煤矸石的活化

李艳辉+李蕾蕾

摘 要：煤矸石的排放量在逐年增加，对环境造成的污染越来越严重，却不能被合理的利用，特别是因为其活性低不能被大规模用于需要量较大的建筑行业。文章通过分析煤矸石的化学组成及结构，探讨了煤矸石活性低的原因，并系统分析煤矸石活化的常用方法，为进一步研究煤矸石开拓思路。

关键词：煤矸石；活化；非金属材料；早强剂

1 煤矸石概况

煤矸石是煤炭生产加工过程中产生的固体废气物，是目前我国年排放量和累计堆存量最大的工业固体废弃物之一。煤矸石的大量堆积对自然环境造成了严重破坏，促使大气、土壤、水体污染及地质灾害的频繁发生。因此如何使煤矸石变废为宝，为煤矸石的资源化利用寻求合理、广阔的应用前景，已成为科技工作者研究的突出课题。

2 煤矸石的综合利用现状

煤矸石的利用途径相对较广阔，利用煤矸石为原料生产有机复合肥和微生物肥料；利用煤矸石发电、取暖；自燃后的煤矸石可以用做路基材料；还可以利用煤矸石烧结多孔砖、小型空心砌块砖、轻质陶粒隔墙板等；也可代替粘土用于建筑工程中。

虽然煤矸石的利用途径很多，但由于利用技术的限制，以及利用过程中产生的副作用，致使我国目前煤矸石的总利用量依然不是很大，与建设资源节约型与环境友好型社会还有很大差距，煤矸石的利用还有很大的待开发空间。为此，众多研究者将目光转向了如何提高煤矸石的火山灰活性，以提高其利用率，如改善水泥干缩性和安定性，提高抗硫酸盐侵蚀性能等。

3 煤矸石的活化方法

煤矸石之所以能进行活化，主要是具有Al和Si元素，但由于其中含有碳，并且结构较稳定，所以活化较困难。所以，只要除去煤矸石中的碳并且破坏其稳定结构就可以提高活化率，现行的活化方法有机械活化、热活化、化学活化以及它们的组合——复合活化。

3.1 热活化

煅烧后的煤矸石有两方面作用：（1）除碳，由于煤矸石是夹在煤层中的，不同程度的含有碳，而碳对水泥的强度、需水量、耐久性等都会有影响，因此对于未自燃过的煤矸石必须通过煅烧除去碳后才可利用。（2）煅烧过程中煤矸石的活性组分会发生非常大的变化，高温加热后，煤矸石中三氧化二铝的铝氧四面体及二氧化硅的硅氧四面体从有序状态转变成无定形状态，因而增加活性。有关研究结果表明，未锻烧的煤矸石结构没有被破坏，仍然比较致密，锻烧后的煤矸石部分结构呈疏松状态，这是因为煤矸石在高温锻烧过程中伴有结构膨胀、成分挥发等现象。因此，采用热活化方式只能使一部分煤矸石得到活化，并不能彻底活化。

3.2 机械活化

所谓机械活化，主要是通过机械作用将煤矸石磨细，使其结构遭到破坏，转变为无序性结构，因而活性增加。虽然机械作用能使结构无序化，从而增加煤矸石的活性，但机械作用很难使硅氧键和铝氧键破坏，而且颗粒细化到一定程度也容易团聚，机械活化的活化率也很低。

3.3 化学活化

由上述分析可知，通过上述两种方法都可以提高煤矸石的活性，但都有一定的局限性。化学激活煤矸石的作用原理是通过引入少量的激发剂，参与并加速煤矸石与水泥水化产物的二次反应。煤矸石与水泥拌水后，水泥熟料先进行水化反应产生氢氧化钙，在激发剂的存在下与煤矸石中活性二氧化硅和三氧化二铝进行二次反应，形成稳定的、不溶于水的水化硅酸钙和水化铝酸钙凝胶。二次水化产物交叉、联生、相互充填，使水化产物的孔隙率减少，强度不断增加。

3.3.1 硅酸钠

在煤矸石和水泥的混合材中加入少量Na2SiO3。因为水泥水化时产生Ca（OH）2，同时Na2SiO3水化形成NaOH使溶液的碱度提高。碱加速了煤矸石的表面腐蚀，更使其内部大量Si—O键、Al—O键断裂，Na+在反应体系中溶解，使Ca+溶解度降低，大量离子存在的反应体系中，水化硅酸钙、水化铝酸钙以及氢氧化钙沉淀不断生成，煤矸石砂浆的早期强度甚至完全水化后的强度会大幅增加。

3.3.2 硫酸钠

在煤矸石和水泥的混合材中加入少量Na2SO4，由于水泥水化形成Ca（OH）2，同时少量Na2SO4的加入是反应体系中Ca+溶解度降低。有人通过实验及X射线衍射分析，在煤矸石-水泥的水化体系中加入早强剂硫酸钠，3d龄期的试件中有C-S-H、CAH10，C4AH13等水化产物外，出现了明显的钙矾石、石膏。与不加早强剂的实验对比，煤矸石砂浆的早期强度明显提高，说明早强剂硫酸钠的加入促进煤矸石与氢氧化钙的反应，能使煤矸石砂浆的早期强度提高。

3.3.3 CaCl22H2O

在煤矸石和水泥的混合材中加入少量CaCl2·2H2O，其对煤矸石砂浆早期强度的影响规律与掺早强剂Na2SO4的相似。通过一定方法观察煤矸石与水泥水化形成的氢氧化钙的反应的情况，发现掺入CaCl22H2O对煤矸石-水泥体系早期的激发作用没有硫酸钠明显。

3.4 复合活化

采用两种或两种以上基本活化方式（热活化、机械活化、化学活化）结合的活化方法。如热-化学活化，机械-化学活化，复合活化能够将各种基本活化方式取长补短，使煤矸石的活性得到充分激发。

4 结语

煤矸石的活化一方面是除掉与其共生的碳，另一方面是促使无定形SiO2，Al2O3的生成，通常各种单一的活化方式都有其利弊所在，因此将热活化、机械活化、化学活化组合使用，能获得更加明显的活化效果。

参考文献

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