CN109095799B - 一种煤矸石包覆改性制备生态骨料的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种煤矸石包覆改性制备生态骨料的方法，采用固废基高活性胶凝材料对煤杆石进行表面包覆、固化。本申请基于固废基的高活性胶凝材料早强快凝快硬的性能特点，对块状煤矸石进行包覆改性制得一种煤矸石生态骨料，以达到和普通石子相当的物理性能，取代石子在各种建材领域的应用市场，实现一种煤矸石大规模资源化利用新途径。步骤简单、操作方便、实用性强。

Description

一种煤矸石包覆改性制备生态骨料的方法

技术领域

本发明属于新型建筑材料的制备领域，特别涉及一种煤矸石包覆改性制备生态骨料的方法。

背景技术

煤矸石是采煤过程和洗煤过程中排放的固体废物，是一种在成煤过程中与煤层伴生的一种含碳量较低、比煤坚硬的黑灰色岩石。包括巷道掘进过程中的掘进矸石、采掘过程中从顶板、底板及夹层里采出的矸石以及洗煤过程中挑出的洗矸石。其主要成分是Al₂O₃、SiO₂，另外还含有数量不等的Fe₂O₃、CaO、MgO、Na₂O、K₂O、P₂O₅、SO₃和碳以及微量稀有元素(镓、钒、钛、钴)。

煤矸石是我国排放量最大的工业废物，约占我国工业固体废物的四分之一。有关部门的材料显示，全国历年累计堆存的煤矸石约36亿吨，规模较大的矸石山约2600座，占地1.2万公顷。随着我国现代化建设事业的发展和环境保护工作力度的加大、洁净煤技术的发展和采煤机械化水平的提高，煤矸石、煤泥等排放量还要增加。

近几年来，随着煤炭生产的高速增长，每年新增煤矸石8000万吨左右。大量的煤矸石弃置不用，不仅占用大片土地，浪费大量土地资源，煤矸石中的硫化物逸出或浸出还会污染大气、土壤和水体，对人类的生活和健康造成巨大的安全隐患。另外，矸石山还会自燃发生火灾，或在雨季崩塌，淤塞河流造成严重灾害等，比如发生在2005年5月16日的平顶山煤矸石山自燃崩塌事件，造成100米外的18间居民房不同程度受损，房中人员被埋压，8人不幸遇难，6人重伤，在抢险过程中，因突发暴雨导致矸石山再次喷发，又造成现场40多名抢险人员被不同程度烧伤。煤矸石山的大量产生不仅危害生态环境，更对人类的生活和健康构成危害。因此需要加强煤矸石的组分、结构与特性等基础方面的研究，根据煤矸石的特性和实际需要，开发新的利用途径，加快煤矸石的综合利用步伐。煤矸石应用于道路材料，可以实现固体废弃物的无害化、减量化和资源化，具有显著的经济效益、社会效益和环境效益，有着很好的前景和重要的意义。

目前，我国煤矸石的综合利用率在75％左右，由于其巨大的产生量和堆存量，每年还有大量的煤矸石山亟待处理。我国针对煤矸石的研究有很多，利用煤矸石作为制造建筑材料的原料，不但工艺简单，而且用量大，可以全部利用，是煤矸石利用的主要途径。包括煤矸石制砖，煤矸石改性可以生产矸石砖空心砖，且利用煤矸石制砖不需要燃料，实现了制砖不用黏土、烧砖不用燃料的效果。取得了良好的环境和经济效益，但由于环保问题，目前国家已经禁止烧结砖的生产，煤矸石免烧砖是发展趋势。还有煤矸石制水泥、混凝土。陶瓷等研究和应用，另外目前还有研究煤矸石做吸附剂等。

目前对天然石子的开发利用已经受到限制，从当前国内外石灰石需求情况看，全世界每年需求量约为12亿吨左右，但80％为普通用途。优质石灰因资源少，产量低，市场缺口较大。近几年，亚太地区各国因其国内石灰石资源不足，每年要从中国进口石灰石110万吨左右。据专家预测，对优质石灰石的需求量，国内将以每年30万吨、亚太地区将以每年35万吨的速度增加。

目前石子的价格也是处在一个较高的水平，超过100元/吨。而煤矸石改性之后做骨料可以达到石子相当的性能要求且成本低廉，如果将煤矸石作为一种骨料应用在建筑、建材、道路施工等各种领域。使煤矸石变废为宝，那么不仅可以解决现在石子价格昂贵的问题，还可以解决煤矸石带来的生态污染问题。从而实现对煤矸石的附能再应用，大幅提高煤矸石的综合利用率，开辟出一种煤矸石大规模利用的新途径，更能取代部分石子巨大的需求市场，为企业和社会都能带来良好的经济和环境效益。符合我国建设生态文明，发展绿色循环经济的新要求。

发明内容

为了克服上述不足，本发明提供一种固废基的高活性胶凝材料，基于其早强快凝快硬的性能特点，对块状煤矸石进行包覆改性制得一种煤矸石生态骨料，以达到和普通石子相当的物理性能，取代石子在各种建材领域的应用市场，实现一种煤矸石大规模资源化利用新途径。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

本发明的目的一是提供一种煤矸石包覆改性制备生态骨料的方法，包括：

采用固废基高活性胶凝材料对煤杆石进行表面包覆、固化，即得。

优选的，所述固废基高活性胶凝材料由煤矸石搭配其他硅铝铁基固废和硫酸钙基固废协同互补煅烧而得的一种水硬性胶凝材料，具体制备方法如下：

1)先将大块的煤矸石破碎，然后将粒径大于25mm和低于5mm煤矸石筛分出来，留下粒径5-25mm煤矸石备用；

2)将筛余的大于25mm和小于5mm的煤矸石协同脱硫石膏、铝灰、电渣石经过研磨、混合均匀后煅烧，即得固废基高活性胶凝材料。

所述煤矸石、脱硫石膏、铝灰、电石渣的比例为(质量百分数)20％：20％：30％：30％。

所述胶凝材料的制备方法中，煅烧温度为1250℃，时间为2h。

优选的，所述煤矸石的粒径尺寸为5-25mm。

优选的，所述固废基高活性胶凝材料与煤矸石的质量比为1-2:8～9。

优选的，水灰比在0.28-0.32之间。

优选的，所述固废基高活性胶凝材料过0.08mm方孔筛。

优选的，所述包覆采用采用圆盘型造粒机；圆盘在电机带动下旋转带动煤矸石块旋转，旋转的同时喷水，待煤矸石表面湿润然后再喷撒固废基胶凝材料粉体；直至煤矸石表面包覆一层均匀致密的外壳。

本发明的目的二是提供了任一上述的方法制备的生态骨料。

本发明的目的三是提供了上述的生态骨料在建筑、建材、道路施工中的应用。

本发明的有益效果

1)本发明能够制备一种煤矸石基生态骨料，未来可大规模取代石子做骨料的市场。

2)本发明与目前石子做骨料费用相比可大幅降低生产成本。

3)本发明可以提高煤矸石的使用强度和耐久性。

4)本发明制备的煤矸石骨料达到和普通碎石相当的物理性能。

5)本发明更大程度地使煤矸石做骨料稳定化、无害化与资源化。

6)本发明制备的煤矸石生态骨料具有成本低、强度高、稳定性高、压碎值低、耐久性优良等地点。市场前景广阔。经检测，制备的煤矸石骨料平均压碎值为8.6％<10％。符合国家行业标准《JGJ52-2006》相关指标要求；吸水率1.8％<2.0％。符合国家标准《GB/T14685-2011》相关指标要求。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1为本发明的工艺流程图。

图2、3是实施例1包覆处理的煤矸石、与未包覆处理的煤矸石(粒径5-25mm)直接作骨料及普通石子(粒径5-25mm)作骨料的混凝土强度结果。

图4、5是实施例2包覆处理的煤矸石、与未包覆处理的煤矸石(粒径5-25mm)直接做骨料及普通石子(粒径5-25mm)做骨料的混凝土强度结果。

图6、7是实施例3包覆处理的煤矸石、与未包覆处理的煤矸石(粒径5-25mm)直接做骨料及普通石子(粒径5-25mm)做骨料的混凝土强度结果。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

煤矸石作为一种工业废弃物，具有轻质高强的特征，经过简单破碎、筛分即可作为集料配制混凝土。用煤矸石作混凝土的骨料是利用煤矸石的合理途径，较其他利用煤矸石的方法更为充分、彻底，而且其经济效益也是显著的。经过蹄选处理后的煤矸石与碎石的性质有很多相似之处，由于煤矸石成分复杂，由于煤矸石含SiO₂、Al₂O₃量高、属于活性成分，长期与水、Ca(OH)₂和空气等接触易发生碱骨料反应，出现煤矸石粉化现象，降低煤矸石强度。同时，煤矸石粉化后结构疏松，孔隙率增多，导致结构吸水量过大、引起耐久性不佳。因此，煤矸石目前无法直接代替石子做骨料生产混凝土，主要是因为其用作骨料会引起质量问题，尤其是耐久性方面限制了它的应用，所以本发明将一种自制的固废基高活性胶凝材料对煤杆石表面包覆处理，从而改善煤矸石骨料与浆体之间的界面过渡区的结构，在煤矸石骨料与浆体之间形成一种坚硬致密的外壳，阻止浆体的水分和空气进入煤矸石骨料内部发生化学反应，防止煤矸石骨料粉化，从而提高结构强度和耐久性。

首先，煤矸石包覆过程速度快、效率高、包覆均匀。其次包覆所用固废基胶凝材料硬化快，强度高，包覆后骨料强度大幅提高。具体方法如下：

首先，由采煤厂获得的块状煤矸石粒径一般超过50mm以上。需要经破碎机破碎成5-25mm粒度大小的块状颗粒，然后用标准的筛分设备把大于25mm以及低于5mm的块状或粉末筛分掉。筛分后符合要求级配的煤矸石称一定的量放一种圆盘造粒机的圆盘中让其随圆盘旋转滚动(速度变频可调)，一边旋转一边洒水，待煤矸石表面湿润后喷洒定量的自制固废基活性材料粉末，喷洒粉末的同时洒水，待煤矸石表面均匀的包覆一层活性材料后取出室温晾干得一种煤矸石生态骨料。(自制的固废基活性材料由煤矸石搭配其他硅铝铁基固废和硫酸钙基固废协同互补煅烧而得的一种水硬性胶凝材料。)

本发明目的是对煤矸石处理得到一种新性生态骨料。使其在建筑材料领域得到大规模资环化利用。

本发明中所述煤矸石为采煤厂排放的非自燃煤矸石。

本发明中所述煤矸石粒径尺寸5-25mm。

本发明中所述的固废基胶凝材料为自制生产，成本不足300元/吨

本发明中所述的固废基胶凝材料制备原料为煤矸石搭配其他几种固废协同互补低温烧制而成。具体制备方法如下：

1)先将大块的煤矸石破碎，然后将粒径大于25mm和低于5mm煤矸石筛分出来，留下粒径5-25mm煤矸石备用；

2)将筛余的大于25mm和小于5mm的煤矸石协同脱硫石膏、铝灰、电渣石经过研磨、混合均匀后煅烧，即得固废基高活性胶凝材料。

所述煤矸石、脱硫石膏、铝灰、电石渣的比例为(质量百分数)20％：20％：30％：30％。

所述胶凝材料的制备方法中，煅烧温度为1250℃，时间为2h。

所述固废基胶凝材料的比表面积为400～450kg/m²。

采用0.08mm方孔筛筛余百分数控制在3％以下。

优选的，以质量份计，固废基胶凝材料用量在10％-20％与块状煤矸石比例在1:9-2:8。

进一步优选的，用水量与胶凝材料水灰比在0.28-0.32之间。

进一步优选的，所述包覆设备采用一种圆盘型造粒机。圆盘在电机带动下旋转带动煤矸石块旋转，旋转的同时喷水，待煤矸石表面然后再喷撒固废基胶凝材料粉体。直至煤矸石表面包覆一层均匀致密的外壳。

本方法工艺简单、设备可靠、安全科学，可实现煤矸石附能再利用，开辟一种煤矸石利用新途径，从而实现煤矸石资源的大规模资源化利用，进一步提高煤矸石利用率。从而会产生巨大的环境效益、经济效益与社会效益。

下面结合具体的实施例，对本发明做进一步的说明。

以下实施例中，(自制)固废基活性材料粉末采用如下方法制备：

1)先将大块的煤矸石破碎，然后将粒径大于25mm和低于5mm煤矸石筛分出来，留下粒径5-25mm煤矸石备用；

2)将筛余的大于25mm和小于5mm的煤矸石协同脱硫石膏、铝灰、电渣石经过研磨、混合均匀后煅烧，即得。

所述煤矸石、脱硫石膏、铝灰、电石渣的比例为(质量百分数)20％：20％：30％：30％。

所述胶凝材料的制备方法中，煅烧温度为1250℃，时间为2h。

3)将上述的硫铝酸盐胶凝材料过0.08mm方孔筛，即得固废基活性材料粉末。

实施例1：

采用上述工艺步骤进行制备，其具体参数、计算结果及检测如下：以各原料质量计，固废基活性材料粉末、粒径5-25mm煤矸石、自来水按比例1:9:0.28配置称量。首先将称量好的块状煤矸石置于造粒机圆盘中让其随圆盘旋转滚动。然后喷水壶中注入按比例称取的定量水，待煤矸石表面湿润后，喷洒按比例称量的固废基胶凝材料粉末。一边喷洒粉末一边洒水。待水喷洒完毕后取出自然晾干制得表面包覆均匀的煤矸石生态骨料。所得煤矸石骨料产品颗粒直径5-25mm,堆积密度1.28kg/m³，表观密度2830kg/m³，符合相关指标，经普通混凝土用砂、石质量及检验方法标准(JGJ52-2006)测得平均压碎值为12.6％<20％。符合国家标建设用GB/T14685-2011强度指标要求。制备的煤矸石生态骨料按标号C30配置混凝土(配置混凝土所用胶凝材料为自制的固废基胶凝材料，具有早强快硬特点，因此3天抗压强度较高)，并与未包覆处理的煤矸石(粒径5-25mm)直接做骨料及普通石子(粒径5-25mm)做骨料做对比，混凝土强度结果如图2、图3所示。结果表明煤矸石表面包覆处理后比未处理的煤矸石做骨料3天强度高出4.4MPa。且后期强度稳定增长达到35.3MPa，符合设计标号要求，与同标号普通石子混凝土做比较强度几乎一致。不会出现后期煤矸石直接做骨料后期强度下降的现象。

实施例2：

采用上述工艺步骤进行制备，其具体参数、计算结果及检测如下：以各原料质量计，固废基活性材料粉末、粒径5-25mm煤矸石、自来水按比例1:8.5:0.29配置称量。首先将称量好的块状煤矸石置于造粒机圆盘中让其随圆盘旋转滚动。然后喷水壶中注入按比例称取的定量水，待煤矸石表面湿润后，喷洒按比例称量的固废基胶凝材料粉末。一边喷洒粉末一边洒水。待水喷洒完毕后取出自然晾干制得表面包覆均匀的煤矸石生态骨料。所得煤矸石骨料产品颗粒直径5-25mm,堆积密度1.30kg/m³，表观密度2880kg/m³，符合相关指标。经普通混凝土用砂、石质量及检验方法标准(JGJ52-2006)测得强度平均压碎值为9.6％<10％。符合国家行业标准指标要求。制备的煤矸石生态骨料按标号C30配置混凝土(配置混凝土所用胶凝材料为自制的固废基胶凝材料，具有早强快硬特点，因此3天抗压强度较高)，并与未包覆处理的煤矸石(粒径5-25mm)直接做骨料及普通石子(粒径5-25mm)做骨料做对比，混凝土强度结果如图4、图5所示。结果表明煤矸石表面包覆处理后比未处理的煤矸石做骨料3天强度高出4.6MPa，且后期强度稳定增长达35.5MPa，符合设计标号要求，比较同标号普通石子混凝土强度几乎一致。不会出现后期煤矸石直接做骨料后期强度下降的现象。

实施例3：

采用上述工艺步骤进行制备，其具体参数、计算结果及检测如下：以各原料质量计，固废基活性材料粉末、粒径5-25mm煤矸石、自来水按比例1:8:0.3配置称量。首先将称量好的块状煤矸石置于造粒机圆盘中让其随圆盘旋转滚动。然后喷水壶中注入按比例称取的定量水，待煤矸石表面湿润后，喷洒按比例称量的固废基胶凝材料粉末。一边喷洒粉末一边洒水。待水喷洒完毕后取出自然晾干制得表面包覆均匀的煤矸石生态骨料。所得煤矸石骨料产品颗粒直径5-25mm,堆积密度1.33kg/m³，表观密度2920kg/m³，符合相关指标。经普通混凝土用砂、石质量及检验方法标准(JGJ52-2006)测得平均压碎值为8.6％<10％。符合国家行业标准指标要求。制备的煤矸石生态骨料按标号C30配置混凝土(配置混凝土所用胶凝材料为自制的固废基胶凝材料，具有早强快硬特点，因此3天抗压强度较高)，并与未包覆处理的煤矸石(粒径5-25mm)直接做骨料及普通石子(粒径5-25mm)做骨料做对比，混凝土强度结果如图6、图7所示。结果表明煤矸石表面包覆处理后比未处理的煤矸石做骨料3天强度高出4.2MPa。且后期强度稳定增长达到35.7MPa，符合设计标号要求，与同标号普通石子混凝土做比较强度有略微增长。不会出现后期煤矸石直接做骨料后期强度下降的现象。

最后应该说明的是，以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种煤矸石包覆改性制备生态骨料的方法，其特征在于，包括：

采用固废基高活性胶凝材料对煤矸石进行表面包覆、固化，即得；

所述固废基高活性胶凝材料采用如下方法制备：

1）先将大块的煤矸石破碎，然后将粒径大于25mm和低于5mm煤矸石筛分出来；

2）将筛分出来的大于25mm和小于5mm的煤矸石协同脱硫石膏、铝灰、电渣石经过研磨、混合均匀后煅烧，即得固废基高活性胶凝材料；

所述煤矸石、脱硫石膏、铝灰、电石渣的质量比为2~3：2~3：3~4：3~4；

所述胶凝材料的制备方法中，煅烧温度为1250~1300℃，时间为1.8~2h。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述固废基高活性胶凝材料的煅烧温度1250℃，时间为2h。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述固废基高活性胶凝材料中，煤矸石、脱硫石膏、铝灰、电石渣的质量百分数为20%：20%：30%：30%，以原料的总重量计。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述采用固废基高活性胶凝材料对煤矸石进行表面包覆、固化中煤矸石的粒径尺寸为5-25mm。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述固废基高活性胶凝材料与煤矸石的质量比为1-2: 8~9。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，用水量与胶凝材料水灰比在0.28-0.32之间。

7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述固废基高活性胶凝材料过0.08mm方孔筛。

8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述包覆采用采用圆盘型造粒机；圆盘在电机带动下旋转带动煤矸石块旋转，旋转的同时喷水，待煤矸石表面湿润然后再喷撒固废基胶凝材料粉体；直至煤矸石表面包覆一层均匀致密的外壳。

9.权利要求1-8任一项所述的方法制备的生态骨料。

10.权利要求9所述的生态骨料在建筑、建材、道路施工中的应用。

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