煤矸石在建筑中的利用现状及发展方向探究

摘要：煤矸石是在采煤和洗煤中产生的固体废弃物，同时也是可利用的二次能源。本文根据煤矸石的污染情况及其主要来源和化学组成，探讨了煤矸石在建筑行业的综合利用现状，提出了煤矸石资源化利用的方向建议。

关键词：煤矸石;资源化;建筑;发展

1.前言

煤矸石是在煤炭掘进、开采和洗煤过程中排放的固体废弃物。随着煤炭产量的增长，产生的煤矸石也在大量增长。目前煤矸石年产量6亿t，累计堆放量50多亿t。它造成了严重的环境污染，堆放时，占用大量土地，影响美观；自燃时，产生大量的大气污染；降水时，其中的有害物质会被淋溶到土壤或地下水中。开发利用煤矸石具有经济效益和环境效益。目前，政府已出台了一些政策或规划加强煤矸石的利用，许多企业也对此做了大量实验研究，并有许多成果已运用到工业生产中。十二五规划中，到2015年，全国煤矸石产生量8亿t，利用量可达6.1亿t，利用率在75%以上。其中，煤矸石制建材利用1亿t，煤矸石井下充填、筑路等利用2.1亿t以上。［1］

2.煤矸石的来源与化学组成

2．1煤矸石的来源

煤矸石的主要来源为：露天剥离、井筒和巷道掘进过程、煤炭洗选过程。

2．2煤矸石的化学组成

矸石的化学组成决定了矸石特性和利用途径。通常所指的化学成分是矸石煅烧所产生的灰渣的化学成分，一般由无机化合物（矿岩）转变成的氧化物组成。不同煤矸石的化学成分不同，其中，砂岩矸石SiO2含量在70%以上，铝质岩矸石Al2O3含量在40%以上，而粘土岩矸石化学成分含量居中，SiO2含量为40%~70%，Al2O3含量为15%~30%。［2］

3.煤矸石在建筑中的应用

3.1煤矸石制水泥

利用多种工业废渣与煤矸石混合均能烧制出合格的水泥熟料，并且对其影响因素的实验研究仍在进行过程中，且有大量成果已经工业化，并取得了较好的经济及环境效益。煤矸石中SiO2、Al2O3及Fe2O3的总含量一般在80％以上，是黏土质原料，既可作为水泥生料中Si、Al等元素的主要来源，还能在烧制过程中释放一定热量，可代替黏土配料烧制各种水泥，如普通硅酸盐水泥、快硬硅酸盐水泥、煤矸石炉渣水泥、少熟料或无熟料水泥，用高铝煤矸石还可制备特种水泥。用煤矸石作原料生产水泥的工艺过程与生产普通水泥基本相同。［3］

现已研究出用煤矸石生产水泥的多种工艺。煤矸石代粘土与石灰石混合可烧制水泥熟料；煤矸石与其他低品质钙基质如污泥混合制水泥，［4］可节约生石灰、石灰石等原料；采用低温合成工艺生产水泥。

目前对于煤矸石的种类、掺量、颗粒分布、微观孔结构、组成特性等及在制备过程中的煅烧温度、保温时间等工艺参数对水泥或熟料性能如：烧成温度、烧结时间、凝结时间、强度、耐久性、力学及物理性能的影响已有大量研究。

天然的煤矸石活性很弱，煤矸石的活化方法主要有热活化、机械活化和化学活化，热活化即对煤矸石进行煅烧，机械活化一般为研磨。热活化明显改善了煤矸石的胶凝性能，其水泥体系强度比掺未活化煤矸石大幅度增加；再经过机械力活化，煤矸石胶凝性又进一步提高。热活化为煤矸石活化的必要条件，机械活化为充分条件。［5］

现阶段，对用煤矸石制成的水泥的水化过程研究较多，试验研究了煤矸石水泥水化程度、机理、中间反应及动力学，［6］水泥的许多物理力学性质是在水化过程中表现出来的，从而得到了煤矸石性质及制备工艺参数对水泥各种性能的影响。

一般说来，随煤矸石掺量增大，制备的水泥强度逐渐降低，已研究出制备一定强度水泥所需的煤矸石掺量［7］［8］，在不同工艺条件下，最适合的煤矸石掺量不同。在掺量范围为20%~40%时，水泥强度可符合32.5或42.5级标准。［8］［9］对煤矸石进行热活化处理或将自燃煤矸石磨细，随煤矸石掺量增大，水泥标准稠度需水量增加、凝结时间延长，净浆流动度减小。［9］将钢渣与煤矸石复掺制备水泥，二者的复掺比例是影响水泥强度和标准稠度需水量的重要因素，通过试验得到了钢渣与煤矸石的最佳配合比。不同的工艺条件下存在一个较合适的掺量，使得既能保证一定的煤矸石用量，又能保证相对较好的水泥性能。［10］

煤矸石的粒径分布对水泥的性能有一定影响。相同掺量的煤矸石，随其粒径减小，水泥胶砂强度有所增加，说明随其粒度减小，颗粒表面自由能增加，煤矸石水化活性增加。［8］不同粒径的煤矸石复掺，提高了水泥胶砂强度，因为不同粒径合理搭配改善了颗粒级配，提高了密实度。［8］［11］煤矸石细度增加，凝结时间延长，水泥净浆流动度降低，因此粉磨时间不宜过长。［12］

试验得出了在一定温度范围内，相对合适的煅烧温度，可得到火山灰贡献率较高的煤矸石，得到较高强度的水泥体系。［9］如在550~950℃范围内，选取750℃为最佳温度，因为温度低时，煤矸石中矿物分解不完全，活性较低；温度高时，煤矸石中质点重排导致活性降低。

在煅烧煤矸石中加入合适的化学激发剂，可达到减少水泥熟料用量，增大煤矸石掺量的目的。试验得出了化学激发剂的合理配比，即加入5％磷石膏＋3％CaO＋2％Na2SO4，煤矸石的掺量可达到50%。［13］

窑灰活化煤矸石作混合材制水泥是可行的，窑灰活化煤矸石的掺入可使水泥抗硫酸盐侵蚀性有较大提高，抑制碱集料反应能力改善。［14］

3.2煤矸石制砖

传统的制砖工艺建立在毁田、耗能基础上，为实现可持续发展，我国从20世纪60年代开始利用煤矸石代替粘土烧制砖。煤矸石可占到坯料量的80%以上，或使用全煤矸石烧砖。

其工艺流程大致为取矸、粗筛、破碎、筛选、陈化、配料、搅拌挤泥、切码坯、干燥焙烧、成品。［15］

煤矸石烧结砖的种类较多，有多孔砖、空心砖，可利用全煤矸石烧砖或根据需要加入页岩、粘土等配料。并非所有煤矸石都适合制砖，其化学组成和物理化学性能对砖坯成型、焙烧和砖质量如抗折、抗压强度、吸水率、保温效果等都有直接影响。它应当具有合适的组成成分、塑性指数、发热量和细度。合适的组成如下表所示。

煤矸石制砖适宜的化学组成(单位：％)［16］成分SiO2Al2O3Fe2O3CaOMgOSO3烧失量适宜50~7010~253~8

现阶段，我国用煤矸石制砖的技术已日趋成熟，研究出了干燥、焙烧等步骤的机理，确定了制砖的最佳工艺参数。

近几年，利用煤矸石制砖已有大量工业应用，许多地方制砖生产线已建成投产。再此基础上，研究重点转向关于制砖工艺设备完善优化方面、关于制砖工艺的配套设施方面的研究，如生产线自动控制系统、利用隧道窑余热发电工艺、烧砖废气处理工艺等。分析了废气凝结物中各元素的富集程度，以此推断出制砖过程中各元素的去向、挥发性；［19］探讨了隧道窑焙烧中废气污染物排放情况，并结合实际案例，提出了治理方案，如双碱法脱硫。另外，还研究了多孔砖、空心砖砌体整体抗压强度、抗震性能等性质。