煤矸石烧结保温砖试验研究

2019-01-17王占锋刘小锋赵林李学军李珠

新型建筑材料 2018年12期

王占锋，刘小锋，赵林，李学军，李珠

（太原理工大学建筑与土木工程学院，山西太原 030024）

0 引言

煤矸石是在掘进、开采和洗煤过程中排出的固体废弃物。我国是当今世界上第一产煤大国，仅山西的煤矸石累计堆存就高达17亿t以上[1]，煤矸石的大量堆放不仅破坏土地、污染环境，而且对周边居民的生活造成很大影响。但煤矸石并不是一种简单的工业废料，而是可利用的资源，由于其与黏土化学成分相似，具有高含量的硅和铝，故有应用于烧结领域的潜能[2-5]。另外，煤矸石作为一种常见低热值的燃料，制备烧结砖时可将这部分热量充分利用[6]。随着国家墙体材料的改革和政策的落实，以及黏土实心砖的禁止使用和淘汰，煤矸石烧结砖已经成为煤矸石综合利用的重要途径之一[7]。

1 试验

1.1 试验原料

煤矸石：取自山西西山煤电股份有限公司西铭矿，主要化学成分见表1；膨润土：取自信阳某矿区的钙基膨润土，表观密度1265 kg/m3，主要化学成分见表1；粉煤灰：取自太原市某电厂，Ⅱ级；水：自来水。

表1 煤矸石和膨润土的主要化学成分 %

1.2 试验仪器

Pcz密封锤式破碎机，鹤壁市冶金机械设备有限公司；SMΦ500×500mm试验小磨，绍兴市银河机械仪器有限公司；标准筛，浙江上虞市五四仪器筛具厂；8411电动振筛机，湘潭湘仪仪器有限公司；JJ1000型电子天平，常熟市双杰测试仪器厂；Ysz-200液压压力机，无锡市祺锐科技有限公司；SX4-12-16实验电炉，武汉亚华电路有限公司；DHG-9075A电热恒温鼓风干燥箱，上海岛韩实业有限公司；加拿大C-Therm Tci导热仪，C-THERM TECHNOLOGIES Ltd.；WDW-00电子式万能试验机，济南思达测试技术有限公司；VHX-5000超景深显微系统。

1.3 试验方法

目前烧结砖的制备方法主要有2种：一种是湿法成型的软塑挤出成型，另一种是半干法成型的模压成型。本研究采用采用半干法成型，它是利用压力机将混料在模具中压制成密实坯体，具有缺陷少、尺寸精确、能大量使用煤矸石、粉煤灰等工业废料的特点。制备工艺如下：

（1）利用粉碎机将煤矸石破碎，再经试验小磨和球磨机研磨后过筛，筛分出不同粒径的煤矸石粉，破碎后和研磨后的煤矸石见图1。粉煤灰和膨润土也经球磨机研磨，使其过60目筛。

图1 破碎后和研磨后的煤矸石

（2）将过筛后的粉料放进（105±5）℃的烘箱中直至其质量不再变化，经试验研究，粉料的烘干时间为10 h。

（3）将烘干后的煤矸石、粉煤灰和膨润土粉料按一定比例混合均匀，加入10%~15%的水搅拌均匀，使混料分散均匀，不成块。

（4）将混合均匀的粉料陈化24 h后，放进模具中在压力机上按一定的成型压力模压成型。

（5）将成型的坯体放进（105±5）℃的烘箱中烘干后，放入电炉按焙烧曲线进行烧结，并在高温条件下保持一段时间使砖体烧结完全，最后随实验电炉自然降温。

2 试验结果与分析

2.1 煤矸石粒径对保温砖性能的影响

为探究煤矸石粒径的影响，试验时只使用煤矸石和膨润土，m（煤矸石）∶m（膨润土）=50∶50，成型压力 12 MPa，烧结温度为950℃，高温烧结时间为1 h。煤矸石粒径对煤矸石烧结保温砖性能的影响见表2。

表2 煤矸石粒径对烧结保温砖性能的影响

煤矸石含碳量高且含有丰富的有机物，在烧结过程中在砖体内部造成孔洞，使砖体导热系数降低，尺寸收缩。由表2可知，随着煤矸石粒径的减小，裂纹逐渐消失，掉粉现象消失，体积收缩率变大，同时抗压强度明显提高，导热系数也趋于变大。使用较细的粉料，可使物料分散均匀，增加可塑性和结合能力，提高坯体的密实性，对有害物质起到分散作用，防止爆裂现象发生，提高砖体强度。当粒径大于60目时，砖体外观良好，抗压强度和导热系数变化不大，故为节约能源，在以下试验中选用的煤矸石粒径均为60～100目。

2.2 煤矸石掺量对煤矸石烧结保温砖性能的影响

煤矸石制备烧结砖是煤矸石资源化利用的重要途径，故在保证保温砖性能的同时，尽可能多的利用煤矸石也是本研究的重要目标。在探究煤矸石掺量影响时，仅掺加煤矸石和膨润土。成型压力为12 MPa，烧结温度为950℃，高温烧结时间为1 h，煤矸石掺量对烧结保温砖抗压强度和导热系数的影响见图2。

图2 煤矸石掺量对烧结保温砖性能的影响

由图2可知，随着煤矸石掺量的增加，即膨润土用量的减少，抗压强度和导热系数均逐渐降低。膨润土作为粘结剂，具有较高的塑性，极大的改善粉料中由煤矸石引起的塑性低、坯体难以成形的缺点；加入适量的膨润土，可以有效的减少砖坯出现的各种缺陷，增加砖体中SiO2含量，提高砖体强度。随着煤矸石掺量的增加，坯体中含碳量增加，在烧结过程中形成更多的孔洞，导热系数有所降低[8]。综合考虑抗压强度和导热系数，选定煤矸石掺量为60%，此时抗压强度为9.47 MPa，导热系数0.305 W/（m·K）。

2.3 焙烧曲线的研究及烧成温度对煤矸石保温砖性能的影响

2.3.1 焙烧曲线的探究

焙烧是烧结砖的最后一道工序，也是决定烧结制品质量的关键步骤，在烧结过程中，原料各组分在高温作用下发生复杂的物理、化学变化，形成预期的显微结构，达到烧结制品的性能要求。坯体在受热过程中受热升温，内部水分蒸发流失，为防止砖体在高温情况下因水分蒸发过快而开裂，故在200℃时进行保温，使水分蒸发，从而减少砖体中的水分。煤矸石的热重分析曲线如图3所示。

图3 煤矸石的热重分析曲线

由图3可知，煤矸石的质量损失大概在400~600℃，故在600℃时进行保温，以确保煤矸石中的碳和有机物充分燃烧，留下孔洞，以达到保温效果。当温度高于800℃时，固体颗粒开始熔化形成液相，并包裹在颗粒表面，故需要通过在最高温度时保温，形成足够量的液相，获得较高强度的产品，故升温曲线如图4所示。

图4 煤矸石保温砖的升温曲线

2.3.2 烧成温度对煤矸石保温砖性能的影响

综合考虑保温砖的抗压强度和导热系数，较合适的配比为m（煤矸石）∶m（膨润土）=60∶40，为更大程度地利用固体废弃物，用10%的粉煤灰替代膨润土，即保温砖配比固定为m（煤矸石）∶m（粉煤灰）∶m（膨润土）=60∶10∶30，各种粉料的均过 60目筛，成型压力为12 MPa，烧成温度分别为850、900、950、1000、1050℃，按以上升温曲线进行焙烧。不同烧成温度对煤矸石保温砖性能的影响见表3，保温砖在烧成温度为900、950、1000℃下的超景深显微系统放大500倍微观形貌见图5。

表3 不同烧成温度对煤矸石保温砖性能的影响

图5 不同烧结温度煤矸石保温砖的SEM照片

由表3可以看出，随着烧成温度的升高，煤矸石烧结保温砖的抗压强度和密度均增大，特别是当烧成温度高于950℃时，抗压强度和密度增大较为明显。这是因为随着烧成温度的升高，煤矸石烧结保温砖呈现出的形态是不同的，当烧成温度在950℃以下时，砖体内部形成的液相较少，煤矸石、粉煤灰和膨润土颗粒之见粘接不够紧密，砖体收缩较小，所以此时的抗压强度和密度较小；当烧成温度高于950℃时，砖体内部的液相随着温度的升高而逐渐增多，煤矸石、粉煤灰和膨润土颗粒之见粘接更加紧密，使得砖体收缩较大，并且更加密实，故而抗压强度和密度均有较大的提高。

由表3还可以看出，随着烧成温度的升高，煤矸石烧结保温砖的导热系数呈先减小后增大的趋势，在950℃时最小，为0.26 W/（m·K）。

由图5可以看出，保温砖在950℃时形成的空洞最多，且随着温度的升高，熔融现象更加明显，这是由于砖体在烧结过程中，煤矸石所含碳量和有机物的燃烧而留下填充着空气的孔洞，煤矸石在砖体内部分散均匀，导致这些孔洞是相互连通而孔道，随着温度的升高，出现的液相逐渐增多，在将颗粒粘结在一起的同时，也将孔道中的空气密封在砖体中，形成封闭的孔洞，所以当烧成温度低于950℃时导热系数随温度的升高而降低。当烧成温度高于950℃时，大量液相则充满孔道，使得空洞量减少，砖体因收缩而更加密实，所以导热系数呈升高趋势。根据以上所述，综合考虑煤矸石烧结保温砖的抗压强度和导热系数，选择烧成温度为950℃，此时抗压强度为6.47 MPa，导热系数为0.26 W/（m·K），既保证最低导热系数同时又可获得较高的强度。

2.4 成型压力对煤矸石烧结保温砖性能的影响

在上述试验的基础上，烧成温度为950℃，成型压力对煤矸石保温砖性能的影响见表4。

表4 成型压力对烧结保温砖性能的影响

由表4可知，在其他条件不变的情况下，随着砖坯成型压力的不断增大，保温砖的密度和抗压强度均一直增大，导热系数先减小后增大，在成型压力为8 MPa时达到最低，为0.23 W/（m·K）。当成型压力小于8 MPa时，保温砖抗压强度较低、导热系数高，而且随成型压力变化明显，这说明砖体内部结构较为疏松、不密实，形成连通的孔道多，同时密度也较小；当成型压力大于8 MPa时，保温砖的抗压强度增长渐于平缓，这是由于砖坯内部有一定的桥接作用，使得内部颗粒的接触趋于紧密，内部结构的变化趋于平稳，所以抗压强度和密度的增加减缓，同时砖体密实度增加，空隙逐渐减少，致使导热系数增加，保温效果变差。

综上所述，当成型压力为8 MPa时，煤矸石烧结保温砖的抗压强度为5.69 MPa，导热系数为0.23 W/（m·K），符合GB 26538—2011《烧结保温砖和保温砌块》MU5.0强度标准要求，抗压强度和导热系数综合性能达到最佳。