简述煤矸石在建筑材料工业中的应用

     我国早在50 年代就已开始煤矸石利用的研究,并取得了一定的经验。近年来, 煤矸石作建筑材料发展相当迅速, 开拓了多种利用途径, 开发出较成熟和较先进的技术。

     煤矸石中w ( SiO₂ ) + w (Al₂O₃ ) + w ( CaO) >70 % , 可作为生料中硅质及铝质组分, 替代粘土配料, 烧制普通硅酸盐水泥和快硬硅酸盐水泥熟料。煤矸石作代用原料生产水泥时, 其质量须符合表1 中的规定。根据煤矸石的特性研究结果得知, 水泥生产中所用煤矸石的主要特性对熟料质量的影响很大。使用煤矸石替代粘土生产优质水泥熟料的关键是选用主要化学成分相对稳定、热值较高、硬度较小、含砂岩较少页岩较多的矸石。

     注:当SM = 2. 0～2. 7 时, 一般要掺入硅质校正原料, 如粉砂岩等;当SM = 3. 0～4. 0 时, 一般要掺入铝质校正原料, 如高铝矸石、高铝煤灰等;当塑性指数< 12 时, 应预湿后成球, 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产水泥时, 煤矸石能释放一定热量, 可替代部分燃料, 从而减少熟料烧成过程中碳酸盐分解所需用煤, 降低生产水泥的能耗。据统计, 煤矸石含碳量一般在20 %以下, 发热量波动在(800～1500) ×4.18J / g , 而用于水泥生产中煤粉的发热量为(4000～7000) ×4.18J / g。由研究结果可知, 煤矸石可替代30 %～40 %的煤粉。此外, 添加适量的煤矸石可降低熟料的烧成温度, 有利于降低熟料热耗。

     自燃煤矸石具有轻质高强的特征, 经过简单破碎、筛分即可作为轻集料配制轻混凝土及砌块。此外,由于煤矸石经自燃或人工煅烧后具有一定活性, 可掺入水泥中作活性混合材, 但要控制其烧失量≤5 % , w(SO₃ ) ≤3 % , 火山灰性能试验必须合格, 水泥胶砂28d 强度比应大于62 %。煤矸石的掺入量取决于熟料质量、水泥标号及品种。

     为了充分利用煤矸石资源, 必须提高其活性。采用热活化、化学活化和机械活化等技术, 能使其潜在水硬性处在高活性的介稳状态。需要解决的关键技术是如何获得廉价、高效的化学活性剂和表面处理剂,以及确定煤矸石热活化工艺参数等, 从而有效解决高掺量煤矸石早期强度低的问题。实验显示, 综合采用热活化、化学活化和机械活化技术, 可获得高活性煤矸石功能型辅助性胶凝材料, 在掺量30 %～40 %的条件下, 能配制出满足国家标准的4215 强度等级水泥。煤矸石也可以作为活性掺合料掺入混凝土中。在合理配比的混凝土中, 煤矸石掺合料可以替代部分水泥, 改善水泥浆体的级配组成, 提高混凝土的工作性、密实度和抗硫酸盐侵蚀性, 很好地发挥其效应。目前大掺量煤矸石生产水泥混凝土的研究已取得一些成果, 但由于技术尚不成熟、加上设备问题及窑工操作困难等原因, 至今未能推广到水泥生产中去。

     用煤矸石生产烧结砖技术已比较成熟, 砖的质量指标均优于传统粘土砖。其制品包括煤矸石烧结砖、作烧结砖内燃料及煤矸石非烧结砖。

     煤矸石烧结砖以煤矸石为主要原料, 外掺少量粘土。焙烧时基本上不需再外加燃料。由于煤矸石本身含有一定的热值, 故可用它作为烧结砖的内燃料。用煤矸石作烧结砖内燃料的生产工艺与用煤作燃料基本相同, 只是增加了煤矸石的粉碎工序。煤矸石砖的抗压强度(9. 8～14. 7MPa) 高于普通粘土砖的强度。

     一些成分特殊的煤矸石, 如高铝、高钙、高铁、高硫以及自燃煤矸石等不宜用于生产烧结砖, 可用以生产煤矸石非烧结砖。煤矸石非烧结砖以自燃煤矸石为主要原料, 经粉碎加工, 然后掺入适量水泥、石膏及少量外加剂, 搅拌后半干压成型, 自然养护而成。产品的抗压强度可达10～27MPa , 性能达“J C422 - 91”标准。该工艺简单,吃矸量大, 能耗低, 具有较好的社会效益和经济效益。

     轻集料和用轻集料配制的混凝土是一种轻质、保温性能较好的新型建筑材料, 可用于建造大跨度桥梁和高层建筑。轻集料的质量取决于煤矸石的性质和成分。适于烧制轻集料的煤矸石主要是碳质页岩矸和选煤厂排出的洗矸, 其含碳量以低于13 %为宜。

     以煤矸石生产的轻集料作为骨料, 水泥为胶结材料, 加入少量外加剂, 加水搅拌并经成型、自然养护而成的空心砌块称为煤矸石轻集料混凝土轻型空心砌块, 简称煤矸石空心砌块。这种砌块性能稳定, 可取代全部砂石和部分水泥, 并具有质轻、高强、工艺简单、成本低和利废率高、使用效果好等优点, 是一种很有发展前途的新型墙体材料。此外还有以自燃或人工煅烧煤矸石为骨料, 以磨细生石灰、石膏作胶结材料, 经振动成型、蒸汽养护而成的煤矸石空心砌块,这种砌块的标号可达到200 号, 性能稳定, 使用效果良好。

     煤矸石空心砌块与普通砖比起来具有轻质、高强、保温、节约能源和减少开支等经济技术优势, 同时还具有隔音、隔热等效果。用煤矸石空心砌块代替普通砖, 可以节约大量粘土, 减少用土毁田。

     用煤矸石、石膏及各种改性剂混合磨成混合材料,再和钙质材料均匀混合磨细即成煤矸石水泥。煤矸石水泥比普通硅酸盐水泥水化热低, 抗折强度高, 耐腐蚀性好, 各项物理力学性能均能达到标准要求。用煤矸石水泥和煤矸石粗、细集料配制的煤矸石混凝土具有质量轻、成本低、强度高等优点, 可制成各种轻质墙体材料, 如轻质内墙板、空心砖、排水管、彩色地面砖、通风道等建筑材料制品, 并已应用于矿区及城镇建设方面。

     煤矸石具有很好的抗风雨侵蚀性能, 国外已广泛利用自燃煤矸石作为筑路材料。有研究表明, 煤矸石混合料作道路基层材料, 其强度、冻稳性和抗温缩防裂性, 均能满足多种等级公路的规范要求, 而且有些混合料的性能还优于常用的基层材料。因此, 用煤矸石作道路基层材料具有广泛的推广价值。

     利用煤矸石作塌陷区复地的充填材料, 既可使采煤破坏的土地得到恢复, 又可减少煤矸石占地和对环境的污染。在这方面我国部分煤矿已积累了很好的经验。