煤矸石作粗骨料配制混凝土在生態(tài)工程中的應(yīng)用

劉麗紅，劉紅維

(1.山西工程技術(shù)學(xué)院，山西 陽泉 045000；2.晉能集團陽光發(fā)電有限責(zé)任公司，山西 陽泉 045000)

0 前 言

煤矸石是采煤及洗煤過程中排放的固廢物。隨著原煤產(chǎn)量大幅增加，其附屬物煤矸石大量出現(xiàn)。在綠色、節(jié)能、環(huán)保理念的支撐下，煤矸石作為一種資源在生態(tài)過程中得到了應(yīng)用。

我國生態(tài)專家馬世駿指出，生態(tài)工程是遵循人與自然和諧相處，對物質(zhì)進行循環(huán)再利用，結(jié)構(gòu)優(yōu)化的設(shè)計方案，進而改變物質(zhì)生產(chǎn)的工藝流程。它具有一般工程的特點：整體性、系統(tǒng)性、一次性等，但它又不同于一般的項目工程，有其自身的特殊性：必須因地制宜，有很強的地域性，不能盲目照搬，有較強的靈活性。即一個地區(qū)系統(tǒng)工程的引入，必須進行綜合因素分析，多方面的可行性論證，分析它的綜合效益，而不能只考慮經(jīng)濟效益。筆者收集了國內(nèi)煤矸石在生態(tài)工程中的利用情況，并進行了現(xiàn)狀分析，為煤矸石代替石子做粗骨料來配置混凝土在建筑工程混凝土中的應(yīng)用提供了必要的參考。

1 混凝土在生態(tài)工程中的應(yīng)用

煤矸石是煤炭的伴生物，即隨著煤炭的大量產(chǎn)出，煤矸石也會隨之產(chǎn)生。世界各地的現(xiàn)狀是，開始時經(jīng)濟增長方式是粗放式的，人們只注重能源的開發(fā)利用，不注重節(jié)能和能源的再利用。伴隨著循環(huán)經(jīng)濟的提出以及生態(tài)工程的提出，在利用方面，國外領(lǐng)先于國內(nèi)。

煤矸石有較好的工程性能，廣泛被國外應(yīng)用于各個工程領(lǐng)域。對煤矸石的處理，最好的辦法就是恢復(fù)耕地，但那需要更多的人力、物力、更多的政府支持，在美國等國家煤矸石采用生物復(fù)田技術(shù)；而英國等國對于條件成熟礦區(qū)的煤矸石采取復(fù)田造地的方式進行。對煤矸石的資源化再利用，主要用在建材、化工原料、工業(yè)填料等方面，應(yīng)用的范圍較為寬泛；而在國內(nèi)，剛開始對于煤矸石只是作為一種工業(yè)廢棄料，未及時進行處理，因而被大量堆積。從20世紀90年代開始，響應(yīng)國家的號召，對矸石山綜合整治。隨著生態(tài)文明建設(shè)要求以及節(jié)能、環(huán)保、綠色經(jīng)濟等概念的提出，人們開始了對煤矸石進行資源化研究，建造了煤矸石發(fā)電廠、水泥廠和磚廠，對煤矸石的利用剛開始作為建筑材料、化工原料，后隨著城市建設(shè)工程改造項目的深入進行，又被應(yīng)用在市政工程等方面。對于我國煤矸石開發(fā)利用方面還有很大的空間，需加強應(yīng)用研究，提高綜合效益。

煤矸石作為一種固體廢棄物，造成了空氣和環(huán)境污染，進而引發(fā)生態(tài)問題等，只有積極地進行試驗研究，充分利用煤矸石的特性，才能夠變廢為寶。在做好煤矸石資源化利用的同時，積極探索煤矸石在生態(tài)工程中的應(yīng)用。煤矸石作粗骨料制作生態(tài)混凝土，不僅解決了自身的污染問題，而且為生態(tài)工程做出了貢獻。

2 煤矸石陶粒制作輕型混凝土

傳統(tǒng)意義上的混凝土原料，由石子、砂、水泥、水以一定的比例混合而成，為保證一些特殊的性能和功用，添加摻合料和外加劑。為緩解環(huán)境危機、生態(tài)壓力，盡量節(jié)約能源，充分利用煤矸石的性質(zhì)，對其進行資源化處理。將煤矸石陶粒代替石子，這樣制成的混凝土質(zhì)量輕、強度高，而且還具有良好的抗震性能。20世紀90年代，我國開始煤矸石陶粒輕型混凝土的研制工作[1]，隨著生產(chǎn)的不斷擴大，這項技術(shù)得到了迅猛的發(fā)展。

陶?；炷潦菍⒎弦欢藴实拿喉肥?jīng)過特定的工藝流程生產(chǎn)的一種輕骨料混凝土。由于其強度高、重量輕、又節(jié)能，在環(huán)保建筑中的應(yīng)用日趨廣泛[2-4]。用較高強度陶粒制作混凝土，28 d混凝土的抗壓強度可以達到35 MPa，干密度可達到400 kg/m3[5]。利用廢棄的煤矸石燒制成陶粒和陶砂代替石子和砂，加入外加劑等，通過一定的工藝流程，可生產(chǎn)出一定量的輕骨料混凝土。煤矸石陶粒混凝土的抗壓強度，隨粉煤灰摻量的不同而呈現(xiàn)出曲線變化，其摻量約為20%左右時，其混凝土的強度值最大。經(jīng)過試驗發(fā)現(xiàn)，煤矸石陶?；炷? d的混凝土強度可以達到28 d的混凝土強度的80%左右。前期強度增長快，究其原因是由于煤矸石有較強的吸水性，由其制成的陶粒具有多孔性，與普通混凝土的抗壓特性在前期有較大不同[6]。干表觀密度和抗壓強度有內(nèi)在的聯(lián)系，它們之間呈現(xiàn)出較為良好的相關(guān)關(guān)系[7]。用煤矸石陶粒和陶砂制成的混凝土，保溫性能有了一定的提升，導(dǎo)熱系數(shù)有所降低，在新型建筑方面得到了較大的應(yīng)用。

隨著工程實踐的不斷深入，人們研究發(fā)現(xiàn)，生產(chǎn)此類混凝土?xí)r，由于加入了一定量的膠凝材料和外加劑，導(dǎo)致混凝土出現(xiàn)了不同程度的裂縫，耐久性問題也凸顯出來，影響其大量生產(chǎn)[8]。研究表明[9-10]，加入高吸水率的煤矸石可一定程度減緩混凝土的收縮，提高其體積穩(wěn)定性和混凝土的耐久性。預(yù)濕時間與煤矸石陶粒輕型混凝土的收縮有關(guān)，添加外加劑會改善其穩(wěn)定狀態(tài)。在規(guī)定的時間內(nèi)，按照標準的時間和方法進行養(yǎng)護，也會抑制內(nèi)部濕度的變化，體積變化也會起到一定的作用等。充分利用煤矸石的吸水性，在煤矸石陶粒輕型混凝土的性能研究以及應(yīng)用推廣方面將會有重要的指導(dǎo)作用。

3 煤矸石為粗骨料作生態(tài)混凝土

自燃的煤矸石粒徑在5 mm以下時，其特點是比較堅硬、結(jié)構(gòu)勻稱，經(jīng)過特定的工序，用它作為一種粗骨料來制生態(tài)混凝土。相關(guān)的實驗數(shù)據(jù)表明，當(dāng)水灰比為0.36，粗骨料粒徑小于10 mm且比較均勻,骨膠比為4.8時，經(jīng)過28天后用此制作的混凝土強度可達到35 MPa，透水系數(shù)為0.5 cm/s。與一般的普通混凝土相比，用此配合比配置的生態(tài)混凝土強度較高，透水性能較好，抗磨損能力較強。

煤矸石燒結(jié)磚時，會剩余粒徑小于5 mm的煤矸石。回收利用這部分煤矸石，既解決燒結(jié)磚工藝產(chǎn)生的部分礦渣，又把它作為資源重新利用，提高了煤矸石的綜合利用率。另外，煤矸石在用破碎機破碎時，不可避免地會產(chǎn)生很多粉末，這些粉末如不及時處理掉，在制作混凝土?xí)r，會包裹在粗骨料的表面，影響了與水泥充分反映，進而影響到此混凝土的透水性能。所以，在反復(fù)實踐的基礎(chǔ)上，又增加了一道工序，即在煤矸石破碎后，先經(jīng)過清洗，后晾干，再制作混凝土，這樣使煤矸石與水泥充分接觸，既保證了生態(tài)混凝土的強度，又利用煤矸石的吸水性好，使該混凝土具有足夠的透水性。此工藝流程中，清洗破碎煤矸石后的水和留存的煤矸石粉末還可以作為燒結(jié)磚用，進一步提高煤矸石的綜合利用度[11]。

為保護生態(tài)環(huán)境，國家限制開山碎石和大量淘砂。煤矸石生態(tài)混凝土采用煤矸石石子代替石子，不僅減少了煤矸石堆積造成的污染，而且節(jié)省了建筑材料石子。它有良好的排水性，可以緩解城市的排水壓力，尤其是近幾年來，氣候異常，降雨量有時很不均勻，對于緩解地表下沉，減輕由于環(huán)境異常、天氣突變而給城市乃至人們造成的損失。由于煤矸石的多孔性，使用它還有良好的吸取噪聲的效果。

煤矸石生態(tài)混凝土被廣泛應(yīng)用于重煤炭污染區(qū)徐州的小區(qū)人行道、停車場以及人們活動的廣場建設(shè)中，現(xiàn)以徐州某廣場建設(shè)為例加以說明。此廣場混凝土總量為13 000 m2，路面由C30生態(tài)混凝土構(gòu)成(此混凝土25 mm厚)，粗骨料采用煤矸石(粒徑為5～10 mm)；此人行道采用煤矸石燒結(jié)磚(利用其透水性較好，吸濕性較強且強度滿足要求)。煤矸石磚孔隙率大，里面細密組織里的水自由流通，為植物的生長提供了良好的環(huán)境[12]，它還可以吸取噪音，廣泛應(yīng)用于人行道等，既有益于人們身體的恢復(fù)，又為人們的活動提供了不錯的場所。煤矸石生態(tài)混凝土，不僅提高了經(jīng)濟效益，而且具有良好的社會效益。

受設(shè)備和技術(shù)等方面的限制，煤矸石生態(tài)混凝土的規(guī)模還較小，其主要應(yīng)用在一些城市的市政工程中。國外應(yīng)用范圍較廣，如有的國家正在研究，在高速公路的路肩部位可否能夠使用煤矸石生態(tài)混凝土。而在國內(nèi)的城市生態(tài)化建設(shè)中，如西安大明宮工程、上海世博園等均用到透水混凝土，它可以強化排水，吸收噪音，讓城市居民“自由呼吸”，應(yīng)用前景會越來越廣闊。隨著國家綠色建筑的提出，煤矸石的綜合利用的程度會不斷地加強。

4 煤矸石混凝土作小型砌塊

如何對能源利用更為合理，如何對能源進行多次再利用，是一個擺在人們面前亟待解決的問題。為保護生態(tài)環(huán)境，傳統(tǒng)的建筑原料如石子、砂等，國家對其開采進行了限制。傳統(tǒng)燒結(jié)磚的原料大多是黏土，這樣不僅占用不少農(nóng)田，而且有時毀壞耕地，用新型的建筑材料來代替黏土就顯得尤為重要。

以山西省陽泉市某小區(qū)8號樓為例，從砂漿、混凝土到墻體均采用煤矸石為材料。在用煤矸石混凝土作砌塊時，分為主副砌筑，因砌塊本身的一些性能要求，它不能像普通的機紅磚那樣進行施工，施工工藝和工序和普通磚差異較大。而如能充分做好施工前的各項準備工作，按照特有的要求和工藝組織施工，就能保證砌塊質(zhì)量。

利用煤矸石吸濕性較強的特點，為保證煤矸石吸水充分，對于攪拌時間要適當(dāng)加長；在用其制作砂漿和磚之前，先進行預(yù)濕，避免在施工過程中吸收過多的水分而引起體積的急劇變化；同時施工中砌塊要避免受潮，且堆放高度不得超過1.8 m。

在墻體施工前，要根據(jù)具體的尺寸和砌塊的大小進行試排放。要保證煤矸石混凝土砌塊的搭接長度，如搭接長度不足要加設(shè)鋼筋；砌筑用的砂漿要求飽滿、嚴實，保證其強度；砌塊的分縫要按照規(guī)定進行，且要保證及時勾縫；為保證質(zhì)量，特殊部位如設(shè)過梁等，用預(yù)制的加長試塊需要加筋。

由于煤矸石多孔，熱工性能好，有利于保溫隔聲等，采用煤矸石混凝土砌塊，占用面積小，加大了房間的使用面積，同時也節(jié)省了部分砂漿，墻體自重減輕38%，建筑物自重減輕25%，同時也減輕了地基的承載力，節(jié)約了基礎(chǔ)的處理費用，與普通磚相比，建筑能耗節(jié)省30%；每立方米降低成本50元左右，綜合造價降低8%左右?？箖鲂院徒Y(jié)構(gòu)耐久性也較好。

煤矸石混凝土砌塊由于煤矸石收縮體積變化大，易出現(xiàn)一些裂縫；在需要對砌塊進行保溫時，必須內(nèi)外同時進行，才能達到保溫效果。這些缺點在以后的實踐應(yīng)用中逐步處理改善。本文主要介紹了煤矸石作為一種煤炭伴生物，隨著煤炭的產(chǎn)生而大量堆積，煤矸石山堆積帶來的危害以及國內(nèi)外研究的現(xiàn)狀。目前，煤矸石作為一種可利用的資源，利用率還較低，以致某些地區(qū)矸石山的大量堆積引發(fā)一系列的問題。我國對工業(yè)廢料的利用率不是很高，對煤矸石作為一種資源進行再利用也較少，尤其是煤矸石在建筑工程的基本原料和混凝土方面的應(yīng)用較少，而把煤矸石作粗骨料的研究更少，所以本文的命題具有新穎性，試驗研究迫在眉睫。

用煤矸石配置的砂漿和易性較好、不空鼓、粘結(jié)性較好。有關(guān)數(shù)據(jù)表明，經(jīng)過長期堆放且自燃的煤矸石，其質(zhì)量符合國家對輕骨料混凝土的技術(shù)規(guī)范要求，且煤矸石的早期強度較高，耐久性也基本滿足實際的工程需要。把煤矸石變廢為寶，不僅減少污染，而且?guī)斫?jīng)濟效益，還為生態(tài)工程建設(shè)做出應(yīng)有的貢獻。

5 結(jié) 語

筆者從生態(tài)工程的概念入手，提出它所具備的特點，列舉了煤矸石陶粒制輕型混凝土，煤矸石為粗骨料作生態(tài)混凝土，煤矸石混凝土作小型砌塊等，煤矸石作為粗骨料制作混凝土在生態(tài)工程方面的應(yīng)用，為煤矸石石子代替石子做粗骨

料來配置混凝土在建筑工程混凝土中的應(yīng)用提供了必要的參考。

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