煤矸石表面结合能评价法的研究现状

研究现状 XPS经常用于研究不同含硅物质（单晶硅、自然界的铝硅酸盐和硅酸盐、不同组成的硅铁合金、石英以及不同组成的玻璃等）的结构和其结合能之间的关系。在胶凝材料领域的研究有：美国SkAlny等人认为胶凝材料的水化反应主要发生在材料表面，提出用电子能谱来分析水泥颗粒的胶凝活性；罗兴华、袁润章等曾用XPS来研究水泥、矿渣和粉煤灰颗粒表面活性，认为O1s和Si2p2/1结合能越小的材料其活性越强，表面硅铝总量越高的材料，活性越弱，表面钙含量越高，材料活性越强；矿渣在不同介质中（NaOH和KOH）的早期水化；熟料中硅酸三钙和β-硅酸二钙的结合能，新鲜的硅酸盐三钙Si2p和Ca2p结合能均小于β-硅酸二钙；C-S-H晶体相的特征以及水化产物有铝取代的托贝莫来石。徐彬曾对不同水化时期固态碱组分矿渣水泥的煤矸石粉碎机价格表面结合能进行研究，研究表明Si结合能在水化3h之前有大幅度降低，随着水化龄期的延长，其结合能不断增加，Al元素结合能的变化规律和Si元素基本一致。

对于同一种物质不同活性试验评价未处理煤矸石Si2p电子结合能（103.24eV）大于500℃和700℃煅烧煤矸石的Si2p电子结合能，其中700℃煅烧煤矸石Si2p电子结合能较小（102.78eV）。试验表明适当温度的煅烧可以降低煤矸石Si2p电子结合能。在500℃、700℃和900℃煅烧的煤矸石中，700℃煅烧煤矸石制备硅铝基胶凝材料强度理想，而用900℃煅烧煤矸石制备的硅铝基胶凝材料强度较低。不同煅烧温度的煤矸石质硅铝基胶凝材料强度的变化和其Si2p结合能具有负线性相关性。

Si2p结合能与硅酸盐矿物的结构有密切的关系。Kiyoshi Okada等研究了不同聚合结构的硅酸盐XPS的结合能。研究结果表明Si2p的XPS结合能从101.3eV（具有岛状硅酸盐结构的镁硅钙石）变化到103.4eV（具有架状三维结构的方石英）。煤矸石粉碎机对于不同聚合态结构硅酸盐的结构和其Si2p结合能或Si（KLL）俄歇能谱具有明显的化学位移关系，其表面结构状态可以从化学位移曲线上推导出来。煤矸石中主要矿物为高岭石、伊利石、菱铁矿、黄铁矿和石英。高岭石和伊利石为层状硅酸盐结构，高岭石的Si2p结合能为102.09eV，石英是较为稳定的架状硅酸盐结构，其Si2p结合能理想为103.4eV。煤矸石Si2p的表面结合能为103.24eV，其平均结合能介于架状矿物和层状矿物之间。不同结构矿物复合Si2p结合能具有加权平均特性，其加权平均特性也反映在矿物结构上。在400℃煅烧时表征高岭石（001）和（020）的特征峰消失，即d=0.720lnm和d=0.4052nm衍射峰减弱，表明伴随OH-的脱出高岭石结构发生破坏，高岭石已经转变为具有非晶特性的偏高岭石，而煅烧温度达到600℃时，煤矸石中高岭石的峰完全消失，高岭石结构破坏，因此，500℃煅烧煤矸石Si2p电子结合能由103.24eV减小到102.84eV。随着煅烧温度的提高，伊利石的特征峰逐渐弱化，当煅烧温度达到800℃时伊利石的衍射峰尚有部分存在，而当煅烧温度达900℃时伊利石特征峰完全消失并伴随着莫来石的形成。在700~900℃，存在一个理想煅烧温度，高岭石和伊利石分解成活性的氧化硅和氧化铝，而莫来石还未形成。在试验条件下，700℃煅烧煤矸石Si2p电子结合能低的原因是高岭石结构完全破坏而伴随着部分伊利石结构的破坏，在试验的三个温度下，700℃为理想活化温度。900℃煅烧煤矸石Si2p电子结合能升高是由于莫来石的形成。

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