1  前言

煤矸石是一种在成煤过程中与煤层伴生的含碳量较低的黑灰色岩石，是碳质、泥质和砂质页岩等各种沉积岩组成的混合体，是我国目前排放量最大的工业固态废弃物之一，约占全国工业废渣排放量的1/4。2016年全国原煤总产量达34.1亿t，煤矸石年排放量达4亿t左右，目前我国煤矸石的堆放量已超过56亿t。煤矸石的大量堆放，不仅压占土地，还影响生态环境，污染土壤、地下水和大气。近年来，国家为了减少工业废渣对环境的污染，加大了对煤矸石等固体废弃物资源化利用的支持力度，先后出台了一系列鼓励工业废渣综合利用的政策，按照国家发展改革委、财政部、税务总局联合发布的《国家鼓励的资源综合利用认定管理办法》，企业生产原料中掺有不少于30%的煤矸石、石煤等其他废渣的可免征增值税。

煤矸石的主要矿物组成为高岭石或伊利石、石英，次要矿物有钙长石、菱镁矿、方解石、白云石等。煤矸石的化学成分主要以SiO₂、Al₂O₃为主，此外还含有数量不等的Fe₂O₃、CaO、SO₃、MgO和微量稀有元素等。煤矸石因含有一定量的未燃碳，所以有一定的热值。

现在烧结砖的原料普遍次用页岩以取代黏土，它是由疏松的黏土经过天然的造岩作用，经过固结、压实、脱水、重结晶而形成的具有一定片状结构的岩石，所含矿物主要有黏土类矿物，如高岭石、蒙脱石等，还含有石英、长石等碎屑矿物。化学成分主要以SiO₂、Al₂O₃为主，同时含有数量不等的Fe₂O₃、CaO、SO₃、MgO等。煤矸石与页岩成分相似，都是以SiO₂、Al₂O₃为主，故可作为烧结砖的理想原材料，同时利用煤矸石具有一定热值这一特性，做到基本没有能源消耗，实现了“制砖不用土，制砖不用煤”的清洁生产。

2  唐山地区烧结砖企业废渣利用的情况

唐山地处燕山山脉，拥有储量巨大的页岩、煤炭资源，境内42家烧结砖生产企业全部采用页岩、煤矸石作为生产原材料，年产量达50亿块（折合普通砖）。从前面我们知道，国家出台了一系列鼓励工业废渣综合利用的政策，极大地调动了社会资本的积极性，企业通过技术攻关和工艺改进，将煤矸石废渣掺加量全部做到了30%以上。今年以来由于唐山市为改善大气环境质量，降低扬尘污染，对露天非金属矿山进行深度整治，致使页岩价格不断走高，同时唐山烧结砖的主要销售地北京对烧结页岩砖的禁入也促使生产企业加大煤矸石废渣的掺加量。2017年河北省乡镇建材产品质量监督检验站对烧结转生产企业进行抽检，经依据GB/T32989-2016《墙体材料中废渣掺加量分析方法》标准检测得出的数据统计，全市40家烧结砖生产企业煤矸石废渣掺加量平均达到56.2%，最高达72.1%；另两家为纯煤矸石烧结砖生产企业，掺加量均达99%以上。

通过检测试验我们发现，42个烧结多孔砖样品强度等级、孔型孔洞率等项目均符合GB13544-2011《烧结多孔砖和多孔砌块》标准要求，唯独泛霜一项存在较大差异，因此我们选择了五组不同煤矸石掺加量的典型样品进行分析，见表1。

表1  五组典型样品煤矸石废渣掺加量及泛霜情况

我们知道，泛霜是由于烧结砖内部盐分析出，砖棱角、表面形成白霜造成的。标准GB/T2542-2012《砌墙砖试验方法》对泛霜程度划分如下：

无泛霜：试样表面的盐析几乎看不到。

轻微泛霜：试样表面出现一层细小明显的霜膜，但试样表面仍清晰。

中等泛霜：试样部分表面或棱角出现明显霜层。

严重泛霜：试样表面出现起砖粉、掉屑及脱皮现象。

轻微泛霜及中等泛霜影响烧结砖的外观质量，而严重泛霜会导致烧结砖脱皮掉屑，降低其强度，更有甚者会破坏其结构。

通过一些学者的研究资料我们知道，泛霜的主要化学成分为硫酸钙，其次为硫酸镁、硫酸钠和硫酸钾等可溶性硫酸盐，这些硫酸盐是由砖坯在干燥焙烧过程中原料中的碳酸钙（石灰石）、碳酸镁（菱镁矿、白云石）遇到含硫烟气生成，并在冷却过程中与水再结晶形成白色、灰色或褐色粉末进而析出在烧结砖表面。因此，我们初步判断泛霜是由烧结砖原料中的SO₃含量高所造成的。

3  利用煤矸石掺量测定及成分检测来控制烧结砖泛霜的分析

通过对前三组样品的页岩和煤矸石两种主要原料做进一步化学分析实验（见表2、表3），我们得出混合料中的SO₃主要来源于煤矸石的结论，其含量高则在生产过程中造成烧结砖中的可溶性硫酸盐含量高，从而出现泛霜现象。

表2  页岩化学成分/%

表3  煤矸石化学成分/%

接下来我们对前三组样品的成品砖进行了SO₃含量测定实验（见表4）。以样品1#试样为例，煤矸石掺加量为57.2%，在所有五组试样中并不是最高，但却出现了中等泛霜现象，而样品3#煤矸石掺加量最高，却只有轻微泛霜，通过对三组样品原料进行分析计算，分别得出成品砖样品1#的SO₃含量理论数值为0.85%，与实际测定的0.78%接近；样品2#分别为0.53%和0.45%；样品3#分别为0.72%和0.63%。

在实际操作中标准GB/T2542-2012《砌墙砖试验方法》对泛霜缺乏数值定量的判定，因此根据以上实验数据我们初步认为，在唐山地区当烧结多孔砖中SO₃含量超过0.75%以上就可能出现中等程度以上的泛霜。

表4  五组典型样品煤矸石废渣掺加量及SO₃含量情况/%

通过对以上五家烧结砖企业工艺进行的调查，我们对加大煤矸石废渣掺加量的生产总结了以下经验：

a.选择含硫量低的煤矸石做生产原料，能够最有效地减轻泛霜现象的产生。建议要求供货商提供煤矸石的详细成分报告，根据报告数据对掺配比进行适当调整。

b.延长焙烧时间。一般硫酸盐在500℃开始分解，在500℃~800℃范围内，砖坯中的盐类矿物失去其结晶水，到800℃以上分解脱除为金属氧化物和SO₂、O₂等气体，因此延长800℃以上的烧成时间，可进一步减低砖坯中硫酸盐的生成，同时利于SO₂气体的逸出，达到减少泛霜的目的。建议焙烧时间不低于12h。

c.提高煤矸石及页岩的破碎细度，即可增加塑性指数，提高成品强度，又能有效促进原料中的碱性氧化物参与高温下的物理化学反应，减少可溶性硫酸盐的产生，从而降低泛霜的程度。建议破碎细度控制在1.8mm~1.5mm。

d.适当提高焙烧温度。煤矸石掺量加大，为了保证烧结砖成品的强度等级，根据煤矸石的具体发热量，适当提高焙烧温度，保证其热值消耗，有利于生成更多的液相物质，防止出现“生砖”、“欠火转”。建议隧道窑生产烧结空心砖时的焙烧温度可控制在950℃~980℃。煤矸石掺加量越大则温度需越高。

4  结语

通过上述实验我们得出，利用煤矸石掺加量测定及成分检测可以对生产企业控制烧结砖的泛霜发挥指导作用，但对具体的企业，如何确定生产工艺及建立调节生产对应关系模型，还需我们深入地研究。我们将在烧结砖质量检测和技术服务工作中继续重点关注。作者：张静波

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