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用煤矸石为主要原材料制备泡沫混凝土的优越性
作者:admin  更新时间:2014-11-05

用煤矸石为主要原材料制备泡沫混凝土的优越性

1 前言
  煤矸石是在煤炭开采和洗选加工过程中被分离出来的固体废弃物,也是目前我国排放量最大的固体废弃物,约占我国工业废渣年排放量的1/4,其中约有30%的煤矸石已经自燃。历年来我国煤矸石堆存已超过40亿吨,2003年排放量约1.5亿吨,综合利用率仅为30%,废弃的煤矸石不仅占用了大量耕地,而且污染环境和水资源,更严重的是有的煤矸石中所含的黄铁矿(FeS)易被空气氧化,放出的热量可以促使煤矸石中所含煤炭风化以至自燃,并放出大量有害的气体(如SO2等),使在自燃矸石山周围工作5年以上的职工都患有不同程度的肺气肿病,也使该地区成为癌症的高发地区,严重地危害了人民身体健康,影响了我国工业的可持续发展战略,造成沉重经济、社会和环境负担,成为一大社会公害。因此,怎样充分利用煤矸石固体废弃物,已成为我国严峻的社会问题。
  目前,煤矸石在建材中的应用主要是用来制备煤矸石砖、水泥、轻质骨料和陶粒等。但是,目前制备的煤矸石砖主要是实心砖和空心砖,密度高,保温节能效果不理想,且不利于建筑物的轻型化;制备水泥存在煤矸石成分波动大,产品质量稳定性差的弱点;而用于制备轻质骨料和陶粒的煤矸石量与其排放量相比,量很小。因此,有必要开辟煤矸石的综合利用的新途径。
  _________________________________________
  1基金资助:重庆市自然科学基金项目 (CSTC,2009BB4369)。
  我国每年新开工建筑面积达20亿平方米,仅墙体材料使用量就高达8500亿块(其中粘土砖用量约为6500亿块)标砖(约128787万立方米)。随着建筑节能要求的不断提高,对具有良好保温隔热性的轻质建筑材料的需求十分巨大。
  泡沫混凝土是一种多孔材料,具有重量轻,保温隔热、隔音性能好,不燃,无毒,无污染,施工方便等特点,可望在建筑节能工程中得到广泛的应用。
  但是,目前国内外对泡沫混凝土的研究中,主要集中在以水泥、粉煤灰、砂为主要原材料体系,涉及的泡沫混凝土的密度等级大多在B6级及B6级以上[1-8],虽然也有涉及密度等级在B6级以下的泡沫混凝土,但不是强度不高,就是使用大量的有机原料,成本高,应用前景不理想,妨碍了泡沫混凝土的迅速发展和广泛应用。
  直到2007年11月,开始出现有关以煤矸石为主要原材料来制备泡沫混凝土的研究报道,并取得良好的效果[9-11]。但是对煤矸石为主要原材料来制备泡沫混凝土的优越性方面,尚无系统的研究报道。
  因此,本文将重点阐述用煤矸石作为主要原料来制备轻质高强泡沫混凝土的优越性,为推动泡沫混凝土的迅速发展提供依据。
  2 用煤矸石为主要原料制备泡沫混凝土的优越性
  2.1大大降低泡沫混凝土成本
  将煤矸石活化处理后作为主要原料来制备泡沫混凝土,可以替代40%-70%的水泥,其成本只有纯水泥混凝土的1/2-3/4,具有很好的经济效益,利于泡沫混凝土在土木工程中的推广和广泛应用,促进泡沫混凝土在我国的迅速发展。
  2.2 有效的防止低密度泡沫混凝土塌陷
  重庆大学材料学院泡沫混凝土课题组用低成本泡沫剂来制备密度等级为B04级(密度≤430Kg/m3)超轻质纯水泥泡沫混凝土时,由于泡沫混凝土成型后易于塌陷,难于成功制备。但是,当用活化煤矸石替代水泥后,塌陷得到有效的控制,并制备出无塌陷泡沫混凝土,说明用活化煤矸石为主要原料可以有效的解决密度等级为B04级超轻质泡沫混凝土的塌陷问题,适合用于制备超轻质泡沫混凝土。
  2.3 利于制备轻质高强泡沫混凝土
  重庆大学材料学院泡沫混凝土课题组用活化煤矸石为主要原料制备密度等级为B04级的泡沫混凝土,其抗压强度达到2.1MPa,是目前报道的同密度等级强度最高的泡沫混凝土,说明活化煤矸石有利于制备轻质高强泡沫混凝土。
  2.4 节约水泥及矿产资源、减小煤矸石固体废弃物和CO2排放量、节约土地
  用活化煤矸石为主要原料制备出的B04级泡沫混凝土,水泥用量仅仅为水泥泡沫混凝土的25-45%,其抗压强度强度可达到目前报道的用水泥制备的B05级泡沫混凝土的强度,每立方米泡沫混凝土可节约水泥50%-75%,约175-262 Kg水泥;节约石灰石约141-212 Kg。如果发展到泡沫混凝土占墙体材料10%的份额,即约12878.7万立方米,那么将节约水泥1815.9-2730.3万吨,节约石灰石资源约2179.1-3276.4万吨,减小煤矸石固体废弃物排放量约2017.7-3900.4万吨,减小CO2排放量约1815.9-2730.3万吨,节约煤矸石占用土地约907.9-1755.2亩。
  2.5 减轻建筑墙体重量,提高抗震性能和安全性
  用活化煤矸石为主要原料制备出的B04级泡沫混凝土来替代密度为1600 Kg/m3的红砖、烧结煤矸石砖,墙体的重量将减轻约75%;用来替代密度为1100 Kg/m3的烧结空心砖、烧结煤矸石多孔砖,墙体重量减轻约64%;用来替代目前常用的密度为650Kg/m3的加气混凝土,墙体重量减轻约38%。因此,用活化煤矸石为主要原料制备出的B04级泡沫混凝土来充当墙体材料,将大大减轻建筑物的自重,这在沿海地区以及其它地下基础条件不好的地区,还将大大降低地基处理费用,具有多重优越性。另外,由于泡沫混凝土重量轻,韧性好,可能有助于提高建筑物的安全性及在发生建筑物倒塌时减轻对人体的伤害。
  2.6 降低工人劳动强度,提高施工速度,大大提前竣工时间
  由于轻质高强煤矸石泡沫混凝土重量轻,施工时可以大大降低工人的劳动强度,提高施工速度。另外,与普通砖复合保温系统相比,采用泡沫混凝土制品是单一保温墙体体系,即墙体自保温体系,工序少,施工简单省工节时,大大提高施工速度和提前竣工时间;与加气混凝土制品墙体自保温体系相比,由于泡沫混凝土中气孔主要是以闭孔形式出现,吸水率小,吸水慢,抹灰方式与红砖一样,也减少施工工序,提高施工速度和提前竣工时间。
  2.7 是比粉煤灰、砂更优越的制备泡沫混凝土的原材料
  粉煤灰是一种制备泡沫混凝土性价比较高的原材料,但是,用粉煤灰为主要原材料制备出的泡沫混凝土,替代水泥量不如煤矸石大,制备出的泡沫混凝土的强度不如用煤矸石为主要原材料制备出的泡沫混凝土强度高,密度不如用煤矸石为主要原材料制备出的泡沫混凝土低,而成本也差不多或稍高。另外,由于目前达到国家等级粉煤灰标准要求的粉煤灰在混凝土中的应用效果很好,应用技术也很成熟,在很多地区如重庆等,甚至出现供不应求的状态,等级粉煤灰的来源受到限制。用砂来替代部分水泥来制备泡沫混凝土,替代量也不如煤矸石高,很难制备出密度低于B06级的轻质泡沫混凝土,而且强度不高,成本也高于用煤矸石替代水泥制备出的泡沫混凝土。因此,煤矸石是一种比粉煤灰、砂更优越的制备泡沫混凝土的原材料。
  2.8 量大面广、易于就地取材
  我国历年来积存煤矸石约40亿吨,每年仍然继续排放几千万吨,主要分布在山西省、东三省、内蒙、山东、陕西、安徽、宁夏、云南、江西、河南、河北、四川、甘肃等产煤区域,分布面广,符合建筑材料用原材料用量大、适合就地取材的特点。
  2.9 高效利用煤矸石
  虽然煤矸石是一种固体废弃物,但是它也是一种自然资源,而且是一种不可再生的自然资源。当我们在考虑如何处置这些固体废弃物时,也许我们应该从长计议,从子孙后代还有多少自然资源上来慎重行事。将煤矸石作为一种建筑材料的原材料,同样应该得到高效的利用。如果用2吨煤矸石烧结后大约可以制备1 m3密度为1600Kg/m3的煤矸石砖,那么同样的煤矸石就可以制备约4m3密度为400Kg/m3的煤矸石泡沫混凝土或3.2m3密度为500Kg/m3的煤矸石泡沫混凝土,并且其导热系数远远低于煤矸石砖的导热系数,保温隔热性能也远远优于煤矸石砖,起到高效利用煤矸石的作用。
  3 结语
  用活化煤矸石为主要原材料来制备泡沫混凝土,具有量大面广,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,利于制备轻质高强泡沫混凝土,节能减排等优越性,是比粉煤灰、砂更有优势的替代水泥的原料之一,适合用来大量替代水泥制备轻质高强泡沫混凝土。
  虽然煤矸石是一种固体废弃物,但是它也是一种自然资源,而且是一种不可再生的自然资源,我们同样需要考虑节约使用。用活化煤矸石为主要原材料来制备泡沫混凝土,比用煤矸石来制备煤矸石砖更节约煤矸石资源,制备出的产品更适应目前节能建筑的需要,值得大力推广。
  参考文献
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  [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] 俞心刚,李德军,龚毅,王洪飞,李月香,田学春,煤矸石-粉煤灰泡沫混凝土,国家发明专利,专利申请号:200710093023.1,申请日:2007-11-22,公开号:CN 101182175A
  [10] 俞心刚,李德军,田学春,魏海波,王洪飞,李月香,刘毅,煤矸石泡沫混凝土的研究,新型建筑材料,2008(1)16-19
 
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