基于能量色散x射線譜的煤矸石物相分析方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于環(huán)保領(lǐng)域（固體廢棄物利用）和材料分析測(cè)試領(lǐng)域，具體涉及一種基于 能量色散X射線譜的煤矸石物相分析方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 煤矸石是在煤礦開拓掘進(jìn)、采煤和煤炭洗選等生產(chǎn)過程中排出的含碳巖石，是排 放量和累積堆存量最大的煤系固體廢棄物。煤矸石中普遍富含Al和Si元素，以及少量Ca 元素，其化學(xué)組成與構(gòu)成水泥的Ca-Al-Si系統(tǒng)較為相似。因此，將煤矸石用于水泥、砂漿和 混凝土等建筑材料的生產(chǎn)是實(shí)現(xiàn)煤矸石規(guī)模化、高附加值利用的重要途徑之一。
[0003] 大量研究表明，原狀煤矸石的反應(yīng)活性很低，需要通過加熱、研磨或添加化學(xué)激發(fā) 劑等方法活化之后才能用作輔助膠凝材料。但是，煤矸石的成分復(fù)雜，而且組成的波動(dòng)性 很大。產(chǎn)地、成煤年代、巖石類型、產(chǎn)出方式、堆存時(shí)間等因素都會(huì)影響煤矸石的組成，進(jìn)而 影響其反應(yīng)活性。為了更有效地利用煤矸石，我們需要全面、準(zhǔn)確地測(cè)定煤矸石和活化煤矸 石的物相組成，在此基礎(chǔ)上，探索活化工藝、評(píng)價(jià)活化效果、研究反應(yīng)機(jī)理、優(yōu)化材料配比。
[0004] 以往，煤矸石的礦物組成大多是通過各種定量X射線衍射技術(shù)進(jìn)行測(cè)試，這些方 法可以測(cè)出原狀煤矸石以及活化煤矸石中晶態(tài)物相的種類和含量，但是無法得出非晶態(tài)物 相的種類、含量，以及煤矸石中各種物相的空間分布。然而，原狀煤矸石堆放過程中易發(fā)生 自燃，活化過程中采用高溫煅燒處理更易提高其反應(yīng)活性，因此，煤矸石中往往存在一定數(shù) 量的非晶態(tài)物相。而且，煤矸石的活性恰恰取決于這些非晶態(tài)物相的種類、含量及其空間分 布。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的是提供一種基于能量色散X射線譜的煤矸石物相分析方法，它能夠 對(duì)煤矸石、活化煤矸石進(jìn)行物相組成分析、體積百分含量計(jì)算以及空間分布觀測(cè)。
[0006] 本發(fā)明提出的基于能量色散X射線譜的煤矸石物相分析方法，具體步驟如下： (1) 化學(xué)組成分析：采用化學(xué)分析或X射線熒光光譜分析煤矸石(或活化煤矸石）的化 學(xué)組成，根據(jù)測(cè)得的元素種類和元素含量信息，將所獲得的元素種類初步確定為需要采集 能譜面分布圖像的元素種類； (2) 晶態(tài)物相組成分析：采用X射線衍射分析煤矸石(或活化煤矸石）的礦物組成，將 測(cè)得的晶態(tài)物相的種類以及步驟（1)測(cè)得的煤矸石(或活化煤矸石）的化學(xué)組成作為能譜圖 像分相算法的設(shè)計(jì)依據(jù)之一； (3) 確定需要采集能譜面分布圖像的元素種類：將步驟（1)和步驟（2)的測(cè)試結(jié)果、煤 矸石或活化煤矸石中常見的化學(xué)元素、煤矸石的來源、活化方法等信息進(jìn)行綜合分析，最終 確定需要采集能譜面分布圖像的元素種類； (4) 背散射電子圖像采集與能譜分析：在煤矸石(或活化煤矸石）樣品中選擇有代表 性的區(qū)域作為測(cè)試區(qū)域，采集背散射電子圖像以及步驟（3)確定的每個(gè)元素的能譜面分布 圖像，然后，觀察所得的背散射電子圖像與元素能譜面分布圖像的物相構(gòu)成特點(diǎn)，在此基礎(chǔ) 上，對(duì)測(cè)試區(qū)域中的典型物相進(jìn)行能譜點(diǎn)分析；通過能譜點(diǎn)分析初步測(cè)得煤矸石(或活化煤 矸石）的物相組成； (5)物相劃分：根據(jù)X射線衍射、元素能譜面分布圖像和能譜點(diǎn)分析結(jié)果，設(shè)計(jì)分相方 法，將同一測(cè)試區(qū)域的多張?jiān)啬茏V面分布圖像疊合處理，判斷測(cè)試區(qū)域中各個(gè)像素的物 相種類，然后，去除分析結(jié)果中的噪聲，得到煤矸石(或活化煤矸石）的物相種類、含量、空間 分布信息以及分相偽彩色圖。
[0007] 本發(fā)明中，步驟（5 )中所述的分相方法是決策樹分析法，具體設(shè)計(jì)方法如下： (1) 決策樹的根節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)：將測(cè)試區(qū)域中的每個(gè)像素位置作為根節(jié)點(diǎn)； (2) 決策樹的葉節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)：將物相識(shí)別目標(biāo)作為葉節(jié)點(diǎn)，每個(gè)葉節(jié)點(diǎn)只有一個(gè)前驅(qū)節(jié) 點(diǎn)，沒有后繼節(jié)點(diǎn)；所述物相識(shí)別目標(biāo)為下述物相中一種以上： SiO2;* Al、Si和0元素構(gòu)成的物相；Ca0/CaC03;* K、Al、Si和0元素構(gòu)成的物相；由 Ca、Al、Si和0元素構(gòu)成的物相；由Ca、Mg和0元素構(gòu)成的物相；由Na、Al、Si和0元素構(gòu) 成的物相；CaSO4相；Al 203;鐵相；欽相；FeF相； (3) 處理元素能譜面分布圖像的種類：能夠?qū)i、Al、Ca、Fe、S、Mg、K、Na、Ti、F和0元 素的能譜面分布圖像進(jìn)行疊合處理； (4) 決策樹的內(nèi)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)：決策樹上除根節(jié)點(diǎn)和葉節(jié)點(diǎn)之外，其余節(jié)點(diǎn)均為內(nèi)節(jié)點(diǎn)，每 個(gè)內(nèi)節(jié)點(diǎn)只有一個(gè)前驅(qū)節(jié)點(diǎn)，兩個(gè)后繼節(jié)點(diǎn)，即一個(gè)內(nèi)節(jié)點(diǎn)經(jīng)過判斷之后會(huì)產(chǎn)生兩個(gè)樹枝， 兩個(gè)樹枝上各設(shè)置一個(gè)后繼節(jié)點(diǎn)，當(dāng)兩個(gè)后繼節(jié)點(diǎn)分別為下一個(gè)內(nèi)節(jié)點(diǎn)時(shí)，每一個(gè)內(nèi)節(jié)點(diǎn) 又會(huì)產(chǎn)生兩個(gè)樹枝；依此類推，直至樹枝經(jīng)過若干次分叉之后判斷出具體的物相，即抵達(dá)葉 節(jié)點(diǎn)，對(duì)應(yīng)的樹枝便停止分叉；所述內(nèi)節(jié)點(diǎn)分為兩類：第一類內(nèi)節(jié)點(diǎn)是將某一元素能譜面 分布圖像上各像素的灰度值與設(shè)定的灰度閾值進(jìn)行對(duì)比，高于閾值的像素判斷為信號(hào)，其 余像素視為噪聲；第二類內(nèi)節(jié)點(diǎn)是將兩種元素的灰度值之比與設(shè)定的閾值進(jìn)行比較，用以 區(qū)分由相同元素按照不同比例關(guān)系構(gòu)成的物相； (5) 決策樹分析法中的圖像處理順序：首先分析Si元素的能譜面分布圖像，然后分析 Al元素或Ca元素的能譜面分布圖像，后續(xù)其他元素的處理順序可按需要調(diào)整； (6) 判斷物相種類的方法：判斷測(cè)試區(qū)域中任一像素位置的物相種類時(shí)，需要綜合分 析各元素能譜面分布圖像中相同位置處的像素信息，各種物相的判斷原則是：對(duì)于3102:在 Si元素和0元素的能譜面分布圖像中是信號(hào)，在Al元素的能譜面分布圖像中是噪聲；對(duì)于 Al、Si和0元素構(gòu)成的物相：在Si元素和Al元素的能譜面分布圖像中是信號(hào)，在Ca元素、 K元素和Na元素的能譜面分布圖像中是噪聲；對(duì)于Ca0/CaC03:在Si元素、Mg元素和S元 素的能譜面分布圖像中是噪聲，在Ca元素和0元素的能譜面分布圖像中是信號(hào)；對(duì)于由K、 Al、Si和0元素構(gòu)成的物相：在Si元素、Al元素和K元素的能譜面分布圖像中是信號(hào)，在 Ca元素的能譜面分布圖像中是噪聲；對(duì)于由Ca、Al、Si和0元素構(gòu)成的物相：在Si元素 、Al 元素和Ca元素的能譜面分布圖像中是信號(hào)；當(dāng)測(cè)試區(qū)域中由Ca、Al、Si和0元素構(gòu)成的物 相在一種以上時(shí)，用Ca/Al或者Ca/Si對(duì)其進(jìn)一步區(qū)分，上述比值均為像素的灰度值之比； 對(duì)于由Ca、Mg和0元素構(gòu)成的物相：在Si元素的能譜面分布圖像中是噪聲，在Ca元素和 Mg元素的能譜面分布圖像中是信號(hào)；對(duì)于由Na、Al、Si和0元素構(gòu)成的物相：在Si元素 、Al 元素和Na元素的能譜面分布圖像中是信號(hào)，在Ca元素和K元素的能譜面分布圖像中是噪 聲；對(duì)于CaSO4相：在Si元素和Mg元素的能譜面分布圖像中是噪聲，在Ca元素和S元素的 能譜面分布圖像中是信號(hào)；對(duì)于Al2O3:在Si元素和Ca元素的能譜面分布圖像中是噪聲，在 Al元素的能譜面分布圖像中是信號(hào)；對(duì)于鐵相：在Si元素、Ca元素、Al元素和F元素的能 譜面分布圖像中是噪聲，在Fe元素的能譜面分布圖像中是信號(hào)；對(duì)于鈦相：在Si元素 、Ca 元素、Al元素和Fe元素的能譜面分布圖像中是噪聲，在Ti元素的能譜面分布圖像中是信 號(hào)；對(duì)于FeF相：在Si元素、Ca元素和Al元素的能譜面分布圖像中是噪聲，在Fe元素和F 元素的能譜面分布圖像中是信號(hào)。將最終無法歸類為任何一種物相的像素判斷為孔隙。上 述決策樹分析法要遍歷測(cè)試區(qū)域的每個(gè)像素位置。
[0008] 與定量X射線衍射以及其他傳統(tǒng)的煤矸石物相分析方法、活性評(píng)價(jià)方法相比，本 發(fā)明的優(yōu)勢(shì)在于： (1)檢測(cè)到的物相種類更全面。傳統(tǒng)的X射線衍射法可以檢測(cè)出晶態(tài)物相的種類和數(shù) 量、非晶態(tài)物相的總量，但無法對(duì)非晶態(tài)物相進(jìn)一步細(xì)分。而能譜圖像法則不然。能譜信號(hào) 的強(qiáng)弱只取決于制樣效果和元素含量，與物相是晶態(tài)還是非晶態(tài)無關(guān)，因此，可以通過決策 樹分析法進(jìn)行元素組合，進(jìn)而識(shí)別出更多可能存在的物相。
[0009] (2)分析結(jié)果對(duì)含量不同的物相都很敏感。拍攝背散射電子圖像和元素能譜圖像 時(shí)，圖像的放大倍數(shù)通常選用500倍或1000倍。只要被測(cè)樣品和環(huán)氧樹脂的比例合適，測(cè) 試區(qū)域中就會(huì)包含數(shù)量充足的顆粒，而且圖像的分辨率可達(dá)1微米左右。因此，對(duì)于含量較 低的物相，只要其物相組成特征明顯，即便粒徑只有幾微米，也會(huì)被決策樹識(shí)別出來。
[0010] (3)可以觀測(cè)物相的空間分布。背散射電子圖像、元素的能譜面分布圖像均以樣品 的剖面為觀測(cè)對(duì)象，所得圖像中包含了物相的種類、含量和空間位置信息。因此，將同一區(qū) 域的背散射電子圖像與多張?jiān)啬茏V圖像疊合處理之后，所得的分相偽彩色圖可以清晰地 呈現(xiàn)出各種物相的空間分布。上述結(jié)果對(duì)于評(píng)價(jià)煤矸石活化效果、預(yù)測(cè)煤矸石的反應(yīng)活性、 研究煤矸石中不同物相在水泥基材料中的水化反應(yīng)機(jī)理、建立煤矸石混合水泥的水化模型 都有價(jià)值。
【附圖說明】
[0011]圖1是煤矸石(或活化煤矸石）能譜圖像物相劃分的決