全煤矸石烧结砖物化性能分析评价

杨凡燕，马彦斌，薛俊辉，马 程，王佳丽，王 莹

（宁夏基础地质调查院，宁夏银川 750021）

煤矸石是煤炭生产、加工过程中产生的固体废物，其产生量占原煤产量的10%～25%[1]。目前，我国煤矸石累计积存量将近70×108t，占地1.5 万公顷[2]。这不但浪费了土地资源，而且其中的有害元素会污染水资源及土壤环境[2-4]。随着人们对环境保护意识的日益加强，如何提高煤矸石的综合利用率、减少煤矸石引发的环境问题，引起了很多学者的重视。

目前为止，我国对煤矸石应用最广泛的途径是制作建筑材料[5]，利用其部分或全部代替黏土生产烧结砖已成为煤矸石综合利用的主攻方向之一[6-8]。研究表明，煤矸石的成分常因地质条件的不同而有所区别[9]，进而对煤矸石烧结砖的质量产生不同程度的影响。GB/T 29163—2012《煤矸石利用技术导则》中明确要求生产烧结砖用煤矸石的SiO2及Al2O3含量通常控制在55%～70%及15%～25%。工程实践表明，其中所含的Fe2O3含量应控制在2.00%～8.00%，CaO 含量不超过2.00%，MgO 含量应小于3.00%，以上成分含量过高会对成品砖的品质造成影响。如煤矸石中CaO 含量较高时，易产生石灰爆裂引起体积膨胀而破坏产品[10]。

区域地质资料表明，宁夏王洼煤矿煤矸石主要为泥岩及粉砂岩，矿物组成以黏土矿物及石英为主，化学成分以SiO2及Al2O3为主，符合煤矸石烧结砖的要求。彭阳县鑫卓能源科技发展有限公司利用该矿煤矸石烧结多孔砖已形成一定规模，每年消化煤矸石（30～50）×104t，年制砖量可达7 000 万块。但该矿煤矸石因CaO含量超标常导致砖体爆裂，严重影响烧结砖的质量及商业价值。本文借助偏光显微镜及X 射线荧光光谱仪等实验方法，对该矿区煤矸石的性质进行了系统的研究，厘清了该制砖厂煤矸石的矿物组成及化学成分。并尝试通过改变颗粒级配的方式，以期能改善石灰爆裂问题及提高成品砖的其他物理性能。

1 样品的采集

本文在采样时严格遵循了科学的采样原则，根据煤矸石堆大小及形状合理布置采样点。化学分析样品采集时先用铁锹去除表面风化淋滤的表面样，然后攫取比较新鲜的岩石样品。岩矿鉴定样品选择最具代表性的新鲜、完整、质地均匀的块状岩石，以满足磨制薄片的需要。本次采集化学分析样品20 件，岩矿鉴定样品10 件。

2 测试方法

采用型号为Axio Scope A1 的蔡司偏光显微镜对煤矸石样品的岩石结构构造、矿物组成、各矿物嵌布特征及岩石类型等进行分析鉴定。鉴定过程中根据矿物的实际大小情况采用不同镜头倍数及光圈数值观察。

采用型号为ZSX PrimusⅡ的X 射线荧光光谱仪对样品的化学成分进行测定，测试条件：4.0 kW 端窗铑靶X 射线管，真空光路，视野光栏φ30 mm，超薄铍窗30 μm，衰减器为1/1。

3 结果与分析

3.1 偏光显微镜观察分析

本文通过对10 件煤矸石薄片镜下观察发现，王洼煤矿煤矸石主要为炭质泥质粉砂岩（图1a、1b）及炭质绢云千枚岩（图1c），次要为长石石英砂岩（图1d）。其中，炭质泥质粉砂岩具粉砂状结构，矿物组成以粉砂质的石英及黏土矿物为主，含量分别可达55%及25%左右，次要矿物为粉砂质长石及炭质，含量分别约为5%及5%～10%，偶见少量黄铁矿；炭质绢云千枚岩具变余显微鳞片状结构，矿物组成以黏土矿物及炭质为主，含量分别在60%及30%左右，含少量石英、长石及黄铁矿，三者含量约10%；长石石英砂岩具中细粒砂状结构，主要由石英及长石组成，二者含量可达75%以上，次要为泥质及方解石，含量分别约为15%及5%。

图1 显微照片

综合以上观察发现，该矿区煤矸石主要矿物组成是黏土矿物、石英及炭质，黏土矿物及石英是生产烧结砖的必需成分[9]，炭质的存在可有效减少烧砖过程中煤炭的消耗量。但其中含有的少量方解石在某些条件下不利于制砖。

3.2 化学成分分析

本文将采集的20 件样品分别混匀粉碎至200 目后进行了X 射线荧光光谱分析，分析结果见表1。由表1 可知，该区每件煤矸石样品的SiO2含量均在55.00%以上，平均含量可达58.91%，Al2O3含量均大于15.00%，平均含量为18.53%，Fe2O3平均含量为2.90%，MgO 平均含量为0.68%，含量均在要求范围内。CaO 平均含量为2.70%，略高于前人研究的推荐值，易使成品砖出现石灰爆裂问题。针对以上问题，前人研究发现一般可通过改变原料的颗粒大小加以改善[11]。

表1 X 射线荧光光谱分析结果

3.3 颗粒级配实验

在实际生产中，原料的颗粒级配不仅影响原料的可塑性、制品强度及抗冻性能等[12]，也能有效降低原料中有害元素CaO 含量过高对成品砖造成的影响[11]。基于此，本文将王洼煤矿制砖原料进行了5 次颗粒级配实验后按该制砖厂生产流程烧制成砖。不同的级配方案见表2，1 号为该厂原料各粒度占比，2～5 号为不同的颗粒级配后各粒度占比。

表2 6 种不同颗粒级配不同粒度占比 单位：%

3.4 物理性能测试

物理性能测试是判断砖品质是否符合建筑用砖的有效手段，本文为解决王洼煤矿因存在一定的有害成分而对砖造成的影响进行了颗粒级配实验，并对该矿煤矸石原料经过颗粒级配后的5 种成品砖与原砖的石灰爆裂、抗折强度、抗压强度等指标进行了物理性能测试。依据标准为GB/T 2542—2012《砌墙砖试验方法》。

3.4.1 试样的石灰爆裂 多年的生产和研究证明，高质量的烧结制品要求严格控制原料化学成分中产生石灰爆裂的CaO 含量[13]。本文对6 种不同颗粒级配的试样进行了石灰爆裂实验，每种颗粒级配分别测试了5块不同的样品砖，测试平均结果见表3。

表3 6 种不同颗粒级配试样砖石灰爆裂及泛霜实验结果统计表

通过实验可知，6 种不同颗粒级配试样的砖体爆裂现象有较明显的差别。原1 号砖共6 处爆裂点，2 号砖共8 处爆裂裂点，3 号砖共6 处爆裂点，4 号砖共4处爆裂点，5 号、6 号砖体爆裂点较少，仅在少量面上见1 mm 的爆裂点2 处。通过对比发现，原1 号砖的爆裂点较大，石灰爆裂现象较明显，当2 号砖在同时增大最大颗粒占比且减少最小颗粒占比时，石灰爆裂情况更严重，而当5 号砖原料中小于0.4 mm 的粒度占比大于60%时，石灰爆裂现象已基本解决，且逐渐趋于稳定。故可知原料中CaO 造成的砖体爆裂可根据改变颗粒大小而进行调整及改善，颗粒越细，烧成制品性能越好。

3.4.2 试样的常温抗折、抗压强度 6 种不同颗粒级配的试样在烧成后的常温抗折、抗压强度见图2。从图2 可以看出，原1 号砖抗折强度小于2.00 MPa，2～5 号不同颗粒级配的试样砖抗折强度随着粗颗粒占比的减少及细颗粒占比的增加具有逐渐增高的趋势，当6号砖小于0.4 mm 的细颗粒占比增加到65.0%时，抗折强度可达到3.48 MPa。6 种试样砖的抗压强度均在20.0 MPa 以上，2 号颗粒级配制成的烧结砖抗压强度最小，为20.9 MPa，5 号到6 号砖随着颗粒级配的改变，抗压强度有较显著的增大，可达22.6 MPa。根据GB/T 13544—2011《烧结多孔砖和多孔砌块》中强度等级的要求，6 种试样砖在原料最大粒度小于1.2 mm时，制备的烧结砖强度等级为MU20，均符合承重砖的强度要求，但随着细粉料的增加，烧结砖的强度普遍有增大的趋势。这是由于胚体在加热时粗颗粒很大程度上在细颗粒转变和胚体开始烧结之后才发生转变，粗颗粒在转变过程中会导致胚体松散和开裂[14]。而细颗粒多处于粗颗粒堆积的缝隙中，在不改变温度的情况下，细颗粒含量越多，比表面积越大，颗粒间的接触更好，更易发生相互间的反应，对外力的传递作用变好，砖坯受力更均匀，结构更稳定，其在转变时产生的膨胀对胚体的影响更小，砖的烧结能力就会大大加强，砖体的强度也会相应增高[15]。

图2 不同试样抗折、抗压强度对比图

综上可知，王洼煤矿煤矸石在一定的条件下烧制成的多孔砖，各项指标均能达到建筑使用的要求。细料颗粒的比例增大，有助于提高多孔砖的抗折、抗压强度并对有害杂质如方解石等成分起到分散作用，有效防止了砖体爆裂现象的发生。根据对6 种试样烧结砖的综合性能检测结果对比分析判定，在提高1.0～1.2 mm颗粒占比，降低小于0.4 mm 细颗粒占比的情况下，烧结砖的石灰爆裂现象最严重且其他各项物性指标最差，在1.0～1.2 mm 粗颗粒与原配比相近，降低小于0.4 mm细颗粒占比时，石灰爆裂现象也没有得到很好的改善，各项指标也没有原配比的好，只有同时降低1.0～1.2 mm粗颗粒占比且增加细颗粒占比到一定含量时，石灰爆裂现象才会有明显改善，各项指标效果才能达到最好。故针对该厂烧制的煤矸石多孔砖存在的石灰爆裂问题，在控制成本最低的情况下，要想很好的改善该厂成品砖石灰爆裂现象，建议颗粒级配的最优方案为1.0～1.2 mm 的颗粒占比小于2.0%、0.4～1.0 mm 的颗粒占比在35.0%～40.0%，小于0.4 mm 的颗粒占比在60.0%以上。

4 结论

（1）王洼煤矿煤矸石的主要矿物组成为石英、黏土矿物及炭质，三者是烧结砖的必需成分，含有少量的方解石不利于制砖。

（2）王洼煤矿煤矸石的化学成分以SiO2及Al2O3为主，二者含量为58.91%及18.53%，次要成分为CaO、MgO 及Fe2O3。其中，CaO 的含量为2.70%，超出制砖推荐值，易使成品砖出现石灰爆裂问题。

（3）最优的烧结砖颗粒级配方案为1.0～1.2 mm 的颗粒占比小于2.0%、0.4～1.0 mm 的颗粒占比在35.0%～40.0%、小于0.4 mm 的颗粒占比在60.0%以上时，石灰爆裂现象会有明显改善，并且随着细颗粒粉料的增加，有助于提高制品的抗折、抗压强度。