利用煤矸石研發(fā)鋼結(jié)構(gòu)住宅配套墻板的可行性分析

雷宏剛，閆亞杰

（太原理工大學(xué) 建筑與土木工程學(xué)院，太原 030024)

在倡導(dǎo)建筑節(jié)能、綠色建筑以及可持續(xù)發(fā)展理念的今天，建設(shè)部明文規(guī)定截止2010年底全國(guó)禁用實(shí)心黏土磚，量大面廣的磚混結(jié)構(gòu)住宅將退出住宅承重結(jié)構(gòu)的領(lǐng)域。鋼結(jié)構(gòu)以其強(qiáng)度高、自重輕、抗震性能好、施工速度快、工業(yè)化程度高等一系列優(yōu)點(diǎn)，成為國(guó)家政策［1］大力推廣的住宅結(jié)構(gòu)體系，必將有廣闊的發(fā)展空間。

自2001年以來，鋼結(jié)構(gòu)住宅雖然在全國(guó)已有示范工程，但未能推廣普及。國(guó)內(nèi)專家學(xué)者已對(duì)鋼結(jié)構(gòu)承重體系開展了廣泛研究［1-8］，承重體系的研究較為成熟，相應(yīng)的結(jié)構(gòu)體系已有部分試點(diǎn)工程［9-10］。相對(duì)于鋼結(jié)構(gòu)住宅的承重結(jié)構(gòu)體系而言，與其配套墻板的研究相對(duì)滯后。國(guó)內(nèi)目前應(yīng)用于鋼結(jié)構(gòu)住宅的墻體材料主要有：ALC板、GRC板、LCC系列輕質(zhì)保溫復(fù)合墻板、稻草板等。上述板材尚存在造價(jià)高、耐久性差、連接不方便等問題，其推廣應(yīng)用受到很大制約。

因此，筆者圍繞利用我國(guó)“資源豐富”的煤矸石為主要原料，重點(diǎn)研究制約鋼結(jié)構(gòu)住宅推廣應(yīng)用的圍護(hù)板系（外墻板和內(nèi)墻板)。

1 煤矸石的現(xiàn)狀

2010年發(fā)布的《第一次全國(guó)污染源普查公報(bào)》顯示：我國(guó)工業(yè)固體廢棄物產(chǎn)生總量38.52億t，年均增加12.4%，即每年新增近7億t廢棄物需要尋找堆存空間。對(duì)于工業(yè)固體廢棄物，其中煤矸石約占產(chǎn)生總量的70%以上。每年我國(guó)煤矸石的排放量相當(dāng)于當(dāng)年煤炭產(chǎn)量的10%左右，目前占地約1.2萬hm2，是我國(guó)排放量最大的工業(yè)固體廢棄物之一。中國(guó)是一個(gè)耕地資源非常緊缺的國(guó)家，以占世界7%的耕地養(yǎng)育著占22%的世界人口，2007年我國(guó)人均耕地僅為世界平均水平的40%，有些地區(qū)人均耕地已經(jīng)突破國(guó)際公認(rèn)的人均耕地警戒線標(biāo)準(zhǔn)。隨著對(duì)能源需求的擴(kuò)大以及煤炭生產(chǎn)的高速增長(zhǎng)，如果不能有效將煤矸石加以利用，其占用土地的數(shù)量必將與日俱增，這對(duì)本來就人多地少的中國(guó)而言，無疑是雪上加霜。

煤矸石棄置不用，除占用大片土地外，煤矸石中的硫化物逸出或浸出會(huì)污染大氣、農(nóng)田和水體。矸石山還會(huì)自燃發(fā)生火災(zāi)，或在雨季崩塌，淤塞河流造成災(zāi)害。因此對(duì)煤矸石的合理利用及無害化處理迫在眉睫，如山西、內(nèi)蒙古、新疆等出煤大省。

為此，各級(jí)政府及相關(guān)機(jī)構(gòu)鼓勵(lì)開拓煤矸石利用的新途徑，消化“與日俱增”的煤矸石。煤矸石的綜合利用途徑主要有：利用煤矸石發(fā)電、生產(chǎn)建筑材料、回收有益礦產(chǎn)品、制取化工產(chǎn)品、改良土壤、生產(chǎn)肥料、回填（包括建筑回填、填低洼地和荒地、充填礦井采空區(qū)、煤礦塌陷區(qū)復(fù)墾)、筑路等。然而目前我們對(duì)煤矸石的資源化利用方式主要為發(fā)電、制磚和生產(chǎn)水泥建材、化工生產(chǎn)原料等有限的幾種模式，利用率不足30%。其中利用煤矸石生產(chǎn)建筑材料——以煤矸石、粉煤灰、工業(yè)廢渣為原料的新型水泥和新型墻體材料，國(guó)內(nèi)研究較為成熟，如采用煤矸石生產(chǎn)空心磚［11-17］、水泥［18］，配制混凝土［18-21］、砂漿［22-26］等。利用煤矸石燒制磚或砌塊研究較為成熟，工程應(yīng)用較多［27-31］。采用煤矸石磚或砌塊砌筑建筑墻體，工地現(xiàn)場(chǎng)濕作業(yè)，勞動(dòng)強(qiáng)度大，施工效率低，對(duì)鋼結(jié)構(gòu)住宅而言并非理想墻體材料。如果能研發(fā)煤矸石墻板——具有造價(jià)低、自重輕、可裝配性及多功能（節(jié)能、隔聲、防火、耐久)等諸多優(yōu)點(diǎn)，將會(huì)降低結(jié)構(gòu)自重，縮短工程工期，大幅度提高煤矸石在建筑行業(yè)中的資源化利用率。

2 煤矸石的化學(xué)成分及相關(guān)性能

煤矸石是一種在成煤過程中與煤層伴生的一種含碳量較低、比煤堅(jiān)硬的黑灰色巖石，在煤礦建井、開采掘進(jìn)及洗選過程中排出。根據(jù)煤矸石的來源劃分，可分為自燃煤矸石和非自然煤矸石兩大類，對(duì)于非自然煤矸石又可分為：煤巷矸，巖巷矸，手選矸，剝離矸和洗矸。煤矸石作為生產(chǎn)墻板的主要原料，直接影響煤矸石墻板綜合性能的主要因素——煤矸石的化學(xué)成分（活性成分、含碳量、燃燒值等)與基本性能（容重、吸水性、強(qiáng)度等)。

2.1 煤矸石的化學(xué)成份

矸石因其所在煤層的地質(zhì)年代、產(chǎn)生途徑（坑采、露采、洗煤等)的不同，其化學(xué)組分波動(dòng)較大，即使是同一礦區(qū)煤矸石的組分也會(huì)出現(xiàn)明顯差異。通過對(duì)我國(guó)部分礦區(qū)煤矸石的化學(xué)成分的整理分析，煤矸石的化學(xué)成分見表1。

表1 煤矸石的化學(xué)成分

煤矸石中SiO2，Al2O3，F(xiàn)e2O3的總含量（質(zhì)量分?jǐn)?shù))在80%以上，它們是天然的黏土質(zhì)原料，具有火山灰活性或化學(xué)活性，可以用來燒制水泥、制備砂漿、混凝土等建筑材料。了解SiO2，Al2O3，F(xiàn)e2O3的含量，對(duì)煤矸石的利用起決定作用。我國(guó)大部分地區(qū)的煤矸石硫的質(zhì)量分?jǐn)?shù)比較低，一般低于1%，但也有硫的含量偏高的個(gè)例，如貴州六枝礦、內(nèi)蒙烏達(dá)礦、江西豐城礦等，硫含量甚至高達(dá)19%，并多數(shù)以黃鐵礦形式存在，該類煤矸石應(yīng)先回收硫鐵礦，再作他用。以碳質(zhì)頁巖、泥巖為主的煤矸石，SiO2的質(zhì)量分?jǐn)?shù)可高達(dá)65%左右，如四川廣元唐家河煤礦煤矸石，應(yīng)優(yōu)先考慮生產(chǎn)水玻璃。煤矸石以鋁質(zhì)巖類為主時(shí)，Al2O3的質(zhì)量分?jǐn)?shù)可達(dá)40%左右，其礦物成分以高嶺石為主，如山西大同高嶺石煤矸石，應(yīng)優(yōu)先考慮生產(chǎn)鋁系產(chǎn)品。在生產(chǎn)煤矸石建筑材料時(shí)，根據(jù)煤矸石的化學(xué)成分，主要是SiO2，Al2O3，F(xiàn)e2O3等的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，研究煤矸石的最佳摻量，同時(shí)確定相關(guān)輔助原料的種類與摻量。

2.2 煤矸石的相關(guān)性能

1)堆積密度。通常煤矸石的堆積密度為1200～1800kg／m3，由于煤矸石經(jīng)過自燃后結(jié)構(gòu)疏松，孔隙率增大，堆積密度為600～900kg／m3，低于非自燃煤矸石的堆積密度。從中得到啟發(fā)，通過燒制煤矸石或利用自燃煤矸石生產(chǎn)輕質(zhì)建筑材料。

2)吸水性。煤矸石的吸水率通常為2.0%～6.0%，而自燃煤矸石吸水率為3.0%～12.0%。由于煤矸石經(jīng)過自燃后，部分煤矸石在轉(zhuǎn)變?yōu)樘樟＿^程中膨脹過度，燃燒產(chǎn)生的氣體沖破陶粒外殼，開口氣孔率高，導(dǎo)致吸水率增大。用作建筑材料，吸水率過大會(huì)導(dǎo)致建筑材料性能降低。在利用煤矸石時(shí)，應(yīng)對(duì)其吸水率加以限制。

3)強(qiáng)度。煤矸石用作建筑材料，其強(qiáng)度是衡量其性能的一項(xiàng)重要指標(biāo)。因煤矸石的巖石種類及其風(fēng)化程度不同，導(dǎo)致煤矸石強(qiáng)度差異較大。通常未風(fēng)化的煤矸石抗壓強(qiáng)度為可達(dá)40MPa以上，是較好的混凝土粗骨料。

3 煤矸石陶粒

國(guó)外自上世紀(jì)五十年代就開始研究和生產(chǎn)煤矸石陶粒，主要國(guó)家有前蘇聯(lián)、波蘭、英國(guó)、原西德、美國(guó)、比利時(shí)、法國(guó)等國(guó)家，生產(chǎn)方法主要有回轉(zhuǎn)窯法和燒結(jié)機(jī)法。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，在上世紀(jì)七十年代國(guó)外煤矸石陶粒平均年產(chǎn)量約300萬m3，法國(guó)和比利時(shí)曾分別生產(chǎn)出堆積密度350kg／m3，和450kg／m3的超輕陶粒和550kg／m3的高強(qiáng)陶粒，顆粒呈圓球型，吸水率低于12%。我國(guó)研制煤矸石陶粒自二十世紀(jì)七十年代起，最早在1972年，由大慶龍風(fēng)四公司研制成尾礦粉煤矸石陶粒（尾礦粉與煤矸石各占一半摻量)，堆積密度365～727kg／m3，科研水平領(lǐng)先。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)現(xiàn)有堆積的煤矸石中有40%左右適合于燒制輕集料——煤矸石陶粒。國(guó)內(nèi)已有研究人員［32-33］探索出利用特定煤矸石資源，燒制輕質(zhì)高強(qiáng)煤矸石陶粒的最佳工藝參數(shù)。該類陶粒密度小，內(nèi)部多孔，形態(tài)、成分較均一，且具一定強(qiáng)度和堅(jiān)固性，因而具有質(zhì)輕、耐腐蝕、抗凍、抗震和良好的隔絕性（保溫、隔熱、隔音、隔潮)等多功能特點(diǎn)，是一種輕質(zhì)和具有良好保溫性能的新型建筑材料。

3.1 煤矸石陶粒燒制

根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，煤矸石陶粒的生產(chǎn)方法主要有燒結(jié)機(jī)法和回轉(zhuǎn)窯法，具體如下。

1)燒結(jié)機(jī)法。將煤矸石經(jīng)均化、破碎、篩分后，直接布入燒結(jié)機(jī)點(diǎn)火、焙燒，此時(shí)得到的產(chǎn)品為多孔型燒結(jié)塊料，經(jīng)破碎、篩分后，分為不同粒級(jí)的燒結(jié)、多孔型陶粒。燒結(jié)機(jī)法的主要優(yōu)點(diǎn)是對(duì)煤矸石的要求相對(duì)較低，能耗和生產(chǎn)成本較低，陶粒的堆積密度650～800kg／m3。主要缺點(diǎn)是多孔型燒結(jié)塊內(nèi)的氣孔大小相差很大，分布不均勻，經(jīng)破碎后陶粒的開口或氣孔率高，導(dǎo)致吸水率達(dá)30%～40%，遠(yuǎn)高于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。因此，目前采用燒結(jié)機(jī)法生產(chǎn)陶粒較少。

2)回轉(zhuǎn)窯法。選取合格的煤矸石（主要是化學(xué)成分、含碳量等指標(biāo))，經(jīng)均化、破碎、粉磨后導(dǎo)入中間儲(chǔ)倉(cāng)，倉(cāng)底配料時(shí)添加少量外加劑（粉狀，膨脹性能好的煤矸石也可不配加外加劑)，經(jīng)預(yù)濕、攪拌后布入制粒機(jī)（圓盤成球機(jī)或擠出制粒機(jī)等)，生料球直接導(dǎo)入雙筒回轉(zhuǎn)窯干燥、預(yù)熱、焙燒，窯頭送出圓球形、表面玻陶體較好的陶粒?；剞D(zhuǎn)窯法的主要優(yōu)點(diǎn)是產(chǎn)品質(zhì)量好，陶粒內(nèi)氣孔大小差別較小、分布均勻，經(jīng)調(diào)整配方和焙燒溫度、時(shí)間，可生產(chǎn)超輕陶粒、普通陶粒和高強(qiáng)陶粒。主要缺點(diǎn)是生產(chǎn)過程能耗較大，生產(chǎn)成本比燒結(jié)機(jī)法高約20%～30%。但因陶粒性能優(yōu)勢(shì)和適應(yīng)市場(chǎng)需求能力強(qiáng)，回轉(zhuǎn)窯法已成為世界生產(chǎn)煤矸石陶粒的主流。

3.2 影響煤矸石陶粒質(zhì)量的因素

1)煤矸石的均化處理。我國(guó)現(xiàn)有的煤矸石山都是煤礦開采過程中，將不同時(shí)期、礦井不同部位所得煤矸石混堆存放；即便是同一座煤矸石山，在其不同部位取樣，煤矸石的礦物組成和化學(xué)成分都有較大差別。而對(duì)于煤矸石中不同類型的原巖，在焙燒時(shí)其膨脹性能差別很大，如原巖中細(xì)砂巖和粗粉砂巖膨脹較好，火成巖不膨脹。

因此，為保證煤矸石陶粒正常生產(chǎn)，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定，在煤矸石陶粒生產(chǎn)線應(yīng)增設(shè)煤矸石均化處理環(huán)節(jié)。

2)煤矸石的含碳量。研究表明［34］，陶粒經(jīng)焙燒引起膨脹需同時(shí)具備兩個(gè)條件：

a.在高溫下形成具有一定黏度的熔融物；

b.當(dāng)原料達(dá)到一定黏稠狀態(tài)時(shí)，內(nèi)部產(chǎn)生足夠的氣體。只有同時(shí)具備上述兩個(gè)條件，才可能獲得膨脹良好、均質(zhì)多孔的陶粒。

在陶粒燒制過程中，含碳量過高不利于陶粒的膨脹，容易造成陶粒表面黏度較小，內(nèi)部黏度過大，只在熔化好的表面薄層中產(chǎn)生少量氣孔，而內(nèi)部密實(shí)、黑心、無氣孔。但在陶粒膨化過程中，碳又不能完全除盡，需要在陶粒熔融達(dá)到一定黏度時(shí)，產(chǎn)生足夠的氣體——CO2等。摻加一定量的頁巖能有效降低原料的碳含量，有利于陶粒在焙燒階段的膨脹。在高溫條件下，由于陶粒內(nèi)部殘余碳的作用，其表面是氧化氣氛，內(nèi)部形成一定的還原氣氛，使得表面黏度稍大，內(nèi)部黏度稍小，有利于陶粒的膨化，降低了陶粒的焙燒溫度，同時(shí)增加了膨脹性能。

3.3 發(fā)泡劑等輔料的添加

完全采用煤矸石制備的陶粒堆積密度1000 kg／m3，產(chǎn)品色淺，表殼厚，膨脹不夠，黑心現(xiàn)象嚴(yán)重，不能滿足建筑陶粒的技術(shù)要求，這與煤矸石含碳量過高導(dǎo)致陶粒燒脹性較差有關(guān)，所以需要加入其它輔料。在原料中加入發(fā)泡劑后制備的陶粒的堆積密度明顯減小。在相同的試驗(yàn)條件下，隨著發(fā)泡劑含量的增加，產(chǎn)品的堆積密度也相應(yīng)降低，研究表明［35］在發(fā)泡劑加入2.0% 時(shí)其堆積密度沒有明顯的變化。

按國(guó)內(nèi)外成熟經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)生產(chǎn)陶粒原料中的C和Fe2O的比例約為0.2（質(zhì)量比)時(shí)，燒制陶粒的性能最佳。我國(guó)多數(shù)地區(qū)的非自燃煤矸石的含碳量高達(dá)2.5%～7.5%，自燃煤矸石的含碳量為0.8%～2.0%。因此，自燃煤矸石比較適用于生產(chǎn)陶粒。當(dāng)原料中含碳量不足，可適量摻加部分非（或半非)自燃煤矸石；當(dāng)含碳量偏高，應(yīng)摻加部分含碳量較低的輔助原料（淤泥、頁巖、粉煤灰等)。若原料中Fe2O的含量不足，可適當(dāng)添加含F(xiàn)e2O的工業(yè)廢渣。

3.4 煤矸石陶粒的性能指標(biāo)

作為生產(chǎn)鋼結(jié)構(gòu)住宅配套煤矸石陶粒墻板而言，對(duì)陶粒的主要性能指標(biāo)有粒徑、堆積密度、筒壓強(qiáng)度及吸水率，具體要求為：粒徑20mm；堆積密度為500～900kg／m3；筒壓強(qiáng)度≥6.0MPa；吸水率≤10%.

滿足上述性能指標(biāo)要求的煤矸石陶?？捎糜阡摻Y(jié)構(gòu)住宅配套墻板的生產(chǎn)，為確保墻板的輕質(zhì)、節(jié)能、隔聲、防火、耐久等諸項(xiàng)性能提供基礎(chǔ)。

4 鋼結(jié)構(gòu)住宅配套煤矸石陶粒墻板

在鋼結(jié)構(gòu)住宅中，配套墻板除滿足承載力、保溫、隔聲、耐久性等基本性能要求之外，還應(yīng)具有輕質(zhì)、外掛（外墻)或內(nèi)嵌（內(nèi)隔墻)安裝、可裝配等要求。

適用于鋼結(jié)構(gòu)住宅預(yù)制墻板寬度600mm，厚度分別為100mm，150mm，200mm，長(zhǎng)度分別為3，4.5，6，7.5m。內(nèi)墻板擬采用厚度為100mm 和150mm；外墻板根據(jù)保溫、隔聲等使用要求選用板厚。當(dāng)板厚為100mm時(shí)，通常采用單筋模式配筋，其余板厚應(yīng)采用雙筋模式配筋。

煤矸石外墻板、內(nèi)墻板應(yīng)滿足受力及連接承載力要求。煤矸石陶粒墻板與鋼結(jié)構(gòu)的連接，可利用現(xiàn)有型材——角鋼、扁鋼、鋼筋等，設(shè)計(jì)專用預(yù)埋件，實(shí)現(xiàn)墻板的裝配化。作為鋼結(jié)構(gòu)住宅中使用的煤矸石陶粒墻板的主要性能指標(biāo)如下：

1)導(dǎo)熱系數(shù)。外墻板的導(dǎo)熱系數(shù)不大于0.13 W／（m·K)，內(nèi)墻板的導(dǎo)熱系數(shù)不大于0.15W／（m·K)

2)隔聲量。外墻板及分戶隔墻的隔聲量不小于50dB，戶內(nèi)墻板的隔聲量不小于40dB。

3)耐火極限。對(duì)煤矸石外墻板、內(nèi)墻板進(jìn)行火災(zāi)試驗(yàn)，耐火極限達(dá)到一級(jí)耐火標(biāo)準(zhǔn)要求。

5 結(jié)論及建議

通過對(duì)煤矸石的化學(xué)成分、基本性能及其利用和發(fā)展現(xiàn)狀的分析，研究煤矸石陶粒的燒制及其影響因素的基礎(chǔ)上，得出以下結(jié)論及建議：

1)煤矸石燒制陶粒之前，可通過添加輔料，使得原料中的C和Fe2O的達(dá)到最佳比例質(zhì)量比約為1∶5，并進(jìn)行均化處理。在原料中加入發(fā)泡劑后可減小陶粒的堆積密度，但摻量不宜大于2.0%。

2)用于生產(chǎn)鋼結(jié)構(gòu)住宅配套墻板的煤矸石陶粒，主要性能指標(biāo)有粒徑≤20mm、堆積密度500～900kg／m3、筒壓強(qiáng)度≥6.0MPa及吸水率≤10%。

3)鋼結(jié)構(gòu)住宅配套墻板的耐火極限應(yīng)達(dá)到一級(jí)要求，隔聲量不小于50dB（外墻板及分戶隔墻)和40dB（戶內(nèi)墻板)，導(dǎo)熱系數(shù)不大于0.13W／（m·K)（外墻板)和0.15W／（m·K)（內(nèi)墻板)，并實(shí)現(xiàn)墻板的裝配化。

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