【摘 要】 本文提出了通过测定煅烧煤矸石在饱和Ca(OH)2溶液中达溶解、反应平衡后滤液的电阻，以此来评价煅烧煤矸石的火山灰活性的新方法，并测定了四个不同产地煅烧煤矸石的火山灰活性指数Ke（通过比较煅烧煤矸石在饱和Ca(OH)2溶液中达溶解平衡后滤液的导电性和开始阶段煅烧煤矸石在溶液尚未溶解时滤液的导电性而得），分析了煅烧煤矸石的矿物组成、化学成分对滤液导电性能的影响。结果表明：该方法测得的火山灰活性指数Ke与国标GB/T2487-96提出的标准胶砂强度比具有一定的可比性，能够反映出同一种煤矸石在不同煅烧温度条件下相对活性的高低，而且该方法快速简便，但采用该方法材料的化学成分变化对测试结果影响较大。
【关键词】煅烧煤矸石；活性；电化学评价
1 前言
将煤矸石经过活化处理后作为水泥活性混合材的应用研究是近年来对煤矸石工业废渣利用研究的热点问题之一[1-3]。但是，对活化煤矸石的活性如何评价，至尽仍是人们比较关注的一个问题。国内外的学者曾提出许多评价火山灰质混合材火山灰活性的试验方法，如石灰吸收法、火山灰活性图法、抗压强度比法、活性率指标法、离子溶出法等[4-6]。这些方法不是耗时较长，就是测试过程比较烦琐。本文试图从电化学方法入手，在前人研究工作的基础上[7-9]，尝试寻求一种快速可靠的方法来评定煅烧煤矸石的火山灰活性。
2 试验原理
根据电化学原理，溶液的电导率（σ）与电阻率（ρ）呈互为倒数关系。则溶液的电阻R可表示为[7]：
R=K/σ
其中，K为电导池常数。对于矩形池：
K=L/S
因此，在试验中固定矩形电导池的电极距离（L）和电极面积（S），即固定电导池常数，则溶液的电阻和电导率成反比关系。
煤矸石在不同的煅烧温度下，具有不同的活性，其在碱溶液中溶出的活性组分量也不同，导致溶液中的离子浓度不同。溶液中不同的离子浓度决定了溶液具有不同的电导率，因此，在Luxan，M．Ｐ．等提出的测定火山灰质混合材火山灰活性指数的方法的基础上[8-9]，本文提出以活化煤矸石在碱溶液中经过一定时间溶解达平衡后滤液的导电率与开始阶段活化煤矸石在溶液中尚未溶解滤液的导电率的比值决定煅烧煤矸石的活性。在本实验条件下，由于溶液的电导率与溶液的电阻呈反比关系，则活化煤矸石的火山灰活性指数即为开始时滤液的电阻（由于开始阶段活化煤矸石在饱和Ca(OH)2溶液中尚未溶解，则该电阻即为饱和Ca(OH)2溶液的电阻）与活化煤矸石在饱和Ca(OH)2溶液中达溶解、反应平衡后滤液的电阻之比。
3 试验
3.1 原料及处理
煤矸石：来自我国一些主要煤炭产地，其化学成分如表1所示，矿物成分如表2所示。将煤矸石分别在500℃、600℃、650℃、700℃、750℃、800℃、900℃温度下煅烧，恒稳2.5小时。未煅烧及各温度下煅烧后煤矸石的结晶物相如表2所示。煅烧煤矸石在实验室球磨机上粉磨45min，过900目筛。
Ca(OH)2：分析纯化学试剂，制成饱和溶液待用。
3.2 溶液试样的制备
将经过不同温度下煅烧的各地煤矸石粉磨试样按水、饱和Ca(OH)2溶液和煅烧煤矸石的比例为40ml：1g分别制样。具体试验过程为：将煅烧煤矸石加入到水和饱和Ca(OH)2溶液中，搅拌2min，使煅烧煤矸石和水及饱和Ca(OH)2溶液混合均匀，然后继续搅拌加速其溶解、反应，至规定的各测试时间后，过滤得滤液供测试用。
3.3 测试方法
制一矩形容器，在容器的对边固定一组面积相等的铜片电极，在电化学系统上用1kz的工作条件测试制得的滤液的电阻。
4 结果与分析
4.1 煅烧煤矸石在水和饱和Ca(OH)2溶液中达溶解、反应平衡时间的确定
选择最佳煅烧温度下煅烧的萍乡煤矸石在去离子水及饱和Ca(OH)2溶液中的溶解、反应情况来确定溶解、反应的平衡时间。混合均匀后经历不同时间的滤液的电阻测试结果如图1、2所示。由图1
可知：煅烧煤矸石在去离子水中的溶解在开始阶段急剧增大，进入溶液中的离子量急剧增大，表现为溶液的电阻急剧减小，导电性显著增加。但经过一段时间后，煅烧煤矸石中的活性易溶组分溶解达到平衡，此时，溶液的电阻趋于稳定。对于去离子水，溶解达平衡的时间在混合均匀后3min。煅烧煤矸石在饱和Ca(OH)2溶液中溶解过程与在去离子水中的溶解过程相似，但达到溶解、反应平衡的时间较在去离子水中长，在混合均匀后5min左右。因此在采用饱和Ca(OH)2溶液作为溶剂来测定煅烧煤矸石中的活性组分，以此来评价煅烧煤矸石的活性时，所采用的溶解、反应平衡时间为混合均匀后5min。
4.2不同煅烧温度下各地煤矸石滤液的电化学特性
各地煤矸石在不同煅烧温度下煅烧后产物在饱和Ca(OH)2溶液中达溶解、反应平衡后滤液的电阻如表3所示。由表可以看出：不同产地、不同煅烧温度下煅烧的煤矸石在饱和Ca(OH)2溶液中达溶解、反应平衡后滤液的导电性能不同，而且不同产地的煤矸石在不同煅烧温度下变化的规律也不相同。
对于大同、肥城煤矸石，随着煅烧温度的增加，滤液的电阻逐渐减小，达到一最小值后，滤液的电阻反而随温度的增加而增大。这主要是与煤矸石在不同煅烧温度下物相的变化有关。大同、肥城煤矸石中的主要物相为高岭石、石英、正长石、白云母、方解石、绿泥石等，其中白云母的含量相对较少，但含有较多的正长石。从500℃起，随着温度的增高，其中的高岭石、绿泥石开始分解成非晶质SiO2、Al2O3、Fe2O3，导致溶液中离子浓度增大，导电性增加。但当这些矿物完全分解后，温度继续增高，已分解的非晶质相又趋于结晶，表现在样品煅烧过程中，超过最佳煅烧温度后，温度继续增高，样品出现烧结、结块，尤其在900℃表现更为明显。因此，煅烧煤矸石活性不仅不随煅烧温度的升高而升高，反而出现活性降低，其滤液的导电性也降低；但对于攀枝花、鸡西煤矸石，随着煅烧温度的增加，滤液的电阻开始也是逐渐减小，达到一最小值后，滤液的电阻随温度的增加而增大，但当温度超过800℃后，滤液的电阻再次减小。这主要是两者的物相差异所致。虽然其主要物相中也是高岭石、石英、白云母、绿泥石等，但与前者相比，其中不含正长石，而含有较多的白云母，在800℃后，正长石稳定存在，而白云母则开始分解，释放出较多的K2O、SiO2、Al2O3，而且样品在煅烧过程中也不出现烧结现象，因此导致其后期再次出现滤液的导电性增强现象。
4.3各地煤矸石在不同煅烧温度下的火山灰活性特征
以煅烧煤矸石在饱和Ca(OH)2溶液中达溶解、反应平衡后滤液的电导率与开始时煅烧煤矸石在溶液中尚未溶解时滤液的电导率(开始时煅烧煤矸石完全没有溶出时滤液的电导率即为饱和Ca(OH)2溶液的电导率)之比作为火山灰活性指数，以此来表征煅烧煤矸石的火山灰活性。饱和Ca(OH) 2溶液的电阻为332.6Ω(相同实验条件下的实测值)，以此为标准，计算出各地不同煅烧温度下活化煤矸石的火山灰活性指数如表4所示。
表4、不同温度煅烧下活化煤矸石的火山灰活性指数
为了验证电化学评价方法的可靠性，将煤矸石的电化学活性指标与国标给出的抗压强度比进行了比较，两者之间的关系如图3所示。由图可以看出：800℃以前，溶液的电化学活性指标和比强度之间具有较好的相关性，两者的变化趋势基本相似。但当煅烧温度超过800℃以后，云母矿物开始分解出较多的K2O、Na2O等易溶组分，导致溶液的导电性增强。但这些组分对煅烧煤矸石的强度贡献远不如SiO2、Al2O3、Fe2O3的贡献大，甚至可能产生副作用。因此出现两者变化截然相反的情况。
因此，采用测量滤液电阻来评价煅烧煤矸石火山灰活性的方法适合于中低稳活化区活化煤矸石的活性评价。
5 结论
通过测定煅烧煤矸石在饱和Ca(OH)2溶液中达溶解、反应平衡后滤液的电阻来评价煅烧煤矸石火山灰活性是一种快速简便的测定方法，但由于不同地方的煤矸石的化学成分存在较大的差异，有些成分可能对于溶解后溶液的导电性存在较大影响，因此，采用该方法比较不同产地的煅烧煤矸石的火山灰活性可能会产生较大误差，但对于同一产地（具有相同组成）的煤矸石在不同煅烧温度下的活性的相对比较，特别是在中、低温活化区煅烧煤矸石的相对活性的高低的评价可以取得比较好的效果。
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