[粉煤灰：国家推广的成熟技术]国家能源集团 粉煤灰

　　　煤炭在锅炉中燃烧后有两种固态残留物――灰和渣。随烟气从锅炉尾部排出的，经除尘器收集下来的固体颗粒即“为粉煤灰”；颗粒较大或呈块状的，从炉膛底部收集出来的称为“炉底渣”。从综合利用角度来说的粉煤灰，一般也包括渣，即“灰渣”的统称。粉煤灰主要有硅铝玻璃、微晶矿物颗粒和未燃尽的残炭微粒所组成，其化学成分以氧化硅和氧化铝为主。

我国的粉煤灰大部来自大、中型火电厂煤粉发电锅炉，另一部分则来自城市集中供热的粉煤锅炉。粉煤灰排放目前大多是湿排，需耗用大量的水；堆放需占用大量的土地。据有关资料统计分析和预测，按目前排灰状况和利用水平，排灰用水达10亿多吨/年；贮灰占地约达50万亩，历年累积堆放总量已达10亿吨以上，虽每年利用量在不断增加，但总利用率还不足每年排放量的50%。随着电力工业装机容量增加，排灰量、用水量、占地量还要相应增加。同时，湿法排灰不但费水、费电、污染环境，还降低了粉煤灰的活性，不利于它的综合利用。随着我国对除尘、干灰输送技术的不断成熟，今后电厂粉煤灰应积极采用高效除尘器，并设计分电场干灰收集装置使粉煤灰具有更大的用途。对湿式除尘器收集的粉煤灰，应尽量设置脱水装置或使其晾干，尽量降低水分至30%以下，为粉煤灰综合利用创造条件。

我国粉煤灰最早用于生产建筑材料，利用率一直保持在25%左右。粉煤灰烧结砖、生产水泥熟料及用作混合材、生产陶粒、砌块、加气混凝土、墙体材料等，都是国家推广的成熟技术。

技术浏览

1粉煤灰生产烧结砖

粉煤灰用量从30%到70%，主要工艺和设备与普通粘土砖基本相同。用粉煤灰生产烧结砖的吉林某厂利用吉林热电厂的湿排粉煤经自然脱水至含水率在30%左右，按粉煤灰55%、粘土40%和5%的炉渣等工业废渣进行配比。有厂年用粉煤灰40万立方米，产粉煤灰烧结砖24亿块，年节省粘土430km3，节约标煤9600吨／年，具有较好社会效益和经济效益。

2粉煤灰生产蒸汽养护砖（简称“蒸养砖”）

粉煤灰蒸养砖配料除粉煤灰可占65%左右外，还需配入适量骨料生石灰和石膏，经坯料制备、压制成型，经常压或高压蒸汽养护后烧制成砖。它对粉煤灰要求是灰的含碳量越低越好，灰的活性越高越好。

3粉煤灰制取免烧免蒸砖

江西贵溪电厂为了使粉煤灰变害为宝，经过研制开发出了免烧免蒸、低温养护的新型粉煤灰砖。其主要配料是：粉煤灰占70%，炉底渣占15%、生石灰15%（作为激发剂），产品可达到75号粉煤灰砖标号，生产中总掺灰量达85%，以年产1000万块砖计，可用去灰量2万吨，年创效益50万元，节省排灰浆费用30万元。节约灰场建设费40-50万元，少占耕地130m2，具有较好的环境效益和经济效益。

4粉煤灰生产硅酸盐砌块

粉煤灰硅酸盐砌块以粉煤灰、石灰和石膏和胶结料为原料，在配料中除炉渣为主占55%左右外，粉煤灰用量也可达30%。经加水搅拌，振动成型，蒸汽养护而成。此工艺对粉煤灰质量的要求是其烧失量低于15%。适用于工业及民用建筑，且比粘土砖的保温性能好，自重轻，能满足一般建筑物承重墙的耐火极限要求。

5粉煤灰制泡沫玻璃

泡沫玻璃是一种新型建筑材料，它可由粉煤灰（可占70%）为主要原料烧制而成，其密度在05-08t/m3之间。具有抗压、隔热、隔音、防水、能浮出水面等性能，是现代高层建筑的优质材料。泡沫玻璃作大型雕塑材料，可制成大块，可任意切割装配。

用泡沫玻璃制成的墙体砖，密度仅为普通粘土砖的5%~10%，而强度却高出8~15倍，所以，它具有质轻、强度大、节能等优点。用它作为保温、隔热、隔音材料具有物美价廉的优点，有较高的经济效益和社会效益。

6粉煤灰制造加气混凝土

粉煤灰生产加气混凝土是以粉煤灰为基本原料，配以适量的水泥、石膏及铝粉等添加剂以制成一种轻质的混凝土，其粉煤灰用量可占70%左右。上海市在1998年仅混凝土一项利用粉煤灰近54万吨，占总用灰量的156%。北京某厂利用高井电厂的干排粉煤灰为原料，年可生产加气混凝土制品200km3。主要用于屋面保温、内外墙体和阳台隔断。具有较好的社会和经济效益。

7粉煤灰生产陶粒

利用粉煤灰为主要原料，加入一定量的胶结料和水，经成球、烧结而成的轻骨料为烧结粉煤灰陶粒。它是一种性能良好的人造轻骨料，其粉煤量用量可达80%左右。可以配制300号混凝土。天津市某厂利用天津一电厂的湿排粉煤为原料，年生产粉煤灰陶粒达9万立方米。由于其有密度小、耐热度高、抗掺性好、耐冲击力强等优点，可替代天然渣石配制150-300号的混凝土，广泛地用于工业与民用建筑、制作各种混凝土构件，还可用于桥梁、窑炉和烟囱的砌筑。如南京长江大桥公路桥道板，使用粉煤灰陶粒配制250-300号的陶粒混凝土就降低了大桥的自重。

8粉煤灰在砂浆中代替部分水泥、石灰或砂

砂浆在建筑工程中的用量很大，且对粉煤灰的质量不高，可改善混凝土的特性并节约水泥。此项技术可大量利用粉煤灰，每立方米混凝土可用粉煤灰50-100kg，节约水泥50-100kg。三峡工程中大量使用了优质粉煤灰，年用量已近30万吨，并创造了世界年浇注量和最大浇注强度的世界纪录。这项技术的用灰比例在10%以上。

9粉煤灰代替粘土作生产水泥原料

由于粉煤灰的化学成分和粘土相似，可代替粘土生产水泥。其生产工艺和技术装备与生产普通硅酸盐水泥一样。沈阳市水泥厂利用沈阳热电厂的湿排粉煤灰作配料年生产火山灰硅酸盐水泥12万吨。

10粉煤灰作生产水泥的混合材

在用质量合格的粉煤灰做混合材磨制水泥时，可分别生产普遍硅酸盐水泥、矿渣硅酸盐水泥（掺入量不高于15%）、粉煤灰水泥（掺入量为20%-40%不等），低标号砌筑水泥掺入量为60%-70%。德州某建材厂利用德州电厂的干排粉煤灰可年产硅酸盐水泥15万多吨，先后生产出了325号和425号R型粉煤灰硅酸盐水泥。取得了年产利润70万元以上的经济效益和良好的环境效益。江苏盐城水泥厂利用盐城电厂的干排粉煤灰25%左右生产出425号粉煤灰硅酸盐水泥，也取得年盈利100多万元的经济效益以及良好社会效益。

11粉煤灰作井下回填和充填矿井塌陷区

河南省平顶山矿务局十一矿为开采倾斜和急倾斜煤层，曾用附近姚盂电厂的粉煤灰作井下注浆防火和充填材料试验获得成功。用粉煤灰注浆充填采空区可达到防火效果，同时还能较大幅度地减少地表移动值，粉煤灰充填采空区后对围岩和煤柱起到了加强的作用，增强了煤柱的强度，有利于巷道维护。亦有利于厚煤层分层开采，提高煤炭回收率。

淮北矿务局利用淮北电厂的粉煤灰充填相城、朱庄、张庄和岱河等煤矿的塌陷区。该矿区每年约增加塌陷区2Mm3多，为缓和淮北电厂排灰场地的紧张状态，于1979年提出建设塌陷区试验排灰场，灰场距电厂仅4km，面积280km2，能容纳700km3粉煤灰，于1980年2月建成冲灰，充填到设计标高后，于1982年10月覆土造田432亩，取得了较好的社会效益和经济效益。1997年，安徽省回填用灰65万吨，占当年用灰量的26%。填方造地用灰的比例在25%左右。

12粉煤灰用于筑路工程

用于公路的路面基层，用二灰石（石灰、粉煤灰、石子）代替传统的碎石，可使公路质量大大提高并提高了施工速度，降低造价。现粉煤灰已大量用于高等级公路的路堤，质量高于使用粘并大量节约了土地。近几年筑路用灰的比例上升很快，已达到30%左右。仅沪宁高速公路就使用粉煤灰700万吨。

13从粉煤灰中提取多种化学、化工原料

(1) 碱法提取氢氧化铝：有不少煤灰中的Al2O3含量高达25%~40%以上，因此从粉煤灰中提取氢氧化铝既有经济效益又有环境效益。如波兰等国用减法提取氢氧化铝常用高温烧结法（1300℃以上），我国则多研究采用常压蒸养、低温（900℃左右）脱水的工艺，其优点是能耗低。

(2) 回收铁或磁珠：粉煤灰中的铁主要以Fe2O3、Fe3O4和硅酸铁等形态存在。铁的回收一般采用磁选法。可先经旋流器预选后，再用弱磁选矿机分选，富集得到高品位精铁矿。如山东新汶电厂的粉煤灰中的铁含量为768%，经富集、选矿后的精矿品位提高到5508%，铁回收率为4790%。

(3) 回收空心微珠：空心微珠是粉煤在1350-1500℃的高温区域内燃烧后呈熔融状态，在高压气流雾化后，靠自身的表面张力凝聚成微珠，排灰时遇冷后所产生的一种空心球形珠体，其粒度一般为025-150um，个别有300um。根据珠壁薄厚不同，又分为漂珠和沉珠。漂珠可进行浮选提纯。如南通天生港发电厂利用这种方法选出80%左右、烧失量有06%的漂珠，成本仅10多元／吨，可增值60~80元/吨。

采用重力分选法可回收沉珠。如用水力旋流器一次或多次开路分级，以攀枝花市502电厂的粉煤灰为原料，采用旋流器三段开路分级、获得了沉珠含量达85%~95%，回收率大于75%的分选效果。

空心微珠具有球形、微小、质轻、中空、耐高温、电绝缘、高强度等多种优异特性，可广泛应用于耐火材料、塑料、橡胶、石油、电子、航空、潜艇和军工等工业中。

此外，由于粉煤灰的比表面积大，吸附能力强，具有高分子缩聚的特性，因此它易吸附、还原和富集锗、镓等某些稀散元素，国内外均有成熟的工艺和经验。目前用于提取化学化工原料的用灰量占灰量的2%-3%。

14粉煤灰生产磁性复混化肥

资兴矿务局煤电焦化总厂发电分厂曾用该厂的粉煤灰研制出了粉煤灰生产磁性复混化肥的产品，肥料中的磁性能刺激作物的生长，活化土壤，提高作物根系对土壤中养分的吸收。肥料的养分齐全，除有N、P、K三种肥料外，同时还有Si、Fe、Al、Mg、Ca、B、Zn、Mn和Cu等作物所需的微量元素及必需的养分。该复混化肥曾对水稻、茶叶、烤烟和桔子等农、果作物做了大面积的推广示范试验，证明对这些作物都有明显的增产作用。这方面的用灰比例在10%左右。

企业推荐

一、大掺量粉煤灰水泥

1．技术性能

利用GB 1596-91规定的粉煤灰,掺量≥30%，可生产符合GB12958-1999《复合硅酸盐水泥》及GB1344-1999《粉煤灰硅酸盐水泥》的325#、325R#、425#、425R#标号；掺量≥50%，可生产符合GB/T3183-1997《砌筑水泥》175#、275#标号。

2．关键技术

掺用CF高效粉煤灰活性激发剂05％～15％提高复合水泥的早期和后期强度；合理选用复合掺和料和优化配比，提高和改善水泥综合性能。

3．适用范围

应用粉煤灰范围广泛，可根据不同粉煤灰的物化性能及设备因素，调整优化产品工艺。适用于水泥厂改造、新建水泥厂、水泥粉磨站、混凝土制品厂等。

4．经济效益

采用该技术可大幅度降低水泥熟料的用量，利用大量低成本的工业废料。根据不同设计方案，每吨水泥成本可降低5～40元。

二、双免粉煤灰承重砖

1．技术性能

执行标准JC239-2001；公称尺寸240×115×53(mm)，强度等级为MU10～MU30。抗冻性和干燥收缩均达到或超过要求。

2．技术特点

免蒸免烧粉煤灰承重砖可广泛使用各种原料和工业废渣。包括：电厂干排灰、矿渣、钢渣、化工厂废渣、煤矸石、蜂窝煤渣、碎石、石屑、河沙、山砂等等。

3．适用范围

所制可用于8层以下承重建筑。粉煤灰可以采用干排灰和湿排灰。

4．经济效益

由于各地材料不同，价格不同，结合我们的实际经验，每块砖的成本在75-95分，按粘土红砖市场价012元/块计算，年产1200万块砖，则每年利润30～54万元。

三、粉煤灰新型墙体材料

1．技术性能

包括粉煤灰小型空心砌块（390mm×190mm×190mm），执行标准：JC862-2000，强度等级≥MU10；粉煤灰空心砖，空心率≥40%，强度等级MU10～MU30；粉煤灰加气混凝土砌块（板），容重、抗压强度、干燥收缩值符合国家标准；免蒸养粉煤灰陶粒，松散干燥密度600～800Kg/m3，强度5～7MPa。

2．技术特点

粉煤灰经优化处理后，可代替水泥50%，强度增加50%以上。 适量掺用CF高效粉煤灰活性激发剂，保证早期及后期强度。 根据需要可采用双免工艺。

3．适用范围

可广泛使用各种原料和工业废渣。包括：电厂干排灰、矿渣、炉渣、钢渣、化工厂废渣、煤矸石、蜂窝煤渣、碎石、石屑、河沙、山砂等。

四、大掺量粉煤灰混凝土路面砖

1技术性能

执行标准：JC/T466-2000；强度等级C30～C80；吸水率2%～4%；软化系数090～095。

2技术特点

粉煤灰取代水泥用量50%，强度增加50%；地砖外观平整，抗冻融性好；可使用各种原料和工业废渣；本技术适用于彩色砖和普通砖。采用我公司CF高效粉煤灰活性激发剂对粉煤灰进行改性，保证地砖早后期强度。

3适用范围

人行行道路砖、广场地砖、小区车行道路地砖、码头堆场地砖及其它特殊强度要求地砖。

4经营效益

根据企业实际经验，地砖每平方米降低3～4元，码头用砖每块降低成本05元，具有可观利润空间。

五、高碳粉煤灰低温制备水泥

1．技术性能

可生产符合GB12958-1999《复合硅酸盐水泥》及GB1344-1999《粉煤灰硅酸盐水泥》的325R#、425R#标号；GB/T3183-1997《砌筑水泥》175#、275#标号。

2．关键技术

温度控制，物料的级配，添加适量的活性激发剂。

3．适用范围

烧失量20%以上的粉煤灰或湿排灰。

4．经济效益和社会效益

每吨水泥生产成本，降低10元左右，按每年10万吨水泥计，年新增利润100万元左右。

六、高硫高钙粉煤灰生产复合硅酸盐水泥

1 技术性能

符合GB12958-1999《复合硅酸盐水泥》标准要求，水泥标号达：325#、325R#、425#、425R#。

2 关键技术

合理选用复合安定剂和安定工艺处理和适当的级配。

3 适用范围

循环流化床炉新型干法（如LIFAC、喷雾干燥法等）脱硫灰渣的综合利用。

4 经济效益和社会效益

较大幅度减少熟料用量，充分利用废渣资源，减少排放。保护环境，经济效益明显（按灰的品种不同可以不同的掺量，因而经济效益也有所不同）。

七、粉煤灰制高效脱硫剂

1． 技术性能

粉状，细度180目左右，脱硫率可达80％以上。

2．关键技术

原材料选择，组分优化，活性激发，加工工艺路线。

3．适用范围

用于循环流化床干法脱硫脱氮。

4．经济效益和社会效益

具有投资省，运营费用低的特点。该项目的应用开发，具有良好的经济效益，社会效益和环境效益。

八、CF-1系列粉煤灰高效活性激发剂

1．技术性能

有效成份≥95％，含水量≤5％，细度180目左右，对水泥和水泥制品无有害成分，保质期6个月。品种可根据粉煤灰基本性质做不同的调整，可以适用各等级、不同煤质和炉型粉煤灰。

2．适用范围

适用于粉煤灰水泥、复合水泥、大掺量粉煤灰混凝土及其制品、双免粉煤灰砖及砌块，蒸养粉煤灰砖及砌块，大掺量粉煤灰道路等。

3．使用说明

在制作水泥时，激发剂的掺量为总量的05％～15％；在制作粉煤灰砖时，激发剂的掺量为总量的03％～08％；使用时，激发剂和外掺料必须搅拌均匀。

4．效果

制作水泥时，可提高复合水泥28d强度5MPa；制作粉煤灰建材时，可提高28d强度

30％～50％。

不是同一种产品。

无烟煤滤料是一种水处理行业过滤用滤料，是特别从深井矿物中精选的，经精制加工而成。而无烟煤活性炭是一种多孔性的含炭物质, 它具有高度发达的孔隙构造, 是一种极优良的吸附剂。

无烟煤活性炭原料是由无烟煤高温烧制后结合活性剂加工而成的，虽然原料使用的有无烟煤，但是无烟煤滤料和活性炭是两种完全不同的产品，虽然都是水处理使用的滤材，但是从原料、作用和使用范围都有很大的区别。

在无烟煤滤料中，不论是精制无烟煤滤料还是普通无烟煤滤料，原料都是深层的煤矿经过剔除煤矸石后加工制成的，含碳成分较高，并且在加工过程中没有任何的化学反应，可以说是天然滤料。无烟煤滤料的作用也相对简单，和石英砂滤料、磁铁矿滤料这种天然滤料做为多介质过滤设备和滤池的垫层使用，也是粗滤和初滤必备的滤料之一。

无烟煤活性炭以优质太西煤、晋煤为原料经成型、炭化、活化、精制加工而成。它吸附性能强，强度高，适用饮用水及工业给水的深度净化，脱色、脱氯除臭和工业废水的净化处理。

摘要：煤矸石的活性对于水泥混凝土的性能有重要影响，如何更好激活煤矸石的潜在活性是研究者面临的一个难题。本文介绍了热激活、物理激活、化学激活、辐射激活和复合活化的机理及目前研究状况，近而讨论了提高煤矸石活性时应注意的问题。

关键词：煤矸石；物理活化；化学活化；热活化；辐射活化，复合活化

　我国每年由采煤而产生的煤矸石很多，不仅占用了大量的耕地，而且严重的污染了周边环境。为了消除这种危害，变废为宝，煤矸石已被用于填坑垫基，作为水泥混合材，混凝土骨料，制作少熟料水泥、空心砖、混凝土砌块、瓷砖等，其掺量可以达到60％。为了进一步扩大其应用，对于掺煤矸石混凝土的耐久性也已经进行了一定的研究，发现掺入煤矸石后，混凝土密实度提高，具有较好的抗冻性、抗炭化能力、抗渗性、抗硫酸盐侵蚀、较低氯离子扩散速度和护筋能力[1-2]，现在开始了全煤矸石水泥、高掺和复合掺高性能混凝土的研究，其中在973计划的高性能水泥制备和应用的基础性研究项目中对煤矸石已进行了更深层次的探索。

　但是在这些研究当中，以自燃煤矸石为基础，其活性较低，如何更有效地激发煤矸石的潜在活性是困扰研究者的一个主要问题。目前常采用物理激活、热激活、微波辐照活化和化学激活，其中对于煤矸石热激活的研究较多，由于目前的活性激发主要是针对某一种方法的结果进行分析，对于煤矸石活性的充分发挥远远不够，本文将从各种方法着手，对煤矸石活性的激发进行比较全面的分析。

1 煤矸石的活性来源

　自燃煤矸石中SiO2含量在50－70％，Al2O3在20－35％。在一定的条件下，煤矸石可以分解出无定形的SiO2及Al2O3，这些无定形的SiO2及Al2O3在一定的条件下（如CaO、CaSO4和水的存在），会发生如下反应而生产强度：

Al2O3+3CaO+3CaSO4+32H2O=3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O （1-1）

Al2O3+3CaO+CaSO4+18H2O=3CaO·Al2O3·CaSO4·18H2O。 （1-2）

Al2O3+4CaO+13H2O=4CaO·Al2O3·13H2O。 （1-3）

SiO2+CaO+xH2O=CaO·SiO2·xH2O。 （1-4）

2．煤矸石激活方法

2．1物理激发

　物理激活也称机械激活，在粉煤灰、矿渣、煤矸石等处理方面，具有很好的效果。通过超细粉磨混合材，使其颗粒变得很小,不仅还可填充硬化结构的毛细孔，起到密实增强的作用，而且还能增加混合材的比表面积，同时其颗粒表面出现错位、点缺陷和结构缺陷，氧化硅和氧化铝的无定形程度增加，颗粒表面自由能增加，从而提高活性，它可以以极快的速度消耗氢氧化钙和石膏, 促进混合材与水泥水化产物的二次反应，使生成的水化产物增加，因而提高了强度。煤矸石激活也可以采用这种方法。

　反应过程中煤矸石的颗粒大小直接关系着水泥的标准稠度用水量、水化反应的快慢、水化完全的程度和凝结时间。因为经过粉磨后，煤矸石变成多孔材料，易吸水，导致掺入煤矸石的水泥浆体达到标准稠度时用水量增加。煤矸石越细，比表面积越大，吸湿性也将增大，同时与Ca(OH)2和石膏的反应越快，钙矾石和C-S-H生成速度加快，凝结时间越短，水泥28d强度也就越高。芋艳梅等对[3]煤矸石进行高能球磨处理，发现掺50%煤矸石的水泥浆体用水量达到33%，比用纯硅酸盐水泥高了55%, 但终凝和初凝时间只有纯硅酸盐水泥的一半；掺20%煤矸石的试样28d强度超过了纯硅酸盐水泥，掺量为40%时28d强度达到441MPa。

　此外煤矸石颗粒分布特征及其与水泥颗粒分布组合的搭配,也是影响煤矸石活性的一个重要条件。胡曙光等[4]对于在水泥中加入煤矸石颗粒分布特征进行研究发现，增加煤矸石中40μm以下颗粒含量有利于提高水泥的早期强度，但过多的提高煤矸石中1μm以下颗粒含量不一定对水泥的3d强度有利。保持一定量的40～80μm煤矸石颗粒含量，可以减少浆体的坍落度损失，有利于发挥煤矸石在水泥体系中物理堆积作用，提高水泥后期强度。因此保持煤矸石合理的颗粒级配是很重要的。

　但是颗粒度的增加，意味着能耗的增加，从而限制了煤矸石的磨细程度，使大部分煤矸石反应程度降低或者并没有参与反应，主要起物理填充作用，因此，对于一般细度的煤矸石应更注重颗粒级配的影响。不过材料的颗粒级配与材料本身性质密切相关，在工业上也比较难以控制，使机械活化的效果远低于理论分析的效果，因此应采用和其它的激活方式相结合。

2．2热激发

　煅烧是激发煤矸石活性的另一种有效手段，旨在利用高温使煤矸石微观结构中的各微粒产生剧烈的热运动，脱去矿物中的结合水，使钙、镁、铁等阳离子重新选择填隙位置，从而使硅氧四面体和铝氧三角体无法聚合成长链，而存在很多的断裂点，形成热力学不稳定结构，即烧成后的煤矸石中含有大量的活性氧化硅和氧化铝[5]。

　在煤矸石的煅烧过程中，粘土类矿物和云母类受热后发生脱水、分解；高岭石分解为偏高岭石和无定形的SiO2及Al2O3，其过程如下:

在550℃~700℃时:

Al2O3·2SiO2·2H2O=Al2O3·2SiO2+2H2O （2-1）

在800℃~900℃下:

Al2O3·2SiO2=Al2O3+2SiO2 （2-2）

此时的SiO2和Al2O3以无定形的形式存在，是主要的活性来源。

当温度大于1000℃时，又重新结合成莫来石晶体，使活性降低。

2SiO2+3Al2O3=3Al2O3·2SiO2 [6] （2-3）

　通过750℃烧煤矸石的XRD发现伊利石和高岭石的特征峰消失，主要是石英和变高岭石衍射峰，烧煤矸石中高岭石转化为变高岭石，变高岭石不是完全的非晶，而是部分有序的半晶态物质[7]。通过红外显微镜反射光谱研究煤矸石以及水泥浆体的水化产物微结构，也发现煤矸石在煅烧温度为600°C时已经脱除羟基，晶体结构遭受严重破坏并产生相变，用煅烧后的煤矸石制成的水泥试样中煤矸石的非活性成分的吸收峰峰位不变，而活性成分的峰位由于水化发生偏移[8]。用XPS发现700℃热处理煤矸石的Al2p结合能 ( 7447 eV ), 而煤矸石中Al2p结合能为7506 eV。由于四配位A1的结合能通常为7340 ~7455 eV，而六配位A1的结合能为741~750 eV。 这说明了煤矸石以六配位铝为主，700℃热处理的煤矸石中以四配位铝为主，同时发现900 0C锻烧的煤矸石以六配位铝为主[9]。朱明秀等[10]发现原始煤矸石未经任何处理时基本上不表现出火山灰活性，并且会导致水泥强度大幅度降低；经600~900℃加热处理之后再与水泥混合使用，表现出显著的火山灰活性，水泥强度得到明显改善。此外通过煅烧可以除去煤矸石中的碳，可以减少对水泥强度、需水量、耐久性的影响[11]。

　由于煤矸石成分复杂，导致煅烧煤矸石的温度不能形成统一定论。以黏土类为主的煤矸石有两个活性温度区域：中温(600℃~950℃)和高温(1200℃~1700℃)，一般采用低温活化区；以高岭石为主的煤矸石，活性温度区在650℃~950℃；以云母类矿物为主的煤矸石，活性温度区在1000℃~1100℃[12]。用XPS发现未处理煤矸石Si2p电了结合能(10324 eV)大于经500℃和700℃热处理后煤矸石的Si2p电了结合能(10278 eV )，而小于900℃时煤矸石Si2p电了结合能 (10349 eV )，说明煤矸石在500℃~900℃存在活化温度[9]。此外煅烧时间不宜过长，否则会使本来已产生的活性SiO2和Al2O3也会重新生成莫来石，一般煤矸石适宜煅烧时间为1 h~2 h[13-14]。

　由于煤矸石中CaO含量很低，在高温煅烧过程中一般需要补充CaO[15]。除了加入石灰石外，还可加入石膏、矿化剂等，使硅酸盐水泥熟料矿物在低温下合成。

　煤矸石的活性来源是由于高温下无定型SiO2和Al2O3的存在，要使这种高温不稳定结构在常温下保留下来，在煅烧后必须进行急冷，使规则的晶体来不及形成，大量热能转化为化学能存在于煤矸石中。煅烧温度越高，冷却速度越快，活性越高，一般采用自然冷却和在水中淬冷，其中后者效果更好。

　煅烧煤矸石得到的活性需要在一定条件下才能发挥出来，即单纯的煤矸石在水中并不产生胶凝强度，需要在碱性或者硫酸盐条件，如加入水泥后产生二次水化反应。为了促进煤矸石活性的进一步发挥，可以采用化学激活相结合。

2．3化学激发

　煤矸石化学激活是通过引入少量激发剂，使其参与并加速煤矸石与水泥水化产物的二次反应。在碱的作用下，结构中Si-O-Si和Al-O-Al共价键断裂，形成离子进入溶液，[SiO4]4-和[AlO4]5结合形成三维聚合铝酸盐结构，DavidovitesJ[16]认为其聚合模式可以用以下通式表示：

Mn-[(Si-O2)m-Al-O ]n•qH2O (2-4)

　其中:M为碱金属;m可以为1, 2, 3; n为聚合度;q结合水量。

　由于该结构类似于沸石，可认为是沸石的前驱体。因此

　　由于(2-6) 式反应不断发生，并生成稳定的三维聚合铝酸盐结构水化产物，消耗了 (2-5) 式中生成物，使 (2-5) 式的反应得以不断进行，从而使煤矸石中Si-O键和Al-O键不断被破坏，促使结构解体。反应形成的铝酸盐水化产物不断交织、连生聚合，产生高强度无序的结构材料。在网络结构中，Al3+取代Si4+而占据在硅离子的位置，形成了 [SiO4]4-和「A1O4]5-四面体由氧原子共有相连的结构，由于铝离子为三价离子，在铝离子的周围带负电荷，为了平衡电价，带正电荷的钠、钾等碱离子填充在凝胶体的通道中，而获得相对稳定的凝胶结构。由于碱离子的这种特殊结构，在碱离子与其它离子进行交换时，不至于因碱离子的失去而导致结构破坏。因此，该胶凝材料水化产物形成后具有一定的强度和耐水性。

　影响反应进程的重要因素是激发剂的类型和掺量。因为碱激发反应的步骤是相交错进行的，化学元素的溶出、反应产物的生成和聚合几乎同时发生。当溶液中不含可溶性硅酸盐时，煤矸石首先要在碱的作用下，溶出SiO2，然后才能发生式(2-5)、(2-6)的反应，而溶液中有可溶性硅酸盐，可以直接发生式(2-5)、(2-6)的反应，从而加速了反应进程，其直接的结果就是含可溶性硅酸盐的激发剂激发效果优于纯氢氧化物激发剂。张长森等[7]研究了碱煤矸石胶凝材料的微观结构，发现当采用NaOH激发时，可以清楚看到棉絮状的无定形凝胶状的水化产物生成，且未完全水化的煤矸石颗粒周围被水化产物包裹着，凝胶与凝胶之间有较多的孔隙。当采用水玻璃激发时，棉絮状的凝胶已连成一体，未水化的煤矸石颗粒很少，碱胶凝材料结构致密。朱明秀等也发现用水玻璃的活化效果优于芒硝。[9]

　同矿渣、粉煤灰的化学激发剂掺量相似，煤矸石的化学激发剂也存在一个掺量，当低于掺量时，随着碱掺量的增大，[OH]—的浓度逐渐增大，水化反应速度加快，胶凝体含量随之增加。但是，当掺量超过掺量时，[OH]—离子浓度太高，由于激发速度快，在矿渣物料颗粒表面形成一层水化产物保护膜，阻止反应进一步进行。不同的激发剂所得到 [OH]—离子浓度不同，相同的掺量所引起的[OH]—离子浓度增加快慢程度不同，即不同的激发剂掺量不同。王聪[17]对水玻璃和NaOH掺量进行研究，发现随着NaOH掺量的增加，水泥强度不断增加，当达到10%时，3d抗压强度达到557MPa，28d抗压强度达到706 MPa，但NaOH掺量再增加，强度增长缓慢；水玻璃掺量在6%到8%范围内，强度增长特别快，但超过8%时，强度有所下降，并且不稳定。朱明秀等得到水玻璃的掺量为4％，出现这种差异，这可能与水玻璃的模数有关。王聪也发现[10][17]模数12的水玻璃激发效果要优于08和16。因为水玻璃模数高，意味着水玻璃中氧化钠含量高，则溶液pH值高（水玻璃离解生成的氢氧化钠基本上不参与反应，只于溶液的pH值相关）。

　化学激发主要是对于破坏Si－O的网络结构，而Si－O结构相对比较稳定，同时激发剂种类以及掺量的影响与所存在溶液的PH值相关，相应单纯的化学激发过程还是比较慢，为了促进激活效果，一般要与热激发相结合。

2．4微波辐照激活

　微波为频率非常高的电磁波，通常是指300MHz～300GHz的高频电磁波。物料对电磁波的吸收特性是指电磁波能够穿透到物料内部，其穿透的距离在理论上与电磁波波长同数量级，因此对物料加热可以采用微波辐照。微波辐照与传统加热不同，传统加热是依靠热源通过传导、对流和辐射的方式，首先使物体表面加热，然后通过热传导，使物体由表及里逐渐升高温度，热量在多数物体内传递的速度很慢，因此达到整个物体加热需要较长时间。而微波易被由极性分子组成的介质体如含水的物体吸收而转变成热能，如橡胶、三聚氰胺树脂等会吸收微波而发热，却不会被由非极性分子组成的绝缘体如陶瓷、玻璃、聚乙烯和聚丙烯等物体所吸收，但可以穿透这些物体。由于绝缘物体不吸收微波，所以不会发热。因此微波辐照只能对吸收微波的物料有加热效应。微波透入物料内部深层，被物料吸收转换成热能对物体直接加热，形成物料独特的受热方式─物料整体被加热，即无温度梯度加热。只要介质体不是很厚，就可以很快达到整体加热的效果[18-19]。

　当用传统方法加热时，煤矸石中在同一微小区域各种矿物的升温速率基本相同，它们被加热的温度也大致相同，在矿物之间不会产生明显的温度差。当用微波辐照时，由于组成煤矸石的各种矿物具有不同的性质，它们在微波场中的升温速率各不相同，因而煤矸石中不同矿物会被微波加热到不同的温度。由于微波能够加热大多数吸收微波矿物，而不加热不吸收微波的矿物，因而在吸收微波、部分吸收微波和不吸收微波的矿物之间会形成明显的局部温差，一方面使矿物之间产生热应力，会促进在矿物之间的界面上裂缝产生，同时又有效地促进吸收微波矿物的单体解离和增加吸收微波矿物的有效反应面积，另一方面，在加热过程中会使煤矸石发生晶型转变、相变或化学反应。由于微波辐照是对矿物整体加热，因此煤矸石的煅烧比较充分，解决了传统加热方式中为提高煅烧效果而细度必须比较小，需要的时间比较长的问题，同时微波辐照也改变了煤矸石的矿物结构，对于煤矸石的潜在活性也会有更大的影响。

　目前对于在水泥混凝土掺和料改性方面研究很少，赵志曼等[20]

利用微波辐照的煤矸石配制的水泥砂浆，发现煤矸石首先脱除物理吸附水和部分有机质，接着煤矸石内发生脱羟反应，使无定型矿物生成，从而使水泥砂浆的致密度和28天抗压强度提高。

　对于微波来说，不同的波长能量不同，不同的辐照时间对于煤矸石的加热效果将产生很大的差异，而煤矸石矿物对于温度非常敏感，因此应该对于微波的波长和辐照时间加以考虑，其它方面可以参考热激发应该注意的事项。

2．5复合激活

　复合激活是指采用一种或者几种方式进行共同激活的方法，一般常采用物理－热、热－化学复合激活等。

　朱明秀等[10]用芒硝或水玻璃作为激发剂对煤矸石施加热力化学复合活化，在适宜的掺量范围内水泥强度，尤其是早期强度，比单纯的活化方式有更好的效果。顾炳伟等[21]采用煤矸石物理-热复合活化，发现煅烧温度、粉磨时间参数对掺煤矸石水泥早期强度的影响不大，但对后期强度有较大影响。在保持细度相同的情况下，对于煤矸石的热力活化存在活化温度；在相同的热力活化制度条件下，对于煤矸石的机械活化存在机械粉磨时间。在相同的热力活化制度、相同的粉磨时间条件下，采用“先混后磨”的粉磨方式优于“先磨后混”。芋艳梅等[3]采用热力学－机械力－化学作用对煤矸石进行活性激发，发现掺煤矸石2 0%时，水泥28d胶砂强度可达538MPa，掺量为40%时达到441MPa。

　相对而言，复合活化的需要考虑问题比较多，造成在这方面研究比较少，以后应该在热－化学复合方面多注意些，可以尝试微波与其它三种方式的结合的研究，尤其是化学活化的结合。