煤矸石表面結合能評價法的研究現狀

研究現狀 XPS經常用于研究不同含硅物質（單晶硅、自然界的鋁硅酸鹽和硅酸鹽、不同組成的硅鐵合金、石英以及不同組成的玻璃等）的結構和其結合能之間的關系。在膠凝材料領域的研究有：美國SkAlny等人認為膠凝材料的水化反應主要發生在材料表面，提出用電子能譜來分析水泥顆粒的膠凝活性；羅興華、袁潤章等曾用XPS來研究水泥、礦渣和粉煤灰顆粒表面活性，認為O1s和Si2p2/1結合能越小的材料其活性越強，表面硅鋁總量越高的材料，活性越弱，表面鈣含量越高，材料活性越強；礦渣在不同介質中（NaOH和KOH）的早期水化；熟料中硅酸三鈣和β-硅酸二鈣的結合能，新鮮的硅酸鹽三鈣Si2p和Ca2p結合能均小于β-硅酸二鈣；C-S-H晶體相的特征以及水化產物有鋁取代的托貝莫來石。徐彬曾對不同水化時期固態堿組分礦渣水泥的煤矸石粉碎機價格表面結合能進行研究，研究表明Si結合能在水化3h之前有大幅度降低，隨著水化齡期的延長，其結合能不斷增加，Al元素結合能的變化規律和Si元素基本一致。

對于同一種物質不同活性試驗評價未處理煤矸石Si2p電子結合能（103.24eV）大于500℃和700℃煅燒煤矸石的Si2p電子結合能，其中700℃煅燒煤矸石Si2p電子結合能較小（102.78eV）。試驗表明適當溫度的煅燒可以降低煤矸石Si2p電子結合能。在500℃、700℃和900℃煅燒的煤矸石中，700℃煅燒煤矸石制備硅鋁基膠凝材料強度理想，而用900℃煅燒煤矸石制備的硅鋁基膠凝材料強度較低。不同煅燒溫度的煤矸石質硅鋁基膠凝材料強度的變化和其Si2p結合能具有負線性相關性。

Si2p結合能與硅酸鹽礦物的結構有密切的關系。Kiyoshi Okada等研究了不同聚合結構的硅酸鹽XPS的結合能。研究結果表明Si2p的XPS結合能從101.3eV（具有島狀硅酸鹽結構的鎂硅鈣石）變化到103.4eV（具有架狀三維結構的方石英）。煤矸石粉碎機對于不同聚合態結構硅酸鹽的結構和其Si2p結合能或Si（KLL）俄歇能譜具有明顯的化學位移關系，其表面結構狀態可以從化學位移曲線上推導出來。煤矸石中主要礦物為高嶺石、伊利石、菱鐵礦、黃鐵礦和石英。高嶺石和伊利石為層狀硅酸鹽結構，高嶺石的Si2p結合能為102.09eV，石英是較為穩定的架狀硅酸鹽結構，其Si2p結合能理想為103.4eV。煤矸石Si2p的表面結合能為103.24eV，其平均結合能介于架狀礦物和層狀礦物之間。不同結構礦物復合Si2p結合能具有加權平均特性，其加權平均特性也反映在礦物結構上。在400℃煅燒時表征高嶺石（001）和（020）的特征峰消失，即d=0.720lnm和d=0.4052nm衍射峰減弱，表明伴隨OH-的脫出高嶺石結構發生破壞，高嶺石已經轉變為具有非晶特性的偏高嶺石，而煅燒溫度達到600℃時，煤矸石中高嶺石的峰完全消失，高嶺石結構破壞，因此，500℃煅燒煤矸石Si2p電子結合能由103.24eV減小到102.84eV。隨著煅燒溫度的提高，伊利石的特征峰逐漸弱化，當煅燒溫度達到800℃時伊利石的衍射峰尚有部分存在，而當煅燒溫度達900℃時伊利石特征峰完全消失并伴隨著莫來石的形成。在700~900℃，存在一個理想煅燒溫度，高嶺石和伊利石分解成活性的氧化硅和氧化鋁，而莫來石還未形成。在試驗條件下，700℃煅燒煤矸石Si2p電子結合能低的原因是高嶺石結構完全破壞而伴隨著部分伊利石結構的破壞，在試驗的三個溫度下，700℃為理想活化溫度。900℃煅燒煤矸石Si2p電子結合能升高是由于莫來石的形成。

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