煤矸石粉煤灰發(fā)泡材料的研制

連國(guó)奇+張林波

摘 要：該研究以煤矸石和粉煤灰為原料，制備一種具有實(shí)用性的發(fā)泡材料，通過(guò)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)的方法對(duì)物料比、燒制溫度等因素進(jìn)行了優(yōu)化處理。結(jié)果表明，摻入煤矸石和粉煤灰（17∶3），外加1%的硼砂，燒成溫度在1000℃，保溫時(shí)間120 min得出的煤矸石發(fā)泡材料制品性能最好。

關(guān)鍵詞：煤矸石；粉煤灰；發(fā)泡材料

中圖分類(lèi)號(hào) TU528 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 1007-7731（2017）17-0085-03

在煤礦開(kāi)采及加工過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生一定量的煤矸石，它是固體廢棄物。我國(guó)矸石產(chǎn)量較大，原煤總產(chǎn)量的15%為煤矸石，積存量已超過(guò)70億t，占地面積約70km2，且仍在高速增長(zhǎng)[1]。煤矸石產(chǎn)量大和資源區(qū)域差異是我國(guó)目前的現(xiàn)狀，再受到經(jīng)濟(jì)條件制約和技術(shù)設(shè)備的限制，煤矸石的利用情況不樂(lè)觀，總利用率僅25%左右[2]。我國(guó)粉煤灰每年排放量超過(guò)7000萬(wàn)t，但利用量很少，全國(guó)累積堆存超過(guò)10億t。周翠紅、常欣[3]等分析了我國(guó)煤矸石利用的主要途徑有：煤矸石復(fù)墾及采空區(qū)回填、煤矸石生產(chǎn)建筑材料、煤矸石生產(chǎn)農(nóng)肥及改良土壤、煤矸石制備無(wú)機(jī)高分子絮凝劑等。煤矸石和粉煤灰的綜合利用，一方面可以節(jié)約大量的非可再生資源，另一方面可以產(chǎn)生顯著的經(jīng)濟(jì)效益。固體廢棄物的利用，要結(jié)合材料的特性，因材施用，提高有效利用率。固體廢物的資源化利用，不僅可以減輕對(duì)粉塵污染、土壤和地下水重金屬污染，還可以少占用有限的土地資源，同時(shí)又循環(huán)利用了價(jià)值資源。因此，煤矸石和粉煤灰資源綜合利用已迫在眉睫[4-8]。為此，本研究在煤矸石粉中摻入一定比例的粉煤灰和發(fā)泡劑制成煤矸石發(fā)泡材料，對(duì)固體廢棄物的綜合利用有著重要的意義。

1 實(shí)驗(yàn)用品

1.1 實(shí)驗(yàn)儀器 在研究過(guò)程中用到的主要儀器如表1所示。

1.2 實(shí)驗(yàn)藥品 實(shí)驗(yàn)所用到的藥品有發(fā)泡劑和燒結(jié)助劑等，其中發(fā)泡劑為十二烷基硫酸鈉和碳酸鈣，燒結(jié)助劑為硼砂，如表2所示。

2 實(shí)驗(yàn)方法

2.1 原料的預(yù)處理 實(shí)驗(yàn)所用煤矸石采集于貴州省某煤礦，先經(jīng)鄂式破碎機(jī)破碎，然后加入球磨機(jī)中球磨30min，烘干后過(guò)80目篩，得到煤矸石粉末。粉煤灰采集于貴州省某發(fā)電廠，經(jīng)烘干后過(guò)80目篩，得到粉煤灰粉末。

2.2 實(shí)驗(yàn)條件優(yōu)化

2.2.1 物料比 據(jù)有關(guān)研究表明[8]，發(fā)泡材料的塑性、表觀密度和抗壓強(qiáng)度與摻入的粉煤灰比例有關(guān)，呈負(fù)相關(guān)性，與發(fā)泡材料的吸水性呈正相關(guān)性。當(dāng)原料中粉煤灰比例接近20%時(shí)，成型性變差，其產(chǎn)品的抗壓強(qiáng)度也急劇下降，當(dāng)粉煤灰的摻入比例為15%較宜。本研究以煤矸石粉煤灰制磚工藝最佳原料配比為基礎(chǔ)[9]，加入0.5%的發(fā)泡劑。在前人研究的基礎(chǔ)上，在實(shí)驗(yàn)中選用了十二烷基硫酸鈉和碳酸鈉為發(fā)泡材料，前者為表面活性劑，后者為化學(xué)發(fā)泡劑。將制備的煤矸石粉末、粉煤灰粉末和一定量的燒結(jié)助劑和促凝劑進(jìn)行充分?jǐn)嚢?，混合均勻后加入一定量的水再攪?min，然后倒入模具中，形成胚體。物料比如表3所示。

2.2.2 燒制溫度 坯體含有較多水分，抗壓強(qiáng)度低，不能馬上脫模和燒結(jié)，須放先行干燥。不同的干燥溫度對(duì)坯體的影響差異較大。過(guò)慢的升溫速率雖可以得到干燥質(zhì)量?jī)?yōu)良的坯體，但需要的時(shí)間很長(zhǎng)，干燥的效率低；過(guò)高則會(huì)使坯體外觀產(chǎn)生裂紋，破壞其機(jī)械性能[10]。在研究過(guò)程中，先將坯體和模具靜置2d，然后入干燥箱，從室溫開(kāi)始，升溫速率2℃/min，溫度升高到50℃，保溫2h脫模，再升至100℃，保溫3h完，最后自然冷卻。將干燥后的胚體放入馬弗爐中焙燒，焙燒帶溫度在600～1000℃以?xún)?nèi)，在這一階段，磚坯將發(fā)生復(fù)雜的物理化學(xué)變化。本次研究采用調(diào)節(jié)升溫速率10℃/min，保溫時(shí)間120min，降溫時(shí)間120min。

3 結(jié)果與分析

3.1 原料元素成分 在煤礦生產(chǎn)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生一定的廢渣，主要有掘進(jìn)時(shí)產(chǎn)生的矸石和在煤炭洗選過(guò)程中排出的固體[11]。本實(shí)驗(yàn)采用貴州某煤礦的粘類(lèi)富鐵型高鈣組煤矸石，化學(xué)成分主要是二氧化硅、三氧化二鋁和三氧化二鐵，還有氧化鈣、氧化鉀、氧化鎂、三氧化硫和少許氧化鍶等。將粉煤通過(guò)75μm網(wǎng)目篩分，然后用熱空氣高速吹進(jìn)發(fā)電站的鍋爐，在高溫下燃燒后生成的大部分固體微粒隨煙道氣一起被帶出，為了防止排放到大氣中，須將此固體微粒（粉煤灰）除掉[12]。本實(shí)驗(yàn)采用貴州某電廠的粉煤灰，化學(xué)成分主要是二氧化硅和三氧化二鋁，其次還有三氧化二鐵、氧化鈣、氧化鎂、氧化鉀以及少許三氧化硫、氧化鍶等。用XRF測(cè)定煤矸石和粉煤灰樣品中的各組分含量，結(jié)果如表4所示。

煤矸石各組分的含量對(duì)燒制品的影響：二氧化硅含量應(yīng)在70%以下，含量高將導(dǎo)致煤矸石的塑性明顯降低，燒制品的壓縮、彎曲能力降低。實(shí)驗(yàn)所用煤矸石中二氧化硅含量為41.8%，具有一定的可塑性；三氧化二鋁的最佳含量為15%～25%，含量較低時(shí)試件的抗壓、抗折強(qiáng)度較小，含量過(guò)大，則需要更高的燒成溫度才能燒結(jié)。實(shí)驗(yàn)所用煤矸石中三氧化二鋁含量約為18.5%，符合要求。

在粉煤灰的形成過(guò)程中已經(jīng)過(guò)了一次高溫，再次灼燒很難發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，將混合物進(jìn)行混勻并進(jìn)行加熱，在發(fā)泡劑的作用下可以形成密度小、強(qiáng)度大、致密的燒結(jié)體。粉煤灰在整個(gè)燒制過(guò)程中表現(xiàn)出了一些特性，如熱效應(yīng)小，能耗小，增加強(qiáng)度，穩(wěn)定性好等。

3.2 過(guò)程分析 燒制溫度是決定發(fā)泡材料性能的重要因素。首先，煤矸石-粉煤灰發(fā)泡材料與建筑用的粘土磚相似，其強(qiáng)度主要來(lái)自于形成的礦物：莫來(lái)（3Al2O3·2SiO2）和a-石英（a-SiO2）等，強(qiáng)度礦物的生成越多，對(duì)應(yīng)制品的強(qiáng)度性能也越好。而燒制溫度直接影響到莫來(lái)石、a-石英等的生成。如果燒制溫度過(guò)低，削弱了莫來(lái)生成物的形成，產(chǎn)品強(qiáng)度也將下降。如升溫速度過(guò)快，坯體表面致密，不利于坯體內(nèi)氣體的逸出，容易造成產(chǎn)品內(nèi)部膨脹、起泡，產(chǎn)品變形。除此以外，在煤矸石和粉煤灰中可能含有碳，如果升溫過(guò)快，其中的碳不能燃盡，坯體的內(nèi)部處于還原氣氛中，以至三氧化二鐵還原為黑色的四氧化三鐵，產(chǎn)品黑芯。endprint

3.3 樣品性能

3.3.1 折彎度 采用萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)對(duì)煤矸石發(fā)泡材料進(jìn)行折彎度檢測(cè)。首先調(diào)整好儀器，測(cè)量出石發(fā)泡材料的長(zhǎng)、寬和厚度，然后通過(guò)儀器輸入?yún)?shù)長(zhǎng)、寬和厚度，便能測(cè)出煤矸石多孔材料的極限折彎度P（MPa），結(jié)果圖1所示。由圖1可知，彎折度隨著溫度的升高越來(lái)越好，1000℃下所得產(chǎn)品的彎折度性能較好。折彎度性能最佳為4號(hào)，即粉煤灰摻入量控制在15%，溫度控制在1000℃。

3.3.2 抗壓強(qiáng)度 用萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)對(duì)煤矸石發(fā)泡材料進(jìn)行抗壓強(qiáng)度檢測(cè)，結(jié)果如圖2所示。由圖2可知，抗壓強(qiáng)度隨燒紙溫度的升高而增強(qiáng)，但800℃時(shí)和1000℃的抗壓強(qiáng)度差別不大；產(chǎn)品抗壓強(qiáng)度最佳為4號(hào)，即粉煤灰摻入量控制在15%，溫度控制在1000℃，在實(shí)際生產(chǎn)可在滿(mǎn)足性能的前提下適當(dāng)調(diào)整溫度。

4 結(jié)論

本研究利用了2種工業(yè)廢棄物煤矸石和粉煤灰為原料，制備了發(fā)泡材料，少占用了土地，減輕了對(duì)環(huán)境的危害，在實(shí)現(xiàn)廢物資源的合理化利用的同時(shí)也可產(chǎn)生了一定的經(jīng)濟(jì)效益。主要結(jié)論如下：（1）產(chǎn)品抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度受物料影響，原料配比應(yīng)控制在：煤矸石85%、粉煤灰15%；（2）燒制溫度是影響產(chǎn)品質(zhì)量的重要因素，溫度控制在1000℃較佳，在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中在滿(mǎn)足性能要求的前提下可以適當(dāng)降低溫度；（3）在原料中加入發(fā)泡劑十二烷基硫酸鈉，可以提高制品的空隙率和吸水性，具有一定的實(shí)用價(jià)值。

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（責(zé)編：張宏民）endprint