煤矸石作粗骨料配制混凝土在生态工程中的应用

2023-01-07刘丽红刘红维

四川建材 2022年5期

刘丽红，刘红维

(1.山西工程技术学院，山西阳泉 045000；2.晋能集团阳光发电有限责任公司，山西阳泉 045000)

0 前言

煤矸石是采煤及洗煤过程中排放的固废物。随着原煤产量大幅增加，其附属物煤矸石大量出现。在绿色、节能、环保理念的支撑下，煤矸石作为一种资源在生态过程中得到了应用。

我国生态专家马世骏指出，生态工程是遵循人与自然和谐相处，对物质进行循环再利用，结构优化的设计方案，进而改变物质生产的工艺流程。它具有一般工程的特点：整体性、系统性、一次性等，但它又不同于一般的项目工程，有其自身的特殊性：必须因地制宜，有很强的地域性，不能盲目照搬，有较强的灵活性。即一个地区系统工程的引入，必须进行综合因素分析，多方面的可行性论证，分析它的综合效益，而不能只考虑经济效益。笔者收集了国内煤矸石在生态工程中的利用情况，并进行了现状分析，为煤矸石代替石子做粗骨料来配置混凝土在建筑工程混凝土中的应用提供了必要的参考。

1 混凝土在生态工程中的应用

煤矸石是煤炭的伴生物，即随着煤炭的大量产出，煤矸石也会随之产生。世界各地的现状是，开始时经济增长方式是粗放式的，人们只注重能源的开发利用，不注重节能和能源的再利用。伴随着循环经济的提出以及生态工程的提出，在利用方面，国外领先于国内。

煤矸石有较好的工程性能，广泛被国外应用于各个工程领域。对煤矸石的处理，最好的办法就是恢复耕地，但那需要更多的人力、物力、更多的政府支持，在美国等国家煤矸石采用生物复田技术；而英国等国对于条件成熟矿区的煤矸石采取复田造地的方式进行。对煤矸石的资源化再利用，主要用在建材、化工原料、工业填料等方面，应用的范围较为宽泛；而在国内，刚开始对于煤矸石只是作为一种工业废弃料，未及时进行处理，因而被大量堆积。从20世纪90年代开始，响应国家的号召，对矸石山综合整治。随着生态文明建设要求以及节能、环保、绿色经济等概念的提出，人们开始了对煤矸石进行资源化研究，建造了煤矸石发电厂、水泥厂和砖厂，对煤矸石的利用刚开始作为建筑材料、化工原料，后随着城市建设工程改造项目的深入进行，又被应用在市政工程等方面。对于我国煤矸石开发利用方面还有很大的空间，需加强应用研究，提高综合效益。

煤矸石作为一种固体废弃物，造成了空气和环境污染，进而引发生态问题等，只有积极地进行试验研究，充分利用煤矸石的特性，才能够变废为宝。在做好煤矸石资源化利用的同时，积极探索煤矸石在生态工程中的应用。煤矸石作粗骨料制作生态混凝土，不仅解决了自身的污染问题，而且为生态工程做出了贡献。

2 煤矸石陶粒制作轻型混凝土

传统意义上的混凝土原料，由石子、砂、水泥、水以一定的比例混合而成，为保证一些特殊的性能和功用，添加掺合料和外加剂。为缓解环境危机、生态压力，尽量节约能源，充分利用煤矸石的性质，对其进行资源化处理。将煤矸石陶粒代替石子，这样制成的混凝土质量轻、强度高，而且还具有良好的抗震性能。20世纪90年代，我国开始煤矸石陶粒轻型混凝土的研制工作[1]，随着生产的不断扩大，这项技术得到了迅猛的发展。

陶粒混凝土是将符合一定标准的煤矸石，经过特定的工艺流程生产的一种轻骨料混凝土。由于其强度高、重量轻、又节能，在环保建筑中的应用日趋广泛[2-4]。用较高强度陶粒制作混凝土，28 d混凝土的抗压强度可以达到35 MPa，干密度可达到400 kg/m3[5]。利用废弃的煤矸石烧制成陶粒和陶砂代替石子和砂，加入外加剂等，通过一定的工艺流程，可生产出一定量的轻骨料混凝土。煤矸石陶粒混凝土的抗压强度，随粉煤灰掺量的不同而呈现出曲线变化，其掺量约为20%左右时，其混凝土的强度值最大。经过试验发现，煤矸石陶粒混凝土7 d的混凝土强度可以达到28 d的混凝土强度的80%左右。前期强度增长快，究其原因是由于煤矸石有较强的吸水性，由其制成的陶粒具有多孔性，与普通混凝土的抗压特性在前期有较大不同[6]。干表观密度和抗压强度有内在的联系，它们之间呈现出较为良好的相关关系[7]。用煤矸石陶粒和陶砂制成的混凝土，保温性能有了一定的提升，导热系数有所降低，在新型建筑方面得到了较大的应用。

随着工程实践的不断深入，人们研究发现，生产此类混凝土时，由于加入了一定量的胶凝材料和外加剂，导致混凝土出现了不同程度的裂缝，耐久性问题也凸显出来，影响其大量生产[8]。研究表明[9-10]，加入高吸水率的煤矸石可一定程度减缓混凝土的收缩，提高其体积稳定性和混凝土的耐久性。预湿时间与煤矸石陶粒轻型混凝土的收缩有关，添加外加剂会改善其稳定状态。在规定的时间内，按照标准的时间和方法进行养护，也会抑制内部湿度的变化，体积变化也会起到一定的作用等。充分利用煤矸石的吸水性，在煤矸石陶粒轻型混凝土的性能研究以及应用推广方面将会有重要的指导作用。

3 煤矸石为粗骨料作生态混凝土

自燃的煤矸石粒径在5 mm以下时，其特点是比较坚硬、结构匀称，经过特定的工序，用它作为一种粗骨料来制生态混凝土。相关的实验数据表明，当水灰比为0.36，粗骨料粒径小于10 mm且比较均匀,骨胶比为4.8时，经过28天后用此制作的混凝土强度可达到35 MPa，透水系数为0.5 cm/s。与一般的普通混凝土相比，用此配合比配置的生态混凝土强度较高，透水性能较好，抗磨损能力较强。

煤矸石烧结砖时，会剩余粒径小于5 mm的煤矸石。回收利用这部分煤矸石，既解决烧结砖工艺产生的部分矿渣，又把它作为资源重新利用，提高了煤矸石的综合利用率。另外，煤矸石在用破碎机破碎时，不可避免地会产生很多粉末，这些粉末如不及时处理掉，在制作混凝土时，会包裹在粗骨料的表面，影响了与水泥充分反映，进而影响到此混凝土的透水性能。所以，在反复实践的基础上，又增加了一道工序，即在煤矸石破碎后，先经过清洗，后晾干，再制作混凝土，这样使煤矸石与水泥充分接触，既保证了生态混凝土的强度，又利用煤矸石的吸水性好，使该混凝土具有足够的透水性。此工艺流程中，清洗破碎煤矸石后的水和留存的煤矸石粉末还可以作为烧结砖用，进一步提高煤矸石的综合利用度[11]。

为保护生态环境，国家限制开山碎石和大量淘砂。煤矸石生态混凝土采用煤矸石石子代替石子，不仅减少了煤矸石堆积造成的污染，而且节省了建筑材料石子。它有良好的排水性，可以缓解城市的排水压力，尤其是近几年来，气候异常，降雨量有时很不均匀，对于缓解地表下沉，减轻由于环境异常、天气突变而给城市乃至人们造成的损失。由于煤矸石的多孔性，使用它还有良好的吸取噪声的效果。

煤矸石生态混凝土被广泛应用于重煤炭污染区徐州的小区人行道、停车场以及人们活动的广场建设中，现以徐州某广场建设为例加以说明。此广场混凝土总量为13 000 m2，路面由C30生态混凝土构成(此混凝土25 mm厚)，粗骨料采用煤矸石(粒径为5～10 mm)；此人行道采用煤矸石烧结砖(利用其透水性较好，吸湿性较强且强度满足要求)。煤矸石砖孔隙率大，里面细密组织里的水自由流通，为植物的生长提供了良好的环境[12]，它还可以吸取噪音，广泛应用于人行道等，既有益于人们身体的恢复，又为人们的活动提供了不错的场所。煤矸石生态混凝土，不仅提高了经济效益，而且具有良好的社会效益。

受设备和技术等方面的限制，煤矸石生态混凝土的规模还较小，其主要应用在一些城市的市政工程中。国外应用范围较广，如有的国家正在研究，在高速公路的路肩部位可否能够使用煤矸石生态混凝土。而在国内的城市生态化建设中，如西安大明宫工程、上海世博园等均用到透水混凝土，它可以强化排水，吸收噪音，让城市居民“自由呼吸”，应用前景会越来越广阔。随着国家绿色建筑的提出，煤矸石的综合利用的程度会不断地加强。

4 煤矸石混凝土作小型砌块

如何对能源利用更为合理，如何对能源进行多次再利用，是一个摆在人们面前亟待解决的问题。为保护生态环境，传统的建筑原料如石子、砂等，国家对其开采进行了限制。传统烧结砖的原料大多是黏土，这样不仅占用不少农田，而且有时毁坏耕地，用新型的建筑材料来代替黏土就显得尤为重要。

以山西省阳泉市某小区8号楼为例，从砂浆、混凝土到墙体均采用煤矸石为材料。在用煤矸石混凝土作砌块时，分为主副砌筑，因砌块本身的一些性能要求，它不能像普通的机红砖那样进行施工，施工工艺和工序和普通砖差异较大。而如能充分做好施工前的各项准备工作，按照特有的要求和工艺组织施工，就能保证砌块质量。

利用煤矸石吸湿性较强的特点，为保证煤矸石吸水充分，对于搅拌时间要适当加长；在用其制作砂浆和砖之前，先进行预湿，避免在施工过程中吸收过多的水分而引起体积的急剧变化；同时施工中砌块要避免受潮，且堆放高度不得超过1.8 m。

在墙体施工前，要根据具体的尺寸和砌块的大小进行试排放。要保证煤矸石混凝土砌块的搭接长度，如搭接长度不足要加设钢筋；砌筑用的砂浆要求饱满、严实，保证其强度；砌块的分缝要按照规定进行，且要保证及时勾缝；为保证质量，特殊部位如设过梁等，用预制的加长试块需要加筋。

由于煤矸石多孔，热工性能好，有利于保温隔声等，采用煤矸石混凝土砌块，占用面积小，加大了房间的使用面积，同时也节省了部分砂浆，墙体自重减轻38%，建筑物自重减轻25%，同时也减轻了地基的承载力，节约了基础的处理费用，与普通砖相比，建筑能耗节省30%；每立方米降低成本50元左右，综合造价降低8%左右。抗冻性和结构耐久性也较好。

煤矸石混凝土砌块由于煤矸石收缩体积变化大，易出现一些裂缝；在需要对砌块进行保温时，必须内外同时进行，才能达到保温效果。这些缺点在以后的实践应用中逐步处理改善。本文主要介绍了煤矸石作为一种煤炭伴生物，随着煤炭的产生而大量堆积，煤矸石山堆积带来的危害以及国内外研究的现状。目前，煤矸石作为一种可利用的资源，利用率还较低，以致某些地区矸石山的大量堆积引发一系列的问题。我国对工业废料的利用率不是很高，对煤矸石作为一种资源进行再利用也较少，尤其是煤矸石在建筑工程的基本原料和混凝土方面的应用较少，而把煤矸石作粗骨料的研究更少，所以本文的命题具有新颖性，试验研究迫在眉睫。

用煤矸石配置的砂浆和易性较好、不空鼓、粘结性较好。有关数据表明，经过长期堆放且自燃的煤矸石，其质量符合国家对轻骨料混凝土的技术规范要求，且煤矸石的早期强度较高，耐久性也基本满足实际的工程需要。把煤矸石变废为宝，不仅减少污染，而且带来经济效益，还为生态工程建设做出应有的贡献。