煤矸石燒結(jié)保溫磚試驗(yàn)研究

王占鋒，劉小鋒，趙林，李學(xué)軍，李珠

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

0 引 言

煤矸石是在掘進(jìn)、開采和洗煤過程中排出的固體廢棄物。我國是當(dāng)今世界上第一產(chǎn)煤大國，僅山西的煤矸石累計(jì)堆存就高達(dá)17億t以上[1]，煤矸石的大量堆放不僅破壞土地、污染環(huán)境，而且對(duì)周邊居民的生活造成很大影響。但煤矸石并不是一種簡單的工業(yè)廢料，而是可利用的資源，由于其與黏土化學(xué)成分相似，具有高含量的硅和鋁，故有應(yīng)用于燒結(jié)領(lǐng)域的潛能[2-5]。另外，煤矸石作為一種常見低熱值的燃料，制備燒結(jié)磚時(shí)可將這部分熱量充分利用[6]。隨著國家墻體材料的改革和政策的落實(shí)，以及黏土實(shí)心磚的禁止使用和淘汰，煤矸石燒結(jié)磚已經(jīng)成為煤矸石綜合利用的重要途徑之一[7]。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)原料

煤矸石：取自山西西山煤電股份有限公司西銘礦，主要化學(xué)成分見表1；膨潤土：取自信陽某礦區(qū)的鈣基膨潤土，表觀密度1265 kg/m3，主要化學(xué)成分見表1；粉煤灰：取自太原市某電廠，Ⅱ級(jí)；水：自來水。

表1 煤矸石和膨潤土的主要化學(xué)成分 %

1.2 試驗(yàn)儀器

Pcz密封錘式破碎機(jī)，鶴壁市冶金機(jī)械設(shè)備有限公司；SMΦ500×500mm試驗(yàn)小磨，紹興市銀河機(jī)械儀器有限公司；標(biāo)準(zhǔn)篩，浙江上虞市五四儀器篩具廠；8411電動(dòng)振篩機(jī)，湘潭湘儀儀器有限公司；JJ1000型電子天平，常熟市雙杰測(cè)試儀器廠；Ysz-200液壓壓力機(jī)，無錫市祺銳科技有限公司；SX4-12-16實(shí)驗(yàn)電爐，武漢亞華電路有限公司；DHG-9075A電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱，上海島韓實(shí)業(yè)有限公司；加拿大C-Therm Tci導(dǎo)熱儀，C-THERM TECHNOLOGIES Ltd.；WDW-00電子式萬能試驗(yàn)機(jī)，濟(jì)南思達(dá)測(cè)試技術(shù)有限公司；VHX-5000超景深顯微系統(tǒng)。

1.3 試驗(yàn)方法

目前燒結(jié)磚的制備方法主要有2種：一種是濕法成型的軟塑擠出成型，另一種是半干法成型的模壓成型。本研究采用采用半干法成型，它是利用壓力機(jī)將混料在模具中壓制成密實(shí)坯體，具有缺陷少、尺寸精確、能大量使用煤矸石、粉煤灰等工業(yè)廢料的特點(diǎn)。制備工藝如下：

（1）利用粉碎機(jī)將煤矸石破碎，再經(jīng)試驗(yàn)小磨和球磨機(jī)研磨后過篩，篩分出不同粒徑的煤矸石粉，破碎后和研磨后的煤矸石見圖1。粉煤灰和膨潤土也經(jīng)球磨機(jī)研磨，使其過60目篩。

圖1 破碎后和研磨后的煤矸石

（2）將過篩后的粉料放進(jìn)（105±5）℃的烘箱中直至其質(zhì)量不再變化，經(jīng)試驗(yàn)研究，粉料的烘干時(shí)間為10 h。

（3）將烘干后的煤矸石、粉煤灰和膨潤土粉料按一定比例混合均勻，加入10%~15%的水?dāng)嚢杈鶆颍够炝戏稚⒕鶆?，不成塊。

（4）將混合均勻的粉料陳化24 h后，放進(jìn)模具中在壓力機(jī)上按一定的成型壓力模壓成型。

（5）將成型的坯體放進(jìn)（105±5）℃的烘箱中烘干后，放入電爐按焙燒曲線進(jìn)行燒結(jié)，并在高溫條件下保持一段時(shí)間使磚體燒結(jié)完全，最后隨實(shí)驗(yàn)電爐自然降溫。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 煤矸石粒徑對(duì)保溫磚性能的影響

為探究煤矸石粒徑的影響，試驗(yàn)時(shí)只使用煤矸石和膨潤土，m（煤矸石）∶m（膨潤土）=50∶50，成型壓力 12 MPa，燒結(jié)溫度為950℃，高溫?zé)Y(jié)時(shí)間為1 h。煤矸石粒徑對(duì)煤矸石燒結(jié)保溫磚性能的影響見表2。

表2 煤矸石粒徑對(duì)燒結(jié)保溫磚性能的影響

煤矸石含碳量高且含有豐富的有機(jī)物，在燒結(jié)過程中在磚體內(nèi)部造成孔洞，使磚體導(dǎo)熱系數(shù)降低，尺寸收縮。由表2可知，隨著煤矸石粒徑的減小，裂紋逐漸消失，掉粉現(xiàn)象消失，體積收縮率變大，同時(shí)抗壓強(qiáng)度明顯提高，導(dǎo)熱系數(shù)也趨于變大。使用較細(xì)的粉料，可使物料分散均勻，增加可塑性和結(jié)合能力，提高坯體的密實(shí)性，對(duì)有害物質(zhì)起到分散作用，防止爆裂現(xiàn)象發(fā)生，提高磚體強(qiáng)度。當(dāng)粒徑大于60目時(shí)，磚體外觀良好，抗壓強(qiáng)度和導(dǎo)熱系數(shù)變化不大，故為節(jié)約能源，在以下試驗(yàn)中選用的煤矸石粒徑均為60～100目。

2.2 煤矸石摻量對(duì)煤矸石燒結(jié)保溫磚性能的影響

煤矸石制備燒結(jié)磚是煤矸石資源化利用的重要途徑，故在保證保溫磚性能的同時(shí)，盡可能多的利用煤矸石也是本研究的重要目標(biāo)。在探究煤矸石摻量影響時(shí)，僅摻加煤矸石和膨潤土。成型壓力為12 MPa，燒結(jié)溫度為950℃，高溫?zé)Y(jié)時(shí)間為1 h，煤矸石摻量對(duì)燒結(jié)保溫磚抗壓強(qiáng)度和導(dǎo)熱系數(shù)的影響見圖2。

圖2 煤矸石摻量對(duì)燒結(jié)保溫磚性能的影響

由圖2可知，隨著煤矸石摻量的增加，即膨潤土用量的減少，抗壓強(qiáng)度和導(dǎo)熱系數(shù)均逐漸降低。膨潤土作為粘結(jié)劑，具有較高的塑性，極大的改善粉料中由煤矸石引起的塑性低、坯體難以成形的缺點(diǎn)；加入適量的膨潤土，可以有效的減少磚坯出現(xiàn)的各種缺陷，增加磚體中SiO2含量，提高磚體強(qiáng)度。隨著煤矸石摻量的增加，坯體中含碳量增加，在燒結(jié)過程中形成更多的孔洞，導(dǎo)熱系數(shù)有所降低[8]。綜合考慮抗壓強(qiáng)度和導(dǎo)熱系數(shù)，選定煤矸石摻量為60%，此時(shí)抗壓強(qiáng)度為9.47 MPa，導(dǎo)熱系數(shù)0.305 W/（m·K）。

2.3 焙燒曲線的研究及燒成溫度對(duì)煤矸石保溫磚性能的影響

2.3.1 焙燒曲線的探究

焙燒是燒結(jié)磚的最后一道工序，也是決定燒結(jié)制品質(zhì)量的關(guān)鍵步驟，在燒結(jié)過程中，原料各組分在高溫作用下發(fā)生復(fù)雜的物理、化學(xué)變化，形成預(yù)期的顯微結(jié)構(gòu)，達(dá)到燒結(jié)制品的性能要求。坯體在受熱過程中受熱升溫，內(nèi)部水分蒸發(fā)流失，為防止磚體在高溫情況下因水分蒸發(fā)過快而開裂，故在200℃時(shí)進(jìn)行保溫，使水分蒸發(fā)，從而減少磚體中的水分。煤矸石的熱重分析曲線如圖3所示。

圖3 煤矸石的熱重分析曲線

由圖3可知，煤矸石的質(zhì)量損失大概在400~600℃，故在600℃時(shí)進(jìn)行保溫，以確保煤矸石中的碳和有機(jī)物充分燃燒，留下孔洞，以達(dá)到保溫效果。當(dāng)溫度高于800℃時(shí)，固體顆粒開始熔化形成液相，并包裹在顆粒表面，故需要通過在最高溫度時(shí)保溫，形成足夠量的液相，獲得較高強(qiáng)度的產(chǎn)品，故升溫曲線如圖4所示。

圖4 煤矸石保溫磚的升溫曲線

2.3.2 燒成溫度對(duì)煤矸石保溫磚性能的影響

綜合考慮保溫磚的抗壓強(qiáng)度和導(dǎo)熱系數(shù)，較合適的配比為m（煤矸石）∶m（膨潤土）=60∶40，為更大程度地利用固體廢棄物，用10%的粉煤灰替代膨潤土，即保溫磚配比固定為m（煤矸石）∶m（粉煤灰）∶m（膨潤土）=60∶10∶30，各種粉料的均過 60目篩，成型壓力為12 MPa，燒成溫度分別為850、900、950、1000、1050℃，按以上升溫曲線進(jìn)行焙燒。不同燒成溫度對(duì)煤矸石保溫磚性能的影響見表3，保溫磚在燒成溫度為900、950、1000℃下的超景深顯微系統(tǒng)放大500倍微觀形貌見圖5。

表3 不同燒成溫度對(duì)煤矸石保溫磚性能的影響

圖5 不同燒結(jié)溫度煤矸石保溫磚的SEM照片

由表3可以看出，隨著燒成溫度的升高，煤矸石燒結(jié)保溫磚的抗壓強(qiáng)度和密度均增大，特別是當(dāng)燒成溫度高于950℃時(shí)，抗壓強(qiáng)度和密度增大較為明顯。這是因?yàn)殡S著燒成溫度的升高，煤矸石燒結(jié)保溫磚呈現(xiàn)出的形態(tài)是不同的，當(dāng)燒成溫度在950℃以下時(shí)，磚體內(nèi)部形成的液相較少，煤矸石、粉煤灰和膨潤土顆粒之見粘接不夠緊密，磚體收縮較小，所以此時(shí)的抗壓強(qiáng)度和密度較?。划?dāng)燒成溫度高于950℃時(shí)，磚體內(nèi)部的液相隨著溫度的升高而逐漸增多，煤矸石、粉煤灰和膨潤土顆粒之見粘接更加緊密，使得磚體收縮較大，并且更加密實(shí)，故而抗壓強(qiáng)度和密度均有較大的提高。

由表3還可以看出，隨著燒成溫度的升高，煤矸石燒結(jié)保溫磚的導(dǎo)熱系數(shù)呈先減小后增大的趨勢(shì)，在950℃時(shí)最小，為0.26 W/（m·K）。

由圖5可以看出，保溫磚在950℃時(shí)形成的空洞最多，且隨著溫度的升高，熔融現(xiàn)象更加明顯，這是由于磚體在燒結(jié)過程中，煤矸石所含碳量和有機(jī)物的燃燒而留下填充著空氣的孔洞，煤矸石在磚體內(nèi)部分散均勻，導(dǎo)致這些孔洞是相互連通而孔道，隨著溫度的升高，出現(xiàn)的液相逐漸增多，在將顆粒粘結(jié)在一起的同時(shí)，也將孔道中的空氣密封在磚體中，形成封閉的孔洞，所以當(dāng)燒成溫度低于950℃時(shí)導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度的升高而降低。當(dāng)燒成溫度高于950℃時(shí)，大量液相則充滿孔道，使得空洞量減少，磚體因收縮而更加密實(shí)，所以導(dǎo)熱系數(shù)呈升高趨勢(shì)。根據(jù)以上所述，綜合考慮煤矸石燒結(jié)保溫磚的抗壓強(qiáng)度和導(dǎo)熱系數(shù)，選擇燒成溫度為950℃，此時(shí)抗壓強(qiáng)度為6.47 MPa，導(dǎo)熱系數(shù)為0.26 W/（m·K），既保證最低導(dǎo)熱系數(shù)同時(shí)又可獲得較高的強(qiáng)度。

2.4 成型壓力對(duì)煤矸石燒結(jié)保溫磚性能的影響

在上述試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，燒成溫度為950℃，成型壓力對(duì)煤矸石保溫磚性能的影響見表4。

表4 成型壓力對(duì)燒結(jié)保溫磚性能的影響

由表4可知，在其他條件不變的情況下，隨著磚坯成型壓力的不斷增大，保溫磚的密度和抗壓強(qiáng)度均一直增大，導(dǎo)熱系數(shù)先減小后增大，在成型壓力為8 MPa時(shí)達(dá)到最低，為0.23 W/（m·K）。當(dāng)成型壓力小于8 MPa時(shí)，保溫磚抗壓強(qiáng)度較低、導(dǎo)熱系數(shù)高，而且隨成型壓力變化明顯，這說明磚體內(nèi)部結(jié)構(gòu)較為疏松、不密實(shí)，形成連通的孔道多，同時(shí)密度也較?。划?dāng)成型壓力大于8 MPa時(shí)，保溫磚的抗壓強(qiáng)度增長漸于平緩，這是由于磚坯內(nèi)部有一定的橋接作用，使得內(nèi)部顆粒的接觸趨于緊密，內(nèi)部結(jié)構(gòu)的變化趨于平穩(wěn)，所以抗壓強(qiáng)度和密度的增加減緩，同時(shí)磚體密實(shí)度增加，空隙逐漸減少，致使導(dǎo)熱系數(shù)增加，保溫效果變差。

綜上所述，當(dāng)成型壓力為8 MPa時(shí)，煤矸石燒結(jié)保溫磚的抗壓強(qiáng)度為5.69 MPa，導(dǎo)熱系數(shù)為0.23 W/（m·K），符合GB 26538—2011《燒結(jié)保溫磚和保溫砌塊》MU5.0強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)要求，抗壓強(qiáng)度和導(dǎo)熱系數(shù)綜合性能達(dá)到最佳。

3 結(jié)論

（1）隨著煤矸石粒徑的減小，保溫磚抗壓強(qiáng)度提高，品質(zhì)越好，為保證保溫磚質(zhì)量，煤矸石粒徑不宜大于60目；隨著煤矸石摻量的減小，保溫磚抗壓強(qiáng)度和導(dǎo)熱系數(shù)均不斷提高。

（2）在燒結(jié)過程中，需在200℃、600℃和燒成溫度進(jìn)行保溫，以保證燒結(jié)保溫磚的質(zhì)量；隨著燒成溫度的升高，保溫磚的密度和抗壓強(qiáng)度均不斷升高，導(dǎo)熱系數(shù)先減小后增大，并在950℃時(shí)達(dá)到最小。

（3）隨著成型壓力的增大，保溫磚抗壓強(qiáng)度和密度均不斷增大，導(dǎo)熱系數(shù)先減小后增大，并在8 MPa時(shí)達(dá)到最小。

（4）試驗(yàn)中初步得到了較為適宜的煤矸石燒結(jié)保溫磚的工藝參數(shù)：m（煤矸石）∶m（粉煤灰）∶m（膨潤土）=60∶10∶30、成型壓力為8 MPa、燒成溫度為950℃。制得的保溫磚抗壓強(qiáng)度為5.69 MPa，導(dǎo)熱系數(shù)為0.23 W/（m·K）。