用煤矸石為主要原材料制備泡沫混凝土的優(yōu)越性

　　【摘要】本文從泡沫混凝土的制備、生產(chǎn)成本、自然資源的節(jié)約、固體廢棄物的利用、節(jié)能減排、環(huán)境保護(hù)等方面闡述了用煤矸石為主要原料制備泡沫混凝土的優(yōu)越性，得出煤矸石是一種制備輕質(zhì)高強(qiáng)泡沫混凝土的優(yōu)質(zhì)原料的研究結(jié)果，希望有利于輕質(zhì)高強(qiáng)泡沫混凝土的迅速發(fā)展和在建筑節(jié)能及其它土木工程中的推廣和廣泛應(yīng)用。

　　【關(guān)鍵詞】泡沫混凝土；煤矸石；工業(yè)廢棄物；節(jié)能建筑；優(yōu)越性

　　1  前言

　　煤矸石是在煤炭開采和洗選加工過程中被分離出來的固體廢棄物，也是目前我國排放量最大的固體廢棄物，約占我國工業(yè)廢渣年排放量的1/4，其中約有30％的煤矸石已經(jīng)自燃。歷年來我國煤矸石堆存已超過40億噸，2003年排放量約1.5億噸，綜合利用率僅為30%，廢棄的煤矸石不僅占用了大量耕地，而且污染環(huán)境和水資源，更嚴(yán)重的是有的煤矸石中所含的黃鐵礦(FeS)易被空氣氧化，放出的熱量可以促使煤矸石中所含煤炭風(fēng)化以至自燃，并放出大量有害的氣體（如SO2等），使在自燃矸石山周圍工作5年以上的職工都患有不同程度的肺氣腫病，也使該地區(qū)成為癌癥的高發(fā)地區(qū)，嚴(yán)重地危害了人民身體健康，影響了我國工業(yè)的可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略，造成沉重經(jīng)濟(jì)、社會和環(huán)境負(fù)擔(dān)，成為一大社會公害。因此，怎樣充分利用煤矸石固體廢棄物，已成為我國嚴(yán)峻的社會問題。

　　目前，煤矸石在建材中的應(yīng)用主要是用來制備煤矸石磚、水泥、輕質(zhì)骨料和陶粒等。但是，目前制備的煤矸石磚主要是實(shí)心磚和空心磚，密度高，保溫節(jié)能效果不理想，且不利于建筑物的輕型化；制備水泥存在煤矸石成分波動(dòng)大，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定性差的弱點(diǎn)；而用于制備輕質(zhì)骨料和陶粒的煤矸石量與其排放量相比，量很小。因此，有必要開辟煤矸石的綜合利用的新途徑。

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　　1基金資助：重慶市自然科學(xué)基金項(xiàng)目 (CSTC,2009BB4369)。

　　我國每年新開工建筑面積達(dá)20億平方米，僅墻體材料使用量就高達(dá)8500億塊（其中粘土磚用量約為6500億塊）標(biāo)磚（約128787萬立方米）。隨著建筑節(jié)能要求的不斷提高，對具有良好保溫隔熱性的輕質(zhì)建筑材料的需求十分巨大。

　　泡沫混凝土是一種多孔材料，具有重量輕，保溫隔熱、隔音性能好，不燃，無毒，無污染，施工方便等特點(diǎn)，可望在建筑節(jié)能工程中得到廣泛的應(yīng)用。

　　但是，目前國內(nèi)外對泡沫混凝土的研究中，主要集中在以水泥、粉煤灰、砂為主要原材料體系，涉及的泡沫混凝土的密度等級大多在B6級及B6級以上[1-8]，雖然也有涉及密度等級在B6級以下的泡沫混凝土，但不是強(qiáng)度不高，就是使用大量的有機(jī)原料，成本高，應(yīng)用前景不理想，妨礙了泡沫混凝土的迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用。

　　直到2007年11月，開始出現(xiàn)有關(guān)以煤矸石為主要原材料來制備泡沫混凝土的研究報(bào)道,并取得良好的效果[9-11]。但是對煤矸石為主要原材料來制備泡沫混凝土的優(yōu)越性方面，尚無系統(tǒng)的研究報(bào)道。

　　因此，本文將重點(diǎn)闡述用煤矸石作為主要原料來制備輕質(zhì)高強(qiáng)泡沫混凝土的優(yōu)越性，為推動(dòng)泡沫混凝土的迅速發(fā)展提供依據(jù)。

　　2  用煤矸石為主要原料制備泡沫混凝土的優(yōu)越性

　　2.1大大降低泡沫混凝土成本

　　將煤矸石活化處理后作為主要原料來制備泡沫混凝土，可以替代40%-70%的水泥，其成本只有純水泥混凝土的1/2-3/4，具有很好的經(jīng)濟(jì)效益，利于泡沫混凝土在土木工程中的推廣和廣泛應(yīng)用，促進(jìn)泡沫混凝土在我國的迅速發(fā)展。

　　2.2 有效的防止低密度泡沫混凝土塌陷

　　重慶大學(xué)材料學(xué)院泡沫混凝土課題組用低成本泡沫劑來制備密度等級為B04級(密度≤430Kg/m3)超輕質(zhì)純水泥泡沫混凝土?xí)r，由于泡沫混凝土成型后易于塌陷，難于成功制備。但是，當(dāng)用活化煤矸石替代水泥后，塌陷得到有效的控制，并制備出無塌陷泡沫混凝土，說明用活化煤矸石為主要原料可以有效的解決密度等級為B04級超輕質(zhì)泡沫混凝土的塌陷問題，適合用于制備超輕質(zhì)泡沫混凝土。

　　2.3 利于制備輕質(zhì)高強(qiáng)泡沫混凝土

　　重慶大學(xué)材料學(xué)院泡沫混凝土課題組用活化煤矸石為主要原料制備密度等級為B04級的泡沫混凝土，其抗壓強(qiáng)度達(dá)到2.1MPa,是目前報(bào)道的同密度等級強(qiáng)度最高的泡沫混凝土，說明活化煤矸石有利于制備輕質(zhì)高強(qiáng)泡沫混凝土。

　　2.4 節(jié)約水泥及礦產(chǎn)資源、減小煤矸石固體廢棄物和CO2排放量、節(jié)約土地

　　用活化煤矸石為主要原料制備出的B04級泡沫混凝土，水泥用量僅僅為水泥泡沫混凝土的25-45%，其抗壓強(qiáng)度強(qiáng)度可達(dá)到目前報(bào)道的用水泥制備的B05級泡沫混凝土的強(qiáng)度，每立方米泡沫混凝土可節(jié)約水泥50%-75%，約175-262 Kg水泥；節(jié)約石灰石約141-212 Kg。如果發(fā)展到泡沫混凝土占墻體材料10%的份額，即約12878.7萬立方米,那么將節(jié)約水泥1815.9-2730.3萬噸，節(jié)約石灰石資源約2179.1-3276.4萬噸，減小煤矸石固體廢棄物排放量約2017.7-3900.4萬噸，減小CO2排放量約1815.9-2730.3萬噸，節(jié)約煤矸石占用土地約907.9-1755.2畝。

　　2.5 減輕建筑墻體重量，提高抗震性能和安全性

　　用活化煤矸石為主要原料制備出的B04級泡沫混凝土來替代密度為1600 Kg/m3的紅磚、燒結(jié)煤矸石磚，墻體的重量將減輕約75%；用來替代密度為1100 Kg/m3的燒結(jié)空心磚、燒結(jié)煤矸石多孔磚，墻體重量減輕約64%；用來替代目前常用的密度為650Kg/m3的加氣混凝土，墻體重量減輕約38%。因此，用活化煤矸石為主要原料制備出的B04級泡沫混凝土來充當(dāng)墻體材料，將大大減輕建筑物的自重，這在沿海地區(qū)以及其它地下基礎(chǔ)條件不好的地區(qū)，還將大大降低地基處理費(fèi)用，具有多重優(yōu)越性。另外，由于泡沫混凝土重量輕，韌性好，可能有助于提高建筑物的安全性及在發(fā)生建筑物倒塌時(shí)減輕對人體的傷害。

　　2.6 降低工人勞動(dòng)強(qiáng)度，提高施工速度，大大提前竣工時(shí)間

　　由于輕質(zhì)高強(qiáng)煤矸石泡沫混凝土重量輕，施工時(shí)可以大大降低工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高施工速度。另外，與普通磚復(fù)合保溫系統(tǒng)相比，采用泡沫混凝土制品是單一保溫墻體體系，即墻體自保溫體系，工序少，施工簡單省工節(jié)時(shí)，大大提高施工速度和提前竣工時(shí)間；與加氣混凝土制品墻體自保溫體系相比，由于泡沫混凝土中氣孔主要是以閉孔形式出現(xiàn)，吸水率小，吸水慢，抹灰方式與紅磚一樣，也減少施工工序，提高施工速度和提前竣工時(shí)間。

　　2.7 是比粉煤灰、砂更優(yōu)越的制備泡沫混凝土的原材料

　　粉煤灰是一種制備泡沫混凝土性價(jià)比較高的原材料，但是，用粉煤灰為主要原材料制備出的泡沫混凝土，替代水泥量不如煤矸石大，制備出的泡沫混凝土的強(qiáng)度不如用煤矸石為主要原材料制備出的泡沫混凝土強(qiáng)度高，密度不如用煤矸石為主要原材料制備出的泡沫混凝土低，而成本也差不多或稍高。另外，由于目前達(dá)到國家等級粉煤灰標(biāo)準(zhǔn)要求的粉煤灰在混凝土中的應(yīng)用效果很好，應(yīng)用技術(shù)也很成熟，在很多地區(qū)如重慶等，甚至出現(xiàn)供不應(yīng)求的狀態(tài)，等級粉煤灰的來源受到限制。用砂來替代部分水泥來制備泡沫混凝土，替代量也不如煤矸石高，很難制備出密度低于B06級的輕質(zhì)泡沫混凝土，而且強(qiáng)度不高，成本也高于用煤矸石替代水泥制備出的泡沫混凝土。因此，煤矸石是一種比粉煤灰、砂更優(yōu)越的制備泡沫混凝土的原材料。

　　2.8 量大面廣、易于就地取材

　　我國歷年來積存煤矸石約40億噸，每年仍然繼續(xù)排放幾千萬噸，主要分布在山西省、東三省、內(nèi)蒙、山東、陜西、安徽、寧夏、云南、江西、河南、河北、四川、甘肅等產(chǎn)煤區(qū)域，分布面廣，符合建筑材料用原材料用量大、適合就地取材的特點(diǎn)。

　　2.9 高效利用煤矸石

　　雖然煤矸石是一種固體廢棄物，但是它也是一種自然資源，而且是一種不可再生的自然資源。當(dāng)我們在考慮如何處置這些固體廢棄物時(shí)，也許我們應(yīng)該從長計(jì)議，從子孫后代還有多少自然資源上來慎重行事。將煤矸石作為一種建筑材料的原材料，同樣應(yīng)該得到高效的利用。如果用2噸煤矸石燒結(jié)后大約可以制備1 m3密度為1600Kg/m3的煤矸石磚，那么同樣的煤矸石就可以制備約4m3密度為400Kg/m3的煤矸石泡沫混凝土或3.2m3密度為500Kg/m3的煤矸石泡沫混凝土，并且其導(dǎo)熱系數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于煤矸石磚的導(dǎo)熱系數(shù)，保溫隔熱性能也遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于煤矸石磚，起到高效利用煤矸石的作用。

　　3  結(jié)語

　　用活化煤矸石為主要原材料來制備泡沫混凝土，具有量大面廣，易于就地取材，高效利用煤矸石，大大降低泡沫混凝土成本，有效地防止低密度泡沫混凝土塌陷，利于制備輕質(zhì)高強(qiáng)泡沫混凝土，節(jié)能減排等優(yōu)越性，是比粉煤灰、砂更有優(yōu)勢的替代水泥的原料之一，適合用來大量替代水泥制備輕質(zhì)高強(qiáng)泡沫混凝土。

　　雖然煤矸石是一種固體廢棄物，但是它也是一種自然資源，而且是一種不可再生的自然資源，我們同樣需要考慮節(jié)約使用。用活化煤矸石為主要原材料來制備泡沫混凝土，比用煤矸石來制備煤矸石磚更節(jié)約煤矸石資源，制備出的產(chǎn)品更適應(yīng)目前節(jié)能建筑的需要，值得大力推廣。

　　參考文獻(xiàn)

　　[1] E. P. Kearsley, P. J. Wainwright, Ash content for optimum strength of foamed concrete. Cement and Concrete Research ,2002 , (32) : 241- 246.

　　[2] E. P. Kearsleya , P. J . Wainwright, The effect of porosity on the strength of foamed concrete. Cement and Concrete Research 2002; 32: 233 - 239.

　　[3] E. K. Kunhanandan Nambiar <http://scitation.aip.org/vsearch/servlet/VerityServlet?KEY=ASCERL&possible1=Nambiar%2C+E.+K.+Kunhanandan&possible1zone=author&maxdisp=25&smode=strresults&aqs=true>, K. Ramamurthy，Models relating mixture composition to the density and strengthof foam concrete using response surface methodology，Cement & Concrete Composites 28 (2006) 752-760

　　[4] E. K. Kunhanandan Nambiar <http://scitation.aip.org/vsearch/servlet/VerityServlet?KEY=ASCERL&possible1=Nambiar%2C+E.+K.+Kunhanandan&possible1zone=author&maxdisp=25&smode=strresults&aqs=true>, K. Ramamurthy，Influence of filler type on the properties of foam concrete, Cement & Concrete Composites 28(2006)475-480

　　[5] Grigorij YAKOVLEV,Jadvyga KERIENE,Albinas GAILIUS,Ingrida GIRNIENE,Cement based foam concrete reinforced by carbon nanotubes, Material sscience (medziagotyra) 12 (2006)147-151

　　[6] M.R.Jones*,A.McCarthy。 Utilising Unprocessedlow-lime Coal Fly Ash in Foamed Concrete, Fuel 84(2005)1398-1409

　　[7] 張磊，楊鼎宜，輕質(zhì)泡沫混凝土的研究及應(yīng)用現(xiàn)狀.混凝土，2005（8）：44-48

　　[8] E. K. Kunhanandan Nambiar <http://scitation.aip.org/vsearch/servlet/VerityServlet?KEY=ASCERL&possible1=Nambiar%2C+E.+K.+Kunhanandan&possible1zone=author&maxdisp=25&smode=strresults&aqs=true> and K. Ramamurthy <http://scitation.aip.org/vsearch/servlet/VerityServlet?KEY=ASCERL&possible1=Ramamurthy%2C+K.&possible1zone=author&maxdisp=25&smode=strresults&aqs=true>, Fresh State Characteristics of Foam Concrete, J. Mat. in Civ. Engrg. Volume 20, Issue 2,(2008) 111-117

　　[9] 俞心剛,李德軍,龔毅,王洪飛，李月香，田學(xué)春，煤矸石-粉煤灰泡沫混凝土，國家發(fā)明專利，專利申請?zhí)枺?00710093023.1,申請日：2007-11-22，公開號：CN 101182175A

　　[10] 俞心剛，李德軍，田學(xué)春，魏海波，王洪飛，李月香,劉毅，煤矸石泡沫混凝土的研究，新型建筑材料，2008（1）16-19

　　【作者簡介】俞心剛，男，工學(xué)碩士，理學(xué)博士,副教授，第六屆“挑戰(zhàn)杯”中國大學(xué)生創(chuàng)業(yè)計(jì)劃競賽重慶賽區(qū)競賽優(yōu)秀指導(dǎo)教師。主要研究方向：泡沫混凝土及干混料。

作者:俞心剛 魏玉榮 曾康燕 羅詩松 高艷娜(重慶大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院建材系)