基于能量色散x射线谱的煤矸石物相分析方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于环保领域（固体废弃物利用）和材料分析测试领域，具体涉及一种基于 能量色散X射线谱的煤矸石物相分析方法。
【背景技术】
[0002] 煤矸石是在煤矿开拓掘进、采煤和煤炭洗选等生产过程中排出的含碳岩石，是排 放量和累积堆存量最大的煤系固体废弃物。煤矸石中普遍富含Al和Si元素，以及少量Ca 元素，其化学组成与构成水泥的Ca-Al-Si系统较为相似。因此，将煤矸石用于水泥、砂浆和 混凝土等建筑材料的生产是实现煤矸石规模化、高附加值利用的重要途径之一。
[0003] 大量研究表明，原状煤矸石的反应活性很低，需要通过加热、研磨或添加化学激发 剂等方法活化之后才能用作辅助胶凝材料。但是，煤矸石的成分复杂，而且组成的波动性 很大。产地、成煤年代、岩石类型、产出方式、堆存时间等因素都会影响煤矸石的组成，进而 影响其反应活性。为了更有效地利用煤矸石，我们需要全面、准确地测定煤矸石和活化煤矸 石的物相组成，在此基础上，探索活化工艺、评价活化效果、研究反应机理、优化材料配比。
[0004] 以往，煤矸石的矿物组成大多是通过各种定量X射线衍射技术进行测试，这些方 法可以测出原状煤矸石以及活化煤矸石中晶态物相的种类和含量，但是无法得出非晶态物 相的种类、含量，以及煤矸石中各种物相的空间分布。然而，原状煤矸石堆放过程中易发生 自燃，活化过程中采用高温煅烧处理更易提高其反应活性，因此，煤矸石中往往存在一定数 量的非晶态物相。而且，煤矸石的活性恰恰取决于这些非晶态物相的种类、含量及其空间分 布。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的是提供一种基于能量色散X射线谱的煤矸石物相分析方法，它能够 对煤矸石、活化煤矸石进行物相组成分析、体积百分含量计算以及空间分布观测。
[0006] 本发明提出的基于能量色散X射线谱的煤矸石物相分析方法，具体步骤如下： (1) 化学组成分析：采用化学分析或X射线荧光光谱分析煤矸石(或活化煤矸石）的化 学组成，根据测得的元素种类和元素含量信息，将所获得的元素种类初步确定为需要采集 能谱面分布图像的元素种类； (2) 晶态物相组成分析：采用X射线衍射分析煤矸石(或活化煤矸石）的矿物组成，将 测得的晶态物相的种类以及步骤（1)测得的煤矸石(或活化煤矸石）的化学组成作为能谱图 像分相算法的设计依据之一； (3) 确定需要采集能谱面分布图像的元素种类：将步骤（1)和步骤（2)的测试结果、煤 矸石或活化煤矸石中常见的化学元素、煤矸石的来源、活化方法等信息进行综合分析，最终 确定需要采集能谱面分布图像的元素种类； (4) 背散射电子图像采集与能谱分析：在煤矸石(或活化煤矸石）样品中选择有代表 性的区域作为测试区域，采集背散射电子图像以及步骤（3)确定的每个元素的能谱面分布 图像，然后，观察所得的背散射电子图像与元素能谱面分布图像的物相构成特点，在此基础 上，对测试区域中的典型物相进行能谱点分析；通过能谱点分析初步测得煤矸石(或活化煤 矸石）的物相组成； (5)物相划分：根据X射线衍射、元素能谱面分布图像和能谱点分析结果，设计分相方 法，将同一测试区域的多张元素能谱面分布图像叠合处理，判断测试区域中各个像素的物 相种类，然后，去除分析结果中的噪声，得到煤矸石(或活化煤矸石）的物相种类、含量、空间 分布信息以及分相伪彩色图。
[0007] 本发明中，步骤（5 )中所述的分相方法是决策树分析法，具体设计方法如下： (1) 决策树的根节点设计：将测试区域中的每个像素位置作为根节点； (2) 决策树的叶节点设计：将物相识别目标作为叶节点，每个叶节点只有一个前驱节 点，没有后继节点；所述物相识别目标为下述物相中一种以上： SiO2;* Al、Si和0元素构成的物相；Ca0/CaC03;* K、Al、Si和0元素构成的物相；由 Ca、Al、Si和0元素构成的物相；由Ca、Mg和0元素构成的物相；由Na、Al、Si和0元素构 成的物相；CaSO4相；Al 203;铁相；钦相；FeF相； (3) 处理元素能谱面分布图像的种类：能够将Si、Al、Ca、Fe、S、Mg、K、Na、Ti、F和0元 素的能谱面分布图像进行叠合处理； (4) 决策树的内节点设计：决策树上除根节点和叶节点之外，其余节点均为内节点，每 个内节点只有一个前驱节点，两个后继节点，即一个内节点经过判断之后会产生两个树枝， 两个树枝上各设置一个后继节点，当两个后继节点分别为下一个内节点时，每一个内节点 又会产生两个树枝；依此类推，直至树枝经过若干次分叉之后判断出具体的物相，即抵达叶 节点，对应的树枝便停止分叉；所述内节点分为两类：第一类内节点是将某一元素能谱面 分布图像上各像素的灰度值与设定的灰度阈值进行对比，高于阈值的像素判断为信号，其 余像素视为噪声；第二类内节点是将两种元素的灰度值之比与设定的阈值进行比较，用以 区分由相同元素按照不同比例关系构成的物相； (5) 决策树分析法中的图像处理顺序：首先分析Si元素的能谱面分布图像，然后分析 Al元素或Ca元素的能谱面分布图像，后续其他元素的处理顺序可按需要调整； (6) 判断物相种类的方法：判断测试区域中任一像素位置的物相种类时，需要综合分 析各元素能谱面分布图像中相同位置处的像素信息，各种物相的判断原则是：对于3102:在 Si元素和0元素的能谱面分布图像中是信号，在Al元素的能谱面分布图像中是噪声；对于 Al、Si和0元素构成的物相：在Si元素和Al元素的能谱面分布图像中是信号，在Ca元素、 K元素和Na元素的能谱面分布图像中是噪声；对于Ca0/CaC03:在Si元素、Mg元素和S元 素的能谱面分布图像中是噪声，在Ca元素和0元素的能谱面分布图像中是信号；对于由K、 Al、Si和0元素构成的物相：在Si元素、Al元素和K元素的能谱面分布图像中是信号，在 Ca元素的能谱面分布图像中是噪声；对于由Ca、Al、Si和0元素构成的物相：在Si元素 、Al 元素和Ca元素的能谱面分布图像中是信号；当测试区域中由Ca、Al、Si和0元素构成的物 相在一种以上时，用Ca/Al或者Ca/Si对其进一步区分，上述比值均为像素的灰度值之比； 对于由Ca、Mg和0元素构成的物相：在Si元素的能谱面分布图像中是噪声，在Ca元素和 Mg元素的能谱面分布图像中是信号；对于由Na、Al、Si和0元素构成的物相：在Si元素 、Al 元素和Na元素的能谱面分布图像中是信号，在Ca元素和K元素的能谱面分布图像中是噪 声；对于CaSO4相：在Si元素和Mg元素的能谱面分布图像中是噪声，在Ca元素和S元素的 能谱面分布图像中是信号；对于Al2O3:在Si元素和Ca元素的能谱面分布图像中是噪声，在 Al元素的能谱面分布图像中是信号；对于铁相：在Si元素、Ca元素、Al元素和F元素的能 谱面分布图像中是噪声，在Fe元素的能谱面分布图像中是信号；对于钛相：在Si元素 、Ca 元素、Al元素和Fe元素的能谱面分布图像中是噪声，在Ti元素的能谱面分布图像中是信 号；对于FeF相：在Si元素、Ca元素和Al元素的能谱面分布图像中是噪声，在Fe元素和F 元素的能谱面分布图像中是信号。将最终无法归类为任何一种物相的像素判断为孔隙。上 述决策树分析法要遍历测试区域的每个像素位置。
[0008] 与定量X射线衍射以及其他传统的煤矸石物相分析方法、活性评价方法相比，本 发明的优势在于： (1)检测到的物相种类更全面。传统的X射线衍射法可以检测出晶态物相的种类和数 量、非晶态物相的总量，但无法对非晶态物相进一步细分。而能谱图像法则不然。能谱信号 的强弱只取决于制样效果和元素含量，与物相是晶态还是非晶态无关，因此，可以通过决策 树分析法进行元素组合，进而识别出更多可能存在的物相。
[0009] (2)分析结果对含量不同的物相都很敏感。拍摄背散射电子图像和元素能谱图像 时，图像的放大倍数通常选用500倍或1000倍。只要被测样品和环氧树脂的比例合适，测 试区域中就会包含数量充足的颗粒，而且图像的分辨率可达1微米左右。因此，对于含量较 低的物相，只要其物相组成特征明显，即便粒径只有几微米，也会被决策树识别出来。
[0010] (3)可以观测物相的空间分布。背散射电子图像、元素的能谱面分布图像均以样品 的剖面为观测对象，所得图像中包含了物相的种类、含量和空间位置信息。因此，将同一区 域的背散射电子图像与多张元素能谱图像叠合处理之后，所得的分相伪彩色图可以清晰地 呈现出各种物相的空间分布。上述结果对于评价煤矸石活化效果、预测煤矸石的反应活性、 研究煤矸石中不同物相在水泥基材料中的水化反应机理、建立煤矸石混合水泥的水化模型 都有价值。
【附图说明】
[0011]图1是煤矸石(或活化煤矸石）能谱图像物相划分的决