开题

硕士研究生学位论文选题报告 ........................................................................... 错误！未定义书签。 1选题背景及意义 .................................................................................................................................. 2 1.1 煤矸石的性质组成和危害 .......................................................................................................... 2 1.2 泡沫混凝土概述 .......................................................................................................................... 2 1.3充填技术和泡沫充填材料的优点 ............................................................................................... 2 1.4选题的目的和意义 ....................................................................................................................... 3 2 文献综述 ............................................................................................................................................. 4 2.1煤矸石的热活化及其胶凝特性研究现状 ................................................................................... 4 2.2 煤矸石的资源化综合利用现状[25] .............................................................................................. 5 2.2.1煤矸石在国外的利用情况 .................................................................................................... 5 2.2.2煤矸石在国内的利用概况 .................................................................................................... 6 2.3 泡沫混凝土的研究进展 .............................................................................................................. 6 2.3.1泡沫混凝土在国外的发展 .................................................................................................... 6 2.3.2泡沫混凝土在国内的发展 .................................................................................................... 7 2.4 泡沫混凝土发泡剂的研究进展 .................................................................................................. 8 3实验研究内容及技术路线 .................................................................................................................. 9 3.1研究内容 ........................................................................................................................................... 9 3.2技术路线 ........................................................................................................................................... 9 4具体实验方案 .................................................................................................................................... 12 4.1 实验材料、实验仪器设备 ........................................................................................................ 12 4.2煤矸石活化工艺研究 ................................................................................................................. 12 4.3 发泡剂的优选 ............................................................................................................................ 13 4.4 制备泡沫充填材料的最佳配合比的设计 ................................................................................ 14 4.5煤矸石泡沫充填材料的制备 ..................................................................................................... 15 4.6 煤矸石泡沫充填材料性能测试 ................................................................................................ 16 5 课题创新点及经费预算 ................................................................................................................... 16 5.1课题创新点 ................................................................................................................................. 16 5.2经费预算 ..................................................................................................................................... 16

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煤矸石制备矿用泡沫充填材料工艺研究

6实验进度安排 .................................................................................................................................... 17 7参考文献 ............................................................................................................................................ 18

1选题背景及意义

1.1 煤矸石的性质组成和危害

煤矸石是成煤过程中与煤伴生的一种含碳量低的黑色岩石，是在煤炭开采、洗选加工过程中产生的固体废弃物[1]。煤矸石中含有一定量的可燃煤，有机挥发分占20%，灰分约为80%。从化学组成来看，其中SiO2和Al2O3的含量在50%以上，还含有一定量的CaO，MgO，Fe2O3，K2O和NaO等金属氧化物，另外还含有一些包括微量元素和稀有元素在内的伴生元素，是一种包含多种矿物的混合物[2]。从矿物组成来看，其主要矿物成分是伊利石、高岭土，以及石英、云母、长石等矿物，还有少量的碳酸盐和硫铁矿等，煤矸石能够满足铁路路基填料要求。

目前煤矿的排矸量约占煤炭开采量的8%～20%，平均约为12%，是我国累计堆积量和占用场地最多的固体废弃物。目前，我国煤矸石的总积存量约为45亿t，而且仍在逐年增长，矸石山几乎成为我国煤矿的标志[1]。煤矸石的堆积不但侵占大量土地，污染土壤资源，而且大量的煤矸石堆积为产生自燃，煤矸石自燃可产生CO、CO2、SO2、NOX等气体，污染大气环境[3]。煤矸石在风化过程中可分解成部分可溶盐，如Mg2+、Ca2+、K+或Na+等，当这些可溶盐浸入土壤，将导致土壤盐渍化。煤矸石中含有有害重金属，经过雨淋之后会渗入土壤，增加了土壤中重金属的含量，从而破坏土壤中的有机养分，还会对水源造成污染。些外，矸石山还会发生地质灾害，如山体滑坡、泥石流、矸石山爆炸坍塌等，造成人员伤亡和经济损失[4]。

煤矸石实际上不仅仅是一种废弃物，随着科学技术的发展，煤矸石逐渐被人们资源化利用，成为一种可以被人们利用的资源。根据煤矸石的性质及矿物组成，利用一定的

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煤矸石制备矿用泡沫充填材料工艺研究

科学技术，有针对地开发煤矸石的用途，不仅可以减少甚至避免煤矸石引发的环境问题，而且也可以更加充分地利用资源，使有限的资源发挥出最大的效益[5]。

1.2 泡沫混凝土概述

泡沫混凝土[6]又叫发泡混凝土，是采用发泡剂通过机械搅拌制出泡沫，再将泡沫加入胶凝材料浆体，制成泡沫料浆，然后成型或现浇，经自然养护、蒸汽养护所形成的微孔轻质材料。

泡沫混凝土[7]具有流动性高、集料消耗少、质量轻，以及保温隔热、防火、隔音、抗震以及耐久性等优异性能，是当今重点发展的节能环保型材料。泡沫混凝土的突出特点是在混凝土内形成泡沫孔，将重质的水泥混凝土轻质化、功能化，赋予它轻质、保温、隔热、吸声、隔声、耐火、防火、抗渗、防水、过滤、抗腐蚀、保水、吸能等十几种功能，是迄今为止功能最多的大宗无机轻质材料之一。泡沫混凝土是自水泥混凝土产生100多年来最重大的科技进步之一。它的发明与应用，为混凝土开辟了一个特种应用领域。目前，泡沫混凝土材料主要应用于建筑节能领域[8]，如泡沫混凝土屋面、垫层、地暖等技术已完善成熟，在国内大部分地区也得到了大量的应用。

1.3充填技术和泡沫充填材料的优点

充填技术是绿色开采的得要组成部分。发展充填开采技术[9~11]不仅可以解决煤矿开采带来的环境破坏问题，同时还能最大程度地提高“三下”压煤采出率。过去我国大部分矿山为控制地表深陷，一般采用部分开采、水砂充填和离层区注浆等方法，然而这些方法都不能很好的解决地表深陷和资源浪费等问题。充填技术主要包括充填材料、充填设备与工艺、采动岩层充填控制理论等方面。矿用充填材料的主要特点是成本要求更低，充填材料成分复杂，早期强度要求高。充填材料强度是充填技术的核心，对充填质量的优劣、充填成本的高低以及充填开采控制地表沉陷的效果起着决定性作用，发展充填技术的关键是研究成本低廉、性能可靠的充填材料[12]。

泡沫充填材料具有泡沫混凝土的许多优良性能，在做轻质填充时，它主要体现出以下特性：

（1）轻质性

轻质性的应用核心在于减轻荷载，减荷可降低工后沉降和不均匀深降；传统填充材

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料以常为覆土及混凝土，其自重较大，易发生深陷，对工程其他结构层会造成连带质量问题，通过泡沫充填减荷可满足设计要求；

（2）强度特性

在需填充工程应用中，表观密度400～650kg/m3的泡沫混凝土，强度范围一般为0.5～1.5Mp，在此强度范围内，一方面泡沫混凝土浇注施工容易，另一方面可自动固化，满足设计强度要求。

（3）自流平特性

泡沫充填材料具有流动性，施工时与基层结合度好，不会出现空鼓及空洞现象。 （4）施工速度快

泡沫浆料施工采用专业的泡沫混凝土生产设备，自动化生产，施工速度快，节约人力，缩短施工时间。

1.4选题的目的和意义

煤矿经过多年开采，废弃的煤矸石堆积如山，煤矸石的大量产生对生态环境和人类健康都会产生极大危害。对煤矸石进行综合利用，合理利用其中的有用矿物成分，具有重要的意义。目前，我国对煤矸石的利用率还较低，需要探讨煤矸石开发利用新途径。

随着矿山充填技术的发展，充填材料在工艺不断改变和创新过程中得到了发展。研究充填材料及其性能，对实现水保环境开采具有重要的理论和实践意义。泡沫充填材料具有泡沫混凝土所具有的许多优良特性，是一种新型高效节能无机材料。本课题通过阅读大量文献，提出了用煤矸石为主要原料制备泡沫充填材料，通过改进制备工艺，降低生产成本并提高该充填材料的特性，使其成为一种轻质高强的新型矿用泡沫充填材料，为发展充填技术提供价格低廉、性能可靠的充填材料。

用煤矸石制备矿用泡沫充填材料，一方面充分利用了煤矸石资源，使其变废为宝，减少了煤矸石对环境的污染，开辟了煤矸石综合利用新途径；另一方面，泡沫充填材料工艺简单，其应用对保护水资源和地表生态环境、发展绿色开采具有重要的意义。

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煤矸石制备矿用泡沫充填材料工艺研究

2 文献综述

2.1煤矸石的热活化及其胶凝特性研究现状

国内外研究以煤矸石为原料制备化工产品过程中，因煤矸石组分的多样性活化处理不理想导致活性成分产率低、产品质量不高和经济性不理想，这种现象的本质原是对煤矸石理化特性和活化条件缺乏深入的研究。目前对煤矸石资源的开发利用未能大批量进行，并且开发利用的科技含量及经济、社会效益较低[13]。煤矸石的活化方式通常有物理活化、化学活化、热活化和微波辐照活化[14]等。对煤矸石热活化，国内外有许多学者进行了研究。

文献[15~19]表明，选择煅烧的方法对煤矸石进行活化，一方面可去除煤矸石中含有的少量的煤及有机物，另一方面，煅烧过程还可以破坏煤矸石中矿物稳定的晶体结构，提高其化学反应活性。从矿物相分析可知，煤矸石中主要含有高岭石及石英，一般认为高岭石矿物的脱水温度在450～500℃以上，因此，煅烧的起始温度选择为500℃，如果煅烧温度高于1100℃，则煅烧能耗较大，导致成本提高，因此，煅烧温度选择一般为500～1100℃。

赵鸿胜，张雄[20]等人分析了在利用煅烧煤矸石作水泥混合材时，煅烧温度、冷却方式、矸石的成分、物料的煅烧形态、保温时间等因素对煤矸石活性的影响。表明，煤矸石热激活产生的活性来源于两方面，一是其中的高岭土质分解成具有活性的无定形的氧化硅、氧化铝等组分；二是在冷却过程中产生的玻璃体物质，这取决于冷却的速度及温差。

冯彬[21]从煤矸石的化学成分及矿物组成入手，论及煤矸石的活性来源，并能过实验方法研究了未燃煤矸石的最佳煅烧温度和养护长期条件对煤矸石制品强度活性的影响。

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结果表明，以高岭石为主的煤矸石的最佳煅烧温度为650～950℃；以云母矿为主的煤矸最佳煅烧温度为1000～1050℃。不同养护条件下，制品强度活性关系为：蒸压制品＞蒸养制品＞自然养护制品。

宋旭艳，韩静云，郜志海[22]等将煤矸石于不同煅烧温度和不同保温时间下进行活化，利用X射线衍射分析(XRD)和力学强度试验对其活化过程进行研究。结果显示，随着煅烧温度和保温时间的增加，高岭石的分解趋于完全，活化煤矸石水泥强度增加；但煅烧温度过高、保温时间过长，无定形矿物会向稳定状态转变，活性降低。煅烧温度为750℃、保温4h时煅烧煤矸石的活化性能较好。

郭伟，李东旭等[23]用X射线衍射(XRD)、热分析(TG-DSC)、扫描电镜(SEM)等方法，研究了热活化、机械力活化及未活化煤矸石水泥的胶凝性能。结果表明，热活化能显著改善煤矸石的胶凝性，对热活化煤矸石再进行机械力活化能进一步提高其胶凝性；并分析指出，热活化是煤矸石活化的必要条件，而机械力活化是其充分条件。

李永峰，王万，杨效益等[24]对煤矸石热活化及在不同条件下影响其活性的因素进行了系统的实验研究.考察了煅烧温度、粒径形态、停留时间、冷却方式等因素对煤矸石活化的影响.并采用X射线衍射(XRD)、差热(DTA)、红外(FTIR)、电感耦合等离子原子发射光谱仪(ICP-AES)等分析方法深入地了解煤矸石的活化情况.结果表明,煤矸石热活化不仅与关键因素煅烧温度有关,还受到原矿特性、粒径形态、停留时间、冷却方式等因素的显著影响。

2.2 煤矸石的资源化综合利用现状[25]

2.2.1煤矸石在国外的利用情况

国外煤矸石利用最早始于第二次世界大战前，直到20世纪60年代后期才真正引起各国的重视，截至目前为止在众多研究中最成功的方法是生物复田，生物复田首先在美国和匈牙利研究成功，目前这项技术已向全世界推广。美国还研究成功了直接从燃烧的煤矸石山中回收热能，法国对灰分较大的煤矸石进行洗选，回收了其中的可燃物用于发电，从而节约了煤炭。复田造地是彻底消除煤矸石污染的根本方法，在国外已实施多年，效果相当显著，其中英国青野露天矿对复田造地实施较为长久，也卓有成效。国外还报道了英、波、比、俄、日等国用煤矸石代替部分黏土生产水泥，取得了节煤、降低

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成本的效果。

2.2.2煤矸石在国内的利用概况

我国从70年代起开展了煤矸石综合利用的工作，但是由于我国煤矸石产量大和资源区域差异显著，以及经济条件和技术设备的制约，我国煤矸石利用率还较低。我国煤矸石资源化利用的主要途径有：用煤矸石发电、用煤矸石作建材以及用煤矸石回填露天煤矿。总的来说，含碳量较高的煤矸石，可以从中回收煤炭资源或用作工业生产的燃料，如化铁、烧锅炉、烧石灰、生产煤气或在选煤厂能过洗选回收煤炭。含碳量较低的煤矸石可用于生产砖瓦、水泥，轻骨料、矿渣棉或工程塑料等建筑材料。含碳量极少的煤矸石可用于填坑、造地、回填露天矿和用作路基材料。自燃后的煤矸石经过破碎、筛分，可以配制胶凝材料。另外一些煤矸石粉还可以用来改良土壤、做肥料和化工产品。同时，发展科技含量高、附加值高的煤矸石综合利用技术和产品[26]。

目前，大量堆积的煤矸石山，对矿区造成严重的环境问题，应努力加以解决。要以大批量的处理方法来减少煤矸石的堆积，以及煤矸石作为填充材料，填埋塌陷和废矿井，消除大量的煤矸石堆积，是解决矿区环境污染的有效方法之一[27]。

将煤矸石用作塑料制品的填料以改善其性能和降低成本是利用煤矸石一种很好的方法。目前已有将煤矸石用作橡胶[28]、聚氯乙[29]、聚丙烯[30]、聚酰胺[31]、酚醛树脂等的填料的报道，并取得较好的效果，但有关矿用无机煤矸石泡沫充填材料的研究还未见报道。

2.3 泡沫混凝土的研究进展

2.3.1泡沫混凝土在国外的发展

在国外，早在19年，Valore[32~33]对多孔混凝土包括泡沫混凝土的组分、物理性能及其应用等方面做了详细的研讨；1967年，Mc Cormick[34] 基于固体容积推算的基础上，提出预制泡沫混凝土的试验配比方法；1971年，法国普罗赛尔多孔混凝土公司在生产多孔混凝土方面，始终在推销拜多赛尔牌材料（泡沫混凝土）[35]；1998年，Durack and Weiqing[36] 提出空隙率与泡沫混凝土凝胶体强度的关系；2001年，Kearsley EP and Wainwright PJ[37-38] 研究了高掺量粉煤灰泡沫混凝土强度的影响及其泡沫混凝土的孔隙

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与渗透性；Nehdi etal.[39] 在人工神经网络技术的基础上，提出推测泡沫混凝土的密度和抗压强度的非传统方法；2004年，M.R. Jones and A. McCarthy[40]提出了在泡沫混凝土中利用未经处理的低钙粉煤灰代替砂能明显提高泡沫混凝土的流动性和后期强度，如干表面密度在1000kg/m3、1200 kg/m3和400 kg/m3时，抗压强度分别为6.4MPa、7.0MPa和

10.2MPa。E.K.Kunhanandan Nambiar and K. Ramanmurthy[41] 提出粉煤灰部分代替砂对泡沫混凝土密度和不同龄期抗压强度的影响，研究了干表面密度在800 kg/m3～1250 kg/m3之间的砂-

粉煤灰泡沫混凝土，其抗压强度在2.0MPa~13MPa。

在应用上，国外主要把泡沫混凝土用用建筑物基础，公路、桥墩的回填、修建运动场跑道、作夹芯构件、用作复合墙板等。由此可见，国外对泡沫混凝土材料的研究主要集中在水泥-砂系，水泥-砂-粉煤灰系泡沫混凝土的研究，其干表面基本都在800 kg/m3以上。对利用煤矸石固体废弃物为主要原料制备泡沫混凝土的研究还未见报道。

2.3.2泡沫混凝土在国内的发展

我国在多孔混凝土研制和应用方面起步很晚，于二十世纪三十年代研制使用，六十年代初期研制成功了蒸压泡沫混凝土制品，但由于对生产工艺和设备研究不够，发展受到阻碍。文献报导[42]，近年来我国越来越重视随着与建筑节能有关的实施，墙体材料改革取得了显著的成就，节能材料倍受青睐。泡沫混凝土从减轻混凝土构件和节约能源角度来看，受到了极大的关注。泡沫混凝土和以前相比，有了较大的发展，年增长率约在8%以上，取得了可喜的成就。泡沫混凝土在我国的应用主要有泡沫混凝土砌块、泡沫混凝土轻质墙板、泡沫混凝土补偿地基等[43]。

哈尔滨建筑大学研制了聚苯乙烯泡沫混凝土砌块，并用于城市楼房建设。此种砌块是以聚苯乙烯泡沫塑料作为骨料，水泥和粉煤灰作胶凝材料，加入少量外加剂，经搅拌、成型和自然养护而成，其规格为200×200×200mm可用于内、外非承重墙体材料，也可用于屋面保温材料。它具有质量轻、导热系数小、抗冻性高、防火、生产简单、造价较低、施工方便等优点。

中国建筑材料科学研究院采用GRC隔墙板生产工艺结合固体发泡剂和泡沫水泥的研究成果，开发出了粉煤灰泡沫水泥轻质墙板的生产技术，并得到了应用。与传统的GRC轻质墙板相比，采用泡沫混凝土生产技术，不但能明显降低产品的成本，而且大大改善了浆体的流动性。

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在建筑物设计过程中要求在建筑物自重较低的部分其基础须填软材料，作为补偿地基使用。北京团结湖大厦中的部分基础采用了浇注厚度150mm，抗压强度0.1士0.02MPa，容重小于200kg/m3的泡沫混凝土，取得了良好的效果。

泡沫混凝土在一定程度上得到了应用，但我国整体的利用水平并不是很高，和国外相比有一定的差距。近年来，美国、英国、荷兰、加拿大等欧洲国家以及日本、韩国等亚洲国家，充分利用泡沫混凝土的良好特性，将它在建筑工程中的应用领域不断扩大，加快了工程进度，提高了工程质量。

2.4 泡沫混凝土发泡剂的研究进展

发泡剂又称起泡剂[44]，是能促进发生泡沫以形成闭孔或联孔结构的物质。在特定条件下通过化学反应变化或物理方法处理（搅拌、压缩空气等）使其在短时间内形成大量均匀、稳定的泡沫。

发泡剂在建材领域上的应用开展较早。早在上世纪30年代，美国在偶然机会发现抗冻性较好的混凝土材料之后，对混凝土发泡剂的研究迅速开展起来[45]。而在40年代后期，美国人Sonik 在1948年获得了第一个有关泡沫铝材料的专利[46]。目前，日本、美国、德国和加拿大等国已上市供应泡沫铝材料。此外，人们还利用废玻璃、粉煤灰、非金属矿等为主要原料，加入发泡剂等外加剂制备一种新型多孔微晶玻璃体材料。 应用于混凝土中的发泡剂，从化学成分来看，主要是由表面活性剂和蛋白质两大类物质组成。这类物质能在极少量情况下就能降低溶液表面张力，并能过不同方式促进泡沫的稳定，进而提高了泡沫混凝土的性能。美国1937年研究并于1938年获得专利的“文沙”（Vinsol）树脂，是最早问世的松香类混凝土发泡剂。近年来，人们一直致力于不同表面活性剂的复配研究，取得了不错的效果。混凝土发泡剂从以表面活性剂为起泡剂逐渐向蛋白质转变，美国、日本、意大利等国已相继开发出多种高效蛋白质类发泡剂[47]。 近年来，研究较多的是动物蛋白发泡剂。Remadnia 等[48]以动物血液的血色素球蛋白为原料，与聚对苯二甲酸乙二酯合成蛋白质类混凝土发泡剂，能影响混凝土的多孔性、机械性能和容重，改善了砂浆流动性和混凝土的热传导性。寿延[49]用鸡蛋黄为主原料通过稳泡剂的复配，研制了高效的混凝土发泡剂，克服了传统蛋白质发泡剂原料不足的缺陷。国内有人以牛蹄角[50]、人发、猪蹄角粉[51]为原料，能过SDBS、SDS、CTAB，明胶或阿拉伯树胶粉等的复配，对发泡剂的泡沫稳定性都有不同程度的改善作用，制备了

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泡沫性能良好的蛋白质类混凝土发泡剂。倪红[52]等在污泥蛋白质中加入不同量的稳定剂GP-1，研制出高稳定性污泥蛋白质泡沫混凝土发泡剂。总体上看，这些发泡剂要么存在原料来源的问题，要么存在价格问题或环保问题，均存在一定的不足[53]。

3实验研究内容及技术路线 3.1研究内容

本课题根据煤矸石固体废弃物具有的火山活性特点，通过分析煤矸石的化学组成和矿物组成，选择合适的工艺条件将其活化，并通过对泡沫混凝土发泡剂的研究选择合适的发泡剂，再利用活化煤矸石为主要原料制备出一种高性能的矿用泡沫充填材料。通过改变各种工艺条件，来提高该矿用泡沫充填材料的性能，重点研究了煤矸石的活化工艺和发泡剂的性能对实验结果的影响。主要研究内容如下：

⑴ 煤矸活化的工艺条件及最佳工艺参数。通过改变煤矸石活化工艺条件来测试制备出的泡沫充填材料的项各性能，进而找出最佳的工艺参数，主要的工艺参数包括煤矸石的煅烧温度、煅烧时间、粉磨细度、冷却方式和添加的碱性激发剂种类等。 ⑵ 发泡剂的制备及优选。通过了解目前各种发泡剂的性能和特点，制备出几种性能优良的煤矸石泡沫充填材料专用发泡剂，对这些发泡剂进行考察，包括发泡剂的发泡倍数、泌水性和稳定性、使用效率、与煤矸石等的结合度及毒副作用等。 ⑶ 泡沫充填材料的性能及影响因素。主要评价了煤矸石泡沫充填材料的干表面密度、抗压强度、抗折强度、导热系数、线收缩率、吸水率、导热系数等。影响其性能的主要因素除了煤矸石的活化工艺参数和泡沫剂的种类和用量外，还包括煤矸石、水泥、添加剂的配比和水料比等因素。

3.2技术路线

本课题的研究技术路线如下：

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制备煤矸石泡沫充填材料技术要求 煤矸石活化理论 发泡剂的评定 热活化 物理活化 化学活化 发泡倍数稳定性 泌水性 煤矸石的活化工艺 发泡剂的优选 煅烧温度 煅烧时间 粉磨时间 激发剂种类 冷却方式 配合比设计 煤矸石 水泥 水料比 发泡剂 激发剂 外加剂 干表面密度 抗压、抗折强度 导热系数 线收缩率 吸水率 泡沫充填材料主要性能 参数优选 煤矸石泡沫充填材料制备

图1 本课题的研究技术路线图

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4具体实验方案

4.1 实验材料、实验仪器设备

（1）实验所用材料：

煤矸石、水泥、石灰、石膏、NaOH激发剂、水玻璃、泡沫剂、外加剂、水等。 （2）实验仪器设备

实验电阻炉、破碎机、磨机、实验室制泡机、搅拌机、试模、恒温干燥箱、抗压实验机、抗折实验机、游标卡尺、比表面积仪等。

4.2煤矸石活化工艺研究

如文献所述，煤矸石的活化方式有物理活化、化学活化、热活化和微波辐照活化[14]等，而最常用的是热活化和物理活化相结合的方式。本课题也的煤矸石活化工艺采用物理活化、热活化和化学活化三种方式相结合的工艺。煤矸石活化的主要工艺流程是先将大块的煤矸石放入鄂式破碎机内破碎，再将粉碎煤矸石放入室验电阻炉内煅烧一段时间冷却后，将煅烧好的煤矸石放入磨机内磨细，制得活性煤矸石粉，再使用时再添加一定时的碱性激发剂。煤矸石活化效果的影响因素有很多，本课题主要对煤矸石的煅烧温度、煅烧时间、粉磨细度、冷却方式和碱性激发剂的种类等因素进行了实验研究。

各因素的水平如下表：

表1 煤矸石的活化工艺条件

煅烧温度℃ 煅烧时间h 粉磨时间h 冷却方式 激发剂种类 500 1 0.5 自然冷却 石膏 700 2 1 水淬 NaOH 900 3 2 水玻璃 1000 4 1100 12

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4.3 发泡剂的优选

发泡剂的种类对煤矸石泡沫充填材料的性质有很大影响，本实验通过对目前制备泡沫混凝土所用的发泡剂进行比较，选出几种优质的发泡剂，制成泡沫体，比较所制的泡沫的发泡倍数和稳定性等。

如下表所示，列出常用的几种泡沫剂的性能：

表2 几种常见发泡剂的性能

泡沫剂的种类与浓度 发泡倍数 1h泌水量(ml) 1h沉陷量(mm) 为了找到最佳的泡沫剂稀释用水量，参照闫振甲提出的泡沫的测定原理，进行发泡倍数和泌水率的检测实验。

实验操作如下 ：

按照泡沫制备方法，用一定量的水制备好泡沫。用有刻度的容器测出泡沫的体积(ml)；再将部分泡沫倒入烧杯中，用透明的圆形漏斗插入盛有泡沫的烧杯中。然后将插入漏斗并装满泡沫的烧杯，倒放在另一烧杯上，1h后倒出烧杯里的泌水量，并用量筒进行测定(ml)。

按上述过程，根据前人经验，分别以发泡剂与水用下表所用的不同比例配制，测定泡沫剂的性能。测定条件如下：

表3 测定发泡剂的性能

泡沫剂：水 发泡倍数 1：30 1：40 1：50 1：60 1：70 A C1 C2 B C1 C2 C C1 C2 D C1 C2 E C1 C2 1h泌水量(ml) 根据测定结果选出泡沫剂与水的最佳比例。

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煤矸石制备矿用泡沫充填材料工艺研究

4.4 制备泡沫充填材料的最佳配合比的设计

在设计煤矸石泡沫充填材料的配合比时，要考虑到该材料的干密度、煤矸石及水泥的用量、水料比等因素。本课题采用李应权[]等人所用的水泥-粉煤灰-泡沫-水原料体系的泡沫混凝土的配合比的设计方法，将粉煤灰用活化煤矸石粉替代，计算出各组分的基本配合比。计算方法如下：

ρ干 = Sa(C + Mg), （1） M w = φ( Mc + Mg ) （2）

式中ρ干为泡沫混凝土设计十密度(kg/m3)； Sa为泡沫混凝土养护28 d后，各基本组成材料的干物料总量和制品中非蒸发物总量所确定的质量系数，普通硅酸盐水泥取1.2，硫铝酸盐水泥取1.4；Mc为1 m3泡沫混凝土的水泥用量(kg)；Mg为1 m3泡沫混凝土的煤矸石的用量(kg)，为1 m3泡沫混凝土的基本用水量(kg)；φ为基本水料比，视施工和易性，可作适当调整，一般情况下取0. 5。

1 m3泡沫混凝土中，由水泥、煤矸石和水组成的浆体总体积为V1，按(3)式计算，泡沫添加量V2按式(4)计算。即配制单位体积泡沫混凝土。

V1 = Mg/ρg + Mc /ρc+ Mw/ρw， （3） V2 = K(1 - V1 ) （4）

式中ρg为煤矸石密度；ρc为水泥密度；ρw为水的密度；V1为加入泡沫前，水泥、煤矸石和水组成的浆体总体积(m3 )；V2为泡沫添加量(m3)；K为富余系数，通常大于1，视泡沫剂质量和制泡时间而定，对于稳定性较好的泡沫剂，一般取1.1~1.3。

泡沫剂的用量按下式计算：

My = V2ρ

泡， (5) Mp = My/ (β+1)， （6）

式中：My为形成泡沫液质量(kg)；ρ

泡为泡沫密度(kg/m

3

)；Mp为1 m3泡沫混凝土

的泡沫剂质量(kg)；β为泡沫剂稀释倍数。

按上述（1）～（6）式计算出基本的配合比，再调整各组分的用量及加入一定的添

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加剂，分别做几组实验，用正交实验，找出最佳的配合比。各因素及水平如下表：

表4 配合比设计

煤矸石% 水泥% 发泡剂% 水料比 激发剂 外加剂 1 30 20 0.5 0.2 5 5 2 40 30 1 0.4 10 10 3 50 40 1.5 0.5 15 15 4 60 50 2 0.6 20 20 5 70 60 3 0.8 25 30 4.5煤矸石泡沫充填材料的制备

按照配合比把所需的干物料称重，放到搅拌机中搅拌 0.5min~1min 使干粉混合均匀，再倒入一定量的水，充分混合均匀，得到流动状态的混合浆体。将制备好的泡沫逐渐加入到搅拌好的混合浆体中，搅拌时间为 1min~3min，然后将泡沫混凝土浆体注入涂好油的试模中。浇筑入模的泡沫混凝土，用镘刀刮平后，待初凝后盖上麻布，防止表面过度失水。一般在 24～48 小时拆模后，放入标准喷雾养护室中养护。

泡沫充填材料制备的工艺流程图如下：

水 煤矸石 搅拌 浆料 水泥等 混合 浇注成型 发泡剂 稀释液 水 发泡 充填材料

图2 煤矸石泡沫充填材料制备工艺流程图

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煤矸石制备矿用泡沫充填材料工艺研究

4.6 煤矸石泡沫充填材料性能测试

主要测试了煤矸石泡沫充填材料的干表面密度、抗压强度、抗折强度、导热系数、线收缩率、吸水率、导热系数等。

泡沫混凝土的干表观密度按照JGJ51—2002《轻集料混凝土技术规程》规定的方法进行；

流动度按照GB/T2419—2005《水泥胶砂流动度测定方法》进行，并对圆盘直径加大到50cm，在测定时不需振动；

抗折和抗压强度参照 GB/T17671—1999《水泥胶砂强度检验方法》和JGJ70—90中规定的立方体抗压强度试验方法进行。

湿密度实验参照《建筑砂浆基本性能试验方法》JGJ70-90进行。

泡沫混凝土线收缩的测定参照 JGJ70-90《建筑砂浆基本性能试验方法》中收缩试验方法，选定试件尺寸，将试件制作成型，在标准养护条件下养护，7d 后拆模，编号。

泡沫混凝土吸水率和软化系数的测定按照 JGJ 70-1990 中第七章的规定制备试样。试件的测试方法参照《轻骨料混凝土技术规程》(JGJ51-2002)的要求进行。

泡沫混凝土导热系数的测定参照《轻骨料混凝土技术规程》(JGJ51-2002)。试件以三块为一组，取自相同配合比的混凝土，各试件的表观密度差应小于 5％。

5 课题创新点及经费预算

5.1课题创新点

本课题通过改进生产工艺流程，用煤矸石为主要原料制备出一种新型矿用煤矸石泡沫充填材料，对改善矿区生态环境、节约煤矿资源、发展绿色开采都具有重要意义。主要创新点如下：

（1） 开辟煤矸石资源化综合利用新途径； （2） 制备出一种新型矿用煤矸石泡沫充填材料。

5.2经费预算

序号 1 项目 文献检索及资料费 16

经费（元） 500 中国矿业大学（北京）2010级硕士研究生学位论文选题报告

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实验设备及原材料 实验制品性能测定 论文打印装订费 不可遇见费 合计 20,000 5000 500 2,000 28,000 6实验进度安排

2011.09-2012.01 资料查询，选题和实验方案设计 2012.02-2012.03 实验材料、设备的准备及设备的调试 2012.04-2012.06 煤矸石活化工艺研究 2012.06-2012.09 高性能发泡剂的制备

2012.10-2013.01 研究泡沫充填材料的最佳配合比实验 2013.02-2013.03 整理实验数据，撰写论文 2013.04-2013.06 论文修改，准备答辩

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