绿色建筑煤矸石资源化利用新技术的应用分析

王静

摘 要：本文以煤矸石资源化利用的现状为研究视角，分析绿色建筑煤矸石资源化利用新技术的意义，针对技术攻关的必要性、市场需求分析、专利等知识产权情况进行绿色建筑煤矸石资源化利用的市场需求分析。提出绿色建筑煤矸石资源化利用新技术的应用分析，以上海世茂“深坑酒店”为例，分析设计特点、施工难点、裙房施工情况以及应对措施，以适应市场和客户的需要，以期实现以煤矸石为主制备新型墙体材料的技术推广和示范应用。

关键词：绿色建筑；煤矸石；资源化利用；新技术；应用分析

中图分类号：TD849 文献标识码：A 文章编号：1672-8122（2016）10-0159-03

一、煤矸石资源化利用的现状

20世纪 50 年代开始即开展煤矸石综合利用方面的研究，但利用率一直都不高。在20世纪 50 年代至 80 年代，主要用于制砖，利用率不到 2%；20世纪 80 年代中期至 90 年代中期，除了用于制砖还开始用于发电、铺路和回填，但利用率仍然很低。90 年代以来煤矸石综合利用虽取得了明显成效，但也还存在不少突出问题。

1.综合利用率仍然较低。国有煤矸石利用率只有近 30%。

2.地方煤矿排放的只要是采掘矸石，不利于大规模利用，从而出现地方煤矿煤矸石利用率很低的问题。

3.综合利用相对单一。煤矸石大宗利用项目较少。

4.综合利用技术水平滞后。

5.综合利用优惠政策落实难。目前对生态环境和经济社会科学发展将会产生越来越大的压力，因此开展煤矸石资源化利用研究势在必行。

二、绿色建筑煤矸石资源化利用新技术的意义

1.提高资源循环利用率和无害化处理率。在建筑领域，可以利用当地工业生产的大量废弃物，如煤矸石和粉煤灰等废渣，进行综合利用，大大减轻经济发展所带来的工业废弃物处理压力，保护脆弱的高原生态环境。

2.变废为宝，充分实现节能减排。大大降低水泥和石灰等材料的用量，减少生产水泥、石灰等对环境的破坏和污染，降低二氧化碳和有害气体的排放，减少空气污染，有利于地方经济和生态环境的改善；同时可以为地方提供数以百计个工作岗位，并带动周边原材料供应和运输等相关产业的发展，具有显著的经济效益、社会效益和生态环境效益。

三、绿色建筑煤矸石资源化利用的市场需求分析

（一）技术攻关的必要性

我国已进入快速城镇化时期，实现城镇化和城市协调发展，对于开发资源节约型、高耐久性绿色建材，提高城市资源和能源利用效率需求若渴，对科技提高迫切需求，为改变国内传统粗放型经济增长方式，节能减排，“建筑节能与绿色建筑”列为优先主题。绿色建筑煤矸石资源化利用新技术所属 2016 年陕西省科学研究发展计划项目中社会发展科技攻关的重点支持领域“资源环境及节能减排”和方向主题“建筑垃圾处置与资源化利用技术”，符合国家的可持续发展战略。本文重点研究煤矸石的资源化利用以及通过优化提升水泥的品质，降低单方混凝土水泥消耗量，开发绿色高性能混凝土，绿色建筑设计技术，建筑节能技术与标准。

（二）市场需求分析

目前国内煤矸石堆存量巨大，达 40 多亿吨，占用大量土地并严重污染了环境，绿色建筑煤矸石资源化利用新技术将可大量节约利用资源、改善环境、并对产业链延伸，推动煤矸石资源综合利用领域的技术进步，贯彻了国家的节能减排产业政策。绿色建筑煤矸石资源化利用新技术充分利用煤矸石固体废弃物制备高性能混凝土，建造高质量的住宅，可以改善人居环境，提高居住水平，保护环境，节约土地，节约能源，增加就业岗位，将极大地促进经济社会的发展，实现国家循环经济的发展要求。因此，绿色建筑煤矸石资源化利用新技术市场需求的潜力巨大。

2010 年，我国水泥产量 18.68 亿吨，通过绿色建筑煤矸石资源化利用新技术研究，提升水泥的品质，开创绿色高性能混凝土技术，降低单方混凝土水泥消耗量降低 25%～40%，可节约材料成本 20 元；节能减排和环保意义、经济效益和社会效益巨大。通过示范工程的示范效应，有利于推动我国煤炭产业基地煤矸石绿色高性能混凝土的应用，尤其是相应的建筑体系示范，有利于我国混凝土工程和建筑产业充分利用固体废弃物，有利于改善环境，节约建设费用，提高建设效率，经济和社会效益显著。

（三）专利等知识产权情况

中国专利技术网收录煤矸石制备及应用专利原文 184项：煤矸石钢筋混凝土排水管、煤矸石工业废渣用激发剂及其制备方法、煤矸石混合水泥、煤矸石混凝土制品及制备方法、煤矸石建筑粉灰及其制造方法、煤矸石墙地砖的快烧方法、煤矸石轻集料混凝土轻质隔墙板、煤矸石燃料的配制方法等多项发明专利。收录煤矸石制备及应用期刊文献701项：大掺量煤矸石水泥混凝土耐久性研究、大掺量煤矸石水泥混凝土碳化性能的研究、大掺量煤矸石水泥抗硫酸盐性能研究、我国利用煤矸石生产墙体材料的现状及其技术措施、我国利用煤矸石生产砖瓦的现状和前景、我国煤矸石的综合利用现状及存在问题等多项研究文献。

通过对相关文献、专利等知识产权情况进行回顾发现，既有的理论成果，对于研究和探索煤矸石综合利用技术具有非常重要的学术价值和现实意义。但在这些研究中，对于绿色建筑发展迅速背景下煤矸石资源化利用新技术，尤其是开发绿色高性能混凝土，绿色建筑设计技术，建筑节能技术与标准，并使其产业化发展方面并没有针对性的专业研究。缺少以适应市场和客户的需要，以煤矸石为主制备新型墙体材料的技术推广和示范应用。

四、绿色建筑煤矸石资源化利用新技术的应用分析

位于上海佘山国家旅游度假区核心的上海世茂“深坑酒店”，由英国阿特金斯进行设计。

（一）设计特点

1.整体布局特点。在酒店的整体规划上，与主体建筑相连的裙房在限高10米的控制下，尽可能在水平方向展开，使建筑各个功能部分既可相通，又保有各自单独的出入口。为此，整体建筑布局需要满足设计要求。

最大限度利用基地周边的景观资源。酒店客房设置于主体建筑内，沿崖壁而建，面向横山，充分利用“柔性要素”，使酒店主体依靠岩壁以最大面展开，寻求自然的生长和演变。所有酒店客房都设置退台的走廊和阳台，强化“空中花园”理念的同时，充分吸纳外部景观。

主体建筑布局。地上部分的裙房平面以主楼为西边边界，向东、北和南水平铺展；坑下至水面部分以建筑主楼为主；水下部分是酒店的特色客房区和特色水下餐厅。建筑平面上延续主楼的曲线形式，客房布置在曲线的外延，满足观看水景的要求。

（二）施工难点

主体异型钢结构施工难度大。现场地形特殊，构件倒运不便。本工程主体钢结构大部分处于深坑之中，给现场构件倒运带来一定困难。

垂直运输难度大。坑底与坑顶高差达74米，坑壁为悬崖，导致人员、材料等垂直运输难度大增，需要布置向下的人货电梯，以满足人员到坑底作业、材料向下运输的需要，但人货电梯的布置方式确定困难。

混凝土向坑底输送困难。坑底大底板混凝土需要向下运送74米，坑壁为悬壁，运输难度大。

现场坑顶裙房地质情况复杂。工程桩为一桩一探，施工难度高，由于工程桩必须打至岩石持力层到中风化层，但现场情况复杂，岩石风化程度不同。

坑顶、坑壁、坑底爆破工作量大，精度要求高。坑底结构形式复杂，崖壁不规则，导致爆破量较大。爆破过大，将会影响坑顶大梁，因此精度要求高。

（三）裙房施工情况

施工现场排水难度大。坑底积水约30米左右，初期抽水较为困难，周围排水复杂。

现场结构复杂，变化大，测量要求高。坑底、崖壁地形复杂，结构为异型结构，且钢结构对接精度要求高。

现场高空作业、临边作业多，安全控制要求高。爆破施工、崖壁加固施工、坑顶大梁施工、人货梯方案实施等一系列施工作业都存在较大安全隐患。

结构防水要求高。该工程坑底有24米永久处于水下，为箱形基础，设计功能为地下室水下观光，故对结构、防水等要求较高。

（四）应对措施

针对主体异型钢结构施工难度大的问题，首先采用钢结构专业计算软件对整个安装过程进行模拟分析，得出结构在安装过程中产生的变形量。现场安装时根据计算的变形量，在施工过程中确定是否需要设置临时支撑架和撑杆。根据目前的定性分析，临时支撑可取消。

针对坑顶坑底高差达74米，人员材料垂直运输难度大的问题，目前已编制专项人货电梯配置安装施工方案。

为解决混凝土向坑底输送困难采取的措施：对泵管进行排布，目前已有两种方案。一是在竖直方向，汽车泵外架溜槽配合固定泵进行混凝土输送；二是附着已有人行马道上的崖壁进行输送。对于坑顶、坑壁、坑底爆破工作量大，精度要求高的问题，配置专业测量人员，每次爆破进行测量复核。

根据施工现场排水难度大的问题，利用坑底形成的湖坑进行加固及施工拦水坝，形成围堰湖，将坑底施工用水集中排至围堰湖内，再利用大功率排水泵将围堰湖内施工用水抽至坑顶，经净化达标后排至市政管道。

配置专业测量工程师，实施多次复核，以满足测量的高要求；编制专项安全施工方案，加强过程安全监控，确保现场高空作业、临边作业的安全控制。

利用堆石混凝土施工工艺。充分利用崖壁爆破所形成的粒径300～800毫米的石头，分层浇筑自密实混凝土，每堆高1.5米石头，即浇筑一次自密实混凝土，如此往复直至到顶。在该工程中，绿色建筑煤矸石资源化利用新技术——堆石混凝土施工流程包括：施工准备→坑底岩石爆破→岩石清理→坑底箱形基础施工→预应力锚杆（索）施工→石头入仓、自密实混凝土浇筑。

采用绿色建筑煤矸石资源化利用新技术。以煤矸石为主要原材料生产环保节能型建筑材料，其中煤矸石、粉煤灰和磷石膏等各类工业废渣掺量可达60～80%，大大降低了水泥和石灰等材料的用量，同时政府对利用固体废弃物的建材制品还有扶持和优惠政策，因此与市场同类产品相比，将在价格和市场竞争上具有明显的优势，市场前景良好，经济效益将非常可观。同时将煤矸石应用于墙体材料中，具有显著的经济与社会效益，以及生态环境效益。

五、研究启发

以陕西市场为例，今后十年，由于陕西省仍处于经济周期的上升阶段，绿色建筑墙材正处于旺盛的市场时期，据调研其市场需求是：“十二五”期间，在7%以内的幅度增长，仅以西安地区为例，据陕西2015年相关数据研究统计，2014年全年西安市生产和销售墙体材料折合成标砖达55亿。据市场调查和预测，2016年到2020年以6%的递增幅度预测，全省墙材的市场需求量将达到近270亿标块。而且，在国家“建筑节能”政策的影响下，新型节能墙材的材料将占据20%左右的市场份额，且会逐年上升。市场调研结果说明随着经济社会的进一步发展，西安地区墙体材料的市场需求巨大。本文根据市场需求研制以煤矸石为主的建材制品，以适应市场和客户的需要，以煤矸石为主制备新型墙体材料的技术推广和应用前景良好，市场潜力和产业化前景巨大。

本文根据市场需求研制以煤矸石为主要材料的建材制品，绿色建筑煤矸石资源化利用新技术符合国家“建筑节能”的政策和“循环经济”的产业政策，经济效益显著。以煤矸石为主材的环保节能型墙体材料投产以后，市场前景良好，经济效益非常可观，是一项极具投资价值的研究。

参考文献：

[1] GB 50003-2011.砌体结构设计规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2011.

[2] Robert Le Roy， Edouard Parant， Claude Boulay. Taking into account the inclusions size in lightweight concrete compressive strength prediction[J].Cement and Concrete Research，2015，35： 770-775.

[3] 金南国，金贤玉，郭剑飞.混凝土孔结构与强度关系模型研究[J].浙江大学学报（工学版），2013，39（11）：1680-1684.

[4] 郑木莲，陈拴发，王崇涛.多孔混凝土的强度特性[J].长安大学学报（自然科学版），2015，26（4）：20-25.

[5] 吴月月，倪修全，王德明.泡沫_EPS轻集料混凝土配合比及性能试验研究[J].混凝土，2012，270 （4）：131-133.

[6] 杨小芳，赵芋，兰长贵.泡沫混凝土的应用与质量控制[J].四川建材，2012，38（4）：25-27.

[7] 唐百晓.泡沫剂在EPS轻集料混凝土中应用研究[J].低温建筑技术，2012，171（9）：9-10.

[8] Kaplan F， M. Crack propagation and the fracture of concrete [J]. Concrete inst.2015，58：591～610.

[责任编辑：东方绪]