簡(jiǎn)述煤矸石在建筑材料工業(yè)中的應(yīng)用

     我國(guó)早在50 年代就已開(kāi)始煤矸石利用的研究,并取得了一定的經(jīng)驗(yàn)。近年來(lái), 煤矸石作建筑材料發(fā)展相當(dāng)迅速, 開(kāi)拓了多種利用途徑, 開(kāi)發(fā)出較成熟和較先進(jìn)的技術(shù)。

     煤矸石中w ( SiO₂ ) + w (Al₂O₃ ) + w ( CaO) >70 % , 可作為生料中硅質(zhì)及鋁質(zhì)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(chǎn)水泥時(shí), 其質(zhì)量須符合表1 中的規(guī)定。根據(jù)煤矸石的特性研究結(jié)果得知, 水泥生產(chǎn)中所用煤矸石的主要特性對(duì)熟料質(zhì)量的影響很大。使用煤矸石替代粘土生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)水泥熟料的關(guān)鍵是選用主要化學(xué)成分相對(duì)穩(wěn)定、熱值較高、硬度較小、含砂巖較少頁(yè)巖較多的矸石。

     注:當(dāng)SM = 2. 0～2. 7 時(shí), 一般要摻入硅質(zhì)校正原料, 如粉砂巖等;當(dāng)SM = 3. 0～4. 0 時(shí), 一般要摻入鋁質(zhì)校正原料, 如高鋁矸石、高鋁煤灰等;當(dāng)塑性指數(shù)< 12 時(shí), 應(yīng)預(yù)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(chǎn)水泥時(shí), 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(guò)程中碳酸鹽分解所需用煤, 降低生產(chǎn)水泥的能耗。據(jù)統(tǒng)計(jì), 煤矸石含碳量一般在20 %以下, 發(fā)熱量波動(dòng)在(800～1500) ×4.18J / g , 而用于水泥生產(chǎn)中煤粉的發(fā)熱量為(4000～7000) ×4.18J / g。由研究結(jié)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。

     自燃煤矸石具有輕質(zhì)高強(qiáng)的特征, 經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)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(jīng)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(yàn)必須合格, 水泥膠砂28d 強(qiáng)度比應(yīng)大于62 %。煤矸石的摻入量取決于熟料質(zhì)量、水泥標(biāo)號(hào)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(xué)活化和機(jī)械活化等技術(shù), 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(guān)鍵技術(shù)是如何獲得廉價(jià)、高效的化學(xué)活性劑和表面處理劑,以及確定煤矸石熱活化工藝參數(shù)等, 從而有效解決高摻量煤矸石早期強(qiáng)度低的問(wèn)題。實(shí)驗(yàn)顯示, 綜合采用熱活化、化學(xué)活化和機(jī)械活化技術(shù), 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(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的4215 強(qiáng)度等級(jí)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(jí)配組成, 提高混凝土的工作性、密實(shí)度和抗硫酸鹽侵蝕性, 很好地發(fā)揮其效應(yīng)。目前大摻量煤矸石生產(chǎn)水泥混凝土的研究已取得一些成果, 但由于技術(shù)尚不成熟、加上設(shè)備問(wèn)題及窯工操作困難等原因, 至今未能推廣到水泥生產(chǎn)中去。

     用煤矸石生產(chǎn)燒結(jié)磚技術(shù)已比較成熟, 磚的質(zhì)量指標(biāo)均優(yōu)于傳統(tǒng)粘土磚。其制品包括煤矸石燒結(jié)磚、作燒結(jié)磚內(nèi)燃料及煤矸石非燒結(jié)磚。

     煤矸石燒結(jié)磚以煤矸石為主要原料, 外摻少量粘土。焙燒時(shí)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(jié)磚的內(nèi)燃料。用煤矸石作燒結(jié)磚內(nèi)燃料的生產(chǎn)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(qiáng)度(9. 8～14. 7MPa) 高于普通粘土磚的強(qiáng)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(chǎn)燒結(jié)磚, 可用以生產(chǎn)煤矸石非燒結(jié)磚。煤矸石非燒結(jié)磚以自燃煤矸石為主要原料, 經(jīng)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(hù)而成。產(chǎn)品的抗壓強(qiáng)度可達(dá)10～27MPa , 性能達(dá)“J C422 - 91”標(biāo)準(zhǔn)。該工藝簡(jiǎn)單,吃矸量大, 能耗低, 具有較好的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。

     輕集料和用輕集料配制的混凝土是一種輕質(zhì)、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(zhì)量取決于煤矸石的性質(zhì)和成分。適于燒制輕集料的煤矸石主要是碳質(zhì)頁(yè)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(chǎn)的輕集料作為骨料, 水泥為膠結(jié)材料, 加入少量外加劑, 加水?dāng)嚢璨⒔?jīng)成型、自然養(yǎng)護(hù)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(jiǎn)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(zhì)輕、高強(qiáng)、工藝簡(jiǎn)單、成本低和利廢率高、使用效果好等優(yōu)點(diǎn), 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(xì)生石灰、石膏作膠結(jié)材料, 經(jīng)振動(dòng)成型、蒸汽養(yǎng)護(hù)而成的煤矸石空心砌塊,這種砌塊的標(biāo)號(hào)可達(dá)到200 號(hào), 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(lái)具有輕質(zhì)、高強(qiáng)、保溫、節(jié)約能源和減少開(kāi)支等經(jīng)濟(jì)技術(shù)優(yōu)勢(shì), 同時(shí)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。

     用煤矸石、石膏及各種改性劑混合磨成混合材料,再和鈣質(zhì)材料均勻混合磨細(xì)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(qiáng)度高, 耐腐蝕性好, 各項(xiàng)物理力學(xué)性能均能達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求。用煤矸石水泥和煤矸石粗、細(xì)集料配制的煤矸石混凝土具有質(zhì)量輕、成本低、強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn), 可制成各種輕質(zhì)墻體材料, 如輕質(zhì)內(nèi)墻板、空心磚、排水管、彩色地面磚、通風(fēng)道等建筑材料制品, 并已應(yīng)用于礦區(qū)及城鎮(zhèn)建設(shè)方面。

     煤矸石具有很好的抗風(fēng)雨侵蝕性能, 國(guó)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(qiáng)度、凍穩(wěn)性和抗溫縮防裂性, 均能滿足多種等級(jí)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(jià)值。

     利用煤矸石作塌陷區(qū)復(fù)地的充填材料, 既可使采煤破壞的土地得到恢復(fù), 又可減少煤矸石占地和對(duì)環(huán)境的污染。在這方面我國(guó)部分煤礦已積累了很好的經(jīng)驗(yàn)。