煤矸石是煤炭开采和洗选过程中产生的固体废弃物。据统计，截至201年，我国煤矸石积存量达5O亿t，年产煤矸石量达到1．5亿～2亿t，而煤矸石的年利用量仅为0．6亿t。 煤矸石已然成为我国排放量最大的固体废弃物之一，其大量堆存带来了一系列的环境问题，如煤矸石的堆存占据大量的土地，且其含有的重金属元素会对周围的地下水造成严重污染；长期露天存在的煤矸石易发生自燃现象，排放的SO。等有害气体污染大气，严重影响矿区周围的环境。
煤矸石是煤炭开采和洗选过程中产生的固体废弃物。据统计，截至201年，我国煤矸石积存量达5O亿t，年产煤矸石量达到1．5亿～2亿t，而煤矸石的年利用量仅为0．6亿t。 煤矸石已然成为我国排放量最大的固体废弃物之一，其大量堆存带来了一系列的环境问题，如煤矸石的堆存占据大量的土地，且其含有的重金属元素会对周围的地下水造成严重污染；长期露天存在的煤矸石易发生自燃现象，排放的SO。等有害气体污染大气，严重影响矿区周围的环境。
2015年l一10月份中国的水泥产量达19．47亿t。水泥生产需要消耗大量的原料，生产1t水泥约需粘土0．21t、石灰石1．4t、标准煤0．23t。随着资源紧缺和国家环保力度的加大，在水泥生产过程中，寻找合适的硅铝质资源显得十分重要。
煤矸石的化学成分与粘土相似，以煤矸石作为水泥原料将可以解决煤矸石污染问题以及水泥原料问题。众多学者对以煤矸石作为硅铝质原料制备水泥熟料进行了探索研究。裘国华等以煤矸石、石灰石在1400℃下烧制成水泥熟料，其3d、28d净浆抗压强度可达50MPa和80MPa。施正伦公开了一种煤矸石和金属尾矿代粘土配料生产水泥熟料的方法，在实际生产中可将熟料烧成热耗降低9．85%，熟料产量提高10%。
本实验以煤矸石作为硅铝质原料制备了8种水泥熟料，并对生料的易烧性、熟料的矿物组成、水泥的凝结时间和力学性能及其水化放热过程进行了研究，探明生料的 合理配方及煅烧过程中的合理热工工艺，以期为煤矸石在水泥工业中的有效利用提供理论依据。
石灰石、铁尾矿、石英砂岩均由淮北相山水泥厂提供；煤矸石，来自淮南某矿区；石膏，购自山东济南迅达利化工有限公司；水泥为江南小野田水泥有限公司生产的PII42．5型硅酸盐水泥。表1和图1分别为主要原材料的化学组成和XRD图谱，试验选用的石灰石主要矿物成分为方解石和白云石，煤矸石的主要矿物成分为石英和高岭石，铁尾矿的主要矿物成分为石英和赤铁矿，石英砂岩的主要矿物成分为石英。
为了探明利用煤矸石代替粘土作为配料来煅烧水泥熟料的合理率值，在硅酸盐水泥熟料的合理率值范围内，本研究选取不同的熟料率值配制了8种生料配方，配合比见表2。在配料计算过程中，由于生料组分较多，实际率值较设计的理论率值有一定的波动。
将各原料粉磨后过0．075mm方孔筛，根据配方将各原料按比例配好后混合均匀。将1O(质量分数)水加入各生料，在12．5MPa压力下成型为45mmX13mm的生料片，并在105℃下干燥。
生料的热分析采用德国Netzcsh公司生产的STA4ogPC／PG型差示扫描量热一热重仪，气氛为空气，升温速率为2O℃／min。
将干燥好的生料样品放入坩埚中，再置于已升温至800℃的高温炉中，继续分别升温至1350℃、1400℃和1450℃，并保温30min后取出试样，在空气中急冷至室温。
将煅烧好的熟料用振动磨粉磨后过0．075mm方孔筛。用乙醇一乙二醇法测试各熟料中的f-CaO含量。用游标卡尺测定煅烧好的熟料片的直径，根据式(1)计算熟料的线性收缩率。nnS：—／J0--／-]e×100(1)／)o式中：S为熟料的线性收缩率；D。为生料片的直径；D为熟料片的直径。
利用日本理学3015型X射线衍射仪(Cu靶、40kV，100mA，单色滤波，10~80。)定性分析各熟料矿物组成。
将煅烧好的熟料用振动磨粉磨，并过0．075mm方孔筛后与CaSO·2HO以96：4的比例混合均匀。按照GBT1346—2011{水泥标准稠度用水量、凝结时间、安定性检验方法》检测水泥凝结时间。采用八通道微量热仪(ThermometricsTAMair)测定水泥的72h水化放热，水胶比为0．5。水泥净浆的水灰比为0．28，成型为 20ram~20mmX2Omm的试块，在标准养护箱中养护1d后拆模，然后在2O℃下水养至3d、28d龄期，分别测试其抗压强度。
f-CaO的含量直接影响熟料安定性，熟料中f-CaO质量分数是表明熟料烧成反应是否完成和配方合理性的重要指标_9]。表3为各熟料样品中f-CaO质量分数。由表3可知，随着煅烧温度的升高，熟料中f-CaO被逐步吸收，其含量整体呈下降趋势。当煅烧温度为1400℃时，所有熟料中f-CaO含量均低于2，表明当KH在0．89～O．95的范围内，IM在1．2～1．6的范围内，SM在2．1-2．6的范围内，可在较低的温度下烧制出{-CaO含量符合标准的水泥熟料。对于石灰石含量较高的生料，当煅烧温度较低时，适当降低SM、IM促使熟料中的液相量生成，使f-CaO含量降低。图2显示了不同煅烧温度下熟料的收缩率。水泥熟料的收缩率随着煅烧温度的升高而增大，表明熟料煅烧过程中液相量随煅烧温度的升高而增多。在高温条件下，适当增大IM和SM，控制熟料烧成过程中的液相量，有利于熟料中f-CaO的吸收。
2．2生料的热分析图谱
图3为按熟料理论率值IM=1．55，SM=2．55，KH分别为0．89、0．95配制生料(编号为1、4)的差热分析图谱。利用煤矸石作为配料的生料热历程与已知用粘土配制生料的热历程基本一致，说明将常规的烧结程序用于煤矸石配制的水泥生料是可行的。
由图3可见，0~200oC为生料脱去层间水的温度区间间。继续升温至500℃，高岭石脱水分解为偏高岭石。温度升至800℃左右CaCO3吸热大量分解产生活性CaO与CO2。比较800℃左右的CaCOa分解吸热峰，1号生料的CaCOa分解吸热峰相对于4号生料向低温移动。这是由于1号生料的石灰石含量较低，且其煤矸石和尾矿的含量较高。
用煤矸石和尾矿作为原料制备水泥熟料时，由于煤矸石和尾矿含有较丰富的微量元素，对于熟料烧成大都具有矿化作用，可以降低CaCO。的分解温度，在一定程度上可以起到降低能耗、提高熟料质量的作用。
图4为利用煤矸石配料制备的水泥熟料的XRD图谱。由图4可知，以煤矸石为硅铝质原料制备水泥熟料时，按熟料KH一0．89～0．95、IM：1．2～1．6、SM一2．1～2．6配制生料，制备出的水泥熟料矿物组成均以C。S、C。S、C。A和CAF为主，只是配合比及热工工艺的不同导致各矿物的相对含量有所不同。当煅烧温度较低时，熟料中的f-CaO含量较高，从XRD图谱中可以看到f-CaO的衍射峰。随着煅烧温度的升高，熟料中的f-CaO逐渐被C。S吸收形成C。S。
表4为按熟料理论率值IM=1．55，SM=2．55，KH分别为0．89、0．91、0．93和0．95配制生料(编号为1、2、3、4)在不同煅烧温度下所制备的水泥熟料与石膏按96：4的比例混合后得到水泥的凝结时间实验结果。由表4可见，利用煤矸石作为硅铝质原料制备的水泥凝结时间均符合标准要求。对于各组配方，随着煅烧温度的提高，其制备水泥的初凝、终凝时间基本呈缩短趋势。
图5为1、4号配方在1450℃的煅烧温度下制备的水泥水化72h的放热总量。从图5中可以看出1号生料制备的水泥，其72h水化放热总量相对于4号生料制备的水泥降低了10．1%。由于4号生料制备的水泥C。S含量高于l号水泥，C。S水化热较高，故4号水泥放热量较大。
表5为PⅡ42．5型硅酸盐水泥(编号为O)以及按熟料理论率值IM一1．55，SM一2．55，KH分别为0．89、0．91、0．93、0．95配制生料(编号为1、2、3、4)煅烧所得水泥熟料与石膏按96：4的比例混合后得到水泥的净浆抗压强度实验结果。由表5可知，各水泥的3d抗压强度较PII42．5型硅酸盐水泥有明显提高，28d抗压强度基本达到PⅡ42．5型硅酸盐水泥同等水平。4号生料在1450℃煅烧温度下制备的水泥力学性能最佳，其3d、28d抗压强度较PⅡ42．5型硅酸盐水泥分别提高了49%和4．8%
(1)以煤矸石作为硅铝质原料配制水泥生料时，熟料率值KH在0．89～O．95，IM在1．2～1．6，SM在2．1～2．6的范围内配制的生料在1400℃下即可烧制出安定性合格的水泥熟料。
(2)以煤矸石作为硅铝质原料时，在熟料理论率值IM、SM值相同的情况下，较高KH值制备的水泥水化放热量较大。
(3)以煤矸石作为硅铝质原料制备水泥时，按熟料理论率值KH=0．95，IM=1．55，SM=2．55配制生料，在1450℃下煅烧，制备的水泥3d净浆抗压强度为45．3MPa，28d净浆抗压强度为95．3MPa。
