煤矸石粉煤灰发泡材料的研制

连国奇+张林波

摘 要：该研究以煤矸石和粉煤灰为原料，制备一种具有实用性的发泡材料，通过室内实验的方法对物料比、烧制温度等因素进行了优化处理。结果表明，掺入煤矸石和粉煤灰（17∶3），外加1%的硼砂，烧成温度在1000℃，保温时间120 min得出的煤矸石发泡材料制品性能最好。

关键词：煤矸石；粉煤灰；发泡材料

中图分类号 TU528 文献标识码 A 文章编号 1007-7731（2017）17-0085-03

在煤矿开采及加工过程中会产生一定量的煤矸石，它是固体废弃物。我国矸石产量较大，原煤总产量的15%为煤矸石，积存量已超过70亿t，占地面积约70km2，且仍在高速增长[1]。煤矸石产量大和资源区域差异是我国目前的现状，再受到经济条件制约和技术设备的限制，煤矸石的利用情況不乐观，总利用率仅25%左右[2]。我国粉煤灰每年排放量超过7000万t，但利用量很少，全国累积堆存超过10亿t。周翠红、常欣[3]等分析了我国煤矸石利用的主要途径有：煤矸石复垦及采空区回填、煤矸石生产建筑材料、煤矸石生产农肥及改良土壤、煤矸石制备无机高分子絮凝剂等。煤矸石和粉煤灰的综合利用，一方面可以节约大量的非可再生资源，另一方面可以产生显著的经济效益。固体废弃物的利用，要结合材料的特性，因材施用，提高有效利用率。固体废物的资源化利用，不仅可以减轻对粉尘污染、土壤和地下水重金属污染，还可以少占用有限的土地资源，同时又循环利用了价值资源。因此，煤矸石和粉煤灰资源综合利用已迫在眉睫[4-8]。为此，本研究在煤矸石粉中掺入一定比例的粉煤灰和发泡剂制成煤矸石发泡材料，对固体废弃物的综合利用有着重要的意义。

1 实验用品

1.1 实验仪器 在研究过程中用到的主要仪器如表1所示。

1.2 实验药品 实验所用到的药品有发泡剂和烧结助剂等，其中发泡剂为十二烷基硫酸钠和碳酸钙，烧结助剂为硼砂，如表2所示。

2 实验方法

2.1 原料的预处理 实验所用煤矸石采集于贵州省某煤矿，先经鄂式破碎机破碎，然后加入球磨机中球磨30min，烘干后过80目筛，得到煤矸石粉末。粉煤灰采集于贵州省某发电厂，经烘干后过80目筛，得到粉煤灰粉末。

2.2 实验条件优化

2.2.1 物料比 据有关研究表明[8]，发泡材料的塑性、表观密度和抗压强度与掺入的粉煤灰比例有关，呈负相关性，与发泡材料的吸水性呈正相关性。当原料中粉煤灰比例接近20%时，成型性变差，其产品的抗压强度也急剧下降，当粉煤灰的掺入比例为15%较宜。本研究以煤矸石粉煤灰制砖工艺最佳原料配比为基础[9]，加入0.5%的发泡剂。在前人研究的基础上，在实验中选用了十二烷基硫酸钠和碳酸钠为发泡材料，前者为表面活性剂，后者为化学发泡剂。将制备的煤矸石粉末、粉煤灰粉末和一定量的烧结助剂和促凝剂进行充分搅拌，混合均匀后加入一定量的水再搅拌5min，然后倒入模具中，形成胚体。物料比如表3所示。

2.2.2 烧制温度 坯体含有较多水分，抗压强度低，不能马上脱模和烧结，须放先行干燥。不同的干燥温度对坯体的影响差异较大。过慢的升温速率虽可以得到干燥质量优良的坯体，但需要的时间很长，干燥的效率低；过高则会使坯体外观产生裂纹，破坏其机械性能[10]。在研究过程中，先将坯体和模具静置2d，然后入干燥箱，从室温开始，升温速率2℃/min，温度升高到50℃，保温2h脱模，再升至100℃，保温3h完，最后自然冷却。将干燥后的胚体放入马弗炉中焙烧，焙烧带温度在600～1000℃以内，在这一阶段，砖坯将发生复杂的物理化学变化。本次研究采用调节升温速率10℃/min，保温时间120min，降温时间120min。

3 结果与分析

3.1 原料元素成分 在煤矿生产过程中会产生一定的废渣，主要有掘进时产生的矸石和在煤炭洗选过程中排出的固体[11]。本实验采用贵州某煤矿的粘类富铁型高钙组煤矸石，化学成分主要是二氧化硅、三氧化二铝和三氧化二铁，还有氧化钙、氧化钾、氧化镁、三氧化硫和少许氧化锶等。将粉煤通过75μm网目筛分，然后用热空气高速吹进发电站的锅炉，在高温下燃烧后生成的大部分固体微粒随烟道气一起被带出，为了防止排放到大气中，须将此固体微粒（粉煤灰）除掉[12]。本实验采用贵州某电厂的粉煤灰，化学成分主要是二氧化硅和三氧化二铝，其次还有三氧化二铁、氧化钙、氧化镁、氧化钾以及少许三氧化硫、氧化锶等。用XRF测定煤矸石和粉煤灰样品中的各组分含量，结果如表4所示。

煤矸石各组分的含量对烧制品的影响：二氧化硅含量应在70%以下，含量高将导致煤矸石的塑性明显降低，烧制品的压缩、弯曲能力降低。实验所用煤矸石中二氧化硅含量为41.8%，具有一定的可塑性；三氧化二铝的最佳含量为15%～25%，含量较低时试件的抗压、抗折强度较小，含量过大，则需要更高的烧成温度才能烧结。实验所用煤矸石中三氧化二铝含量约为18.5%，符合要求。

在粉煤灰的形成过程中已经过了一次高温，再次灼烧很难发生化学反应，将混合物进行混匀并进行加热，在发泡剂的作用下可以形成密度小、强度大、致密的烧结体。粉煤灰在整个烧制过程中表现出了一些特性，如热效应小，能耗小，增加强度，稳定性好等。

3.2 过程分析 烧制温度是决定发泡材料性能的重要因素。首先，煤矸石-粉煤灰发泡材料与建筑用的粘土砖相似，其强度主要来自于形成的矿物：莫来（3Al2O3·2SiO2）和a-石英（a-SiO2）等，强度矿物的生成越多，对应制品的强度性能也越好。而烧制温度直接影响到莫来石、a-石英等的生成。如果烧制温度过低，削弱了莫来生成物的形成，产品强度也将下降。如升温速度过快，坯体表面致密，不利于坯体内气体的逸出，容易造成产品内部膨胀、起泡，产品变形。除此以外，在煤矸石和粉煤灰中可能含有碳，如果升温过快，其中的碳不能燃尽，坯体的内部处于还原气氛中，以至三氧化二铁还原为黑色的四氧化三铁，产品黑芯。endprint

3.3 样品性能

3.3.1 折弯度 采用万能试验机对煤矸石发泡材料进行折弯度检测。首先调整好仪器，测量出石发泡材料的长、宽和厚度，然后通过仪器输入参数长、宽和厚度，便能测出煤矸石多孔材料的极限折弯度P（MPa），结果图1所示。由图1可知，弯折度随着温度的升高越来越好，1000℃下所得产品的弯折度性能较好。折弯度性能最佳为4号，即粉煤灰掺入量控制在15%，温度控制在1000℃。

3.3.2 抗压强度 用万能试验机对煤矸石发泡材料进行抗压强度检测，结果如图2所示。由图2可知，抗压强度随烧纸温度的升高而增强，但800℃时和1000℃的抗压强度差别不大；产品抗压强度最佳为4号，即粉煤灰掺入量控制在15%，温度控制在1000℃，在实际生产可在满足性能的前提下适当调整温度。

4 结论

本研究利用了2种工业废弃物煤矸石和粉煤灰为原料，制备了发泡材料，少占用了土地，减轻了对环境的危害，在实现废物资源的合理化利用的同时也可产生了一定的经济效益。主要结论如下：（1）产品抗压强度和抗折强度受物料影响，原料配比应控制在：煤矸石85%、粉煤灰15%；（2）烧制温度是影响产品质量的重要因素，温度控制在1000℃较佳，在实际生产过程中在满足性能要求的前提下可以适当降低温度；（3）在原料中加入发泡剂十二烷基硫酸钠，可以提高制品的空隙率和吸水性，具有一定的实用价值。

参考文献

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（责编：张宏民）endprint