煤矸石/粉煤灰制備免燒磚的研究

□□ 王超男，王 遙，姜 威

(山西工程技術學院，山西 陽泉 045000)

引言

煤矸石是在煤炭開采過程中同時產生的巖石統(tǒng)稱，據(jù)統(tǒng)計，開采1 t煤炭大約會產生0.2 t煤矸石。目前，全球對煤炭的開采量非常大，每年約為數(shù)十億t。粉煤灰為火力發(fā)電廠燃煤鍋爐隨煙氣排放出的固體廢棄物，我國目前發(fā)電量的一半以上是采用煤炭發(fā)電，在這個過程中產生了數(shù)量巨大的粉煤灰。煤矸石和粉煤灰大量堆積，不僅占用土地，而且對環(huán)境造成巨大污染，將這些固體廢棄物用于生產砌塊磚等建筑產品，可以有效解決煤矸石、粉煤灰堆積引起的環(huán)境和生態(tài)問題，還可降低建材行業(yè)對天然原料的需求量，降低了成本。

1 煤矸石/粉煤灰的成分及危害

1.1 煤矸石

煤矸石是多種巖石與碳構成的混合物，以SiO2、Al2O3為主，除此之外還有少量Fe2O3、CaO、MgO、K2O及鈦、釩、鈷等稀有元素。礦物組成主要為石英、高嶺石、菱鐵礦、方解石、銳鈦礦、黃鐵礦、白云石等。不同的開采地區(qū)、不同的開采方式產生的煤矸石成分不同，常見的煤矸石化學成分見表1。

表1 煤矸石的化學成分 %

1.2 粉煤灰

煤炭所處的地區(qū)和年代差異會導致粉煤灰成分存在差異，我國粉煤灰的主要成分見表2。

表2 我國電廠粉煤灰的化學組成 %

1.3 煤矸石/粉煤灰的危害

預計到2020年，我國粉煤灰排放量將超過5億t/年，然而其利用率卻不到60%，煤矸石的產量如前所述，如此大量的煤矸石/粉煤灰如不能合理處理，不僅會侵占稀缺的土地面積，而且其中的有害成分可能會滲入地下水，污染當?shù)厮?，對當?shù)丨h(huán)境和人們的正常飲用水安全及健康構成威脅。與此同時，其中易揮發(fā)的有害成分還會對大氣造成污染，對環(huán)境的危害巨大。

2 煤矸石/粉煤灰免燒磚制備工藝

免燒磚是未經(jīng)過燒結的磚，是一類以劣質黏土、砂土、爐渣、粉煤灰、煤矸石等為原料，再加入少許水泥、石灰、砂子等膠結材料，經(jīng)過攪拌后壓制成型，然后自然養(yǎng)護一段時間形成的一種新型墻體材料。免燒磚生產過程中的耗能量僅為燒結黏土磚的一半，成本低廉，符合節(jié)能減排的發(fā)展理念。

2.1 原料及添加劑

2.1.1 原材料的處理

煤矸石和粉煤灰需要進行預處理。首先是除雜，之后進行研磨，達到合適的粒徑后再投入使用。另外，煤矸石和粉煤灰顆粒的大小決定了免燒磚生產時是否需要加入額外的顆粒狀骨料。在廢渣制備免燒磚過程中，摻入適量顆粒級配合理的骨料，可以有效地防止磚的分層，減少磚的收縮，增加磚的密度，提高其耐久性，降低成本。同時煤矸石/粉煤灰中SiO2的含量對磚的強度影響很大，SiO2含量越高，磚相對強度就越大，但如果SiO2含量過高，會影響磚的可塑性，并易產生裂縫，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慮的因素，一般含碳量>10%的原料，可以用來制備免燒磚，含水率>30%的原料，需要通過蒸發(fā)、過濾等脫水處理。另外，煤矸石/粉煤灰中存在的CaO和MgO如果含量過高，會產生體積膨脹，需要控制CaO和MgO的含量。胡普華等[1]以粉煤灰為主料，摻入陶粒、膨脹珍珠巖、石粉等物質充當骨料，再在其中加入少量鈣質原料和激發(fā)劑等制備出了強度等級≮MU10的免燒磚。

2.1.2 固化劑

所謂固化劑就是將分散狀的各種原料利用物理或化學作用固結成具有一定強度的膠結材料，常用的固化劑有水泥、石灰和石膏等。

(1)水泥

水泥是目前最常用的膠結劑，一般情況下選用普通的硅酸鹽水泥即可。經(jīng)過多年生產實踐，發(fā)現(xiàn)水泥加入量越大，制備出的免燒磚耐久性越好，但生產成本會增加。因此研究者們嘗試將各種廢渣混合使用或額外加入外加劑來降低水泥的用量。吳紅等[2]利用六盤水礦區(qū)的劣質煤矸石為主料，加入一定量的礦渣和激發(fā)劑，先加壓成型后再在120 ℃蒸汽下養(yǎng)護制得免燒磚。研究發(fā)現(xiàn)煤矸石為78%、礦渣為12%、水泥為10%、外加劑為0.05%，按此配比制得的煤矸石免燒磚其各項性能均滿足國家標準要求。

(2)石灰

石灰經(jīng)過熟化生成的Ca(OH)2在制備免燒磚時起到膠結劑和堿性激發(fā)劑等作用，錢覺時等[3]發(fā)現(xiàn)，生產工業(yè)廢渣免燒磚時加入生石灰的效果比熟石灰好。但對于采用蒸壓養(yǎng)護的磚來講，加入熟石灰可以起到減化工藝、縮短時間、降低成本的作用。張淑坤等[4]采用煤矸石輔以水泥、砂子、生石灰和石膏等輔料，在自然養(yǎng)護下制備出免燒煤矸石路面磚，研究發(fā)現(xiàn)當水泥摻量為20%，煤矸石用量為50%，砂子用量為30%時制備的免燒磚可以達到路面磚一等品的要求。

(3)石膏

石膏在制備免燒磚時充當硫酸鹽激發(fā)劑，可以和石灰產生協(xié)同效應，提高免燒磚的性能。

固化劑可以單獨使用，也可以幾種搭配使用，根據(jù)生產需要調整各種固化劑的比例，可制備出滿足要求的免燒磚。

2.1.3 外加劑

在煤矸石/粉煤灰免燒磚制備過程中加入外加劑，可提高其各項性能指標。加入的外加劑不僅可以激發(fā)、催化、調節(jié)水泥水化物的反應速度，而且還可以改善其物化性質。常用的外加劑有減水劑、早強劑、抗凍劑等。加入一定量的減水劑可以改善料漿的流動性，減少拌合用水量，進而提高磚的密實度、強度等性能，常用的減水劑是木質素類減水劑。有研究者發(fā)現(xiàn)不同外加劑混合使用比單獨使用一種的效果更好。姚紅兵[5]以粉煤灰、錳渣為主要原料，加入火山灰顆粒、水洗砂、石屑等，再配合少量激發(fā)劑制備出了輕質節(jié)能免燒磚，經(jīng)過28 d的自然養(yǎng)護，強度等級達到MU10以上。陳泉[6]采用粉煤灰、水泥、石膏、石灰、鎂渣等探究了在標準養(yǎng)護、蒸壓養(yǎng)護及蒸養(yǎng)養(yǎng)護下制備的免燒磚的抗凍特性，研究發(fā)現(xiàn)蒸壓養(yǎng)護下得到的免燒磚強度最高、抗凍性能最好。

2.2 免燒磚生產工藝

2.2.1 半干法壓制成型與自然養(yǎng)護法

該工藝是將水泥與砂子等材料混合后在一定壓力作用下成型，自然養(yǎng)護28 d即可制得產品，其產品質量可達到非燒結普通黏土磚的國家標準。大多數(shù)情況下，該工藝采用的都是60～70 t的轉盤壓磚機，壓磚機采用油壓式，工作時在上下兩個面之間進行加壓，設備簡單，方便拆卸。

2.2.2 半干法壓制成型與蒸壓養(yǎng)護法

采用蒸壓法養(yǎng)護的磚在成型過程中要求較為嚴格，需要在壓力壓制成型后靜停6～10 h，以防止進入蒸壓釜后磚坯中的水分和空氣因快速升溫產生快速膨脹，導致磚開裂。高壓蒸汽養(yǎng)護中，需要根據(jù)實際需要調整蒸汽溫度、壓力及反應時間等參數(shù)來滿足產品生產要求。

2.3 生產工藝流程

煤矸石/粉煤灰免燒磚生產工藝如圖1所示。

圖1 煤矸石/粉煤灰免燒磚生產工藝流程

3 免燒磚強度形成機理

免燒磚強度的來源大致有四個：物理機械作用、水化反應、顆粒表面的離子交換和團粒化作用、相間界面作用。

3.1 物理機械作用

料漿制備過程中的攪拌可以起到讓原料充分混合促進反應的作用。在成型過程中通過外加力讓各反應物之間緊密接觸，加速了固體與固體之間的反應程度。因此，一般采用壓力機成型，壓力要求≮14 MPa。通過研究發(fā)現(xiàn)，隨著成型壓力的增加，免燒磚的強度提高，成型壓力對免燒磚強度的影響遠高于膠結劑和外加劑。

3.2 水化作用

膠凝材料是通過水化反應來提供免燒磚的強度，主要化學反應式為：

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，在外加劑的作用下與Ca(OH)2發(fā)生水化反應，生成水硬性產物，化學反應式為：

xCa(OH)2+SiO2+mH2O→xCaO·SiO2·nH2O

xCa(OH)2+Al2O3+mH2O→xCaO·Al2O3·nH2O

另外，Ca(OH)2吸收空氣中的CO2生成CaCO3，化學反應式為：

Ca(OH)2+CO2→CaCO3+H2O

如果有石膏存在，化學反應式為：

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

3.3 顆粒表面的離子交換和團粒化作用

煤矸石/粉煤灰免燒磚顆粒物在水分子的作用下，表面形成公共的單層水化膜，帶有水化膜的兩個物料之間在公共水膜的作用下，化學鍵開始部分斷裂，從而電離形成了膠體顆粒體系。膠體顆粒表面帶有的負電荷能夠等量吸附陽離子，而不同的陽離子可以和Ca2+進行等量的吸附和交換，這一過程改變了顆粒表面的帶電狀態(tài)，使顆粒聚集產生強度。

3.4 相間的界面反應

凝結硬化過程中存在液相、固相和氣相之間多種復雜的化學反應。水泥的水化反應就是典型的液相和固相之間的反應；Ca(OH)2與CO2的反應屬于氣相與固相之間的反應。在兩個相界面上氣固反應不斷深入，使免燒磚的強度不斷增強。

4 結語

煤矸石/粉煤灰作為工業(yè)廢棄物，產量巨大，價格低廉，將其用于制備免燒磚，不僅可以改善磚的性能，節(jié)約成本，還可以解決固體廢棄物的排放問題。然而，煤矸石/粉煤灰的開發(fā)利用需要遵循“物盡其用，就地取材”的原則，根據(jù)不同地區(qū)、不同組成來區(qū)別利用，在使用過程中要考慮二者的種類、粒徑、用量、級配等。