煤矸石燒結保溫磚試驗研究

王占鋒，劉小鋒，趙林，李學軍，李珠

（太原理工大學 建筑與土木工程學院，山西 太原 030024）

0 引 言

煤矸石是在掘進、開采和洗煤過程中排出的固體廢棄物。我國是當今世界上第一產煤大國，僅山西的煤矸石累計堆存就高達17億t以上[1]，煤矸石的大量堆放不僅破壞土地、污染環境，而且對周邊居民的生活造成很大影響。但煤矸石并不是一種簡單的工業廢料，而是可利用的資源，由于其與黏土化學成分相似，具有高含量的硅和鋁，故有應用于燒結領域的潛能[2-5]。另外，煤矸石作為一種常見低熱值的燃料，制備燒結磚時可將這部分熱量充分利用[6]。隨著國家墻體材料的改革和政策的落實，以及黏土實心磚的禁止使用和淘汰，煤矸石燒結磚已經成為煤矸石綜合利用的重要途徑之一[7]。

1 試驗

1.1 試驗原料

煤矸石：取自山西西山煤電股份有限公司西銘礦，主要化學成分見表1；膨潤土：取自信陽某礦區的鈣基膨潤土，表觀密度1265 kg/m3，主要化學成分見表1；粉煤灰：取自太原市某電廠，Ⅱ級；水：自來水。

表1 煤矸石和膨潤土的主要化學成分 %

1.2 試驗儀器

Pcz密封錘式破碎機，鶴壁市冶金機械設備有限公司；SMΦ500×500mm試驗小磨，紹興市銀河機械儀器有限公司；標準篩，浙江上虞市五四儀器篩具廠；8411電動振篩機，湘潭湘儀儀器有限公司；JJ1000型電子天平，常熟市雙杰測試儀器廠；Ysz-200液壓壓力機，無錫市祺銳科技有限公司；SX4-12-16實驗電爐，武漢亞華電路有限公司；DHG-9075A電熱恒溫鼓風干燥箱，上海島韓實業有限公司；加拿大C-Therm Tci導熱儀，C-THERM TECHNOLOGIES Ltd.；WDW-00電子式萬能試驗機，濟南思達測試技術有限公司；VHX-5000超景深顯微系統。

1.3 試驗方法

目前燒結磚的制備方法主要有2種：一種是濕法成型的軟塑擠出成型，另一種是半干法成型的模壓成型。本研究采用采用半干法成型，它是利用壓力機將混料在模具中壓制成密實坯體，具有缺陷少、尺寸精確、能大量使用煤矸石、粉煤灰等工業廢料的特點。制備工藝如下：

（1）利用粉碎機將煤矸石破碎，再經試驗小磨和球磨機研磨后過篩，篩分出不同粒徑的煤矸石粉，破碎后和研磨后的煤矸石見圖1。粉煤灰和膨潤土也經球磨機研磨，使其過60目篩。

圖1 破碎后和研磨后的煤矸石

（2）將過篩后的粉料放進（105±5）℃的烘箱中直至其質量不再變化，經試驗研究，粉料的烘干時間為10 h。

（3）將烘干后的煤矸石、粉煤灰和膨潤土粉料按一定比例混合均勻，加入10%~15%的水攪拌均勻，使混料分散均勻，不成塊。

（4）將混合均勻的粉料陳化24 h后，放進模具中在壓力機上按一定的成型壓力模壓成型。

（5）將成型的坯體放進（105±5）℃的烘箱中烘干后，放入電爐按焙燒曲線進行燒結，并在高溫條件下保持一段時間使磚體燒結完全，最后隨實驗電爐自然降溫。

2 試驗結果與分析

2.1 煤矸石粒徑對保溫磚性能的影響

為探究煤矸石粒徑的影響，試驗時只使用煤矸石和膨潤土，m（煤矸石）∶m（膨潤土）=50∶50，成型壓力 12 MPa，燒結溫度為950℃，高溫燒結時間為1 h。煤矸石粒徑對煤矸石燒結保溫磚性能的影響見表2。

表2 煤矸石粒徑對燒結保溫磚性能的影響

煤矸石含碳量高且含有豐富的有機物，在燒結過程中在磚體內部造成孔洞，使磚體導熱系數降低，尺寸收縮。由表2可知，隨著煤矸石粒徑的減小，裂紋逐漸消失，掉粉現象消失，體積收縮率變大，同時抗壓強度明顯提高，導熱系數也趨于變大。使用較細的粉料，可使物料分散均勻，增加可塑性和結合能力，提高坯體的密實性，對有害物質起到分散作用，防止爆裂現象發生，提高磚體強度。當粒徑大于60目時，磚體外觀良好，抗壓強度和導熱系數變化不大，故為節約能源，在以下試驗中選用的煤矸石粒徑均為60～100目。

2.2 煤矸石摻量對煤矸石燒結保溫磚性能的影響

煤矸石制備燒結磚是煤矸石資源化利用的重要途徑，故在保證保溫磚性能的同時，盡可能多的利用煤矸石也是本研究的重要目標。在探究煤矸石摻量影響時，僅摻加煤矸石和膨潤土。成型壓力為12 MPa，燒結溫度為950℃，高溫燒結時間為1 h，煤矸石摻量對燒結保溫磚抗壓強度和導熱系數的影響見圖2。

圖2 煤矸石摻量對燒結保溫磚性能的影響

由圖2可知，隨著煤矸石摻量的增加，即膨潤土用量的減少，抗壓強度和導熱系數均逐漸降低。膨潤土作為粘結劑，具有較高的塑性，極大的改善粉料中由煤矸石引起的塑性低、坯體難以成形的缺點；加入適量的膨潤土，可以有效的減少磚坯出現的各種缺陷，增加磚體中SiO2含量，提高磚體強度。隨著煤矸石摻量的增加，坯體中含碳量增加，在燒結過程中形成更多的孔洞，導熱系數有所降低[8]。綜合考慮抗壓強度和導熱系數，選定煤矸石摻量為60%，此時抗壓強度為9.47 MPa，導熱系數0.305 W/（m·K）。

2.3 焙燒曲線的研究及燒成溫度對煤矸石保溫磚性能的影響

2.3.1 焙燒曲線的探究

焙燒是燒結磚的最后一道工序，也是決定燒結制品質量的關鍵步驟，在燒結過程中，原料各組分在高溫作用下發生復雜的物理、化學變化，形成預期的顯微結構，達到燒結制品的性能要求。坯體在受熱過程中受熱升溫，內部水分蒸發流失，為防止磚體在高溫情況下因水分蒸發過快而開裂，故在200℃時進行保溫，使水分蒸發，從而減少磚體中的水分。煤矸石的熱重分析曲線如圖3所示。

圖3 煤矸石的熱重分析曲線

由圖3可知，煤矸石的質量損失大概在400~600℃，故在600℃時進行保溫，以確保煤矸石中的碳和有機物充分燃燒，留下孔洞，以達到保溫效果。當溫度高于800℃時，固體顆粒開始熔化形成液相，并包裹在顆粒表面，故需要通過在最高溫度時保溫，形成足夠量的液相，獲得較高強度的產品，故升溫曲線如圖4所示。

圖4 煤矸石保溫磚的升溫曲線

2.3.2 燒成溫度對煤矸石保溫磚性能的影響

綜合考慮保溫磚的抗壓強度和導熱系數，較合適的配比為m（煤矸石）∶m（膨潤土）=60∶40，為更大程度地利用固體廢棄物，用10%的粉煤灰替代膨潤土，即保溫磚配比固定為m（煤矸石）∶m（粉煤灰）∶m（膨潤土）=60∶10∶30，各種粉料的均過 60目篩，成型壓力為12 MPa，燒成溫度分別為850、900、950、1000、1050℃，按以上升溫曲線進行焙燒。不同燒成溫度對煤矸石保溫磚性能的影響見表3，保溫磚在燒成溫度為900、950、1000℃下的超景深顯微系統放大500倍微觀形貌見圖5。

表3 不同燒成溫度對煤矸石保溫磚性能的影響

圖5 不同燒結溫度煤矸石保溫磚的SEM照片

由表3可以看出，隨著燒成溫度的升高，煤矸石燒結保溫磚的抗壓強度和密度均增大，特別是當燒成溫度高于950℃時，抗壓強度和密度增大較為明顯。這是因為隨著燒成溫度的升高，煤矸石燒結保溫磚呈現出的形態是不同的，當燒成溫度在950℃以下時，磚體內部形成的液相較少，煤矸石、粉煤灰和膨潤土顆粒之見粘接不夠緊密，磚體收縮較小，所以此時的抗壓強度和密度較小；當燒成溫度高于950℃時，磚體內部的液相隨著溫度的升高而逐漸增多，煤矸石、粉煤灰和膨潤土顆粒之見粘接更加緊密，使得磚體收縮較大，并且更加密實，故而抗壓強度和密度均有較大的提高。

由表3還可以看出，隨著燒成溫度的升高，煤矸石燒結保溫磚的導熱系數呈先減小后增大的趨勢，在950℃時最小，為0.26 W/（m·K）。

由圖5可以看出，保溫磚在950℃時形成的空洞最多，且隨著溫度的升高，熔融現象更加明顯，這是由于磚體在燒結過程中，煤矸石所含碳量和有機物的燃燒而留下填充著空氣的孔洞，煤矸石在磚體內部分散均勻，導致這些孔洞是相互連通而孔道，隨著溫度的升高，出現的液相逐漸增多，在將顆粒粘結在一起的同時，也將孔道中的空氣密封在磚體中，形成封閉的孔洞，所以當燒成溫度低于950℃時導熱系數隨溫度的升高而降低。當燒成溫度高于950℃時，大量液相則充滿孔道，使得空洞量減少，磚體因收縮而更加密實，所以導熱系數呈升高趨勢。根據以上所述，綜合考慮煤矸石燒結保溫磚的抗壓強度和導熱系數，選擇燒成溫度為950℃，此時抗壓強度為6.47 MPa，導熱系數為0.26 W/（m·K），既保證最低導熱系數同時又可獲得較高的強度。

2.4 成型壓力對煤矸石燒結保溫磚性能的影響

在上述試驗的基礎上，燒成溫度為950℃，成型壓力對煤矸石保溫磚性能的影響見表4。

表4 成型壓力對燒結保溫磚性能的影響

由表4可知，在其他條件不變的情況下，隨著磚坯成型壓力的不斷增大，保溫磚的密度和抗壓強度均一直增大，導熱系數先減小后增大，在成型壓力為8 MPa時達到最低，為0.23 W/（m·K）。當成型壓力小于8 MPa時，保溫磚抗壓強度較低、導熱系數高，而且隨成型壓力變化明顯，這說明磚體內部結構較為疏松、不密實，形成連通的孔道多，同時密度也較小；當成型壓力大于8 MPa時，保溫磚的抗壓強度增長漸于平緩，這是由于磚坯內部有一定的橋接作用，使得內部顆粒的接觸趨于緊密，內部結構的變化趨于平穩，所以抗壓強度和密度的增加減緩，同時磚體密實度增加，空隙逐漸減少，致使導熱系數增加，保溫效果變差。

綜上所述，當成型壓力為8 MPa時，煤矸石燒結保溫磚的抗壓強度為5.69 MPa，導熱系數為0.23 W/（m·K），符合GB 26538—2011《燒結保溫磚和保溫砌塊》MU5.0強度標準要求，抗壓強度和導熱系數綜合性能達到最佳。

3 結論

（1）隨著煤矸石粒徑的減小，保溫磚抗壓強度提高，品質越好，為保證保溫磚質量，煤矸石粒徑不宜大于60目；隨著煤矸石摻量的減小，保溫磚抗壓強度和導熱系數均不斷提高。

（2）在燒結過程中，需在200℃、600℃和燒成溫度進行保溫，以保證燒結保溫磚的質量；隨著燒成溫度的升高，保溫磚的密度和抗壓強度均不斷升高，導熱系數先減小后增大，并在950℃時達到最小。

（3）隨著成型壓力的增大，保溫磚抗壓強度和密度均不斷增大，導熱系數先減小后增大，并在8 MPa時達到最小。

（4）試驗中初步得到了較為適宜的煤矸石燒結保溫磚的工藝參數：m（煤矸石）∶m（粉煤灰）∶m（膨潤土）=60∶10∶30、成型壓力為8 MPa、燒成溫度為950℃。制得的保溫磚抗壓強度為5.69 MPa，導熱系數為0.23 W/（m·K）。