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      煤矸石作粗骨料配制混凝土在生態(tài)工程中的應(yīng)用

      2023-01-07 21:53:57劉麗紅劉紅維
      四川建材 2022年5期
      關(guān)鍵詞:陶粒煤矸石石子

      劉麗紅,劉紅維

      (1.山西工程技術(shù)學(xué)院,山西 陽泉 045000;2.晉能集團陽光發(fā)電有限責(zé)任公司,山西 陽泉 045000)

      0 前 言

      煤矸石是采煤及洗煤過程中排放的固廢物。隨著原煤產(chǎn)量大幅增加,其附屬物煤矸石大量出現(xiàn)。在綠色、節(jié)能、環(huán)保理念的支撐下,煤矸石作為一種資源在生態(tài)過程中得到了應(yīng)用。

      我國生態(tài)專家馬世駿指出,生態(tài)工程是遵循人與自然和諧相處,對物質(zhì)進行循環(huán)再利用,結(jié)構(gòu)優(yōu)化的設(shè)計方案,進而改變物質(zhì)生產(chǎn)的工藝流程。它具有一般工程的特點:整體性、系統(tǒng)性、一次性等,但它又不同于一般的項目工程,有其自身的特殊性:必須因地制宜,有很強的地域性,不能盲目照搬,有較強的靈活性。即一個地區(qū)系統(tǒng)工程的引入,必須進行綜合因素分析,多方面的可行性論證,分析它的綜合效益,而不能只考慮經(jīng)濟效益。筆者收集了國內(nèi)煤矸石在生態(tài)工程中的利用情況,并進行了現(xiàn)狀分析,為煤矸石代替石子做粗骨料來配置混凝土在建筑工程混凝土中的應(yīng)用提供了必要的參考。

      1 混凝土在生態(tài)工程中的應(yīng)用

      煤矸石是煤炭的伴生物,即隨著煤炭的大量產(chǎn)出,煤矸石也會隨之產(chǎn)生。世界各地的現(xiàn)狀是,開始時經(jīng)濟增長方式是粗放式的,人們只注重能源的開發(fā)利用,不注重節(jié)能和能源的再利用。伴隨著循環(huán)經(jīng)濟的提出以及生態(tài)工程的提出,在利用方面,國外領(lǐng)先于國內(nèi)。

      煤矸石有較好的工程性能,廣泛被國外應(yīng)用于各個工程領(lǐng)域。對煤矸石的處理,最好的辦法就是恢復(fù)耕地,但那需要更多的人力、物力、更多的政府支持,在美國等國家煤矸石采用生物復(fù)田技術(shù);而英國等國對于條件成熟礦區(qū)的煤矸石采取復(fù)田造地的方式進行。對煤矸石的資源化再利用,主要用在建材、化工原料、工業(yè)填料等方面,應(yīng)用的范圍較為寬泛;而在國內(nèi),剛開始對于煤矸石只是作為一種工業(yè)廢棄料,未及時進行處理,因而被大量堆積。從20世紀90年代開始,響應(yīng)國家的號召,對矸石山綜合整治。隨著生態(tài)文明建設(shè)要求以及節(jié)能、環(huán)保、綠色經(jīng)濟等概念的提出,人們開始了對煤矸石進行資源化研究,建造了煤矸石發(fā)電廠、水泥廠和磚廠,對煤矸石的利用剛開始作為建筑材料、化工原料,后隨著城市建設(shè)工程改造項目的深入進行,又被應(yīng)用在市政工程等方面。對于我國煤矸石開發(fā)利用方面還有很大的空間,需加強應(yīng)用研究,提高綜合效益。

      煤矸石作為一種固體廢棄物,造成了空氣和環(huán)境污染,進而引發(fā)生態(tài)問題等,只有積極地進行試驗研究,充分利用煤矸石的特性,才能夠變廢為寶。在做好煤矸石資源化利用的同時,積極探索煤矸石在生態(tài)工程中的應(yīng)用。煤矸石作粗骨料制作生態(tài)混凝土,不僅解決了自身的污染問題,而且為生態(tài)工程做出了貢獻。

      2 煤矸石陶粒制作輕型混凝土

      傳統(tǒng)意義上的混凝土原料,由石子、砂、水泥、水以一定的比例混合而成,為保證一些特殊的性能和功用,添加摻合料和外加劑。為緩解環(huán)境危機、生態(tài)壓力,盡量節(jié)約能源,充分利用煤矸石的性質(zhì),對其進行資源化處理。將煤矸石陶粒代替石子,這樣制成的混凝土質(zhì)量輕、強度高,而且還具有良好的抗震性能。20世紀90年代,我國開始煤矸石陶粒輕型混凝土的研制工作[1],隨著生產(chǎn)的不斷擴大,這項技術(shù)得到了迅猛的發(fā)展。

      陶?;炷潦菍⒎弦欢藴实拿喉肥?jīng)過特定的工藝流程生產(chǎn)的一種輕骨料混凝土。由于其強度高、重量輕、又節(jié)能,在環(huán)保建筑中的應(yīng)用日趨廣泛[2-4]。用較高強度陶粒制作混凝土,28 d混凝土的抗壓強度可以達到35 MPa,干密度可達到400 kg/m3[5]。利用廢棄的煤矸石燒制成陶粒和陶砂代替石子和砂,加入外加劑等,通過一定的工藝流程,可生產(chǎn)出一定量的輕骨料混凝土。煤矸石陶粒混凝土的抗壓強度,隨粉煤灰摻量的不同而呈現(xiàn)出曲線變化,其摻量約為20%左右時,其混凝土的強度值最大。經(jīng)過試驗發(fā)現(xiàn),煤矸石陶?;炷? d的混凝土強度可以達到28 d的混凝土強度的80%左右。前期強度增長快,究其原因是由于煤矸石有較強的吸水性,由其制成的陶粒具有多孔性,與普通混凝土的抗壓特性在前期有較大不同[6]。干表觀密度和抗壓強度有內(nèi)在的聯(lián)系,它們之間呈現(xiàn)出較為良好的相關(guān)關(guān)系[7]。用煤矸石陶粒和陶砂制成的混凝土,保溫性能有了一定的提升,導(dǎo)熱系數(shù)有所降低,在新型建筑方面得到了較大的應(yīng)用。

      隨著工程實踐的不斷深入,人們研究發(fā)現(xiàn),生產(chǎn)此類混凝土?xí)r,由于加入了一定量的膠凝材料和外加劑,導(dǎo)致混凝土出現(xiàn)了不同程度的裂縫,耐久性問題也凸顯出來,影響其大量生產(chǎn)[8]。研究表明[9-10],加入高吸水率的煤矸石可一定程度減緩混凝土的收縮,提高其體積穩(wěn)定性和混凝土的耐久性。預(yù)濕時間與煤矸石陶粒輕型混凝土的收縮有關(guān),添加外加劑會改善其穩(wěn)定狀態(tài)。在規(guī)定的時間內(nèi),按照標準的時間和方法進行養(yǎng)護,也會抑制內(nèi)部濕度的變化,體積變化也會起到一定的作用等。充分利用煤矸石的吸水性,在煤矸石陶粒輕型混凝土的性能研究以及應(yīng)用推廣方面將會有重要的指導(dǎo)作用。

      3 煤矸石為粗骨料作生態(tài)混凝土

      自燃的煤矸石粒徑在5 mm以下時,其特點是比較堅硬、結(jié)構(gòu)勻稱,經(jīng)過特定的工序,用它作為一種粗骨料來制生態(tài)混凝土。相關(guān)的實驗數(shù)據(jù)表明,當(dāng)水灰比為0.36,粗骨料粒徑小于10 mm且比較均勻,骨膠比為4.8時,經(jīng)過28天后用此制作的混凝土強度可達到35 MPa,透水系數(shù)為0.5 cm/s。與一般的普通混凝土相比,用此配合比配置的生態(tài)混凝土強度較高,透水性能較好,抗磨損能力較強。

      煤矸石燒結(jié)磚時,會剩余粒徑小于5 mm的煤矸石。回收利用這部分煤矸石,既解決燒結(jié)磚工藝產(chǎn)生的部分礦渣,又把它作為資源重新利用,提高了煤矸石的綜合利用率。另外,煤矸石在用破碎機破碎時,不可避免地會產(chǎn)生很多粉末,這些粉末如不及時處理掉,在制作混凝土?xí)r,會包裹在粗骨料的表面,影響了與水泥充分反映,進而影響到此混凝土的透水性能。所以,在反復(fù)實踐的基礎(chǔ)上,又增加了一道工序,即在煤矸石破碎后,先經(jīng)過清洗,后晾干,再制作混凝土,這樣使煤矸石與水泥充分接觸,既保證了生態(tài)混凝土的強度,又利用煤矸石的吸水性好,使該混凝土具有足夠的透水性。此工藝流程中,清洗破碎煤矸石后的水和留存的煤矸石粉末還可以作為燒結(jié)磚用,進一步提高煤矸石的綜合利用度[11]。

      為保護生態(tài)環(huán)境,國家限制開山碎石和大量淘砂。煤矸石生態(tài)混凝土采用煤矸石石子代替石子,不僅減少了煤矸石堆積造成的污染,而且節(jié)省了建筑材料石子。它有良好的排水性,可以緩解城市的排水壓力,尤其是近幾年來,氣候異常,降雨量有時很不均勻,對于緩解地表下沉,減輕由于環(huán)境異常、天氣突變而給城市乃至人們造成的損失。由于煤矸石的多孔性,使用它還有良好的吸取噪聲的效果。

      煤矸石生態(tài)混凝土被廣泛應(yīng)用于重煤炭污染區(qū)徐州的小區(qū)人行道、停車場以及人們活動的廣場建設(shè)中,現(xiàn)以徐州某廣場建設(shè)為例加以說明。此廣場混凝土總量為13 000 m2,路面由C30生態(tài)混凝土構(gòu)成(此混凝土25 mm厚),粗骨料采用煤矸石(粒徑為5~10 mm);此人行道采用煤矸石燒結(jié)磚(利用其透水性較好,吸濕性較強且強度滿足要求)。煤矸石磚孔隙率大,里面細密組織里的水自由流通,為植物的生長提供了良好的環(huán)境[12],它還可以吸取噪音,廣泛應(yīng)用于人行道等,既有益于人們身體的恢復(fù),又為人們的活動提供了不錯的場所。煤矸石生態(tài)混凝土,不僅提高了經(jīng)濟效益,而且具有良好的社會效益。

      受設(shè)備和技術(shù)等方面的限制,煤矸石生態(tài)混凝土的規(guī)模還較小,其主要應(yīng)用在一些城市的市政工程中。國外應(yīng)用范圍較廣,如有的國家正在研究,在高速公路的路肩部位可否能夠使用煤矸石生態(tài)混凝土。而在國內(nèi)的城市生態(tài)化建設(shè)中,如西安大明宮工程、上海世博園等均用到透水混凝土,它可以強化排水,吸收噪音,讓城市居民“自由呼吸”,應(yīng)用前景會越來越廣闊。隨著國家綠色建筑的提出,煤矸石的綜合利用的程度會不斷地加強。

      4 煤矸石混凝土作小型砌塊

      如何對能源利用更為合理,如何對能源進行多次再利用,是一個擺在人們面前亟待解決的問題。為保護生態(tài)環(huán)境,傳統(tǒng)的建筑原料如石子、砂等,國家對其開采進行了限制。傳統(tǒng)燒結(jié)磚的原料大多是黏土,這樣不僅占用不少農(nóng)田,而且有時毀壞耕地,用新型的建筑材料來代替黏土就顯得尤為重要。

      以山西省陽泉市某小區(qū)8號樓為例,從砂漿、混凝土到墻體均采用煤矸石為材料。在用煤矸石混凝土作砌塊時,分為主副砌筑,因砌塊本身的一些性能要求,它不能像普通的機紅磚那樣進行施工,施工工藝和工序和普通磚差異較大。而如能充分做好施工前的各項準備工作,按照特有的要求和工藝組織施工,就能保證砌塊質(zhì)量。

      利用煤矸石吸濕性較強的特點,為保證煤矸石吸水充分,對于攪拌時間要適當(dāng)加長;在用其制作砂漿和磚之前,先進行預(yù)濕,避免在施工過程中吸收過多的水分而引起體積的急劇變化;同時施工中砌塊要避免受潮,且堆放高度不得超過1.8 m。

      在墻體施工前,要根據(jù)具體的尺寸和砌塊的大小進行試排放。要保證煤矸石混凝土砌塊的搭接長度,如搭接長度不足要加設(shè)鋼筋;砌筑用的砂漿要求飽滿、嚴實,保證其強度;砌塊的分縫要按照規(guī)定進行,且要保證及時勾縫;為保證質(zhì)量,特殊部位如設(shè)過梁等,用預(yù)制的加長試塊需要加筋。

      由于煤矸石多孔,熱工性能好,有利于保溫隔聲等,采用煤矸石混凝土砌塊,占用面積小,加大了房間的使用面積,同時也節(jié)省了部分砂漿,墻體自重減輕38%,建筑物自重減輕25%,同時也減輕了地基的承載力,節(jié)約了基礎(chǔ)的處理費用,與普通磚相比,建筑能耗節(jié)省30%;每立方米降低成本50元左右,綜合造價降低8%左右??箖鲂院徒Y(jié)構(gòu)耐久性也較好。

      煤矸石混凝土砌塊由于煤矸石收縮體積變化大,易出現(xiàn)一些裂縫;在需要對砌塊進行保溫時,必須內(nèi)外同時進行,才能達到保溫效果。這些缺點在以后的實踐應(yīng)用中逐步處理改善。本文主要介紹了煤矸石作為一種煤炭伴生物,隨著煤炭的產(chǎn)生而大量堆積,煤矸石山堆積帶來的危害以及國內(nèi)外研究的現(xiàn)狀。目前,煤矸石作為一種可利用的資源,利用率還較低,以致某些地區(qū)矸石山的大量堆積引發(fā)一系列的問題。我國對工業(yè)廢料的利用率不是很高,對煤矸石作為一種資源進行再利用也較少,尤其是煤矸石在建筑工程的基本原料和混凝土方面的應(yīng)用較少,而把煤矸石作粗骨料的研究更少,所以本文的命題具有新穎性,試驗研究迫在眉睫。

      用煤矸石配置的砂漿和易性較好、不空鼓、粘結(jié)性較好。有關(guān)數(shù)據(jù)表明,經(jīng)過長期堆放且自燃的煤矸石,其質(zhì)量符合國家對輕骨料混凝土的技術(shù)規(guī)范要求,且煤矸石的早期強度較高,耐久性也基本滿足實際的工程需要。把煤矸石變廢為寶,不僅減少污染,而且?guī)斫?jīng)濟效益,還為生態(tài)工程建設(shè)做出應(yīng)有的貢獻。

      5 結(jié) 語

      筆者從生態(tài)工程的概念入手,提出它所具備的特點,列舉了煤矸石陶粒制輕型混凝土,煤矸石為粗骨料作生態(tài)混凝土,煤矸石混凝土作小型砌塊等,煤矸石作為粗骨料制作混凝土在生態(tài)工程方面的應(yīng)用,為煤矸石石子代替石子做粗骨

      料來配置混凝土在建筑工程混凝土中的應(yīng)用提供了必要的參考。

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