摘 要

Abstract II

1 绪论 1

1.1课题背景及意义 1

1.2煤矸石砖的研究现状 1

1.2.1 煤矸石制砖的发展过程 1

1.2.2煤矸石砖厂的规模和数量 2

1.3.保温隔热材料的研究现状 3

1.4研究可行性 3

1.5研究内容 4

2实验原材料及方法 5

2.1实验原材料 5

2.1.1实验主原料 5

2.1.2轻烧氧化镁 6

2.1.3钠长石 6

2.1.4纯碱 7

2.2实验设备 7

2.3实验方法 8

2.3.1实验流程 8

2.3.2气氛的控制 10

2.3.3性能测试 10

3结果分析与讨论 11

3.1确定煤矸石空心砖基本配方及成型方法 11

3.2烧成制度对排碳过程及烧结性能的影响 13

3.2.1气氛对煤矸石砖发泡性能的影响 13

3.2.2升温制度对碳燃尽程度的影响 14

3.2.3保温时间对排碳过程的影响 15

3.3孔型结构对煤矸石空心砖烧结性能的影响 16

4 结论 18

摘 要

煤矸石主要来源于采煤和洗煤过程中的排放，它是一种在成煤过程中与煤层伴生的一种含碳量较低、比煤坚硬的黑灰色固体废物。煤矸石轻质保温空心砖可以在原料上大比例的使用煤矸石，不仅可以节约生产成本，而且对于节约和保护耕地、治理环境、缓解能源危机、改善居住条件、提高建筑功能、实现住宅产业现代化有着重大的现实意义。

本文以煤矸石为主要原料，以轻烧镁粉，纯碱以及钠长石作为辅料并加入适量的发泡剂，研究煤矸石的掺入量、成型方法、窑炉气氛、孔型结构和孔洞率等对煤矸石多孔砖的排碳过程、烧结性能及产品性能等的影响，制备出轻质高强的煤矸石保温多孔空心砖。其中煤矸石的利用率达到87.5%、表观密度为0.355g/cm2、强度为3.5MPa、导热系数为0.12W/(m·k)。与传统煤矸石砖相比具有掺入量大、密度低、强度高、导热系数低等优势。

关键词：煤矸石；窑炉气氛；孔型

Abstract

Coal gangue is a coal mining and coal washing process in the discharge of solid waste, is a kind of the associated with coal in the process of coal, a carbon content is low, the harder than coal, gray and black rock. Coal gangue thermal insulation hollow brick can be a large proportion of the use of coal gangue, not only can save the production cost for the enterprise, for the protection and conservation of arable land, environmental governance, ease the energy crisis, improve the building function, to improve their living conditions, realize the modernization of the residential industry has a great practical significance.

The coal gangue as the main raw material, using light burned magnesium, sodium carbonate and sodium feldspar as excipients and join right amount of foaming agent, study on coal gangue admixture, molding method, furnace atmosphere, pore structure and pore rate of the coal gangue porous brick carbon process, sintering behavior and properties of the product influence prepared light high strength porous coal gangue hollow brick. The utilization rate of coal gangue is 87.5%, the apparent density is 0.462g/cm2, the strength is 3.5MPa, the coefficient of thermal conductivity is 0.12W/ (M / k). Compared with the traditional coal gangue brick with the incorporation of large volume, low density, high strength, low thermal conductivity.

Key Words：coal gangue；kiln atmosphere；pass

1 绪论

1.1课题背景及意义

中国具有庞大的制砖业，关于制砖业的企业数量很大，每年消耗的黏土量可达近10亿吨，毁田约有5万亩。同时消耗约7000万吨标准煤。CO₂和的年排放总量在建材工业大约占30％。为了能够使土地资源得到节约，并使粘土砖生产造成的SO₂等污染物的排放和温室气体的减少，在2005年的时候，政府出台了一项政策：到2010年底．所有城市均禁止使用实心粘土砖，全国实心粘土砖年产量必须控制在4000亿块以下。为了能够响应国家政策，地方政府也陆续出台了相关规定．来禁止粘土砖的生产。

近年来，随着经济的发展和人们生活水平的提高，我们对能源的需求也在日益增加。由于对煤炭的大量开采，导致煤矸石大量堆积，且已经是目前我国年排放量和累计堆存量最大的工业废弃物之一。据统计截止到2014年，我国煤矸石总计存量大概在46亿吨，占压土地1.2万公顷以上，并继续以每年1.6亿吨的速度增加^[1]。煤矸石的堆存不仅占压了大量土地，还带来严重的环境问题。比如其淋溶水渗透到地下，污染土壤进而污染地下水资源；其自燃还会产生大量的有害物质；风化作用会又会使其表面成粉尘状进入大气等^[2]。所以如何利用煤矸石就显得尤为重要。目前主要有发电、制取化工产品、改良土壤、生产肥料、筑路等，其中还有一个重要途径就是制作煤矸石砖。

虽然煤矸石的热值比较低，但是煤矸石多为粘土岩、灰质岩粘土质成份，而且它本身又含有一定的发热量，在制砖过程中可以自燃放出热量，既可以作为原料又可以作燃料，煤矸石砖和传统的制砖方式相比，具有节省大量燃料资源的优势。同时该产品拥有强度高、自重轻、良好的承载抗震性能，和优良的保温、隔热、隔音等特点，使其在使用时综合造价低，施工周期短，因此有着广阔的市场。这种烧结砖在保护和节约耕地、缓和能源危机、提高建筑功能、治理环境、实现住宅产业现代化、改善居住条件有着重大的现实意义^[3]。

1.2煤矸石砖的研究现状

1.2.1 煤矸石制砖的发展过程

在中国，煤矸石的在用于制砖方面经历了四个阶段。第一阶段（1965年以前）：在四川省和辽宁省煤矸石制砖开始研究和工业性试验出产品；第二个阶段（1965-1985）：低水平发展阶段，中国的煤矸石制砖生产工艺简单、设备性能落后，产品质量只能满足一些低水平国家标准的要求，当时的生产企业有：四川省永荣煤矸石砖厂、四川省荣山煤矸石砖厂、四川省沫江煤矸石砖厂、辽宁省黑山县砖厂等；第三阶段（1986～2000）：在这15年里，中国煤矸石制砖发展迅速，有了跨越式的发展。许多企业除了白行研发的煤矸石制砖设备外，还引进法国、美国、意大利、德国等主要设备，并结合中国的国情发展进行消化吸收，这使得装备的整体性能大幅度提高，机械自动化水平有了较大的发展，单机产量也随之增长。第四阶段（2000-至今）：煤矸石制砖发展迅速，技术上基本趋于成熟，又跨上了一个新的台阶，企业的生产规模从上世纪最高年产量6000万块提高到了一亿块以上，并且使建筑中使用的单一围护结构得到了改变。山西潞安、阳泉和北京龙泉生产线的产品具备了多种功能：能装饰和围护承重等，对我国今后煤矸石制砖的发展有很好的导向激励作用^[4]。

从2003年以来，全国大部分地区煤矸石制砖均得到了快速发展（除山西、新疆等地区外），相比2003年，2006年度全国煤矸石制砖总数达到了历史性的14．22亿块，三年累计增幅达到69％。但值得注意的是：相比2003年，山西省的煤矸石制砖总数在2006年下降了一半多。这是由于近几年山西省小砖窑的迅速发展，在一定程度上挤占了煤矸石砖的市场空间，这反映出煤矸石产业未能得到足够政策支持，当地的地方执法存在问题，煤矸石制砖产业发展对政策的依赖性和地方政府执法水平都成为影响该产业发展的重要因素。

1.2.2煤矸石砖厂的规模和数量

截止2005年底，中国煤炭系统拥有400多家共有煤矸石砖厂，而还有近5000多家煤炭系统以外的利用煤矸石制砖的企业。山东、四川、辽宁、吉林、河南、北京等地都拥有许多大型骨干企业，市场发展也相对成熟。近几年新建的煤矸石制砖企业生产线普遍提高了机械化和自动化程度和生产线的技术含量。产品的重心为承重和非承重空心砖，实现了产业升级和规模经营。除了现已投产的生产线外，山西、山东、四川、河北等地还将陆续新建一批煤矸石空心砖生产线。新建的制砖厂规模在6000万块～16000万块之间，比较大。目前，河南省平顶山市已建设为煤矸石烧结制品基地；北京门头沟区、房山区已形成煤矸石烧结制品基地。此外，内蒙古、黑龙江、辽宁、山东、河北、山西、等地均已建设了具有一定规模的煤矸石烧结砖生产线。各地新建煤矸石烧结砖生产线许多条，展现出较好的发展态势。现在煤矸石空心砖的主要技术参数如下表1所示。

表1 煤矸石空心砖技术性能参数

1.3.保温隔热材料的研究现状

保温隔热材料是指能阻止建筑物内外热量交换，具有明显热阻性能的材料。按照使用温度和导热系数可分为轻质绝热材料（导热系数小于 0.23 W/(m·k)）、保温材料（导热系数小于 0.14 W/(m·k)）、高效保温隔热材料（导热系数小于 0.05 W/(m·k)）。天气寒冷时，建筑墙体保温材料能保持室内温度，防止热量外流，减少采暖能耗；天气炎热时，建筑墙体隔热材料能隔离热辐射，阻止室外热量传入，减少空调能耗。

国内外建筑墙体材料纷纷朝着轻质、高强、节能环保的方向发展。目前工程大规模应用的外墙保温隔热材料主要有EPS（聚苯乙烯泡沫）、XPS（挤塑聚苯乙烯泡沫）和PU（聚氨酯泡沫）等，这3种均属有机保温材料，虽起到了保温隔热的效果，但存在阻燃性差、易变形和老化等问题，采用这些材料构成的外保温系统防火性能差、燃烧时产生毒性烟雾，易产生开裂、空鼓、渗水、脱落等质量通病，使用年限也较短^[5]。基于现实情况，外墙外保温工程的防火性能、耐久性能开始引起重视。另一方面，无机防火保温材料由于其耐高温、不燃、防火的性能，引起越来越多的关注。目前市场上建筑保温隔热材料主要还是硬聚氨酯泡沫、聚苯乙烯泡沫等泡沫塑料，比例达到 80%，但XPS和EPS燃烧性能均为 B2 级(可燃)，已很难满足消防要求^[6]温隔热材料，而可用于外墙外保温工程燃烧性能达A级的无机保温材料仅有岩棉板（条）、无机保温砂浆等少数几种。其中无机保温砂浆由于吸水率较高，在许多地区容易发生冻融破坏，应用受限制。岩棉板则抗拉强度较小；岩棉条抗拉强度较大，但生产工艺要求较高，目前国内这类产品大多数都还达不到用于外墙保温的性能要求。因此，开发新型无机保温墙体材料，成为当前发展节能建筑急需解决的问题。

保温隔热多孔陶瓷材料是以陶瓷厂废料、建筑垃圾、河道淤泥等作为主要原料，采用先进的发泡方法和生产工艺条件，经高温焙烧而成。不同于有机保温材料易燃、易老化的致命弱点，保温隔热多孔陶瓷材料防火阻燃、抗老化，可与建筑物同寿命，填补了建筑无机保温材料的国内空白。税安泽等人^[7]以抛光砖废料为主要原料制备了一种有保温隔热功能的新型轻质建筑材料。赵杰等人^[8]采用浸渍过滤的方法，以短切莫来石纤维为原料制备了轻质多孔陶瓷隔热材料。苏州启能新型建材科技有限公司研发的发泡陶瓷板导热系数已能与保湿砂浆的导热系数相近。但隔热保温多孔陶瓷的大规模生产仍然存在很多技术难题，加强其研究开发工作很有必要。

1.4研究可行性

理论上而言，用发泡陶瓷作为自保温轻质墙体材料，成本过高市场难以接受。而本项目以煤矸石主要原料，省去了大量的原材料及粉磨成本，从而使得成本大幅度降低，令用发泡陶瓷作为自保温轻质墙体材料成为可能。

1.5研究内容

煤矸石制砖，到目前为止虽然工艺上和技术上都比较成熟，但是与一般粘土砖相比，还需要一些特殊要求和生产工艺。用来制砖的煤矸石必须符合一定的技术要求。

﹙1﹚以煤矸石为主要原料，以氧化镁、纯碱以及发泡剂等为辅助原料按不同比例进行配料，混合粉磨然后成型。成型方法主要为堆积成型和压制成型两种。

﹙2﹚研究发泡剂掺入量对发泡性能的影响通过在高温炉内引入空气的方法改变炉内气氛，研究炉内气氛对多孔砖排碳过程、烧结过程及发泡性能的影响。