簡述煤矸石在建筑材料工業(yè)中的應用

我國早在50 年代就已開始煤矸石利用的研究,并取得了一定的經驗。近年來, 煤矸石作建筑材料發(fā)展相當迅速, 開拓了多種利用途徑, 開發(fā)出較成熟和較先進的技術。 1 作水泥生產原燃料煤矸石中w ( SiO2 ) + w (Al2O3 ) + w ( CaO) >70 % , 可作為生料中硅質及鋁質組分, 替代粘土配料, 燒制普通硅酸鹽水泥和快硬硅酸鹽水泥熟料。煤矸石作代用原料生產水泥時, 其質量須符合表1 中的規(guī)定。根據煤矸石的特性研究結果得知, 水泥生產中所用煤矸石的主要特性對熟料質量的影響很大。使用煤矸石替代粘土生產優(yōu)質水泥熟料的關鍵是選用主要化學成分相對穩(wěn)定、熱值較高、硬度較小、含砂巖較少頁巖較多的矸石。注:當SM = 2. 0～2. 7 時, 一般要摻入硅質校正原料, 如粉砂巖等;當SM = 3. 0～4. 0 時, 一般要摻入鋁質校正原料, 如高鋁矸石、高鋁煤灰等;當塑性指數< 12 時, 應預濕后成球, 或采取其它提高生料塑性的措施. 用煤矸石替代部分燃料生產水泥時, 煤矸石能釋放一定熱量, 可替代部分燃料, 從而減少熟料燒成過程中碳酸鹽分解所需用煤, 降低生產水泥的能耗。據統(tǒng)計, 煤矸石含碳量一般在20 %以下, 發(fā)熱量波動在(800～1500) ×4.18J / g , 而用于水泥生產中煤粉的發(fā)熱量為(4000～7000) ×4.18J / g。由研究結果可知, 煤矸石可替代30 %～40 %的煤粉。此外, 添加適量的煤矸石可降低熟料的燒成溫度, 有利于降低熟料熱耗。 2 作水泥及混凝土摻合料或功能輔助膠凝材料自燃煤矸石具有輕質高強的特征, 經過簡單破碎、篩分即可作為輕集料配制輕混凝土及砌塊。此外,由于煤矸石經自燃或人工煅燒后具有一定活性, 可摻入水泥中作活性混合材, 但要控制其燒失量≤5 % , w(SO3 ) ≤3 % , 火山灰性能試驗必須合格, 水泥膠砂28d 強度比應大于62 %。煤矸石的摻入量取決于熟料質量、水泥標號及品種。為了充分利用煤矸石資源, 必須提高其活性。采用熱活化、化學活化和機械活化等技術, 能使其潛在水硬性處在高活性的介穩(wěn)狀態(tài)。需要解決的關鍵技術是如何獲得廉價、高效的化學活性劑和表面處理劑,以及確定煤矸石熱活化工藝參數等, 從而有效解決高摻量煤矸石早期強度低的問題。實驗顯示, 綜合采用熱活化、化學活化和機械活化技術, 可獲得高活性煤矸石功能型輔助性膠凝材料, 在摻量30 %～40 %的條件下, 能配制出滿足國家標準的4215 強度等級水泥。煤矸石也可以作為活性摻合料摻入混凝土中。在合理配比的混凝土中, 煤矸石摻合料可以替代部分水泥, 改善水泥漿體的級配組成, 提高混凝土的工作性、密實度和抗硫酸鹽侵蝕性, 很好地發(fā)揮其效應。目前大摻量煤矸石生產水泥混凝土的研究已取得一些成果, 但由于技術尚不成熟、加上設備問題及窯工操作困難等原因, 至今未能推廣到水泥生產中去。 3 制磚用煤矸石生產燒結磚技術已比較成熟, 磚的質量指標均優(yōu)于傳統(tǒng)粘土磚。其制品包括煤矸石燒結磚、作燒結磚內燃料及煤矸石非燒結磚。煤矸石燒結磚以煤矸石為主要原料, 外摻少量粘土。焙燒時基本上不需再外加燃料。由于煤矸石本身含有一定的熱值, 故可用它作為燒結磚的內燃料。用煤矸石作燒結磚內燃料的生產工藝與用煤作燃料基本相同, 只是增加了煤矸石的粉碎工序。煤矸石磚的抗壓強度(9. 8～14. 7MPa) 高于普通粘土磚的強度。一些成分特殊的煤矸石, 如高鋁、高鈣、高鐵、高硫以及自燃煤矸石等不宜用于生產燒結磚, 可用以生產煤矸石非燒結磚。煤矸石非燒結磚以自燃煤矸石為主要原料, 經粉碎加工, 然后摻入適量水泥、石膏及少量外加劑, 攪拌后半干壓成型, 自然養(yǎng)護而成。產品的抗壓強度可達10～27MPa , 性能達“J C422 - 91”標準。該工藝簡單,吃矸量大, 能耗低, 具有較好的社會效益和經濟效益。 4 生產輕集料和空心砌塊輕集料和用輕集料配制的混凝土是一種輕質、保溫性能較好的新型建筑材料, 可用于建造大跨度橋梁和高層建筑。輕集料的質量取決于煤矸石的性質和成分。適于燒制輕集料的煤矸石主要是碳質頁巖矸和選煤廠排出的洗矸, 其含碳量以低于13 %為宜。以煤矸石生產的輕集料作為骨料, 水泥為膠結材料, 加入少量外加劑, 加水攪拌并經成型、自然養(yǎng)護而成的空心砌塊稱為煤矸石輕集料混凝土輕型空心砌塊, 簡稱煤矸石空心砌塊。這種砌塊性能穩(wěn)定, 可取代全部砂石和部分水泥, 并具有質輕、高強、工藝簡單、成本低和利廢率高、使用效果好等優(yōu)點, 是一種很有發(fā)展前途的新型墻體材料。此外還有以自燃或人工煅燒煤矸石為骨料, 以磨細生石灰、石膏作膠結材料, 經振動成型、蒸汽養(yǎng)護而成的煤矸石空心砌塊,這種砌塊的標號可達到200 號, 性能穩(wěn)定, 使用效果良好。煤矸石空心砌塊與普通磚比起來具有輕質、高強、保溫、節(jié)約能源和減少開支等經濟技術優(yōu)勢, 同時還具有隔音、隔熱等效果。用煤矸石空心砌塊代替普通磚, 可以節(jié)約大量粘土, 減少用土毀田。 5 配制煤矸石水泥和煤矸石混凝土用煤矸石、石膏及各種改性劑混合磨成混合材料,再和鈣質材料均勻混合磨細即成煤矸石水泥。煤矸石水泥比普通硅酸鹽水泥水化熱低, 抗折強度高, 耐腐蝕性好, 各項物理力學性能均能達到標準要求。用煤矸石水泥和煤矸石粗、細集料配制的煤矸石混凝土具有質量輕、成本低、強度高等優(yōu)點, 可制成各種輕質墻體材料, 如輕質內墻板、空心磚、排水管、彩色地面磚、通風道等建筑材料制品, 并已應用于礦區(qū)及城鎮(zhèn)建設方面。 6 作筑路和填充材料煤矸石具有很好的抗風雨侵蝕性能, 國外已廣泛利用自燃煤矸石作為筑路材料。有研究表明, 煤矸石混合料作道路基層材料, 其強度、凍穩(wěn)性和抗溫縮防裂性, 均能滿足多種等級公路的規(guī)范要求, 而且有些混合料的性能還優(yōu)于常用的基層材料。因此, 用煤矸石作道路基層材料具有廣泛的推廣價值。利用煤矸石作塌陷區(qū)復地的充填材料, 既可使采煤破壞的土地得到恢復, 又可減少煤矸石占地和對環(huán)境的污染。在這方面我國部分煤礦已積累了很好的經驗。結語今后相當長時期內, 煤炭在能源中將仍占主要地位。大量積存的煤矸石嚴重危害生態(tài)環(huán)境, 需要加強煤矸石的組分、結構與特性等基礎方面的研究, 根據煤矸石的特性和實際需要, 開發(fā)新的利用途徑, 加快煤矸石的綜合利用步伐。煤矸石應用于建材工業(yè),可以實現固體廢棄物的無害化、減量化和資源化, 具有顯著的經濟效益、社會效益和環(huán)境效益, 有著很好的前景和重要的意義。