3天增加明显，表明偏高岭土对水泥浆体的早期水化行为具有加速作用，此阶段偏高岭土的火山灰作用较小。

关键词：煤系高岭土，活化，早期性能，凝结时间，水化热。

Abstract

Coal-series kaolin resources are rich, widely distributed, and the price is cheap, are suitable for used as cement admixture. In this paper, the activation of coal measures kaolin and its effect on the properties of cement early performance have been detailed explored. The mineralogy of coal-series kaolin ore is analyzed by XRD, XRF, TG-DSC analyses. The activation of the coal-series kaolin and the influence of coal-series kaolin on early performance of cement, such as setting time and hydration heat has been studied.

First of all, coal-series kaolin ore was obtained from a company in Hubei province, the the mineralogy is studied using XRD, TG, DSC, FTIR and other means, the results show that the kaolin ore consisted of 49.03% SiO₂, 34.18% Al₂O₃, and existed low content of impurities of quartz, less iron impurity content and small titanium impurity content.

Dehydroxylation of coal-series kaolin started at 400 ℃, with the formation of metastable metakaolin, led to the increase of pozzolanic activity of coal-series kaolin. The best roasting temperature should be controlled within the range of 700-800℃, which resulted the most activation of coal-series kaolin.

The influences of metakaolin on cement early performance have been systematic study. The results showed that:

(1)The initial setting time of cement net pulp and final setting time decreases as the replacement level of metakaolin increased; after adding metakaolin, secondary hydration reaction occurs and accelerate the condensation of Portland cement.

(2) Metakaolin-cement system hydration exothermic peak shift to advance when metakaolin partly replaces cement. As the adding of metakaolin into cement slurry, the exothermic peak height decreases, and the peak width increases, which means that metakaolin smoothed the hydration exothermic rate.

(3) The acceleration reaction of metakaolin on the early performance of cement has been observed and meanwhile the pozzolanic reaction of metakaolin with cement is small.

Key words: Coal-series kaolin, activation, early performance, setting time, hydration heat.

目录

摘要 III

Abstract IV

第1章 绪论 1

1.1 煤系高岭土概况 1

1.1.1 煤系高岭土 1

1.1.2 提纯手段 1

1.1.3 工艺特性 3

1.1.4 应用 6

1.2 煤系高岭土的活化 6

1.2.1 活化方法 6

1.2.2 活化评价方法 7

1.3活化的煤系高岭土对水泥早期行为的影响 7

1.3.1凝结时间 7

1.3.2 水化热 8

1.3.3 水化产物CH、C-S-H含量 8

1.4 研究目的与意义 8

1.4.1 目的及意义 8

1.4.2 研究内容 8

第2章 试验材料、设备与方法 10

2.1 试验材料 10

2.1.1煤系高岭土 10

2.1.2水泥 10

2.2 试验仪器与设备 11

2.3 试验药剂 11

2.4 试验方法 12

2.4.1活化方法 12

2.4.2净浆的制备方法 12

2.5 测试方法 12

2.5.1 XRF 12

2.5.2 XRD 12

2.5.3 TG-DSC 13

2.5.4 活性评价方法- Ca(OH)₂消耗量法 13

2.5.5 凝结时间 14

2.5.6 水化热 14

第3章 煤系高岭土的活化 15

3.1 煤系高岭土矿物特性分析 15

3.1.1 XRF分析 15

3.1.2 XRD分析 15

3.1.3 TG-DSC分析 16

3.2 煤系高岭土的活化 17

3.3 小结 18

第4章 活化的煤系高岭土对水泥早期水化行为的影响 20

4.1 凝结时间 20

4.2 水化热 21

4.3 TG测定 22

4.4 小结 25

第5章 结论 26

参考文献 27

致谢 29

第1章 绪论

1.1 煤系高岭土概况

1.1.1 煤系高岭土

高岭土是自然界常见的一种以高岭石为主要矿物成分的黏土类矿物集合体，是在缺少碱金属和碱土金属的酸性介质中，由火成岩和变质岩中的长石或其他铝硅酸盐矿物经风化作用形成。其主要矿物成分是高岭石和多水高岭石，还有伊利石、叶腊石、石英和长石等其他矿物伴生。人们把具有火山灰活性的偏高岭土掺加到水泥中，以改善水泥制品的性能。偏高岭土是由高岭土在适当的温度下脱水形成的无水硅酸铝。

煤系高岭土是指与煤共存的以高岭石为主要矿石成分的矿物质，属于硬质高岭土。这种高岭土又被称为高岭石质泥岩。是我国北方石炭、二叠纪煤层伴生的高岭石矿。矿石呈灰色-黑色，块状结构，壳状断口，隐晶质结构，蠕虫状晶体，结晶有序度高。一般厚度可达0.3~1.5m，且有的矿段可出现数层。其有害杂质含量极少，高岭石矿物质含量高达90%以上，化学成分接近于高岭石矿物的理论组成，是一种优质的高岭土原料。

高岭土的化学成分主要为Al₂O₃、SiO₂，以及少量的Fe₂O₃、TiO₂、MgO和CaO等杂质。

1.1.2 提纯手段

高岭土也称瓷土，它的主要成分是高岭石矿物，一种含水铝硅酸盐(A1₂O₃SiO₂•2H₂O）主要用于造纸工业的填料和涂料、陶瓷和耐火材料及油漆颜料等。

无论纸张或是陶瓷，白色的光洁面极为重要。因此，白度是评价高岭土质量的重要参数。影响白度的主要物质是原料中的少量含铁矿物，如氧化铁、锐钛矿、金红石、菱铁矿、云母和电气石等，占总量的0.5%～3%。为了脱除影响白度的含铁成分，可以采用化学和物理方法来实现。在最好的条件下，化学漂白通常只可排除高岭土中铁量的50%不到，而浮选法比化学法还差。常规物理、化学法不能排除的是一些磁性较弱、粒度很细矿物，而这些矿物用高梯度磁选法能有效排除。