煤矸石的活化

李艷輝+李蕾蕾

摘 要：煤矸石的排放量在逐年增加，對環(huán)境造成的污染越來越嚴重，卻不能被合理的利用，特別是因為其活性低不能被大規(guī)模用于需要量較大的建筑行業(yè)。文章通過分析煤矸石的化學組成及結構，探討了煤矸石活性低的原因，并系統(tǒng)分析煤矸石活化的常用方法，為進一步研究煤矸石開拓思路。

關鍵詞：煤矸石；活化；非金屬材料；早強劑

1 煤矸石概況

煤矸石是煤炭生產(chǎn)加工過程中產(chǎn)生的固體廢氣物，是目前我國年排放量和累計堆存量最大的工業(yè)固體廢棄物之一。煤矸石的大量堆積對自然環(huán)境造成了嚴重破壞，促使大氣、土壤、水體污染及地質災害的頻繁發(fā)生。因此如何使煤矸石變廢為寶，為煤矸石的資源化利用尋求合理、廣闊的應用前景，已成為科技工作者研究的突出課題。

2 煤矸石的綜合利用現(xiàn)狀

煤矸石的利用途徑相對較廣闊，利用煤矸石為原料生產(chǎn)有機復合肥和微生物肥料；利用煤矸石發(fā)電、取暖；自燃后的煤矸石可以用做路基材料；還可以利用煤矸石燒結多孔磚、小型空心砌塊磚、輕質陶粒隔墻板等；也可代替粘土用于建筑工程中。

雖然煤矸石的利用途徑很多，但由于利用技術的限制，以及利用過程中產(chǎn)生的副作用，致使我國目前煤矸石的總利用量依然不是很大，與建設資源節(jié)約型與環(huán)境友好型社會還有很大差距，煤矸石的利用還有很大的待開發(fā)空間。為此，眾多研究者將目光轉向了如何提高煤矸石的火山灰活性，以提高其利用率，如改善水泥干縮性和安定性，提高抗硫酸鹽侵蝕性能等。

3 煤矸石的活化方法

煤矸石之所以能進行活化，主要是具有Al和Si元素，但由于其中含有碳，并且結構較穩(wěn)定，所以活化較困難。所以，只要除去煤矸石中的碳并且破壞其穩(wěn)定結構就可以提高活化率，現(xiàn)行的活化方法有機械活化、熱活化、化學活化以及它們的組合——復合活化。

3.1 熱活化

煅燒后的煤矸石有兩方面作用：（1）除碳，由于煤矸石是夾在煤層中的，不同程度的含有碳，而碳對水泥的強度、需水量、耐久性等都會有影響，因此對于未自燃過的煤矸石必須通過煅燒除去碳后才可利用。（2）煅燒過程中煤矸石的活性組分會發(fā)生非常大的變化，高溫加熱后，煤矸石中三氧化二鋁的鋁氧四面體及二氧化硅的硅氧四面體從有序狀態(tài)轉變成無定形狀態(tài)，因而增加活性。有關研究結果表明，未鍛燒的煤矸石結構沒有被破壞，仍然比較致密，鍛燒后的煤矸石部分結構呈疏松狀態(tài)，這是因為煤矸石在高溫鍛燒過程中伴有結構膨脹、成分揮發(fā)等現(xiàn)象。因此，采用熱活化方式只能使一部分煤矸石得到活化，并不能徹底活化。

3.2 機械活化

所謂機械活化，主要是通過機械作用將煤矸石磨細，使其結構遭到破壞，轉變?yōu)闊o序性結構，因而活性增加。雖然機械作用能使結構無序化，從而增加煤矸石的活性，但機械作用很難使硅氧鍵和鋁氧鍵破壞，而且顆粒細化到一定程度也容易團聚，機械活化的活化率也很低。

3.3 化學活化

由上述分析可知，通過上述兩種方法都可以提高煤矸石的活性，但都有一定的局限性。化學激活煤矸石的作用原理是通過引入少量的激發(fā)劑，參與并加速煤矸石與水泥水化產(chǎn)物的二次反應。煤矸石與水泥拌水后，水泥熟料先進行水化反應產(chǎn)生氫氧化鈣，在激發(fā)劑的存在下與煤矸石中活性二氧化硅和三氧化二鋁進行二次反應，形成穩(wěn)定的、不溶于水的水化硅酸鈣和水化鋁酸鈣凝膠。二次水化產(chǎn)物交叉、聯(lián)生、相互充填，使水化產(chǎn)物的孔隙率減少，強度不斷增加。

3.3.1 硅酸鈉

在煤矸石和水泥的混合材中加入少量Na2SiO3。因為水泥水化時產(chǎn)生Ca（OH）2，同時Na2SiO3水化形成NaOH使溶液的堿度提高。堿加速了煤矸石的表面腐蝕，更使其內部大量Si—O鍵、Al—O鍵斷裂，Na+在反應體系中溶解，使Ca+溶解度降低，大量離子存在的反應體系中，水化硅酸鈣、水化鋁酸鈣以及氫氧化鈣沉淀不斷生成，煤矸石砂漿的早期強度甚至完全水化后的強度會大幅增加。

3.3.2 硫酸鈉

在煤矸石和水泥的混合材中加入少量Na2SO4，由于水泥水化形成Ca（OH）2，同時少量Na2SO4的加入是反應體系中Ca+溶解度降低。有人通過實驗及X射線衍射分析，在煤矸石-水泥的水化體系中加入早強劑硫酸鈉，3d齡期的試件中有C-S-H、CAH10，C4AH13等水化產(chǎn)物外，出現(xiàn)了明顯的鈣礬石、石膏。與不加早強劑的實驗對比，煤矸石砂漿的早期強度明顯提高，說明早強劑硫酸鈉的加入促進煤矸石與氫氧化鈣的反應，能使煤矸石砂漿的早期強度提高。

3.3.3 CaCl22H2O

在煤矸石和水泥的混合材中加入少量CaCl2·2H2O，其對煤矸石砂漿早期強度的影響規(guī)律與摻早強劑Na2SO4的相似。通過一定方法觀察煤矸石與水泥水化形成的氫氧化鈣的反應的情況，發(fā)現(xiàn)摻入CaCl22H2O對煤矸石-水泥體系早期的激發(fā)作用沒有硫酸鈉明顯。

3.4 復合活化

采用兩種或兩種以上基本活化方式（熱活化、機械活化、化學活化）結合的活化方法。如熱-化學活化，機械-化學活化，復合活化能夠將各種基本活化方式取長補短，使煤矸石的活性得到充分激發(fā)。

4 結語

煤矸石的活化一方面是除掉與其共生的碳，另一方面是促使無定形SiO2，Al2O3的生成，通常各種單一的活化方式都有其利弊所在，因此將熱活化、機械活化、化學活化組合使用，能獲得更加明顯的活化效果。

參考文獻

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