煤矸石制備建筑材料研究現狀及展望*

賀曉梅 段旭晨 郭 偉

(咸陽陶瓷研究設計院有限公司 陜西 咸陽 712000)

我國煤炭資源豐富,不斷開采的煤礦會產生大量的煤矸石,作為開采和洗選過程中產生的固體廢棄物煤矸石也不斷地增加,僅2021年我國煤炭產量為41.3億t,煤矸石的排放量約占煤炭產量的10% ～15%[1～2]。煤矸石是一種在成煤過程中與煤層伴生的一種含碳量較低,比煤堅硬的黑灰色巖石。傳統的處理煤矸石的方法是堆存法,堆存法不僅占用大量土地資源,而且容易產生有害物質滲漏,對環境造成嚴重污染[3],同時也會造成資源的浪費,還制約了礦山的可持續發展。

煤矸石的大量堆存是當下亟待解決的問題,為了解決煤矸石堆存法所帶來的環境污染問題,目前開展了大量的對石煤矸石綜合利用研究,包括尾礦回填礦山、尾礦庫種植復墾、土壤改良劑、煤矸石基吸附材料、尾礦中提取有價元素、選取非金屬礦物和制備建筑材料等[4]。近年來煤矸石研究方向開始重點放在高附加值的建材的制備上,其中包括煤矸石用來制備建筑用磚、建筑水泥、混凝土制品和陶瓷制品等,目前已經取得了一定的進展[5],不僅可以消耗大量的煤矸石,也減少尾礦堆存對環境的影響,而且尾礦資源化利用具有可觀的經濟價值[6]。全面推進煤矸石綜合利用對提高資源利用效率、改善環境質量、促進經濟社會發展全面綠色轉型具有重要意義,是實現“碳達峰”、“碳中和”的重要途徑。筆者介紹了煤矸石建材化利用的現狀,并結合煤矸石發展現狀,展望了煤矸石制備高附加值綠色建材,為煤矸石的資源化綜合利用方向提供參考。

1 煤矸石制備建材研究現狀

1.1 制磚

磚大致分為燒結磚和免燒磚[7]。燒結磚是指經過硅酸鹽礦物制成的磚坯,經過高溫燒結制成具有一定強度的致密堅硬的磚;免燒磚是指無需燒結,利用砂石、膠凝劑、水和混凝土外加劑等混合后壓制成磚坯,磚坯經過在一定蒸汽壓力下養護一段時間制成蒸壓磚,在常溫下養護一段時間制成雙免磚[8]。燒結磚在建筑業已經發展了很久,傳統的燒結磚主要是用粘土等制成,我國對燒結磚有著巨大的需求,大量的燒結磚生產會消耗大量的粘土資源[9]。煤矸石的礦相主要組成為石英和粘土礦物,為了保護粘土礦物資源,煤矸石制備燒結磚是其綜合利用的重要途徑之一[10]。燒結磚相對于免燒磚來說,其優點在于高強度和耐久性,免燒磚相對于燒結磚來說,其優點為成本低、易生產[9]。

1.1.1 燒結磚

房小萌等[11]以赤泥和煤矸石為主要原料,采用模壓成形制備燒結磚,在赤泥和煤矸石的比例為7∶3,燒結溫度為1 050℃,保溫時間為2 h,制備出燒結磚抗壓強度滿足國家標準MU20的要求。于立安等[12]以廢紅磚、煤矸石和廢玻璃粉為主要原料,選取1.0～1.7 mm 廢紅磚為粗骨料,煤矸石的粒徑小于0.5 mm,廢玻璃粉的粒徑小于75μm,采用模壓成形制備燒結透水磚,成形壓力為10 MPa,焙燒溫度為1 100℃,保溫時間為20 min,制備出的透水磚抗壓強度超過40 MPa,并且透水系數大于1.0×10-2cm/s。章來鋒等[13]以污泥、煤矸石和建筑渣土為主要原料,采用擠出成形的方式制備燒結保溫節能磚,制備的燒結磚密度等級在700～1 300,抗壓強度等級在MU3.5～30,傳熱系數小于1.0。Xu等[14]以煤矸石為主要原料,經壓制成形磚坯在不同溫度下燒結2 h,在燒結溫度為1 200℃的燒結磚性能最佳,其吸水率和抗壓強度分別為3.65%和45.61 MPa。Zhou等[15]以廢棄陶瓷材料、鎂渣和煤矸石為主要原料,采用模壓成形制備全固廢燒結透水磚,以粗骨料∶細骨料∶煤矸石∶鎂渣比例為6∶2∶2∶1,成形壓力為6 MPa,焙燒溫度為1 200℃制備出透水系數為1.56×10-2cm/s、抗壓強度為35.45 MPa和表觀孔隙率為13.15%的燒結透水磚。

煤矸石制備燒結磚經過了大量的研究,目前技術和產業也相對比較成熟,未來煤矸石制備燒結磚主要研究方向將會是在降低物料成本和燒結成本上。

1.1.2 免燒磚

池鵬等[16]以撫順市不同地區煤矸石為主要原料,添加天然砂為骨料,水泥和粉煤灰為膠凝材料,聚羧酸減水劑和水,采用半干法模壓成形常溫養護制備煤矸石基免燒磚,制備的符合標準JC/T 422-2007 非燒結垃圾尾磚MU25要求的免燒磚。吳紅等[17]以活化煤矸石為主要原料,輔以礦渣、水泥、生石灰和水等,采用振動成形和蒸汽養護方式,復合活化的煤矸石能夠提高免燒磚的性能,制備的免燒磚符合JC/T422-91(96)非燒結普通粘土磚MU15的標準。

煤矸石制備免燒磚生產工藝簡單,其在節約能源、降低成本方面具有優勢[16]。在某些合適的應用場景可以用來取代傳統工藝的燒結磚。

1.2 水泥

煤矸石的化學成分與粘土相似,其中的碳在焙燒時能釋放出熱量,用其代替粘土和部分燃料,可降低生產成本和提高普通水泥熟料的質量[18]。煤矸石的膠凝能力很弱,采用高溫煅燒、機械磨礦、堿處理等活化處理方法可提高煤矸石的活性[19]。合理的煅燒條件可以使煤矸石作為建筑材料的工業再利用[20],在煅燒過程中加入適量的石膏等改良劑,可大大提高煤矸石的活性[21]。Liu等[22]研究了利用煅燒活化后的煤矸石替代部分水泥,其結果表明:800℃煅燒煤矸石的水泥砂漿在28 d抗壓強度比對照增加18%,隨著煅燒溫度從500～800℃的升高Ca(OH)2的消耗增加,然后在900℃煅燒的煤矸石略有下降。這反映出在800℃煅燒,導致高嶺石更完全地轉變為偏高嶺石。900℃煅燒煤矸石中火山灰活性的輕微降低,是由于非晶態(偏高嶺土)再結晶為晶態(莫來石或尖晶石)。羅凱等[23]研究了活化溫度對煤矸石活性的影響,并以煅燒活化后的煤矸石和石灰石粉替代了45%的水泥熟料,雖然早期強度略低于PC 水泥,但后期強度增長高于PC水泥,制備出煤矸石-石灰石復合水泥。煤矸石用于制備水泥時,需進一步研究煤矸石摻合水泥基材料的火山灰活性、水化性能、力學性能和耐久性等。

1.3 混凝土

1.3.1 砂漿混凝土

砂漿混凝土是建筑材料中常用的材料之一,是由骨料、膠凝劑、水和混凝土外加劑按比例拌和而成。煤矸石經處理加工后作為粗骨料加入到砂漿混凝土中,一般采用破碎、篩分和熱處理等方式處理加工[24]。

張戰波等[25]以煤矸石和特細砂為主要原料,輔以水泥、水和混凝土外加劑,煤矸石取代率為80%和100%,與天然骨料混凝土相比,其力學強度總體上偏低,制作可直接用于礦井巷道地面的煤矸石混凝土軸心抗壓強度能夠滿足要求。劉瀚卿等[26]以陜北不同地區的煤矸石粗骨料取代天然粗骨料,細骨料為天然砂,輔以硅酸鹽水泥、水和混凝土外加劑,與普通混凝土相比,在應力達到峰值之前應力變形較大,而超過應力峰值以后應力變形能力較差、脆性較大。關虓等[27]通過機械-微波方式對煤矸石進行復合活化后,研究了活化煤矸石添加量對煤矸石混凝土的損傷劣化規律,在20%摻入量下,水泥及活化煤矸石份與水化產物Ca(OH)2發生二次水化,產生C-S-H 和C-A-S-H 凝膠,提升基體密實性,改善了混凝土抗凍性能。大量研究表明,煤矸石增加會降低混凝土的力學性能,砂漿混凝土添加煤矸石是基于使用煤矸石的目的,是為了節約自然砂石資源,也是為了解決煤矸石的儲存問題和節約成本。在這種情況下,煤矸石置換率取決于混凝土想要達到的性能水平。煤矸石用作砂漿混凝土,取決于建設者對成本、環境影響、性能和替換率之間的平衡需要。

1.3.2 泡沫混凝土

泡沫混凝土是由骨料、膠凝劑、水、加氣劑和混凝土外加劑,經發泡養護而制成,其具有輕質、隔熱、防火性能好等優點,廣泛應用于建筑材料中[28]。

倪坤等[29]以煤矸石為主要原料,輔以膠凝材料、水、動物蛋白復合發泡劑和減水劑,隨著煤矸石粒徑的增大和摻入量的增加,材料的力學強度降低,但是煤矸石大粒徑的顆粒,對樣品斷裂面有一定的增強作用,隨著煤矸石粒徑的增大而軟化系數逐漸減小。Wang[30]等以煤矸石和鐵礦尾礦為主要原料,研究了煅燒煤矸石的最佳熱活化溫度和活化機理、材料組成、煅燒溫度及水化產物組成進行了分析。結果表明,煤矸石的煅燒溫度最佳約為600℃,泡沫混凝土試樣的密度約為609 kg/m3,抗壓強度為3.68 MPa,滿足GB/T 11969-2008對泡沫混凝土試樣A3.5、B06級的要求。煤矸石制備泡沫混凝土有著固廢循環利用、節約能源和減少廢物儲存量等特點。一般情況下首先要對煤矸石進行活化處理,以提高其在泡沫混凝土中的利用活性。

1.4 微晶玻璃

Dang等[31]利用煤矸石和粘土,研制出高強度、輕量化的微晶玻璃。使用75%的煤矸石,其力學性能最佳。燒結溫度為1 370℃時,莫來石和尖晶石成為主要晶相,從而實現了高強度、低吸水率和低密度的燒結微晶玻璃。通過TiO2、Zn O 和白云石共摻入可使莫來石和尖晶石棒狀晶相完全形核和外延生長,其強度高達187.67 MPa,密度為1.83 g/cm3,吸水率為0。Liu等[32]采用常規熔融淬火和兩步熱處理的方法,制備了含55%鋼渣和45%煤矸石的微晶玻璃。樣品以輝石相為主,結晶度約94%。當熱處理溫度為750℃/6 h+900℃/2 h時,制備的玻璃陶瓷抗彎強度最佳達到328 MPa,維氏硬度為9.59 GPa。微晶玻璃對重金屬離子的固定化效率幾乎達到90%以上。上述研究表明,利用固體廢棄物制備微晶玻璃可能是實現重金屬離子固定化的可行途徑,所制備的微晶玻璃可作為支撐劑、烹飪陶瓷、建筑材料等輕質材料。

1.5 新型墻體材料

煤矸石中含有大量有價值的礦物資源,如SiO2、Al2O3、Fe2O3、CaO 等氧化物,可作為陶瓷原料。近年來,許多研究人員關注煤矸石的替代利用,以制備陶瓷材料等高附加值產品,煤矸石可以制備發泡陶瓷新型墻體材料,馮榮等[33]以煤矸石為主要原料,加入部分廢瓷粉和廢玻璃粉制備發泡陶瓷,煤矸石的加入量為70%以上,產品性能導熱系數≤0.1 W/m·K,抗壓強度≥4.2 MPa。煤矸石的高摻入量,實現了煤矸石的資源化利用。張會等[34]以煤矸石和滑石為主要原料,采用干壓成形方式制備發泡陶瓷,研究在不同溫度下產品的主晶相,在1 350℃生成了堇青石相,堇青石發泡陶瓷顯氣孔率和吸水率最小,分別為72.24%和90.45%,體積密度最大為0.78 g/cm3,堇青石相產品性能優于其他晶相產品。

利用煤矸石制備發泡陶瓷實現了煤矸石的高附加值應用,煤矸石的高摻入量消納了大量的煤矸石,不僅保護環境,還實現煤矸石變廢為寶。發泡陶瓷具有密度小、強度高、低導熱、防火等級為A1級,是一種優良的墻體材料,可應用于綠色裝配式建筑領域,具有廣闊的應用前景。

2 結論與展望

煤矸石作為制備建筑用磚、水泥、砂漿混凝土等傳統的大宗建筑材料生產的主要原料,現已經發展達到一定的規模。受物流運輸成本等因素的限制影響,目前產業鏈相對較為完善成熟的傳統建材行業面臨著低附加值、使用市場區域較窄等問題。新型墻體材料的出現,實現了煤矸石的高摻量和高值化利用,為了推動煤炭產業發展,就要使得煤矸石向減量化、無害化、資源化目標方向發展,就要進行高附加值的新型綠色建材的技術開發和應用,這將會是煤矸石制備建筑材料未來發展的主要方向。