煤矸石制备建筑材料研究现状及展望*

贺晓梅 段旭晨 郭 伟

(咸阳陶瓷研究设计院有限公司 陕西 咸阳 712000)

我国煤炭资源丰富,不断开采的煤矿会产生大量的煤矸石,作为开采和洗选过程中产生的固体废弃物煤矸石也不断地增加,仅2021年我国煤炭产量为41.3亿t,煤矸石的排放量约占煤炭产量的10% ～15%[1～2]。煤矸石是一种在成煤过程中与煤层伴生的一种含碳量较低,比煤坚硬的黑灰色岩石。传统的处理煤矸石的方法是堆存法,堆存法不仅占用大量土地资源,而且容易产生有害物质渗漏,对环境造成严重污染[3],同时也会造成资源的浪费,还制约了矿山的可持续发展。

煤矸石的大量堆存是当下亟待解决的问题,为了解决煤矸石堆存法所带来的环境污染问题,目前开展了大量的对石煤矸石综合利用研究,包括尾矿回填矿山、尾矿库种植复垦、土壤改良剂、煤矸石基吸附材料、尾矿中提取有价元素、选取非金属矿物和制备建筑材料等[4]。近年来煤矸石研究方向开始重点放在高附加值的建材的制备上,其中包括煤矸石用来制备建筑用砖、建筑水泥、混凝土制品和陶瓷制品等,目前已经取得了一定的进展[5],不仅可以消耗大量的煤矸石,也减少尾矿堆存对环境的影响,而且尾矿资源化利用具有可观的经济价值[6]。全面推进煤矸石综合利用对提高资源利用效率、改善环境质量、促进经济社会发展全面绿色转型具有重要意义,是实现“碳达峰”、“碳中和”的重要途径。笔者介绍了煤矸石建材化利用的现状,并结合煤矸石发展现状,展望了煤矸石制备高附加值绿色建材,为煤矸石的资源化综合利用方向提供参考。

1 煤矸石制备建材研究现状

1.1 制砖

砖大致分为烧结砖和免烧砖[7]。烧结砖是指经过硅酸盐矿物制成的砖坯,经过高温烧结制成具有一定强度的致密坚硬的砖;免烧砖是指无需烧结,利用砂石、胶凝剂、水和混凝土外加剂等混合后压制成砖坯,砖坯经过在一定蒸汽压力下养护一段时间制成蒸压砖,在常温下养护一段时间制成双免砖[8]。烧结砖在建筑业已经发展了很久,传统的烧结砖主要是用粘土等制成,我国对烧结砖有着巨大的需求,大量的烧结砖生产会消耗大量的粘土资源[9]。煤矸石的矿相主要组成为石英和粘土矿物,为了保护粘土矿物资源,煤矸石制备烧结砖是其综合利用的重要途径之一[10]。烧结砖相对于免烧砖来说,其优点在于高强度和耐久性,免烧砖相对于烧结砖来说,其优点为成本低、易生产[9]。

1.1.1 烧结砖

房小萌等[11]以赤泥和煤矸石为主要原料,采用模压成形制备烧结砖,在赤泥和煤矸石的比例为7∶3,烧结温度为1 050℃,保温时间为2 h,制备出烧结砖抗压强度满足国家标准MU20的要求。于立安等[12]以废红砖、煤矸石和废玻璃粉为主要原料,选取1.0～1.7 mm 废红砖为粗骨料,煤矸石的粒径小于0.5 mm,废玻璃粉的粒径小于75μm,采用模压成形制备烧结透水砖,成形压力为10 MPa,焙烧温度为1 100℃,保温时间为20 min,制备出的透水砖抗压强度超过40 MPa,并且透水系数大于1.0×10-2cm/s。章来锋等[13]以污泥、煤矸石和建筑渣土为主要原料,采用挤出成形的方式制备烧结保温节能砖,制备的烧结砖密度等级在700～1 300,抗压强度等级在MU3.5～30,传热系数小于1.0。Xu等[14]以煤矸石为主要原料,经压制成形砖坯在不同温度下烧结2 h,在烧结温度为1 200℃的烧结砖性能最佳,其吸水率和抗压强度分别为3.65%和45.61 MPa。Zhou等[15]以废弃陶瓷材料、镁渣和煤矸石为主要原料,采用模压成形制备全固废烧结透水砖,以粗骨料∶细骨料∶煤矸石∶镁渣比例为6∶2∶2∶1,成形压力为6 MPa,焙烧温度为1 200℃制备出透水系数为1.56×10-2cm/s、抗压强度为35.45 MPa和表观孔隙率为13.15%的烧结透水砖。

煤矸石制备烧结砖经过了大量的研究,目前技术和产业也相对比较成熟,未来煤矸石制备烧结砖主要研究方向将会是在降低物料成本和烧结成本上。

1.1.2 免烧砖

池鹏等[16]以抚顺市不同地区煤矸石为主要原料,添加天然砂为骨料,水泥和粉煤灰为胶凝材料,聚羧酸减水剂和水,采用半干法模压成形常温养护制备煤矸石基免烧砖,制备的符合标准JC/T 422-2007 非烧结垃圾尾砖MU25要求的免烧砖。吴红等[17]以活化煤矸石为主要原料,辅以矿渣、水泥、生石灰和水等,采用振动成形和蒸汽养护方式,复合活化的煤矸石能够提高免烧砖的性能,制备的免烧砖符合JC/T422-91(96)非烧结普通粘土砖MU15的标准。

煤矸石制备免烧砖生产工艺简单,其在节约能源、降低成本方面具有优势[16]。在某些合适的应用场景可以用来取代传统工艺的烧结砖。

1.2 水泥

煤矸石的化学成分与粘土相似,其中的碳在焙烧时能释放出热量,用其代替粘土和部分燃料,可降低生产成本和提高普通水泥熟料的质量[18]。煤矸石的胶凝能力很弱,采用高温煅烧、机械磨矿、碱处理等活化处理方法可提高煤矸石的活性[19]。合理的煅烧条件可以使煤矸石作为建筑材料的工业再利用[20],在煅烧过程中加入适量的石膏等改良剂,可大大提高煤矸石的活性[21]。Liu等[22]研究了利用煅烧活化后的煤矸石替代部分水泥,其结果表明:800℃煅烧煤矸石的水泥砂浆在28 d抗压强度比对照增加18%,随着煅烧温度从500～800℃的升高Ca(OH)2的消耗增加,然后在900℃煅烧的煤矸石略有下降。这反映出在800℃煅烧,导致高岭石更完全地转变为偏高岭石。900℃煅烧煤矸石中火山灰活性的轻微降低,是由于非晶态(偏高岭土)再结晶为晶态(莫来石或尖晶石)。罗凯等[23]研究了活化温度对煤矸石活性的影响,并以煅烧活化后的煤矸石和石灰石粉替代了45%的水泥熟料,虽然早期强度略低于PC 水泥,但后期强度增长高于PC水泥,制备出煤矸石-石灰石复合水泥。煤矸石用于制备水泥时,需进一步研究煤矸石掺合水泥基材料的火山灰活性、水化性能、力学性能和耐久性等。

1.3 混凝土

1.3.1 砂浆混凝土

砂浆混凝土是建筑材料中常用的材料之一,是由骨料、胶凝剂、水和混凝土外加剂按比例拌和而成。煤矸石经处理加工后作为粗骨料加入到砂浆混凝土中,一般采用破碎、筛分和热处理等方式处理加工[24]。

张战波等[25]以煤矸石和特细砂为主要原料,辅以水泥、水和混凝土外加剂,煤矸石取代率为80%和100%,与天然骨料混凝土相比,其力学强度总体上偏低,制作可直接用于矿井巷道地面的煤矸石混凝土轴心抗压强度能够满足要求。刘瀚卿等[26]以陕北不同地区的煤矸石粗骨料取代天然粗骨料,细骨料为天然砂,辅以硅酸盐水泥、水和混凝土外加剂,与普通混凝土相比,在应力达到峰值之前应力变形较大,而超过应力峰值以后应力变形能力较差、脆性较大。关虓等[27]通过机械-微波方式对煤矸石进行复合活化后,研究了活化煤矸石添加量对煤矸石混凝土的损伤劣化规律,在20%掺入量下,水泥及活化煤矸石份与水化产物Ca(OH)2发生二次水化,产生C-S-H 和C-A-S-H 凝胶,提升基体密实性,改善了混凝土抗冻性能。大量研究表明,煤矸石增加会降低混凝土的力学性能,砂浆混凝土添加煤矸石是基于使用煤矸石的目的,是为了节约自然砂石资源,也是为了解决煤矸石的储存问题和节约成本。在这种情况下,煤矸石置换率取决于混凝土想要达到的性能水平。煤矸石用作砂浆混凝土,取决于建设者对成本、环境影响、性能和替换率之间的平衡需要。

1.3.2 泡沫混凝土

泡沫混凝土是由骨料、胶凝剂、水、加气剂和混凝土外加剂,经发泡养护而制成,其具有轻质、隔热、防火性能好等优点,广泛应用于建筑材料中[28]。

倪坤等[29]以煤矸石为主要原料,辅以胶凝材料、水、动物蛋白复合发泡剂和减水剂,随着煤矸石粒径的增大和掺入量的增加,材料的力学强度降低,但是煤矸石大粒径的颗粒,对样品断裂面有一定的增强作用,随着煤矸石粒径的增大而软化系数逐渐减小。Wang[30]等以煤矸石和铁矿尾矿为主要原料,研究了煅烧煤矸石的最佳热活化温度和活化机理、材料组成、煅烧温度及水化产物组成进行了分析。结果表明,煤矸石的煅烧温度最佳约为600℃,泡沫混凝土试样的密度约为609 kg/m3,抗压强度为3.68 MPa,满足GB/T 11969-2008对泡沫混凝土试样A3.5、B06级的要求。煤矸石制备泡沫混凝土有着固废循环利用、节约能源和减少废物储存量等特点。一般情况下首先要对煤矸石进行活化处理,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,研制出高强度、轻量化的微晶玻璃。使用75%的煤矸石,其力学性能最佳。烧结温度为1 370℃时,莫来石和尖晶石成为主要晶相,从而实现了高强度、低吸水率和低密度的烧结微晶玻璃。通过TiO2、Zn O 和白云石共掺入可使莫来石和尖晶石棒状晶相完全形核和外延生长,其强度高达187.67 MPa,密度为1.83 g/cm3,吸水率为0。Liu等[32]采用常规熔融淬火和两步热处理的方法,制备了含55%钢渣和45%煤矸石的微晶玻璃。样品以辉石相为主,结晶度约94%。当热处理温度为750℃/6 h+900℃/2 h时,制备的玻璃陶瓷抗弯强度最佳达到328 MPa,维氏硬度为9.59 GPa。微晶玻璃对重金属离子的固定化效率几乎达到90%以上。上述研究表明,利用固体废弃物制备微晶玻璃可能是实现重金属离子固定化的可行途径,所制备的微晶玻璃可作为支撑剂、烹饪陶瓷、建筑材料等轻质材料。

1.5 新型墙体材料

煤矸石中含有大量有价值的矿物资源,如SiO2、Al2O3、Fe2O3、CaO 等氧化物,可作为陶瓷原料。近年来,许多研究人员关注煤矸石的替代利用,以制备陶瓷材料等高附加值产品,煤矸石可以制备发泡陶瓷新型墙体材料,冯荣等[33]以煤矸石为主要原料,加入部分废瓷粉和废玻璃粉制备发泡陶瓷,煤矸石的加入量为70%以上,产品性能导热系数≤0.1 W/m·K,抗压强度≥4.2 MPa。煤矸石的高掺入量,实现了煤矸石的资源化利用。张会等[34]以煤矸石和滑石为主要原料,采用干压成形方式制备发泡陶瓷,研究在不同温度下产品的主晶相,在1 350℃生成了堇青石相,堇青石发泡陶瓷显气孔率和吸水率最小,分别为72.24%和90.45%,体积密度最大为0.78 g/cm3,堇青石相产品性能优于其他晶相产品。

利用煤矸石制备发泡陶瓷实现了煤矸石的高附加值应用,煤矸石的高掺入量消纳了大量的煤矸石,不仅保护环境,还实现煤矸石变废为宝。发泡陶瓷具有密度小、强度高、低导热、防火等级为A1级,是一种优良的墙体材料,可应用于绿色装配式建筑领域,具有广阔的应用前景。

2 结论与展望

煤矸石作为制备建筑用砖、水泥、砂浆混凝土等传统的大宗建筑材料生产的主要原料,现已经发展达到一定的规模。受物流运输成本等因素的限制影响,目前产业链相对较为完善成熟的传统建材行业面临着低附加值、使用市场区域较窄等问题。新型墙体材料的出现,实现了煤矸石的高掺量和高值化利用,为了推动煤炭产业发展,就要使得煤矸石向减量化、无害化、资源化目标方向发展,就要进行高附加值的新型绿色建材的技术开发和应用,这将会是煤矸石制备建筑材料未来发展的主要方向。