對于使用煤矸石生產(chǎn)生態(tài)水泥的相關(guān)研究制作人：…………自己寫吧摘要

煤矸石是煤礦開采中產(chǎn)出的主要廢料,煤矸石既占用大量土地,又嚴(yán)重污染環(huán)境。開發(fā)利用煤矸石具有環(huán)保和經(jīng)濟(jì)兩重意義，不但適應(yīng)了緩解目前環(huán)境污染的問題，而且能在一定程度上滿足建筑業(yè)對于材料的需求?；诿喉肥拇罅繎?yīng)用，我們需要進(jìn)一步對煤矸石制備的生態(tài)混凝土加以研究。土木煤矸石生態(tài)混凝土邊坡防護(hù)關(guān)鍵字：一：現(xiàn)狀分析二：以煤矸石為原料制備生態(tài)混凝土的關(guān)鍵技術(shù)的研究三：實(shí)地調(diào)研（1）材料及環(huán)境現(xiàn)狀（2）選擇煤矸石為原料（3）煤矸石為原料制備的生態(tài)混凝土的應(yīng)用一、煤矸石的成分及其造成的環(huán)境危害二、制備煤矸石生態(tài)混凝土的相關(guān)難題三、對于研究中存在的幾個關(guān)鍵問題四、相關(guān)問題的解決方案混凝土作為建筑材料而言，因有著材料供應(yīng)的容易性，成形的自由性，耐久性及耐火性等諸多優(yōu)點(diǎn)，被廣泛地應(yīng)用于基礎(chǔ)設(shè)施及各種建筑物中，對社會經(jīng)濟(jì)、政治及文化的發(fā)展做出了突出的貢獻(xiàn)。一般而言，混凝土是由碎石（粗骨料）、砂（細(xì)骨料）、水泥、水（加或不加外加劑和摻合料）制備而成，其中碎石粗骨料約占混凝土質(zhì)量的50%以上。從上世紀(jì)80年代開始，我國的混凝土消費(fèi)量保持高速增長，并連續(xù)多年穩(wěn)居世界第一。在混凝土生產(chǎn)過程中，首先大量使用的骨料、水泥等材料不僅嚴(yán)重破壞了山體、樹木以及河流等自然環(huán)境，也給環(huán)境和動植物的生存帶來了嚴(yán)重的負(fù)面影響，同時隨著骨料市場砂石價格不斷攀升，供需矛盾越發(fā)嚴(yán)重。因此，在滿足現(xiàn)代社會建設(shè)發(fā)展所需混凝土用量的基礎(chǔ)上，如何降低砂、石等原始材料的依賴度，減小對環(huán)境與資源造成的負(fù)擔(dān)，緩解砂石市場的供需矛盾，便成了一個熱點(diǎn)的社會問題。其中，有效利用現(xiàn)有固體廢棄物、發(fā)展綠色生態(tài)混凝土，是實(shí)現(xiàn)建筑資源環(huán)境可持續(xù)發(fā)展的有效途徑。

我國是混凝土消費(fèi)量大國，同時也是固體廢棄物排放量大國，其中以建筑廢棄物（如廢棄混凝土、磚瓦等）和工業(yè)廢棄物（如煤矸石、礦渣等）最為突出。固體廢棄物不僅占用寶貴的土地，還會引起嚴(yán)重的環(huán)境和社會問題，特別是在土地和空間日趨緊張的大城市更是如此。以煤矸石為例，煤矸石是煤礦在采掘和洗選過程中遺棄的工業(yè)廢料。據(jù)估算，每年的排放數(shù)量約占煤炭產(chǎn)量的10%，到目前為止，已累計(jì)堆存約為45億噸,長期積存和逐年排棄不僅占用了大量的土地，同時在一定的條件下還會產(chǎn)生自燃，對大氣及地下水造成污染并影響當(dāng)?shù)厥腥荨Ｃ喉肥木C合利用早已經(jīng)引起了國內(nèi)外學(xué)者的重點(diǎn)關(guān)注，由于煤矸石的固有特性，煤矸石建材資源化是解決煤矸石問題最為有效的途徑。因此，將煤矸石作為再生骨料，將其代替或部分代替天然砂石料，形成固體廢棄物在建筑材料工業(yè)中資源化利用的成套技術(shù)和系列產(chǎn)品，不但能使有限的資源得以循環(huán)利用，而且還解決了部分環(huán)保問題，具有十分重要的實(shí)際意義。除了能有效利用固體廢棄物外，發(fā)展綠色、生態(tài)混凝土也是當(dāng)今混凝土技術(shù)發(fā)展的熱點(diǎn)。上世紀(jì)90年代，吳中偉院士最早提出了綠色高性能混凝土的概念，要求混凝土具有良好的環(huán)境協(xié)調(diào)性能。結(jié)合固體廢棄物再生利用和新型環(huán)保材料領(lǐng)域的重要研究熱點(diǎn)，以煤矸石為再生骨料來源；同時將再生骨料型生態(tài)混凝土應(yīng)用到邊坡防護(hù)工程，加固河岸并且防止土壤流失的同時，還具有自然排水透水、實(shí)現(xiàn)植物生長、自然凈化水質(zhì)等促進(jìn)自然生態(tài)環(huán)境以及營造城市景觀等突出的優(yōu)點(diǎn)。煤矸石作為骨料來替代傳統(tǒng)的以碎石作為骨料來生產(chǎn)可再生性生態(tài)水泥的設(shè)想。但是由于受到煤矸石物理化學(xué)性質(zhì)的限制，在將這種生態(tài)混凝土應(yīng)用到邊坡工程時，依然存在著一些問題值得我們關(guān)注，并在未來的生產(chǎn)應(yīng)用中加以改進(jìn)。煤矸石成分煤矸石的無機(jī)成分主要是硅、鋁、鈣、鎂、鐵的氧化物和某些稀有金屬。（其化學(xué)成分組成的百分率：SiO2為52～65；Al2O3為16～36；Fe2O3為2.28～14.63;CaO為0.42～2.32;MgO為0.44～2.41;TiO2為0.90～4;P2O5為0.007～0.24;K2O+Na2O為1.45～3.9；V2O5為0.008～0.03）。

大量堆積的煤矸石由于夾雜有殘煤、碳質(zhì)泥巖和廢木材等可燃物,（其中碳、硫構(gòu)成矸石山自燃的物質(zhì)基礎(chǔ)）。煤矸石野外露天堆放,日積月累,矸石山內(nèi)部的熱量不斷積蓄,當(dāng)溫度達(dá)到其燃點(diǎn)時,矸石堆中的殘煤便可自燃。自燃后,矸石山內(nèi)部可達(dá)到800-1000攝氏度的高溫,使矸石融結(jié)并放出大量CO、CO2、SO2、H2S和氮氧化合物等有害氣體,一座矸石山自燃可長達(dá)十余年至幾十年。嚴(yán)重影響排矸場周圍的大氣環(huán)境質(zhì)量。3月27日13時54分，內(nèi)蒙古赤峰市元寶山區(qū)平莊鎮(zhèn)一家煤場存有大量煤矸石起火，煤場工人發(fā)現(xiàn)后，火速報(bào)警請求支援。元寶山區(qū)消防中隊(duì)接警后，迅速出動1輛消防水罐車和7名消防官兵趕往火場處置。消防官兵到達(dá)煤場后，經(jīng)了解得知由于近期天氣轉(zhuǎn)暖，特別是午后氣溫升高，長期露天堆放的煤矸石發(fā)生自燃，火勢蔓延迅速，消防官兵趕到時大面積煤軒石已經(jīng)處于隱然狀態(tài)，濃煙翻滾而出。針對現(xiàn)場火情，指揮員迅速與煤場負(fù)責(zé)人溝通，調(diào)借場區(qū)鏟車將煤軒石開辟隔離帶防止火勢蔓延；同時命令消防隊(duì)員鋪設(shè)水槍陣地出一支水槍對煤軒石進(jìn)行滅火、降溫，將隱藏在內(nèi)的火點(diǎn)逐一消滅。在使用煤矸石生產(chǎn)生態(tài)水泥的時候，自燃的情況很難發(fā)生，但是煤矸石除含有SO2和Al2O3

以及鐵、錳等常量元素之外,還有其它微量的重金屬元素,如鉛、鎘、汞、砷、鉻等,這些元素都為有毒重金屬元素。經(jīng)受風(fēng)吹、日曬和雨淋等風(fēng)化剝蝕作用,煤矸石中的這些有毒重金屬元素有可能通過雨水淋溶進(jìn)入水域或滲入土壤。塵土和水沖下的矸石風(fēng)化物細(xì)?？善鲈谥車恋厣?污染土壤,矸石山的淋溶水進(jìn)入潛流和水系,也可影響土壤。1.煤矸石集料的界面強(qiáng)化問題2.解決煤矸石生態(tài)混凝土強(qiáng)度問題3.控制煤矸石集料生態(tài)混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部的孔隙特征及孔徑分布4.煤矸石集料生態(tài)混凝土孔隙內(nèi)鹽堿性水環(huán)境的改善界面過渡區(qū)是混凝土中薄弱部位，破壞時往往都是從界面過渡區(qū)首先開始出現(xiàn)裂縫，逐漸擴(kuò)展貫穿，從而造成整個混凝土塊體的承載力降低直至完全破壞。而煤矸石因?yàn)槠涮厥獾慕M成結(jié)構(gòu)，使得以煤矸石為原料的生態(tài)混凝土更易遭到破壞。所以從界面過渡區(qū)出發(fā)，通過界面強(qiáng)化，從而達(dá)到改善生態(tài)混凝土性能的目的，特別是提高混凝土的抗壓強(qiáng)度。煤矸石集料的界面強(qiáng)化問題由于生態(tài)混凝土需要保證一定的透水性和孔隙率，因此造成混凝土強(qiáng)度較低（通常在20MPa以下），這是制約生態(tài)混凝土應(yīng)用的影響因素之一。通過材料篩選以及外加劑的使用，實(shí)現(xiàn)該類生態(tài)混凝土強(qiáng)度滿足工程要求。強(qiáng)度問題為得到具有透水、凈化功能的混凝土結(jié)構(gòu)，必須將孔隙率和孔徑分布控制在一定的范圍之內(nèi)。如果孔隙率太小、孔徑太細(xì)，無法滿足透水要求；如果孔隙率太大、孔徑太粗，盡管透水能滿足要求，但同時會降低其強(qiáng)度。所以，控制生態(tài)混凝土孔隙特征是獲得高效透水功能并且強(qiáng)度能夠滿足要求的生態(tài)混凝土的一個關(guān)鍵性的技術(shù)問題。對孔隙特征及孔隙率的控制由于煤矸石本身呈弱堿性，再加上普通水泥的的強(qiáng)堿性，不加外加劑的混凝土拌合物pH值高達(dá)13，這樣就會使混凝土孔隙中植生土鹽堿化，同時水泥石中不斷析出的可溶性堿，都不利于動植物生長、棲息。因此如何在保證水泥水化過程穩(wěn)定的同時，改善混凝土鹽堿性水環(huán)境，減少、阻滯、轉(zhuǎn)化和利用可溶性鹽堿，滿足植物生長條件，充分合理利用混凝土中的各種元素，保持孔隙內(nèi)水環(huán)境的動態(tài)平衡是實(shí)現(xiàn)煤矸石集料生態(tài)混凝土生態(tài)效應(yīng)的關(guān)鍵問題。煤矸石集料生態(tài)混凝土孔隙內(nèi)鹽堿性水環(huán)境的改善返回1.煤矸石的化學(xué)成分分析與制備氧化物SiO2Al2O3Fe2O3CaOMgOSO3燒失量質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%60.1616.566．.263.633.400.730.79煤矸石按其所含巖石的種類可分為粘土巖、砂巖、礫巖、碳酸鹽和鋁質(zhì)巖等。不同地區(qū)的煤矸石所含的礦物種類差異較大（實(shí)驗(yàn)以徐州地區(qū)的煤矸石為樣本），其化學(xué)組成也是十分復(fù)雜。因此，需要在選用煤矸石之前，采用晶相分析及X射線衍射圖分析等方法，對煤矸石的化學(xué)成分進(jìn)行分析。由于煤矸石與普通砂石料相比，吸水率大、堆積密度小、壓碎指標(biāo)值較高，同時含有許多雜質(zhì)材料，這使得以煤矸石為粗骨料的再生混凝土與普通混凝土相比，其強(qiáng)度性能會有較大程度的降低，必須對煤矸石預(yù)處理，以提高混凝土的相關(guān)性能。2.生態(tài)混凝土骨料的級配理論研究及配合比設(shè)計(jì)[1]主要物理及力學(xué)指標(biāo)針片狀含量/%表觀密度/kg/m3搗實(shí)密度/kg/m3壓碎值/%吸水率/%密度/kg/m3空隙率/%7.852630155016.569.0207722按輕集料混凝土配合比設(shè)計(jì)方法，對C15～C40六個不同強(qiáng)度等級煤矸石混凝土進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)。由于自燃煤矸石屬于輕集料范疇，吸水率較大，因此在成型前必須先摻入附加用水，使粗、細(xì)集料預(yù)濕，以便保證混凝土拌合物施工的流動性要求。為了實(shí)現(xiàn)煤矸石集料生態(tài)混凝土護(hù)坡工程的自然透水通氣功能，滿足植物的生長要求，煤矸石生態(tài)混凝土內(nèi)部需要存在一定數(shù)量的連續(xù)孔隙；而這種多孔的混凝土又必須具備防止土體顆粒流失和發(fā)生管涌現(xiàn)象的能力，即具備透水反濾性能——保證只讓水安全滲透而土質(zhì)細(xì)顆粒不流出；因此，需要對煤矸石骨料的級配進(jìn)行分析。骨料級配與生態(tài)混凝土內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)及透水性能關(guān)系密切，依據(jù)骨料組成優(yōu)化理論及臨界骨料體積含量理論，通過正交試驗(yàn)的方法研究煤矸石集料生態(tài)混凝土的基本骨料級配范圍。煤矸石混凝土強(qiáng)度等級水泥/kg/m3水/kg/m3煤矸石細(xì)骨料/kg/m3煤矸石粗骨料/kg/m3減水劑/kg/m3坍落度/mm濕質(zhì)量密度/kg/m3C15C20C25C30C35C40217．

63258．

96320．

72366．

5412．

26458．

82241．

34240．

22238．

54238．

54236．

06234．

80720．

23707．

26687．

90540．

84659．

18644．

581074．

971055．

631026．

711005．

27983．

85962．

062．

182．

593．

213．

674．

124．

59181133423446231719832317225023002333煤矸石混凝土的配合比3.煤矸石集料生態(tài)混凝土性能試的驗(yàn)研究方法為了實(shí)現(xiàn)生態(tài)混凝土的護(hù)坡、透水反濾、水質(zhì)凈化以及植生等多種功能要求，在材料配合比設(shè)計(jì)研究的基礎(chǔ)上，需要開展一系列試驗(yàn)研究，重點(diǎn)考察該生態(tài)混凝土的力學(xué)性能（抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度）、物理性能（包括孔隙率、透水性等）、生態(tài)性能（酸堿度pH值、植生效果）以及耐久性能（主要是抗凍性能），從而進(jìn)一步優(yōu)化生態(tài)混凝土的配合比設(shè)計(jì)方案。4.煤矸石集料生態(tài)混凝土專用添加劑的研發(fā)由于煤矸石集料與普通砂石料之間存在顯著差異，在原有生態(tài)混凝土添加劑ZS-1/ZS-2的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，形成新型的生態(tài)混凝土專用添加劑ZS-3。添加劑ZS-3的主要功能如下：促進(jìn)水泥的水合反應(yīng)，提高混凝土早期強(qiáng)度，確?？紫毒鶆蚝涂刂瓶讖酱笮?；增加水合物與骨料的附著能力，增強(qiáng)骨料間粘結(jié)層的強(qiáng)度，提高了耐久性；在骨料表面形成致密的保護(hù)層，提高抗化學(xué)的侵蝕能力，同時防止Ca(OH)2的溶出（降低pH值），改善了生態(tài)混凝土的環(huán)境親和性；促進(jìn)植物的光合作用，便于動植物及微生物棲息，提高了和生物共生能力，有效促進(jìn)水質(zhì)的自然凈化作用。5.以煤矸石為原料制備的生態(tài)混凝土的風(fēng)化問題煤矸石的的所具有的物理化學(xué)性質(zhì)決定了他易受到侵蝕，不但是風(fēng)化還包含水流的侵蝕，在這里我們就風(fēng)化問題做具體研究。物理風(fēng)化模擬試驗(yàn)通過室內(nèi)試驗(yàn)測定試樣在干、濕、溫度循環(huán)作用下其粒徑的變化來模擬物理風(fēng)化作用。對于采集的煤矸石分成三個粒組:①31.5mm＞d＞26.5mm;②26.5mm＞d＞16mm;③16mm＞d＞9.5mm。各粒組取2份，并且稱量約200～800g，然后分別浸泡在蒸餾水中24h，取出放入60±3℃的烘箱中干至恒重，取出待冷卻后過篩并稱量篩余的質(zhì)量，為第一個循環(huán);然后再次浸泡在蒸餾水中24h，取出再烘干、冷卻、過篩、稱量，為第二個循環(huán);如此再反復(fù)浸泡24h、48h、72h、96h，再烘干、冷卻、過篩、稱量，如此6次循環(huán)后，試樣粒徑變小，試樣即發(fā)生物理風(fēng)化?；瘜W(xué)風(fēng)化模擬試驗(yàn)pH值。人工模擬化學(xué)風(fēng)化試驗(yàn)主要測定煤矸石和集料在不同pH溶液中浸泡后的pH值，以此評價其抵抗外界環(huán)境變化的能力。取煤矸石和集料的粒徑均為26.0mm＞d＞9.5mm，在105℃烘箱中烘干至恒重，分別稱取試樣各兩份編號為1#和2#，每份250g。1#樣品放入500mlpH值為9.5的碳酸鈉溶液中;2#樣品放入400mlpH值為7的蒸餾水中;浸泡7d，每隔24h用pH試紙測定各溶液的pH值。2)溶解性。當(dāng)煤矸石長期浸泡在水中，有些化學(xué)成分會溶解在水中，因而發(fā)生化學(xué)風(fēng)化。為模擬這一過程，取26.0mm＞d＞9.5mm試樣，每種試樣取2份，每份30g，將一份樣品浸泡在蒸餾水中，同時為對比將另一份試樣浸泡在碳酸鈉溶液中，經(jīng)過蒸餾水和碳酸鈉溶液浸泡7d