全煤矸石燒結磚物化性能分析評價

楊凡燕，馬彥斌，薛俊輝，馬 程，王佳麗，王 瑩

（寧夏基礎地質調查院，寧夏銀川 750021）

煤矸石是煤炭生產、加工過程中產生的固體廢物，其產生量占原煤產量的10%～25%[1]。目前，我國煤矸石累計積存量將近70×108t，占地1.5 萬公頃[2]。這不但浪費了土地資源，而且其中的有害元素會污染水資源及土壤環(huán)境[2-4]。隨著人們對環(huán)境保護意識的日益加強，如何提高煤矸石的綜合利用率、減少煤矸石引發(fā)的環(huán)境問題，引起了很多學者的重視。

目前為止，我國對煤矸石應用最廣泛的途徑是制作建筑材料[5]，利用其部分或全部代替黏土生產燒結磚已成為煤矸石綜合利用的主攻方向之一[6-8]。研究表明，煤矸石的成分常因地質條件的不同而有所區(qū)別[9]，進而對煤矸石燒結磚的質量產生不同程度的影響。GB/T 29163—2012《煤矸石利用技術導則》中明確要求生產燒結磚用煤矸石的SiO2及Al2O3含量通?？刂圃?5%～70%及15%～25%。工程實踐表明，其中所含的Fe2O3含量應控制在2.00%～8.00%，CaO 含量不超過2.00%，MgO 含量應小于3.00%，以上成分含量過高會對成品磚的品質造成影響。如煤矸石中CaO 含量較高時，易產生石灰爆裂引起體積膨脹而破壞產品[10]。

區(qū)域地質資料表明，寧夏王洼煤礦煤矸石主要為泥巖及粉砂巖，礦物組成以黏土礦物及石英為主，化學成分以SiO2及Al2O3為主，符合煤矸石燒結磚的要求。彭陽縣鑫卓能源科技發(fā)展有限公司利用該礦煤矸石燒結多孔磚已形成一定規(guī)模，每年消化煤矸石（30～50）×104t，年制磚量可達7 000 萬塊。但該礦煤矸石因CaO含量超標常導致磚體爆裂，嚴重影響燒結磚的質量及商業(yè)價值。本文借助偏光顯微鏡及X 射線熒光光譜儀等實驗方法，對該礦區(qū)煤矸石的性質進行了系統(tǒng)的研究，厘清了該制磚廠煤矸石的礦物組成及化學成分。并嘗試通過改變顆粒級配的方式，以期能改善石灰爆裂問題及提高成品磚的其他物理性能。

1 樣品的采集

本文在采樣時嚴格遵循了科學的采樣原則，根據(jù)煤矸石堆大小及形狀合理布置采樣點。化學分析樣品采集時先用鐵鍬去除表面風化淋濾的表面樣，然后攫取比較新鮮的巖石樣品。巖礦鑒定樣品選擇最具代表性的新鮮、完整、質地均勻的塊狀巖石，以滿足磨制薄片的需要。本次采集化學分析樣品20 件，巖礦鑒定樣品10 件。

2 測試方法

采用型號為Axio Scope A1 的蔡司偏光顯微鏡對煤矸石樣品的巖石結構構造、礦物組成、各礦物嵌布特征及巖石類型等進行分析鑒定。鑒定過程中根據(jù)礦物的實際大小情況采用不同鏡頭倍數(shù)及光圈數(shù)值觀察。

采用型號為ZSX PrimusⅡ的X 射線熒光光譜儀對樣品的化學成分進行測定，測試條件：4.0 kW 端窗銠靶X 射線管，真空光路，視野光欄φ30 mm，超薄鈹窗30 μm，衰減器為1/1。

3 結果與分析

3.1 偏光顯微鏡觀察分析

本文通過對10 件煤矸石薄片鏡下觀察發(fā)現(xiàn)，王洼煤礦煤矸石主要為炭質泥質粉砂巖（圖1a、1b）及炭質絹云千枚巖（圖1c），次要為長石石英砂巖（圖1d）。其中，炭質泥質粉砂巖具粉砂狀結構，礦物組成以粉砂質的石英及黏土礦物為主，含量分別可達55%及25%左右，次要礦物為粉砂質長石及炭質，含量分別約為5%及5%～10%，偶見少量黃鐵礦；炭質絹云千枚巖具變余顯微鱗片狀結構，礦物組成以黏土礦物及炭質為主，含量分別在60%及30%左右，含少量石英、長石及黃鐵礦，三者含量約10%；長石石英砂巖具中細粒砂狀結構，主要由石英及長石組成，二者含量可達75%以上，次要為泥質及方解石，含量分別約為15%及5%。

圖1 顯微照片

綜合以上觀察發(fā)現(xiàn)，該礦區(qū)煤矸石主要礦物組成是黏土礦物、石英及炭質，黏土礦物及石英是生產燒結磚的必需成分[9]，炭質的存在可有效減少燒磚過程中煤炭的消耗量。但其中含有的少量方解石在某些條件下不利于制磚。

3.2 化學成分分析

本文將采集的20 件樣品分別混勻粉碎至200 目后進行了X 射線熒光光譜分析，分析結果見表1。由表1 可知，該區(qū)每件煤矸石樣品的SiO2含量均在55.00%以上，平均含量可達58.91%，Al2O3含量均大于15.00%，平均含量為18.53%，F(xiàn)e2O3平均含量為2.90%，MgO 平均含量為0.68%，含量均在要求范圍內。CaO 平均含量為2.70%，略高于前人研究的推薦值，易使成品磚出現(xiàn)石灰爆裂問題。針對以上問題，前人研究發(fā)現(xiàn)一般可通過改變原料的顆粒大小加以改善[11]。

表1 X 射線熒光光譜分析結果

3.3 顆粒級配實驗

在實際生產中，原料的顆粒級配不僅影響原料的可塑性、制品強度及抗凍性能等[12]，也能有效降低原料中有害元素CaO 含量過高對成品磚造成的影響[11]?；诖耍疚膶⑼跬菝旱V制磚原料進行了5 次顆粒級配實驗后按該制磚廠生產流程燒制成磚。不同的級配方案見表2，1 號為該廠原料各粒度占比，2～5 號為不同的顆粒級配后各粒度占比。

表2 6 種不同顆粒級配不同粒度占比 單位：%

3.4 物理性能測試

物理性能測試是判斷磚品質是否符合建筑用磚的有效手段，本文為解決王洼煤礦因存在一定的有害成分而對磚造成的影響進行了顆粒級配實驗，并對該礦煤矸石原料經過顆粒級配后的5 種成品磚與原磚的石灰爆裂、抗折強度、抗壓強度等指標進行了物理性能測試。依據(jù)標準為GB/T 2542—2012《砌墻磚試驗方法》。

3.4.1 試樣的石灰爆裂 多年的生產和研究證明，高質量的燒結制品要求嚴格控制原料化學成分中產生石灰爆裂的CaO 含量[13]。本文對6 種不同顆粒級配的試樣進行了石灰爆裂實驗，每種顆粒級配分別測試了5塊不同的樣品磚，測試平均結果見表3。

表3 6 種不同顆粒級配試樣磚石灰爆裂及泛霜實驗結果統(tǒng)計表

通過實驗可知，6 種不同顆粒級配試樣的磚體爆裂現(xiàn)象有較明顯的差別。原1 號磚共6 處爆裂點，2 號磚共8 處爆裂裂點，3 號磚共6 處爆裂點，4 號磚共4處爆裂點，5 號、6 號磚體爆裂點較少，僅在少量面上見1 mm 的爆裂點2 處。通過對比發(fā)現(xiàn)，原1 號磚的爆裂點較大，石灰爆裂現(xiàn)象較明顯，當2 號磚在同時增大最大顆粒占比且減少最小顆粒占比時，石灰爆裂情況更嚴重，而當5 號磚原料中小于0.4 mm 的粒度占比大于60%時，石灰爆裂現(xiàn)象已基本解決，且逐漸趨于穩(wěn)定。故可知原料中CaO 造成的磚體爆裂可根據(jù)改變顆粒大小而進行調整及改善，顆粒越細，燒成制品性能越好。

3.4.2 試樣的常溫抗折、抗壓強度 6 種不同顆粒級配的試樣在燒成后的常溫抗折、抗壓強度見圖2。從圖2 可以看出，原1 號磚抗折強度小于2.00 MPa，2～5 號不同顆粒級配的試樣磚抗折強度隨著粗顆粒占比的減少及細顆粒占比的增加具有逐漸增高的趨勢，當6號磚小于0.4 mm 的細顆粒占比增加到65.0%時，抗折強度可達到3.48 MPa。6 種試樣磚的抗壓強度均在20.0 MPa 以上，2 號顆粒級配制成的燒結磚抗壓強度最小，為20.9 MPa，5 號到6 號磚隨著顆粒級配的改變，抗壓強度有較顯著的增大，可達22.6 MPa。根據(jù)GB/T 13544—2011《燒結多孔磚和多孔砌塊》中強度等級的要求，6 種試樣磚在原料最大粒度小于1.2 mm時，制備的燒結磚強度等級為MU20，均符合承重磚的強度要求，但隨著細粉料的增加，燒結磚的強度普遍有增大的趨勢。這是由于胚體在加熱時粗顆粒很大程度上在細顆粒轉變和胚體開始燒結之后才發(fā)生轉變，粗顆粒在轉變過程中會導致胚體松散和開裂[14]。而細顆粒多處于粗顆粒堆積的縫隙中，在不改變溫度的情況下，細顆粒含量越多，比表面積越大，顆粒間的接觸更好，更易發(fā)生相互間的反應，對外力的傳遞作用變好，磚坯受力更均勻，結構更穩(wěn)定，其在轉變時產生的膨脹對胚體的影響更小，磚的燒結能力就會大大加強，磚體的強度也會相應增高[15]。

圖2 不同試樣抗折、抗壓強度對比圖

綜上可知，王洼煤礦煤矸石在一定的條件下燒制成的多孔磚，各項指標均能達到建筑使用的要求。細料顆粒的比例增大，有助于提高多孔磚的抗折、抗壓強度并對有害雜質如方解石等成分起到分散作用，有效防止了磚體爆裂現(xiàn)象的發(fā)生。根據(jù)對6 種試樣燒結磚的綜合性能檢測結果對比分析判定，在提高1.0～1.2 mm顆粒占比，降低小于0.4 mm 細顆粒占比的情況下，燒結磚的石灰爆裂現(xiàn)象最嚴重且其他各項物性指標最差，在1.0～1.2 mm 粗顆粒與原配比相近，降低小于0.4 mm細顆粒占比時，石灰爆裂現(xiàn)象也沒有得到很好的改善，各項指標也沒有原配比的好，只有同時降低1.0～1.2 mm粗顆粒占比且增加細顆粒占比到一定含量時，石灰爆裂現(xiàn)象才會有明顯改善，各項指標效果才能達到最好。故針對該廠燒制的煤矸石多孔磚存在的石灰爆裂問題，在控制成本最低的情況下，要想很好的改善該廠成品磚石灰爆裂現(xiàn)象，建議顆粒級配的最優(yōu)方案為1.0～1.2 mm 的顆粒占比小于2.0%、0.4～1.0 mm 的顆粒占比在35.0%～40.0%，小于0.4 mm 的顆粒占比在60.0%以上。

4 結論

（1）王洼煤礦煤矸石的主要礦物組成為石英、黏土礦物及炭質，三者是燒結磚的必需成分，含有少量的方解石不利于制磚。

（2）王洼煤礦煤矸石的化學成分以SiO2及Al2O3為主，二者含量為58.91%及18.53%，次要成分為CaO、MgO 及Fe2O3。其中，CaO 的含量為2.70%，超出制磚推薦值，易使成品磚出現(xiàn)石灰爆裂問題。

（3）最優(yōu)的燒結磚顆粒級配方案為1.0～1.2 mm 的顆粒占比小于2.0%、0.4～1.0 mm 的顆粒占比在35.0%～40.0%、小于0.4 mm 的顆粒占比在60.0%以上時，石灰爆裂現(xiàn)象會有明顯改善，并且隨著細顆粒粉料的增加，有助于提高制品的抗折、抗壓強度。