煤矸石在水泥生产过程中大掺量综合利用初探

杨明

摘要：作为我国经济发展重要支柱，理想工业生产需要达到资源利用最大化，深度挖掘资源价值，实现零排放。但是现有科技水平只能让废气废渣二次利用，无法全面落实资源百分百利用。本文以工业废渣中煤矸石为研究对象，重点分析其作为水泥原料价值。旨在为我国资源高效利用提供可行性方案，以为推动我国实现绿色经济、环境友好型社会做出贡献。

关键词：煤矸石;水泥生产;综合利用

前言：

我国城市化发展速度逐渐加快，导致我国现有资源储备迅速下降，尤其是水泥生产原材料的黏土资源，已经成为限制建筑行业进一步发展的重要环节。所以，建筑行业开始寻求另一种代替黏土的新型材料，保证行业稳定性。而在工业生产中，例如煤矸石这类工业废渣也成为工业健康发展重要问题。在这种双向需求下，需求两者高质量融合，将是工业与建筑行业研究的重点。

1煤矸石

受到开采位置、方式差异，我国开采煤矸石在化学组成方面就有较大区别，以Si、Al、Fe等元素为主，多为混合物。我国当前煤矸石堆存已经超过45亿吨，存储浪费大量空间，处理又需要消耗大量资金，所以煤矸石进行二次利用已经成为工业发展重点研究内容。砂岩质矸石多由碎屑和胶结物通过组合方式构成，六方柱是其主要成分为。但是石英具有稳定化学状态，在正常自然界很难被分解，这也是我国煤矸石亟须处理的另一个原因[1]。

2煤矸石活化

在常规生产中，煤矸石并不具备活性，需要使用火山灰帮助其活化，并将其作为代替黏土生产材料，生产新型水泥。而煤矸石实际应用时，需要考虑到煤矸石采购成本，需要通过水泥生产，合理调整掺量，从而降低生产成本[2]。在环保角度，煤矸石应用于建筑行业，可以有效解决我国煤矸石过多，处理成本高昂问题，实现资源二次利用。同时，煤矸石可以有效改善水泥性质，在提升结构特性方面具有较强效果。通过煅烧方法提升煤矸石活性，并对其机械研磨，搭配添加剂，进一步提高煤矸石活化，从而实现水泥高效生产，对于建筑行业未来绿色发展具有重要意义。

3煤矸石在水泥生产过程中大掺量综合利用研究

3.1热活化对硅酸盐水泥影响

在我国工业多年发展中，煤矸石高效活化技术难题已经被攻破。借助机械设备充分研磨煤矸石，直到物料粒度均在0.08mm以内，再利用700℃高温持续煅烧1小时，煤矸石即可达到最佳活化效果。针对煤矸石以及激发剂比例展开研究，对于煤矸石对于水泥砂浆影响会有进一步探索。所以，需要在试验前充分研磨煤矸石，保证其物料粒度均在0.08mm以内，再通过高温煅烧、二次研磨等工序，以科学计算用量比例将煤矸石和石灰粉充分混合后，进行过滤，保证筛余量在10%以内，再将其与原料充分融合，完成以煤矸石作为生产原料，符合国家生产规定的低熟料硅酸盐水泥制作[3]。将制作完成的水泥与P.O 42.5级别水泥砂浆测试块，以稠度、安定性以及水泥凝结时间多个方面做技术横向对比。根据煤矸石以及标准水泥实际用水量充分对比分析，再增加一定分量掺杂石灰粉与煤矸石生产复合性水泥，稠度提升效果明显。这是因为煤矸石具有较小粒径，让其表面积增大而其拥有空隙以及表面空间可以做到吸收水分效果良好，进而提升煤矸石水泥实际用水量。将生石灰加入煤矸石，构成钙矾石，缩减水泥初凝时间。而在水泥进一步水化，会产生C-S-H凝胶，继续缩减水泥终凝所需时间。对该内容继续研究，当煤矸石进一步缩减粒径，其表面积也会有所增加，缩减化学反应时间，提升反应效果，进而降低从水泥终凝所需时间。将煤矸石粉和激发剂以水泥总量40%进行混合，对传统水泥所需粘土材料进行代替，并做抗压强度相关测试。当煤矸石总量提升，可以有效提升水泥的抗压、抗折能力[4]。在煤矸石超过水泥总量50%，水泥强度抗压能力可以达到市面可以买到普通硅酸盐水泥32.5等级强度。

3.2活化程度对硅酸盐水泥力学性能影响

因为由煤矸石掺杂制成的水泥和普通水泥存在力學性能差异，需要采用适合方式对其判断。而标准稠度对于水泥应用性能具有明显影响，对煤矸石水泥进行活化所需较大用水量。在活化石产量提升的同时，水化反应程度也会逐渐剧烈，加快反应速度，缩短终凝时间。所以，煤矸石在水泥生产添加量会对其性能产生较大影响。以胶砂强度对水泥试验，水泥试块抗压强度会伴随时间逐渐下降，28天时间后，抗压强度达到最低标准。这是因为活化煤矸石会和矿渣以及水泥产生反应，进而产生少量，对于水泥强度产生相应影响。而在水化反应逐渐加剧影响下，胶凝活性进一步加强，会降低试块强度。针对活化煤矸石测试掺入量，以水泥含量的30%活化煤矸石，掺入到水泥中，可以有效提升抗压强度[5]。而将活化煤矸石对黏土材料取代时，水泥实际抗压强度会有所下降。而将活化煤矸石控制在水泥总含量30%，矿渣控制在10%，虽然可以对水泥熟料进行代替，会其抗压强度造成下降。而在煤矸石40%掺入量时，水化产物产量下降。而且矿渣内氧化钙会和活化煤矸石与产生化学反应，可是其反应量过少，产物并不能对满足水化反应所需钙元素量的实际需求，让水泥刚度降低幅度十分明显。即使将矿渣煤矸石含量降低至30%，即使产生符合水化反应所需、以及，让生产环境变更为强碱条件，对于水泥强度也无法做到有效改善。而将石膏以5%、7%、9%不同含量添加至水泥生产中，伴随水泥石膏比重提升，水泥应用强度也会有所下降。所以，在以后水泥生产中，应降低石膏用量，对于水泥提升强度具有良好效果。

3.3实验室分析

借助电子扫描镜和计算机数据分析，将由活性煤矸石制成水泥进行测试，并对数据分析，以不同掺量获得数据，借助显微镜加强观察效果，可以发现在水泥生产的28天后，煤矸石水泥内部柱状晶体实际数量会大幅度减少，但是絮状物则会增多。在添加剂含量发生变化时，水泥状态变化程度也较为明显。以活化煤矸石占水泥含量30%、石膏占3%、矿渣占10%的水泥生产为例，在水泥发生水化反应结束后，其内部形态会保持紧密状态，聚集体具有一定规则。借助煤矸石掺量不同，对水泥观测时，可以发现当外部条件呈碱性时，对于煤矸石活性具有较强激发效果，可以加快水化反应时间，也可以对水泥强度有促进效果。

结论：

虽然本文提出煤矸石代替黏土用于水泥生产方案，已经达到初步使用程度，但建筑企业在实际应用中仍需要以当前水泥生产面临问题为出发点，详细研究并讨论煤矸石应用比重变化对水泥质量影响。本文内容建立在为建筑企业与行业提供思考方向，并不以指导具体工作为首要目的。所以，应用时可以将本文当作参考，但要避免将内容直接作为生产方案使用。

参考文献：

[1]贾敏.煤矸石综合利用研究进展[J].矿产保护与利用，2019，039（004）：46-52.

[2]刘小婷，温久然，王思雨，等.原状煤矸石骨料强化工艺研究[J].无机盐工业，2020，52;377（04）：71-77+84.

[3]李秋英，吴昊泽，董辰光，等.煤矸石-粉煤灰-水泥基煤田含水层注浆材料性能实验研究[J].四川水泥，2020，285（05）：37-39.

[4]王庆贺、李喆、周梅、张玉琢.自燃煤矸石骨料取代率对钢筋混凝土梁受弯性能的影响[J].建筑结构学报，2020，41（12）：67-77.

[5]刘峰，刘超.煤矸石综合利用系统的研究与应用[J].煤炭技术，2019，38;312（12）：150-152.