煤矸石/粉煤灰制备免烧砖的研究

□□ 王超男，王 遥，姜 威

(山西工程技术学院，山西 阳泉 045000)

引言

煤矸石是在煤炭开采过程中同时产生的岩石统称，据统计，开采1 t煤炭大约会产生0.2 t煤矸石。目前，全球对煤炭的开采量非常大，每年约为数十亿t。粉煤灰为火力发电厂燃煤锅炉随烟气排放出的固体废弃物，我国目前发电量的一半以上是采用煤炭发电，在这个过程中产生了数量巨大的粉煤灰。煤矸石和粉煤灰大量堆积，不仅占用土地，而且对环境造成巨大污染，将这些固体废弃物用于生产砌块砖等建筑产品，可以有效解决煤矸石、粉煤灰堆积引起的环境和生态问题，还可降低建材行业对天然原料的需求量，降低了成本。

1 煤矸石/粉煤灰的成分及危害

1.1 煤矸石

煤矸石是多种岩石与碳构成的混合物，以SiO2、Al2O3为主，除此之外还有少量Fe2O3、CaO、MgO、K2O及钛、钒、钴等稀有元素。矿物组成主要为石英、高岭石、菱铁矿、方解石、锐钛矿、黄铁矿、白云石等。不同的开采地区、不同的开采方式产生的煤矸石成分不同，常见的煤矸石化学成分见表1。

表1 煤矸石的化学成分 %

1.2 粉煤灰

煤炭所处的地区和年代差异会导致粉煤灰成分存在差异，我国粉煤灰的主要成分见表2。

表2 我国电厂粉煤灰的化学组成 %

1.3 煤矸石/粉煤灰的危害

预计到2020年，我国粉煤灰排放量将超过5亿t/年，然而其利用率却不到60%，煤矸石的产量如前所述，如此大量的煤矸石/粉煤灰如不能合理处理，不仅会侵占稀缺的土地面积，而且其中的有害成分可能会渗入地下水，污染当地水源，对当地环境和人们的正常饮用水安全及健康构成威胁。与此同时，其中易挥发的有害成分还会对大气造成污染，对环境的危害巨大。

2 煤矸石/粉煤灰免烧砖制备工艺

免烧砖是未经过烧结的砖，是一类以劣质黏土、砂土、炉渣、粉煤灰、煤矸石等为原料，再加入少许水泥、石灰、砂子等胶结材料，经过搅拌后压制成型，然后自然养护一段时间形成的一种新型墙体材料。免烧砖生产过程中的耗能量仅为烧结黏土砖的一半，成本低廉，符合节能减排的发展理念。

2.1 原料及添加剂

2.1.1 原材料的处理

煤矸石和粉煤灰需要进行预处理。首先是除杂，之后进行研磨，达到合适的粒径后再投入使用。另外，煤矸石和粉煤灰颗粒的大小决定了免烧砖生产时是否需要加入额外的颗粒状骨料。在废渣制备免烧砖过程中，掺入适量颗粒级配合理的骨料，可以有效地防止砖的分层，减少砖的收缩，增加砖的密度，提高其耐久性，降低成本。同时煤矸石/粉煤灰中SiO2的含量对砖的强度影响很大，SiO2含量越高，砖相对强度就越大，但如果SiO2含量过高，会影响砖的可塑性，并易产生裂缝，因此，SiO2含量一般控制在70%左右。煤矸石和粉煤灰的含碳量及含水量也是需要考虑的因素，一般含碳量>10%的原料，可以用来制备免烧砖，含水率>30%的原料，需要通过蒸发、过滤等脱水处理。另外，煤矸石/粉煤灰中存在的CaO和MgO如果含量过高，会产生体积膨胀，需要控制CaO和MgO的含量。胡普华等[1]以粉煤灰为主料，掺入陶粒、膨胀珍珠岩、石粉等物质充当骨料，再在其中加入少量钙质原料和激发剂等制备出了强度等级≮MU10的免烧砖。

2.1.2 固化剂

所谓固化剂就是将分散状的各种原料利用物理或化学作用固结成具有一定强度的胶结材料，常用的固化剂有水泥、石灰和石膏等。

(1)水泥

水泥是目前最常用的胶结剂，一般情况下选用普通的硅酸盐水泥即可。经过多年生产实践，发现水泥加入量越大，制备出的免烧砖耐久性越好，但生产成本会增加。因此研究者们尝试将各种废渣混合使用或额外加入外加剂来降低水泥的用量。吴红等[2]利用六盘水矿区的劣质煤矸石为主料，加入一定量的矿渣和激发剂，先加压成型后再在120 ℃蒸汽下养护制得免烧砖。研究发现煤矸石为78%、矿渣为12%、水泥为10%、外加剂为0.05%，按此配比制得的煤矸石免烧砖其各项性能均满足国家标准要求。

(2)石灰

石灰经过熟化生成的Ca(OH)2在制备免烧砖时起到胶结剂和碱性激发剂等作用，钱觉时等[3]发现，生产工业废渣免烧砖时加入生石灰的效果比熟石灰好。但对于采用蒸压养护的砖来讲，加入熟石灰可以起到减化工艺、缩短时间、降低成本的作用。张淑坤等[4]采用煤矸石辅以水泥、砂子、生石灰和石膏等辅料，在自然养护下制备出免烧煤矸石路面砖，研究发现当水泥掺量为20%，煤矸石用量为50%，砂子用量为30%时制备的免烧砖可以达到路面砖一等品的要求。

(3)石膏

石膏在制备免烧砖时充当硫酸盐激发剂，可以和石灰产生协同效应，提高免烧砖的性能。

固化剂可以单独使用，也可以几种搭配使用，根据生产需要调整各种固化剂的比例，可制备出满足要求的免烧砖。

2.1.3 外加剂

在煤矸石/粉煤灰免烧砖制备过程中加入外加剂，可提高其各项性能指标。加入的外加剂不仅可以激发、催化、调节水泥水化物的反应速度，而且还可以改善其物化性质。常用的外加剂有减水剂、早强剂、抗冻剂等。加入一定量的减水剂可以改善料浆的流动性，减少拌合用水量，进而提高砖的密实度、强度等性能，常用的减水剂是木质素类减水剂。有研究者发现不同外加剂混合使用比单独使用一种的效果更好。姚红兵[5]以粉煤灰、锰渣为主要原料，加入火山灰颗粒、水洗砂、石屑等，再配合少量激发剂制备出了轻质节能免烧砖，经过28 d的自然养护，强度等级达到MU10以上。陈泉[6]采用粉煤灰、水泥、石膏、石灰、镁渣等探究了在标准养护、蒸压养护及蒸养养护下制备的免烧砖的抗冻特性，研究发现蒸压养护下得到的免烧砖强度最高、抗冻性能最好。

2.2 免烧砖生产工艺

2.2.1 半干法压制成型与自然养护法

该工艺是将水泥与砂子等材料混合后在一定压力作用下成型，自然养护28 d即可制得产品，其产品质量可达到非烧结普通黏土砖的国家标准。大多数情况下，该工艺采用的都是60～70 t的转盘压砖机，压砖机采用油压式，工作时在上下两个面之间进行加压，设备简单，方便拆卸。

2.2.2 半干法压制成型与蒸压养护法

采用蒸压法养护的砖在成型过程中要求较为严格，需要在压力压制成型后静停6～10 h，以防止进入蒸压釜后砖坯中的水分和空气因快速升温产生快速膨胀，导致砖开裂。高压蒸汽养护中，需要根据实际需要调整蒸汽温度、压力及反应时间等参数来满足产品生产要求。

2.3 生产工艺流程

煤矸石/粉煤灰免烧砖生产工艺如图1所示。

图1 煤矸石/粉煤灰免烧砖生产工艺流程

3 免烧砖强度形成机理

免烧砖强度的来源大致有四个：物理机械作用、水化反应、颗粒表面的离子交换和团粒化作用、相间界面作用。

3.1 物理机械作用

料浆制备过程中的搅拌可以起到让原料充分混合促进反应的作用。在成型过程中通过外加力让各反应物之间紧密接触，加速了固体与固体之间的反应程度。因此，一般采用压力机成型，压力要求≮14 MPa。通过研究发现，随着成型压力的增加，免烧砖的强度提高，成型压力对免烧砖强度的影响远高于胶结剂和外加剂。

3.2 水化作用

胶凝材料是通过水化反应来提供免烧砖的强度，主要化学反应式为：

3CaO·SiO2+mH2O→xCaO·SiO2·yH2O+
(3-x)Ca(OH)2
2CaO·SiO2+nH2O→xCaO·SiO2·yH2O+
(2-x)Ca(OH)2
4CaO·Al2O3·Fe2O3+7H2O→3CaO·Al2O3·6H2O+
CaO·Fe2O3·H2O
CaO+H2O→Ca(OH)2

粉煤灰和煤矸石中含有大量活性SiO2和Al2O3，在外加剂的作用下与Ca(OH)2发生水化反应，生成水硬性产物，化学反应式为：

xCa(OH)2+SiO2+mH2O→xCaO·SiO2·nH2O

xCa(OH)2+Al2O3+mH2O→xCaO·Al2O3·nH2O

另外，Ca(OH)2吸收空气中的CO2生成CaCO3，化学反应式为：

Ca(OH)2+CO2→CaCO3+H2O

如果有石膏存在，化学反应式为：

xCaO·Al2O3·nH2O+CaSO4·2H2O→xCaO·Al2O3·
(n+2)H2O

3.3 颗粒表面的离子交换和团粒化作用

煤矸石/粉煤灰免烧砖颗粒物在水分子的作用下，表面形成公共的单层水化膜，带有水化膜的两个物料之间在公共水膜的作用下，化学键开始部分断裂，从而电离形成了胶体颗粒体系。胶体颗粒表面带有的负电荷能够等量吸附阳离子，而不同的阳离子可以和Ca2+进行等量的吸附和交换，这一过程改变了颗粒表面的带电状态，使颗粒聚集产生强度。

3.4 相间的界面反应

凝结硬化过程中存在液相、固相和气相之间多种复杂的化学反应。水泥的水化反应就是典型的液相和固相之间的反应；Ca(OH)2与CO2的反应属于气相与固相之间的反应。在两个相界面上气固反应不断深入，使免烧砖的强度不断增强。

4 结语

煤矸石/粉煤灰作为工业废弃物，产量巨大，价格低廉，将其用于制备免烧砖，不仅可以改善砖的性能，节约成本，还可以解决固体废弃物的排放问题。然而，煤矸石/粉煤灰的开发利用需要遵循“物尽其用，就地取材”的原则，根据不同地区、不同组成来区别利用，在使用过程中要考虑二者的种类、粒径、用量、级配等。