高溫粉磨處理對砒砂巖物化性質(zhì)的影響

李鳳蘭 曹亞莉 張冰心

摘 要：砒砂巖是由砂巖、砂頁巖、泥質(zhì)砂巖構(gòu)成的特殊互層巖體，具有干燥堅固如石、遇水潰散成砂的特點(diǎn)。為了弄清高溫及高溫粉磨對砒砂巖物化特性的影響，進(jìn)而對其進(jìn)行改性利用，通過對砒砂巖進(jìn)行高溫和機(jī)械粉磨處理，借助激光粒度儀、X射線熒光光譜分析儀、X射線衍射光譜分析儀、熱重/差熱和傅里葉紅外光譜分析儀等，研究了高溫和機(jī)械粉磨處理對砒砂巖物化性質(zhì)的影響。結(jié)果表明：高溫處理使砒砂巖的礦物組成發(fā)生變化，黏土礦物中的自由水和結(jié)合水?dāng)?shù)量顯著減少，對砒砂巖礦物的顆粒粒徑分布影響不大;機(jī)械粉磨處理后砒砂巖中的小顆粒數(shù)量顯著增加，顆粒的粒徑整體上減小;高溫煅燒和機(jī)械粉磨可提升砒砂巖的礦物活性。

關(guān)鍵詞：砒砂巖;高溫煅燒;機(jī)械粉磨;物化性質(zhì);粒徑

中圖分類號：TV41;S157.2 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2020.05.028

Abstract： Pisha sandstone is a kind of special sandstone of rock interbedded， sand shale， and argillaceous sandstone. In order to clarify the influence of high temperature and high temperature milling on the physicochemical characteristics of Pisha sandstone， it was further modified and utilized. The effect of high-temperature and mechanical milling treatment were studied with the help of laser particle size analyzer， X-ray fluorescence spectrum analyzer， X-ray diffraction spectrum analyzer， thermogravimetric/differential thermal and Fourier infrared spectrum analyzer. The effect of mechanical milling treatment on basic properties of Pisha sandstone was studied. The results show that the high temperature treatment changes the mineral composition of the Pisha sandstone， the amount of free water and bound water in the clay mineral is significantly reduced， and it has little effect on the particle size distribution of the Pisha sandstone mineral; The number of particles increases significantly， and the size of the particles decreases; high-temperature calcination and mechanical milling can increase the mineral activity of Pisha sandstone.

Key words： pisha sandstone; high temperature calcination; mechanical milling; physicochemical properties; particle size

集中分布于內(nèi)蒙古、陜西及山西三省區(qū)交界地區(qū)的砒砂巖，是由砂巖、砂頁巖、泥質(zhì)砂巖構(gòu)成的特殊互層巖體，其發(fā)育不完全、成巖程度低、結(jié)構(gòu)松散及結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不高，具有干燥堅固如石、遇水潰散成砂的特點(diǎn)，砒砂巖分布區(qū)水土流失嚴(yán)重、生態(tài)環(huán)境脆弱[1-4]。為有效控制砒砂巖分布區(qū)水土流失，國內(nèi)學(xué)者開展了一系列研究，有關(guān)研究表明：砒砂巖的主要礦物為石英、方解石、長石、云母及少量的氧化鐵等氧化物[5-6];因砒砂巖中礦物組分氧化鐵含量不同，故其呈現(xiàn)出灰黃、灰白、褐及紫紅等顏色[7-8];砒砂巖中的長石易風(fēng)化，方解石的化學(xué)性質(zhì)較活潑、抗侵蝕能力弱，導(dǎo)致砒砂巖比一般巖石更容易被侵蝕風(fēng)化[9-11];砒砂巖分布區(qū)面積雖僅占黃土高原總面積的2.6%左右，但平均每年向黃河輸入的泥沙量近2億t，其中造成黃河下游河道淤積的粗泥沙（粒徑大于0.05 mm）約1億t，是形成“地上懸河”并危及防洪安全的重要因素[12-16];給砒砂巖表面噴灑環(huán)保型W-OH-FS抗蝕促生復(fù)合材料，可有效控制土壤侵蝕和坡面徑流，并快速恢復(fù)植被[17];把砒砂巖及黃土作為淤地壩筑壩材料，其力學(xué)強(qiáng)度不高，抗壓強(qiáng)度在2～3 MPa之間[18]，在遇到暴雨洪水時有一定的水毀風(fēng)險;因?yàn)榕皫r中含有一定量的堿性氧化物，所以砒砂巖總體呈弱堿性，其pH值為8.89～10.02[19-20]。砒砂巖經(jīng)高溫煅燒及機(jī)械粉磨處理后，可作為高強(qiáng)改性材料的原料，應(yīng)用到對材料強(qiáng)度要求較高的工程中去。為弄清高溫及機(jī)械粉磨對砒砂巖物化特性的影響，筆者借助激光粒度儀、X射線熒光光譜分析儀、X射線衍射光譜分析儀、熱重/差熱和傅里葉變換紅外光譜分析儀等，研究了高溫煅燒和機(jī)械粉磨處理對砒砂巖物化性質(zhì)的影響，以期為砒砂巖的改性利用提供參考。

1 試驗(yàn)概況

1.1 材料及處理方式

本試驗(yàn)使用的砒砂巖取自內(nèi)蒙古準(zhǔn)格爾旗。對試樣進(jìn)行500～800 ℃高溫處理及機(jī)械粉磨，各試樣的基本物理參數(shù)見表1。

1.2 測試分析方法

使用電熱鼓風(fēng)干燥箱對砒砂巖進(jìn)行干燥處理（105 ℃，24 h），取部分烘干砒砂巖樣品放入高溫箱式電阻爐，分別在500、600、700、800 ℃環(huán)境下煅燒2.5 h，冷卻后用密封袋保存?zhèn)溆?再取部分烘干砒砂巖樣品及煅燒砒砂巖樣品用行星式球磨機(jī)進(jìn)行機(jī)械粉磨，每批樣品粉磨45 min后取出，用密封袋保存?zhèn)溆?。處理前后樣品見圖1。

使用激光粒度儀對砒砂巖試樣進(jìn)行粒度測試;使用D8 Advance X射線粉末衍射儀對砒砂巖試樣的礦物成分進(jìn)行測試（XRD），掃描范圍為4°～60°（掃描角度為2θ），步長為0.02°，發(fā)射銅靶;使用X射線熒光光譜儀（型號為賽默飛3600）分析砒砂巖試樣的氧化物成分及其含量;使用型號為SDT Q600的熱重/差熱同步分析儀對砒砂巖試樣進(jìn)行熱重/差熱測試（TG/DTG），加熱溫度25～1 000 ℃，升溫速率為10 ℃/min;使用型號為Thermo Scientific Nicolet is5的傅里葉變換紅外光譜分析儀測試砒砂巖試樣的紅外光譜特性（FTIR），掃描范圍為400～4 000 cm-1。測試方案見表2（√表示進(jìn)行該項測試）。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 顆粒粒徑分布

砒砂巖的顆粒粒徑分布見圖2，可以看出，砒砂巖的顆粒粒徑分布不均，但粒徑分布整體上較為集中。

由圖2（a）可知：原巖試樣（PS）顆粒粒徑集中分布范圍為0.10～4.15 mm;與PS試樣相比，600 ℃高溫處理試樣（PSC-600）顆粒粒徑分布曲線的峰向左偏移、峰高降低、寬度變大，粒徑分布范圍為0.07～4.80 mm，粒徑分布比原巖試樣更為廣泛和均勻;800 ℃高溫處理試樣（PSC-800）顆粒粒徑分布曲線的峰則向右偏移、峰寬變窄、高度升高，粒徑分布更為集中地分布在0.87～2.30 mm之間，顆粒粒徑整體上比原巖試樣增大。

由圖2（b）可知：與原巖試樣（PS）相比，原樣機(jī)械粉磨試樣（PSM）粒徑分布曲線的峰向左偏移、峰高有所降低，粒徑集中區(qū)域變大、粒徑整體變小，粒徑集中分布范圍為0.14～3.58 mm，說明機(jī)械粉磨處理后砒砂巖顆粒分布更加均勻;煅燒溫度對高溫粉磨試樣粒徑分布范圍的影響不大，僅800 ℃高溫粉磨試樣（PSMC-800）粒徑分布曲線與PS相比變化較大，峰向右偏移、峰寬變窄、高度變高，粒徑整體上變大，粒徑分布范圍為0.46～1.99 mm。綜上所述，粉磨及500、600、700 ℃煅燒處理后的樣品粒徑分布比原樣更為均勻，而800 ℃煅燒處理后的粒徑分布比原樣集中、粒徑變大，原因是經(jīng)800 ℃高溫煅燒后，砒砂巖中顆粒結(jié)構(gòu)發(fā)生重組，顆粒間因煅燒溫度過高而發(fā)生燒結(jié)現(xiàn)象，導(dǎo)致粒徑變大[21]，從而導(dǎo)致粒徑整體上增大、大粒徑顆粒數(shù)量增多，粒徑分布更為集中。

2.2 氧化物組分

由表3可知：砒砂巖原巖的氧化物主要成分為SiO2、Al2O3和CaO，其中SiO2含量最高（61.50%），Al2O3次之（17.96%），再次為CaO（5.75%），其他氧化物含量總計為14.79%;經(jīng)高溫處理后，砒砂巖氧化物組分變化不大，500 ℃煅燒試樣的SiO2、Al2O3、CaO含量分別為62.27%、17.90%、5.01%，800 ℃煅燒試樣的SiO2、Al2O3、CaO含量分別為61.63%、18.03%、5.43%?？梢?，經(jīng)500 ℃和800 ℃高溫處理后砒砂巖試樣中各氧化物含量差別很小，變化幅度均在1%以內(nèi)，這說明砒砂巖中各氧化物性質(zhì)較為穩(wěn)定，煅燒處理對砒砂巖的氧化物成分及含量無顯著影響。

2.3 礦物組成

圖3為砒砂巖原巖試樣及高溫處理試樣礦物組成測試結(jié)果。砒砂巖原巖試樣的主要礦物為石英、長石、方解石、蒙脫石及少量云母;石英最強(qiáng)衍射峰在d=0.333 6 nm處（d為晶面間距），長石最強(qiáng)衍射峰在d=0.316 6 nm處，而方解石、云母及蒙脫石衍射峰分別在d=0.301 8 nm、d=0.227 6 nm及d=1.473 0 nm處;與砒砂巖原巖相比，高溫處理砒砂巖試樣中，石英和長石的衍射峰強(qiáng)度有所減弱，說明砒砂巖試樣中其含量隨著煅燒溫度的提高而略有降低;石英和長石的部分小衍射峰消失，表明經(jīng)煅燒后石英和長石中的雜質(zhì)被氧化[23];原巖試樣中的蒙脫石和方解石的衍射峰在煅燒后消失，蒙脫石的衍射峰強(qiáng)度大大減弱并向右移動，說明黏土礦物蒙脫石在高溫煅燒后發(fā)生分解，方解石的化學(xué)性質(zhì)較為活潑，高溫煅燒時釋放二氧化碳，發(fā)生氧化分解[24-25];砒砂巖原巖試樣中云母的性質(zhì)也較為活潑，但含量較低，經(jīng)過高溫煅燒后被氧化，故云母的衍射峰在砒砂巖被煅燒后消失。

2.4 熱重/差熱分析

圖4為砒砂巖原巖試樣及高溫處理試樣的熱重/差熱測試結(jié)果。由圖4（a）TG曲線可知，砒砂巖樣品在100 ℃左右和550～700 ℃之間有兩個明顯的失重臺階。在100 ℃附近的質(zhì)量損失是樣品中自由水和弱結(jié)合水的脫去所引起的，砒砂巖原巖試樣質(zhì)量損失2.97%，高溫處理砒砂巖試樣的質(zhì)量損失0.49%～0.88%，高溫處理試樣在煅燒過程中已經(jīng)損失了一部分自由水因而在該溫度附近的質(zhì)量損失較原樣的低。在550～700 ℃之間原巖和經(jīng)煅燒后砒砂巖的質(zhì)量損失相差不大，在0.67%～1.85%之間，該損失是試樣脫去羥基所引起的，脫去的是材料內(nèi)部的結(jié)構(gòu)水。

由圖4（b）DTG曲線可知，差熱測試結(jié)果與熱重測試結(jié)果類似，不同的是砒砂巖原巖試樣在47 ℃附近有一個尖銳的脫水吸熱峰，說明砒砂巖原巖試樣中存在有機(jī)質(zhì)被分解。砒砂巖經(jīng)過煅燒處理后的脫水吸熱峰不明顯，原因是砒砂巖在煅燒過程中已損失了一部分自由水;640 ℃附近有一個脫羥基的吸熱峰，說明在該溫度附近砒砂巖內(nèi)部結(jié)構(gòu)水有損失。試樣PSMC-800由于煅燒溫度較高，砒砂巖顆粒中的結(jié)合水不是很穩(wěn)定，因此在366 ℃附近出現(xiàn)了一個不很明顯的脫羥基吸熱峰。

2.5 紅外光譜分析

圖5為砒砂巖原巖試樣和600、800 ℃煅燒處理砒砂巖試樣的紅外光譜曲線，可以看出，高溫煅燒處理的砒砂巖試樣與砒砂巖原巖試樣相比，吸收峰的個數(shù)、出現(xiàn)位置、強(qiáng)度及寬度差別不明顯。在波數(shù)為465 cm-1處的吸收峰是Si-O彎曲振動，1 030 cm-1處的吸收峰是Si-O不對稱伸縮振動，777 cm-1處的吸收峰是AlO4的振動吸收峰[26]，1 450 cm-1處的吸收峰是C-O-C的伸縮振動，1 633 cm-1處的吸收峰是結(jié)晶水O-H的彎曲振動，3 435 cm-1處的吸收峰為結(jié)晶水H-O-H的伸縮振動。圖5 砒砂巖試樣紅外光譜曲線

吸收峰相對強(qiáng)度大小反映了基團(tuán)含量的多少，峰強(qiáng)越大其含量越多，同一峰的位移一般代表該基團(tuán)的聚合程度發(fā)生了變化，從低波數(shù)向高波數(shù)的位移表示該基團(tuán)聚合程度有所提高。結(jié)合礦物成分測試（XRD）結(jié)果進(jìn)行分析：在波數(shù)為1 450 cm-1處伸縮振動的C-O-C是砒砂巖中的CO2-3（屬于碳酸鈣）;在波數(shù)為465 cm-1處Si-O彎曲振動及1 030 cm-1處Si-O不對稱伸縮振動的吸收峰增強(qiáng)，表明砒砂巖煅燒后硅質(zhì)膠凝物質(zhì)含量有所增加;在1 633 cm-1處峰強(qiáng)減弱（其中試樣PSMC-600在該處無峰），在3 435 cm-1處的吸收峰向高波數(shù)方向移動（其中試樣PSMC-800的峰在該處變?nèi)跚蚁蚋卟〝?shù)方向稍微有所偏移），據(jù)此可推測，經(jīng)過高溫煅燒后砒砂巖試樣中的自由水有所減少，轉(zhuǎn)換成結(jié)晶水，這些結(jié)晶水存在于膠凝類物質(zhì)中[27-28]。

3 結(jié) 論

（1）與砒砂巖原巖相比，砒砂巖經(jīng)高溫及粉磨處理后，顆粒粒徑分布的均勻性有所改善，但經(jīng)800 ℃高溫煅燒后砒砂巖顆粒粒徑分布的均勻性降低。

（2）氧化物組分測試及礦物成分測試結(jié)果顯示，高溫及粉磨處理對砒砂巖氧化物成分及其含量無顯著影響，對礦物組分影響明顯，砒砂巖中的黏土礦物（蒙脫石、云母）及方解石被分解，石英、長石等礦物部分被分解、含量有所降低。

（3）熱重/差熱測試結(jié)果表明，高溫處理后，在47 ℃和100 ℃附近分別屬于有機(jī)物分解和自由水的吸熱峰消失，600～800 ℃歸屬結(jié)合水的吸熱峰強(qiáng)度顯著降低，結(jié)合水?dāng)?shù)量顯著減少。

（4）紅外光譜分析結(jié)果表明，砒砂巖經(jīng)600 ℃高溫煅燒處理后硅質(zhì)膠凝類物質(zhì)含量有所增加，而經(jīng)800 ℃高溫煅燒后因發(fā)生燒結(jié)現(xiàn)象而導(dǎo)致硅質(zhì)膠凝類物質(zhì)含量有所下降。

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