1、概述

煤矸石是采煤工业排出的废石，占原煤生产量的15％～20%。由于它的堆积占据大量的土地，并对周围环境造成严重的污染。近年来，徐州市大量利用煤矸石制砖，既节省能源（煤炭）、土地，又减少对环境的污染。但是由于生产厂家技术水平不高，对煤矸石中影响烧结砖质量的有害物质没有明确的控制措施，造成砖的石灰爆裂指标不合格，严重影响建筑工程的质量。本文通过煤矸石中氧化钙、氧化镁等对烧结砖质量影响的研究，提出生产中的控制措施。

2、原材料与试验方法

2.1原材料

2.1.1煤矸石

煤矸石样的采集是利用雨后的晴天，在矸石山上进行人工挑选。由于雨水的冲洗，矸石表面清洁，易于辨认。根据目测，凡不同形状、不同硬度、不同颜色、颗粒粗细、风化特征等矸石各捡拾一部分，运回备用。煤矸石矿物组成基本相似，其主要矿物为α-石英和高岭石；次要矿物为云母和长石；另外还含有极少量的矿物为三水铝矿、方解石、针铁矿、菱铁矿、白云石和伊利石等。

2.1.2粘土

粘土样是采自粘土堆场。

2.1.3石灰石

石灰石样是来自某采石场，开采的石灰石经过颚式破碎机破碎、筛分，取其块度50mm～70mm的块石。

2.1.4白云石

白云石是来自某厂白云石料场，经筛选，取其大于1mm的颗粒。

2.1.5黄铁矿样的采集

黄铁矿样是采自矸石山上进行捡拾得来。

2.2试样的处理

2.2.1煤矸石样

首先将煤矿矸石山采用的样品，在阳光下自然晒干，用颚式破碎机破碎，让全部通过5mm筛，用四分法将试样缩分至200g左右，将此200g左右的样品用振动磨磨细，供化学分析用。采用四分法剩余的试样，留作配料试烧之用。

2.2.2粘土样

粘土样经晒干、压碎、过5mm筛，用四分法，缩出200g左右，再磨细，作化学分析。余样留作配料用。

2.2.3石灰石样、白云石样及黄铁矿样

石灰石样经破碎，过5mm筛，缩分出200g左右，再磨细，供化学分析。余样留作配料用。白云石样和黄铁矿样的处理方法同石灰石样相同。各种原料的化学成分见表1

表1各种原料的试样的化学成分

2.3试验方法

2.3.1试验方法

a.试样制备。采来的煤矸石样，经过如前所述的处理，根据不同的试验要求，配制成混合样，然后进行再破碎、过筛，分别制成过2.5mm、2.0mm、1.6mm、1.0mm及0.45mm筛的试样。

将各试样再进一步制备成小于0.45mm的颗粒部分占小于50%、50％～70%及大于70%的试样，以备制坯之用。

b.成型方法。用上述配制的试样，依据需要称取一定数量，用人工搅拌，先干拌1min，再加入一定量的水，湿拌5min～10min，而后用40mm×40mm×160mm的钢模成型，经人工捣实、刮平，及时脱模，置试体于玻璃板上（最好是在木板上）。

c.试体干燥方法。脱模后的试体放置于室内通风较好的地方，干燥24h，待表皮见干，再移入烘箱中先在40℃~60℃的温度范围内烘24h，再逐渐将温度升高到100℃~105℃的范围干燥24h，使之完全干燥，而后再将试体转移到硅碳棒炉中，进行焙烧。

d.焙烧。在硅碳棒炉中进行焙烧。

2.3.2性能试验

a.强度测试。将烧成后的试体在60t压力机上进行耐压试验，在水泥抗折仪上进行抗折试验。耐压及抗折，均取其几块试体结果的平均值。

b.蒸养试验。将烧成的试体在锅中进行蒸煮。蒸养方法是先将锅中的水加热至沸腾，而后把试体放到篦子上，从试体放入开始计时，蒸1h，将锅移离电炉，把篦子连同试体一起取出，观察试体的变化。

c.浸水试验。将烧成的试体放入室温的水中浸泡10min，取出用渐湿的毛巾拈干，放置在室内，经常观察变化情况，并记录。

3结果和讨论

经过试验，做了原料化学成分对砖体强度的影响、原料颗粒度的影响、原料中细颗粒含量的影响和有害杂质对砖体性能的影响等几个方面的工作。

3.1化学成分对砖体强度的影响

SiO2含量高，砖体收缩小，强度高；Al2O3含量高，耐火度高，强度高；Fe2O3含量多，则降低烧成温度。通过试验所得结果如表2。

表2化学成分对砖体强度的影响

3.2粒度大小

煤矸石中的粘土矿物，并不像粘土中矿物那样，遇水后很快分散，易于成型；煤矸石需要先破碎、磨细。其颗粒越小，砖体强度越高，塑性越好。煤矸石粒度大小和强度的关系见表3。

表3煤矸石粒度大小对砖强度的影响

注：M2.5中2.5表示颗粒细度的大小。

表3表明，在其他条件相同时，强度是随颗粒尺寸的减小而增加。为了克服煤矸石中矿物存在的形式不像粘土那样，在制砖过程中需用破碎、粉磨的方法以提高它的可塑性，获得较好的砖坯及成品，也只有这样才能满足要求。一般说来，颗粒细度应小于2mm为宜。

3.3细颗粒含量

细颗粒含量多少，直接影响着砖体的强度和性能。细颗粒含量对砖体强度的影响见表4。

表4细颗粒含量对砖体强度的影响

从表4中可以看出在同样大小颗粒的情况下，细颗粒含量越多，砖体的强度越高。这主要是细颗粒含量的增加，使其整个原料中颗粒级配发生了变化，使砖坯致密性提高，砖体强度自然就高；由于颗粒的细粒含量提高，在不改变温度的情况下，颗粒间接触更好，更易发生相互间的反应，烧结的更好。通常小于0.45mm的颗粒应占60%以上较为理想。

3.4煤矸石中有害杂质的影响

煤矸石中有害杂质往往是指煤矸石中所夹杂的石灰岩、黄铁矿、白云石、石英及其他的碳酸盐（如MgCO3、FeCO3等）等，这些矿物对制砖来说是不利的，甚至是有害的。

根据徐州地区几个煤矿矸石的采样分析和徐州几个砖厂制砖的情况表明，徐州地区几个煤矿的矸石所含的有害物主要是石灰石、石英、黄铁矿，其他的如白云石（MgCa(CO3)2）、菱镁矿（MgCO3）、菱铁矿（FeCO3）等都是很少的。故对有害杂质的探讨主要放在石灰石上。

3.4.1石灰石

石灰石是目前制砖工业中经常遇到的有害物，也是危害最大的组分之一。

在粘土中CaO的含量允许在0％～15%的范围内波动，一般不会出现问题，这主要是在粘土中CaO存在的形式和分散度不同所致。如果在粘土中CaO是和其他的硅、铝结合，以硅酸盐和铝酸盐的形式存在，或是以碳酸盐的形式存在，但分散度很大也不会影响砖的质量，而且对砖的性能和强度还起到好的作用。如果在粘土中CaO是以碳酸盐的形式存在，且又是结核状态，则是有害的，必须加以限制。

在煤矸石中CaO的存在形式往往是以块状石灰石的形态存在，石灰石的强度比一般的煤矸石要高。在粉碎过程中不易破碎得很细，往往在粗颗粒中占的比例很高，这样就会产生石灰爆裂现象。如果CaO在煤矸石中呈细分散状态存在或以非碳酸盐的形式存在，含量稍高也不会出现爆裂现象。石灰石含量对砖体性能的影响见表5。

表5石灰石含量对砖体性能的影响

通过上述试验，可以看出原料中石灰石的含量可根据颗粒细度的大小而进行调整，也就是说石灰石含量多，物料的颗粒度应减小。原料中所含CaO是以石灰石的形态存在，其石灰石的含量应控制在2%以下为宜，若超过2%时，应将原料粒度控制在1mm以下，若石灰石含量超过5%时，应将原料粒度控制在0.5mm以下。对于石灰石含量是一定的原料来说，只有通过控制粒度的方法来保证产品不出现粉化现象。

3.4.2白云石

白云石在煤矸石中存在的量不多。在徐州地区所采集的煤矿的矸石中，通过X光衍射、差热分析及岩相分析，发现白云石存在的量是很少的。表6为所作的白云石含量对砖强度及性能的影响。

表6白云石含量对强度和性能的影响

从表6结果可看出，当原料磨细至2mm以下时，白云石含量应小于5%为宜。当白云石含量超过5%时，原料粒度应小于0.5mm较为合适。

3.4.3黄铁矿

黄铁矿是制砖工业中的有害成分之一。它的存在造成砖爆裂和泛霜。试验结果见表7。

表7黄铁矿含量对砖体强度及性能的影响

黄铁矿在徐州地区几个煤矿中，含量是不均匀的，即便在同一煤矿由于煤层的不同，其含量也不相同。黄铁矿在矸石中存在的形式也很不一样，有呈分散状，有呈结核状，不论存在形式如何，对砖体总是不利的。因为黄铁矿中硫在砖体烧成过程中，被氧化成二氧化硫，二氧化硫一方面对设备有腐蚀，另一方面硫与坯体中的钙、镁反应易生成硫酸盐，使砖体出现泛霜现象。如果黄铁矿是呈颗粒状存在坯体中，则会使分解的气体局部集中，导致砖体酥裂，并在表面产生熔泡。从表7的结果也可看出黄铁矿在原料中含量不宜太多。以SO3计应控制在1%以下为宜。

4、结论

通过一年来的实验可以得出如下结论：

a.煤矸石的化学成分愈接近一般粘土，其砖体强度愈高，性能愈好。

b.煤矸石的破碎粒度越小，砖体的强度越高，所允许的有害杂质含量就越高。

c.原料中细颗粒含量越高，坯料的可塑性能越好，砖体的强度越高。

d.煤矸石中有害杂质含量越少，砖体的质量越好。

e.原料中石灰石含量稍高（不大于5%），可添加外加剂消除石灰的破坏作用或通过磨细使颗粒变小也可消除石灰的破坏作用。

f.当原料中石灰石含量超过允许值不多时，可对制品采用浸水的方法消除石灰的危害。

 

 

 

 

 

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