【摘要】本文從泡沫混凝土的制備、生產(chǎn)成本、自然資源的節(jié)約、固體廢棄物的利用、節(jié)能減排、環(huán)境保護等方面闡述了用煤矸石為主要原料制備泡沫混凝土的優(yōu)越性，得出煤矸石是一種制備輕質高強泡沫混凝土的優(yōu)質原料的研究結果，希望有利于輕質高強泡沫混凝土的迅速發(fā)展和在建筑節(jié)能及其它土木工程中的推廣和廣泛應用。

　　【關鍵詞】泡沫混凝土；煤矸石；工業(yè)廢棄物；節(jié)能建筑；優(yōu)越性

　　1  前言

　　煤矸石是在煤炭開采和洗選加工過程中被分離出來的固體廢棄物，也是目前我國排放量最大的固體廢棄物，約占我國工業(yè)廢渣年排放量的1/4，其中約有30％的煤矸石已經(jīng)自燃。歷年來我國煤矸石堆存已超過40億噸，2003年排放量約1.5億噸，綜合利用率僅為30%，廢棄的煤矸石不僅占用了大量耕地，而且污染環(huán)境和水資源，更嚴重的是有的煤矸石中所含的黃鐵礦(FeS)易被空氣氧化，放出的熱量可以促使煤矸石中所含煤炭風化以至自燃，并放出大量有害的氣體（如SO2等），使在自燃矸石山周圍工作5年以上的職工都患有不同程度的肺氣腫病，也使該地區(qū)成為癌癥的高發(fā)地區(qū)，嚴重地危害了人民身體健康，影響了我國工業(yè)的可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略，造成沉重經(jīng)濟、社會和環(huán)境負擔，成為一大社會公害。因此，怎樣充分利用煤矸石固體廢棄物，已成為我國嚴峻的社會問題。

　　目前，煤矸石在建材中的應用主要是用來制備煤矸石磚、水泥、輕質骨料和陶粒等。但是，目前制備的煤矸石磚主要是實心磚和空心磚，密度高，保溫節(jié)能效果不理想，且不利于建筑物的輕型化；制備水泥存在煤矸石成分波動大，產(chǎn)品質量穩(wěn)定性差的弱點；而用于制備輕質骨料和陶粒的煤矸石量與其排放量相比，量很小。因此，有必要開辟煤矸石的綜合利用的新途徑。

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　　1基金資助：重慶市自然科學基金項目 (CSTC,2009BB4369)。

　　我國每年新開工建筑面積達20億平方米，僅墻體材料使用量就高達8500億塊（其中粘土磚用量約為6500億塊）標磚（約128787萬立方米）。隨著建筑節(jié)能要求的不斷提高，對具有良好保溫隔熱性的輕質建筑材料的需求十分巨大。

　　泡沫混凝土是一種多孔材料，具有重量輕，保溫隔熱、隔音性能好，不燃，無毒，無污染，施工方便等特點，可望在建筑節(jié)能工程中得到廣泛的應用。

　　但是，目前國內外對泡沫混凝土的研究中，主要集中在以水泥、粉煤灰、砂為主要原材料體系，涉及的泡沫混凝土的密度等級大多在B6級及B6級以上[1-8]，雖然也有涉及密度等級在B6級以下的泡沫混凝土，但不是強度不高，就是使用大量的有機原料，成本高，應用前景不理想，妨礙了泡沫混凝土的迅速發(fā)展和廣泛應用。

　　直到2007年11月，開始出現(xiàn)有關以煤矸石為主要原材料來制備泡沫混凝土的研究報道,并取得良好的效果[9-11]。但是對煤矸石為主要原材料來制備泡沫混凝土的優(yōu)越性方面，尚無系統(tǒng)的研究報道。

　　因此，本文將重點闡述用煤矸石作為主要原料來制備輕質高強泡沫混凝土的優(yōu)越性，為推動泡沫混凝土的迅速發(fā)展提供依據(jù)。

　　2  用煤矸石為主要原料制備泡沫混凝土的優(yōu)越性

　　2.1大大降低泡沫混凝土成本

　　將煤矸石活化處理后作為主要原料來制備泡沫混凝土，可以替代40%-70%的水泥，其成本只有純水泥混凝土的1/2-3/4，具有很好的經(jīng)濟效益，利于泡沫混凝土在土木工程中的推廣和廣泛應用，促進泡沫混凝土在我國的迅速發(fā)展。

　　2.2 有效的防止低密度泡沫混凝土塌陷

　　重慶大學材料學院泡沫混凝土課題組用低成本泡沫劑來制備密度等級為B04級(密度≤430Kg/m3)超輕質純水泥泡沫混凝土時，由于泡沫混凝土成型后易于塌陷，難于成功制備。但是，當用活化煤矸石替代水泥后，塌陷得到有效的控制，并制備出無塌陷泡沫混凝土，說明用活化煤矸石為主要原料可以有效的解決密度等級為B04級超輕質泡沫混凝土的塌陷問題，適合用于制備超輕質泡沫混凝土。

　　2.3 利于制備輕質高強泡沫混凝土

　　重慶大學材料學院泡沫混凝土課題組用活化煤矸石為主要原料制備密度等級為B04級的泡沫混凝土，其抗壓強度達到2.1MPa,是目前報道的同密度等級強度最高的泡沫混凝土，說明活化煤矸石有利于制備輕質高強泡沫混凝土。

　　2.4 節(jié)約水泥及礦產(chǎn)資源、減小煤矸石固體廢棄物和CO2排放量、節(jié)約土地

　　用活化煤矸石為主要原料制備出的B04級泡沫混凝土，水泥用量僅僅為水泥泡沫混凝土的25-45%，其抗壓強度強度可達到目前報道的用水泥制備的B05級泡沫混凝土的強度，每立方米泡沫混凝土可節(jié)約水泥50%-75%，約175-262 Kg水泥；節(jié)約石灰石約141-212 Kg。如果發(fā)展到泡沫混凝土占墻體材料10%的份額，即約12878.7萬立方米,那么將節(jié)約水泥1815.9-2730.3萬噸，節(jié)約石灰石資源約2179.1-3276.4萬噸，減小煤矸石固體廢棄物排放量約2017.7-3900.4萬噸，減小CO2排放量約1815.9-2730.3萬噸，節(jié)約煤矸石占用土地約907.9-1755.2畝。

　　2.5 減輕建筑墻體重量，提高抗震性能和安全性

　　用活化煤矸石為主要原料制備出的B04級泡沫混凝土來替代密度為1600 Kg/m3的紅磚、燒結煤矸石磚，墻體的重量將減輕約75%；用來替代密度為1100 Kg/m3的燒結空心磚、燒結煤矸石多孔磚，墻體重量減輕約64%；用來替代目前常用的密度為650Kg/m3的加氣混凝土，墻體重量減輕約38%。因此，用活化煤矸石為主要原料制備出的B04級泡沫混凝土來充當墻體材料，將大大減輕建筑物的自重，這在沿海地區(qū)以及其它地下基礎條件不好的地區(qū)，還將大大降低地基處理費用，具有多重優(yōu)越性。另外，由于泡沫混凝土重量輕，韌性好，可能有助于提高建筑物的安全性及在發(fā)生建筑物倒塌時減輕對人體的傷害。

　　2.6 降低工人勞動強度，提高施工速度，大大提前竣工時間

　　由于輕質高強煤矸石泡沫混凝土重量輕，施工時可以大大降低工人的勞動強度，提高施工速度。另外，與普通磚復合保溫系統(tǒng)相比，采用泡沫混凝土制品是單一保溫墻體體系，即墻體自保溫體系，工序少，施工簡單省工節(jié)時，大大提高施工速度和提前竣工時間；與加氣混凝土制品墻體自保溫體系相比，由于泡沫混凝土中氣孔主要是以閉孔形式出現(xiàn)，吸水率小，吸水慢，抹灰方式與紅磚一樣，也減少施工工序，提高施工速度和提前竣工時間。

　　2.7 是比粉煤灰、砂更優(yōu)越的制備泡沫混凝土的原材料

　　粉煤灰是一種制備泡沫混凝土性價比較高的原材料，但是，用粉煤灰為主要原材料制備出的泡沫混凝土，替代水泥量不如煤矸石大，制備出的泡沫混凝土的強度不如用煤矸石為主要原材料制備出的泡沫混凝土強度高，密度不如用煤矸石為主要原材料制備出的泡沫混凝土低，而成本也差不多或稍高。另外，由于目前達到國家等級粉煤灰標準要求的粉煤灰在混凝土中的應用效果很好，應用技術也很成熟，在很多地區(qū)如重慶等，甚至出現(xiàn)供不應求的狀態(tài)，等級粉煤灰的來源受到限制。用砂來替代部分水泥來制備泡沫混凝土，替代量也不如煤矸石高，很難制備出密度低于B06級的輕質泡沫混凝土，而且強度不高，成本也高于用煤矸石替代水泥制備出的泡沫混凝土。因此，煤矸石是一種比粉煤灰、砂更優(yōu)越的制備泡沫混凝土的原材料。

　　2.8 量大面廣、易于就地取材

　　我國歷年來積存煤矸石約40億噸，每年仍然繼續(xù)排放幾千萬噸，主要分布在山西省、東三省、內蒙、山東、陜西、安徽、寧夏、云南、江西、河南、河北、四川、甘肅等產(chǎn)煤區(qū)域，分布面廣，符合建筑材料用原材料用量大、適合就地取材的特點。

　　2.9 高效利用煤矸石

　　雖然煤矸石是一種固體廢棄物，但是它也是一種自然資源，而且是一種不可再生的自然資源。當我們在考慮如何處置這些固體廢棄物時，也許我們應該從長計議，從子孫后代還有多少自然資源上來慎重行事。將煤矸石作為一種建筑材料的原材料，同樣應該得到高效的利用。如果用2噸煤矸石燒結后大約可以制備1 m3密度為1600Kg/m3的煤矸石磚，那么同樣的煤矸石就可以制備約4m3密度為400Kg/m3的煤矸石泡沫混凝土或3.2m3密度為500Kg/m3的煤矸石泡沫混凝土，并且其導熱系數(shù)遠遠低于煤矸石磚的導熱系數(shù)，保溫隔熱性能也遠遠優(yōu)于煤矸石磚，起到高效利用煤矸石的作用。

　　3  結語

　　用活化煤矸石為主要原材料來制備泡沫混凝土，具有量大面廣，易于就地取材，高效利用煤矸石，大大降低泡沫混凝土成本，有效地防止低密度泡沫混凝土塌陷，利于制備輕質高強泡沫混凝土，節(jié)能減排等優(yōu)越性，是比粉煤灰、砂更有優(yōu)勢的替代水泥的原料之一，適合用來大量替代水泥制備輕質高強泡沫混凝土。

　　雖然煤矸石是一種固體廢棄物，但是它也是一種自然資源，而且是一種不可再生的自然資源，我們同樣需要考慮節(jié)約使用。用活化煤矸石為主要原材料來制備泡沫混凝土，比用煤矸石來制備煤矸石磚更節(jié)約煤矸石資源，制備出的產(chǎn)品更適應目前節(jié)能建筑的需要，值得大力推廣。

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　　【作者簡介】俞心剛，男，工學碩士，理學博士,副教授，第六屆“挑戰(zhàn)杯”中國大學生創(chuàng)業(yè)計劃競賽重慶賽區(qū)競賽優(yōu)秀指導教師。主要研究方向：泡沫混凝土及干混料。

作者:俞心剛 魏玉榮 曾康燕 羅詩松 高艷娜(重慶大學材料科學與工程學院建材系)