綠色建筑煤矸石資源化利用新技術(shù)的應(yīng)用分析

王靜

摘 要：本文以煤矸石資源化利用的現(xiàn)狀為研究視角，分析綠色建筑煤矸石資源化利用新技術(shù)的意義，針對技術(shù)攻關(guān)的必要性、市場需求分析、專利等知識產(chǎn)權(quán)情況進行綠色建筑煤矸石資源化利用的市場需求分析。提出綠色建筑煤矸石資源化利用新技術(shù)的應(yīng)用分析，以上海世茂“深坑酒店”為例，分析設(shè)計特點、施工難點、裙房施工情況以及應(yīng)對措施，以適應(yīng)市場和客戶的需要，以期實現(xiàn)以煤矸石為主制備新型墻體材料的技術(shù)推廣和示范應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：綠色建筑；煤矸石；資源化利用；新技術(shù)；應(yīng)用分析

中圖分類號：TD849 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-8122（2016）10-0159-03

一、煤矸石資源化利用的現(xiàn)狀

20世紀(jì) 50 年代開始即開展煤矸石綜合利用方面的研究，但利用率一直都不高。在20世紀(jì) 50 年代至 80 年代，主要用于制磚，利用率不到 2%；20世紀(jì) 80 年代中期至 90 年代中期，除了用于制磚還開始用于發(fā)電、鋪路和回填，但利用率仍然很低。90 年代以來煤矸石綜合利用雖取得了明顯成效，但也還存在不少突出問題。

1.綜合利用率仍然較低。國有煤矸石利用率只有近 30%。

2.地方煤礦排放的只要是采掘矸石，不利于大規(guī)模利用，從而出現(xiàn)地方煤礦煤矸石利用率很低的問題。

3.綜合利用相對單一。煤矸石大宗利用項目較少。

4.綜合利用技術(shù)水平滯后。

5.綜合利用優(yōu)惠政策落實難。目前對生態(tài)環(huán)境和經(jīng)濟社會科學(xué)發(fā)展將會產(chǎn)生越來越大的壓力，因此開展煤矸石資源化利用研究勢在必行。

二、綠色建筑煤矸石資源化利用新技術(shù)的意義

1.提高資源循環(huán)利用率和無害化處理率。在建筑領(lǐng)域，可以利用當(dāng)?shù)毓I(yè)生產(chǎn)的大量廢棄物，如煤矸石和粉煤灰等廢渣，進行綜合利用，大大減輕經(jīng)濟發(fā)展所帶來的工業(yè)廢棄物處理壓力，保護脆弱的高原生態(tài)環(huán)境。

2.變廢為寶，充分實現(xiàn)節(jié)能減排。大大降低水泥和石灰等材料的用量，減少生產(chǎn)水泥、石灰等對環(huán)境的破壞和污染，降低二氧化碳和有害氣體的排放，減少空氣污染，有利于地方經(jīng)濟和生態(tài)環(huán)境的改善；同時可以為地方提供數(shù)以百計個工作崗位，并帶動周邊原材料供應(yīng)和運輸?shù)认嚓P(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，具有顯著的經(jīng)濟效益、社會效益和生態(tài)環(huán)境效益。

三、綠色建筑煤矸石資源化利用的市場需求分析

（一）技術(shù)攻關(guān)的必要性

我國已進入快速城鎮(zhèn)化時期，實現(xiàn)城鎮(zhèn)化和城市協(xié)調(diào)發(fā)展，對于開發(fā)資源節(jié)約型、高耐久性綠色建材，提高城市資源和能源利用效率需求若渴，對科技提高迫切需求，為改變國內(nèi)傳統(tǒng)粗放型經(jīng)濟增長方式，節(jié)能減排，“建筑節(jié)能與綠色建筑”列為優(yōu)先主題。綠色建筑煤矸石資源化利用新技術(shù)所屬 2016 年陜西省科學(xué)研究發(fā)展計劃項目中社會發(fā)展科技攻關(guān)的重點支持領(lǐng)域“資源環(huán)境及節(jié)能減排”和方向主題“建筑垃圾處置與資源化利用技術(shù)”，符合國家的可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略。本文重點研究煤矸石的資源化利用以及通過優(yōu)化提升水泥的品質(zhì)，降低單方混凝土水泥消耗量，開發(fā)綠色高性能混凝土，綠色建筑設(shè)計技術(shù)，建筑節(jié)能技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)。

（二）市場需求分析

目前國內(nèi)煤矸石堆存量巨大，達 40 多億噸，占用大量土地并嚴重污染了環(huán)境，綠色建筑煤矸石資源化利用新技術(shù)將可大量節(jié)約利用資源、改善環(huán)境、并對產(chǎn)業(yè)鏈延伸，推動煤矸石資源綜合利用領(lǐng)域的技術(shù)進步，貫徹了國家的節(jié)能減排產(chǎn)業(yè)政策。綠色建筑煤矸石資源化利用新技術(shù)充分利用煤矸石固體廢棄物制備高性能混凝土，建造高質(zhì)量的住宅，可以改善人居環(huán)境，提高居住水平，保護環(huán)境，節(jié)約土地，節(jié)約能源，增加就業(yè)崗位，將極大地促進經(jīng)濟社會的發(fā)展，實現(xiàn)國家循環(huán)經(jīng)濟的發(fā)展要求。因此，綠色建筑煤矸石資源化利用新技術(shù)市場需求的潛力巨大。

2010 年，我國水泥產(chǎn)量 18.68 億噸，通過綠色建筑煤矸石資源化利用新技術(shù)研究，提升水泥的品質(zhì)，開創(chuàng)綠色高性能混凝土技術(shù)，降低單方混凝土水泥消耗量降低 25%～40%，可節(jié)約材料成本 20 元；節(jié)能減排和環(huán)保意義、經(jīng)濟效益和社會效益巨大。通過示范工程的示范效應(yīng)，有利于推動我國煤炭產(chǎn)業(yè)基地煤矸石綠色高性能混凝土的應(yīng)用，尤其是相應(yīng)的建筑體系示范，有利于我國混凝土工程和建筑產(chǎn)業(yè)充分利用固體廢棄物，有利于改善環(huán)境，節(jié)約建設(shè)費用，提高建設(shè)效率，經(jīng)濟和社會效益顯著。

（三）專利等知識產(chǎn)權(quán)情況

中國專利技術(shù)網(wǎng)收錄煤矸石制備及應(yīng)用專利原文 184項：煤矸石鋼筋混凝土排水管、煤矸石工業(yè)廢渣用激發(fā)劑及其制備方法、煤矸石混合水泥、煤矸石混凝土制品及制備方法、煤矸石建筑粉灰及其制造方法、煤矸石墻地磚的快燒方法、煤矸石輕集料混凝土輕質(zhì)隔墻板、煤矸石燃料的配制方法等多項發(fā)明專利。收錄煤矸石制備及應(yīng)用期刊文獻701項：大摻量煤矸石水泥混凝土耐久性研究、大摻量煤矸石水泥混凝土碳化性能的研究、大摻量煤矸石水泥抗硫酸鹽性能研究、我國利用煤矸石生產(chǎn)墻體材料的現(xiàn)狀及其技術(shù)措施、我國利用煤矸石生產(chǎn)磚瓦的現(xiàn)狀和前景、我國煤矸石的綜合利用現(xiàn)狀及存在問題等多項研究文獻。

通過對相關(guān)文獻、專利等知識產(chǎn)權(quán)情況進行回顧發(fā)現(xiàn)，既有的理論成果，對于研究和探索煤矸石綜合利用技術(shù)具有非常重要的學(xué)術(shù)價值和現(xiàn)實意義。但在這些研究中，對于綠色建筑發(fā)展迅速背景下煤矸石資源化利用新技術(shù)，尤其是開發(fā)綠色高性能混凝土，綠色建筑設(shè)計技術(shù)，建筑節(jié)能技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)，并使其產(chǎn)業(yè)化發(fā)展方面并沒有針對性的專業(yè)研究。缺少以適應(yīng)市場和客戶的需要，以煤矸石為主制備新型墻體材料的技術(shù)推廣和示范應(yīng)用。

四、綠色建筑煤矸石資源化利用新技術(shù)的應(yīng)用分析

位于上海佘山國家旅游度假區(qū)核心的上海世茂“深坑酒店”，由英國阿特金斯進行設(shè)計。

（一）設(shè)計特點

1.整體布局特點。在酒店的整體規(guī)劃上，與主體建筑相連的裙房在限高10米的控制下，盡可能在水平方向展開，使建筑各個功能部分既可相通，又保有各自單獨的出入口。為此，整體建筑布局需要滿足設(shè)計要求。

最大限度利用基地周邊的景觀資源。酒店客房設(shè)置于主體建筑內(nèi)，沿崖壁而建，面向橫山，充分利用“柔性要素”，使酒店主體依靠巖壁以最大面展開，尋求自然的生長和演變。所有酒店客房都設(shè)置退臺的走廊和陽臺，強化“空中花園”理念的同時，充分吸納外部景觀。

主體建筑布局。地上部分的裙房平面以主樓為西邊邊界，向東、北和南水平鋪展；坑下至水面部分以建筑主樓為主；水下部分是酒店的特色客房區(qū)和特色水下餐廳。建筑平面上延續(xù)主樓的曲線形式，客房布置在曲線的外延，滿足觀看水景的要求。

（二）施工難點

主體異型鋼結(jié)構(gòu)施工難度大?，F(xiàn)場地形特殊，構(gòu)件倒運不便。本工程主體鋼結(jié)構(gòu)大部分處于深坑之中，給現(xiàn)場構(gòu)件倒運帶來一定困難。

垂直運輸難度大?？拥着c坑頂高差達74米，坑壁為懸崖，導(dǎo)致人員、材料等垂直運輸難度大增，需要布置向下的人貨電梯，以滿足人員到坑底作業(yè)、材料向下運輸?shù)男枰?，但人貨電梯的布置方式確定困難。

混凝土向坑底輸送困難?？拥状蟮装寤炷列枰蛳逻\送74米，坑壁為懸壁，運輸難度大。

現(xiàn)場坑頂裙房地質(zhì)情況復(fù)雜。工程樁為一樁一探，施工難度高，由于工程樁必須打至巖石持力層到中風(fēng)化層，但現(xiàn)場情況復(fù)雜，巖石風(fēng)化程度不同。

坑頂、坑壁、坑底爆破工作量大，精度要求高?？拥捉Y(jié)構(gòu)形式復(fù)雜，崖壁不規(guī)則，導(dǎo)致爆破量較大。爆破過大，將會影響坑頂大梁，因此精度要求高。

（三）裙房施工情況

施工現(xiàn)場排水難度大。坑底積水約30米左右，初期抽水較為困難，周圍排水復(fù)雜。

現(xiàn)場結(jié)構(gòu)復(fù)雜，變化大，測量要求高。坑底、崖壁地形復(fù)雜，結(jié)構(gòu)為異型結(jié)構(gòu)，且鋼結(jié)構(gòu)對接精度要求高。

現(xiàn)場高空作業(yè)、臨邊作業(yè)多，安全控制要求高。爆破施工、崖壁加固施工、坑頂大梁施工、人貨梯方案實施等一系列施工作業(yè)都存在較大安全隱患。

結(jié)構(gòu)防水要求高。該工程坑底有24米永久處于水下，為箱形基礎(chǔ)，設(shè)計功能為地下室水下觀光，故對結(jié)構(gòu)、防水等要求較高。

（四）應(yīng)對措施

針對主體異型鋼結(jié)構(gòu)施工難度大的問題，首先采用鋼結(jié)構(gòu)專業(yè)計算軟件對整個安裝過程進行模擬分析，得出結(jié)構(gòu)在安裝過程中產(chǎn)生的變形量。現(xiàn)場安裝時根據(jù)計算的變形量，在施工過程中確定是否需要設(shè)置臨時支撐架和撐桿。根據(jù)目前的定性分析，臨時支撐可取消。

針對坑頂坑底高差達74米，人員材料垂直運輸難度大的問題，目前已編制專項人貨電梯配置安裝施工方案。

為解決混凝土向坑底輸送困難采取的措施：對泵管進行排布，目前已有兩種方案。一是在豎直方向，汽車泵外架溜槽配合固定泵進行混凝土輸送；二是附著已有人行馬道上的崖壁進行輸送。對于坑頂、坑壁、坑底爆破工作量大，精度要求高的問題，配置專業(yè)測量人員，每次爆破進行測量復(fù)核。

根據(jù)施工現(xiàn)場排水難度大的問題，利用坑底形成的湖坑進行加固及施工攔水壩，形成圍堰湖，將坑底施工用水集中排至圍堰湖內(nèi)，再利用大功率排水泵將圍堰湖內(nèi)施工用水抽至坑頂，經(jīng)凈化達標(biāo)后排至市政管道。

配置專業(yè)測量工程師，實施多次復(fù)核，以滿足測量的高要求；編制專項安全施工方案，加強過程安全監(jiān)控，確?，F(xiàn)場高空作業(yè)、臨邊作業(yè)的安全控制。

利用堆石混凝土施工工藝。充分利用崖壁爆破所形成的粒徑300～800毫米的石頭，分層澆筑自密實混凝土，每堆高1.5米石頭，即澆筑一次自密實混凝土，如此往復(fù)直至到頂。在該工程中，綠色建筑煤矸石資源化利用新技術(shù)——堆石混凝土施工流程包括：施工準(zhǔn)備→坑底巖石爆破→巖石清理→坑底箱形基礎(chǔ)施工→預(yù)應(yīng)力錨桿（索）施工→石頭入倉、自密實混凝土澆筑。

采用綠色建筑煤矸石資源化利用新技術(shù)。以煤矸石為主要原材料生產(chǎn)環(huán)保節(jié)能型建筑材料，其中煤矸石、粉煤灰和磷石膏等各類工業(yè)廢渣摻量可達60～80%，大大降低了水泥和石灰等材料的用量，同時政府對利用固體廢棄物的建材制品還有扶持和優(yōu)惠政策，因此與市場同類產(chǎn)品相比，將在價格和市場競爭上具有明顯的優(yōu)勢，市場前景良好，經(jīng)濟效益將非?？捎^。同時將煤矸石應(yīng)用于墻體材料中，具有顯著的經(jīng)濟與社會效益，以及生態(tài)環(huán)境效益。

五、研究啟發(fā)

以陜西市場為例，今后十年，由于陜西省仍處于經(jīng)濟周期的上升階段，綠色建筑墻材正處于旺盛的市場時期，據(jù)調(diào)研其市場需求是：“十二五”期間，在7%以內(nèi)的幅度增長，僅以西安地區(qū)為例，據(jù)陜西2015年相關(guān)數(shù)據(jù)研究統(tǒng)計，2014年全年西安市生產(chǎn)和銷售墻體材料折合成標(biāo)磚達55億。據(jù)市場調(diào)查和預(yù)測，2016年到2020年以6%的遞增幅度預(yù)測，全省墻材的市場需求量將達到近270億標(biāo)塊。而且，在國家“建筑節(jié)能”政策的影響下，新型節(jié)能墻材的材料將占據(jù)20%左右的市場份額，且會逐年上升。市場調(diào)研結(jié)果說明隨著經(jīng)濟社會的進一步發(fā)展，西安地區(qū)墻體材料的市場需求巨大。本文根據(jù)市場需求研制以煤矸石為主的建材制品，以適應(yīng)市場和客戶的需要，以煤矸石為主制備新型墻體材料的技術(shù)推廣和應(yīng)用前景良好，市場潛力和產(chǎn)業(yè)化前景巨大。

本文根據(jù)市場需求研制以煤矸石為主要材料的建材制品，綠色建筑煤矸石資源化利用新技術(shù)符合國家“建筑節(jié)能”的政策和“循環(huán)經(jīng)濟”的產(chǎn)業(yè)政策，經(jīng)濟效益顯著。以煤矸石為主材的環(huán)保節(jié)能型墻體材料投產(chǎn)以后，市場前景良好，經(jīng)濟效益非?？捎^，是一項極具投資價值的研究。

參考文獻：

[1] GB 50003-2011.砌體結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2011.

[2] Robert Le Roy， Edouard Parant， Claude Boulay. Taking into account the inclusions size in lightweight concrete compressive strength prediction[J].Cement and Concrete Research，2015，35： 770-775.

[3] 金南國，金賢玉，郭劍飛.混凝土孔結(jié)構(gòu)與強度關(guān)系模型研究[J].浙江大學(xué)學(xué)報（工學(xué)版），2013，39（11）：1680-1684.

[4] 鄭木蓮，陳拴發(fā)，王崇濤.多孔混凝土的強度特性[J].長安大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2015，26（4）：20-25.

[5] 吳月月，倪修全，王德明.泡沫_EPS輕集料混凝土配合比及性能試驗研究[J].混凝土，2012，270 （4）：131-133.

[6] 楊小芳，趙芋，蘭長貴.泡沫混凝土的應(yīng)用與質(zhì)量控制[J].四川建材，2012，38（4）：25-27.

[7] 唐百曉.泡沫劑在EPS輕集料混凝土中應(yīng)用研究[J].低溫建筑技術(shù)，2012，171（9）：9-10.

[8] Kaplan F， M. Crack propagation and the fracture of concrete [J]. Concrete inst.2015，58：591～610.

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