煤矸石的綜合利用
煤矸石的綜合利用
本書以煤矸石建材資源化為主線，從基於煤矸石物化性能的綜合利用原則、煤矸石活化機理、煤矸石水泥混合材、煤矸石礦物聚合材料、煤矸石混凝土礦物摻和料、煤矸石固土材料、煤矸石磚與煤矸石骨料等方面系統地闡述了煤矸石綜合利用過程的基礎理論問題和應用技術問題。旨在規模化利用煤矸石的同時，緩解建築材料領域資源短缺、能源危機與環境污染的局面。
本書力求從基礎理論入手來解決應用中的技術問題，理論聯繫實際，適用性強，可供從事建材、煤炭、化工、電力及相關專業的科研技術人員參考，也可作為大專院校相關專業的教學參考用書。
中國是一個以煤炭為主要能源的發展中國家，在一次能源消耗中，煤炭佔70%以上，所佔比重高出世界平均水平的一倍以上，並且在今後相當長的一段時期內，中國的能源結構仍是以煤炭為主。煤矸石是煤炭生產和加工過程中產生的固體廢棄物，每年的排放量相當於當年煤炭產量的10％左右，目前已累計堆存45億噸，佔地約1?2萬公頃，是目前我國排放量最大的工礦業固體廢棄物之一。人類在享受著煤炭作為能源所帶來工業革新的同時，也遭受著煤矸石自燃、堆放等所帶來的空氣污染、水體污染以及土壤污染等問題。
煤矸石山自燃、塌方、泥石流事故的頻發，讓我決定從事煤矸石綜合利用的研究。在中國鐵道科學研究院工作期間，發現賦予混凝土高工作性能、高耐久性能的礦物摻和料（以粉煤灰和礦渣為代表）隨著高速鐵路的規模建設日益短缺，嚴重影響了工程建設和工程概算；並且發現如在鐵路橋樑的橋面混凝土與防撞牆上應用煤矸石輕集料混凝土，不僅能夠減輕橋樑的恆重荷載，而且可以降低輕集料混凝土的成本。在京滬高速鐵路總工程師趙國堂先生的鼓勵下，萌生了寫作本書的念頭，其目的是想起到“拋磚引玉”之效，促進更多的人關注和研究煤矸石的綜合利用。
針對煤矸石的礦物組成及其物化特性，本著“物盡其用、就地取材”的原則，本書以煤矸石建材資源化為主線，從基於煤矸石物化性能的綜合利用原則、煤矸石活化機理、煤矸石水泥活性混合材、煤矸石礦物聚合材料、煤矸石混凝土礦物摻和料、煤矸石固土材料、煤矸石建材製品（煤矸石磚及煤矸石輕集料）七個方面闡述煤矸石綜合利用的理論問題和應用技術問題，力求全方位、立體化應用煤矸石。在基礎研究方面，從硅、鋁結構配位出發，選擇先進的微觀測試手段，試圖建立煤矸石的微觀性能與其宏觀結構性能之間的關係，揭示煤矸石膠凝活性的本源；在應用技術研究方面，注重煤矸石建築材料體系的耐久性能和長期性能，包括煤矸石膠凝材料耐蝕性能，煤矸石混凝土的碳化性能、抗凍性能、抗氯離子滲透性能、鋼筋鏽蝕性能以及收縮性能等，煤矸石固土材料的抗耐濕循環性、抗侵蝕性以及抗凍性等，其目的是消除工程界對煤矸石建築材料耐久性的疑慮，促進煤矸石的規模化利用。本書從基礎理論入手，突出煤矸石的應用技術，力求理論研究和應用研究相結合、試驗研究和工程應用相結合、應用問題與解決途徑相結合，可為從事建材、煤炭、化工、電力的科研技術人員以及大專院校相關專業師生參考。
本書共7章，由我負責大綱、內容組織的撰寫以及修改定稿，常州工程職業技術學院肖雪軍講師參與了第6章的撰寫，清華大學博士生張吉秀參與了第7章的撰寫。
該書的大部分研究工作是在清華大學完成，感謝葉大年院士、孫恆虎教授長期以來給予我極大的鼓勵、愛護與支持，特別感謝葉院士帶病審閱本書並作序；中國鐵道科學研究院謝永江研究員、京滬高速鐵路趙國堂研究員對本書的寫作風格、寫作提綱提出了建設性的意見，並對書稿進行審閱，是他們的鼓勵讓我有信心撰寫本書；東南大學孫偉院士給予我的關心與指導使本書得以順利完成，感謝孫院士為本書作序。陳紅霞博士后、李宇博士后、易忠來博士、鐵旭初、譚鹽賓、馮仲偉、朱長華和饒澤青等在我寫作過程中提供了大量的資料與幫助，在此一併致謝。最後，感謝我的愛妻王聰慧，她的理解和支持，使我能全身心投入到我的工作中。
本書的出版得到了中國鐵道科學研究院鐵道建築研究所領導的大力支持和幫助，在此表示衷心感謝！
本書參考了一些文獻資料，在此謹向這些文獻作者們以及致力於煤矸石綜合利用的研究者們表示衷心感謝！礙於煤矸石工程應用較少、涉及專業多、知識面廣，再加上作者學識水平有限，書中疏漏之處在所難免，敬請指正！
李化建
2009年5月於北京
緒論
1.1 煤矸石的來源及分類
1.1.1 煤矸石的來源
1.1.2 煤矸石的分類
1.2 煤矸石的物理化學性能
1.2.1 煤矸石的物理性質
1.2.2 煤矸石的化學組成
1.2.3 煤矸石的礦物組成
1.3 煤矸石的危害
1.3.1 對土壤環境的污染
1.3.2 煤矸石對水體的污染
1.3.3 煤矸石自燃造成空氣污染
1.3.4 矸石山引發地質災害
1.4 煤矸石的綜合利用
1.4.1 煤矸石綜合利用的總體政策
1.4.2 煤矸石綜合利用的技術原則
1.4.3 煤矸石的綜合利用現狀
1.4.4 煤矸石綜合利用存在的問題
參考文獻
第2章 煤矸石的活性評價及活化機理
2.1 煤矸石膠凝活性的評價
2.1.1 強度評價法
2.1.2 化學評價法
2.1.3 微觀結構評價法
2.2 煤矸石的活化途徑
2.2.1 煤矸石的熱活化
2.2.2 煤矸石的機械活化
2.2.3 煤矸石的化學活化
2.3 煤矸石的活化機理
2.3.1 煤矸石熱活化機理
2.3.2 煤矸石機械活化機理
參考文獻
第3章 煤矸石質水泥活性混合材
3.1 煤矸石作水泥混合材的技術要求
3.2 煤矸石作為水泥混合材
3.2.1 煤矸石作為水泥混合材的生產工藝
3.2.2 煅燒煤矸石作水泥混合材的影響因素
3.3 煅燒煤矸石作為硅鋁基膠凝材料主體材料的影響因素
3.3.1 煅燒時間
3.3.2 粉磨時間
3.3.3 配體添加量
3.3.4 養護方式
3.3.5 保存時間
3.4 煤矸石？水泥體系水化機理
3.4.1 複合鹽作用下煤矸石質硅鋁基膠凝材料的水化
3.4.2 複合鹽作用下煤矸石質硅鋁基膠凝材料水化熱力學探討
3.4.3 複合鹽作用下煤矸石質硅鋁基膠凝材料水化動力學研究
3.4.4 複合鹽作用下煤矸石質硅鋁基膠凝材料水化機理
3.5 煅燒煤矸石用作水泥活性混合材應注意的事項
3.5.1 煤矸石的選擇
3.5.2 煤矸石經濟的煅燒溫度
3.5.3 煤矸石經濟的粉磨細度
3.5.4 增鈣煅燒方式的選擇
參考文獻
第4章 煤矸石質礦物聚合材料
4.1 煤矸石質礦物聚合材料的製備工藝及配體
4.1.1 製備工藝
4.1.2 配體
4.2 煤矸石質礦物聚合材料的影響因素
4.2.1 煤矸石、礦渣和粉煤灰不同比例
4.2.2 鹼金屬硅酸鹽種類
4.2.3 鹼金屬硅酸鹽添加量
4.2.5 養護溫度
4.2.6 添加Ca（OH）2
4.3 煤矸石質礦物聚合材料水化產物微觀分析
4.3.1 水化漿體的X射線衍射（XRD）分析
4.3.2 水化漿體的紅外光譜（IR）分析
4.3.3 水化漿體的固體核磁共振（MAS NMR）分析
4.3.4 水化漿體的表面形貌分析
4.3.5 複合陽離子作用下煤矸石膠凝過程中硅、鋁配位變化
4.4 偏高嶺石質礦物聚合材料
4.4.1 偏高嶺石質硅礦物聚合材料的力學性能
4.4.2 偏高嶺石質礦物聚合材料水化過程中硅、鋁配位變化
4.5 煤矸石質礦物聚合材料膠凝機理
4.5.1 煤矸石質礦物聚合材料的水化熱
4.5.2 煤矸石質礦物聚合材料膠凝機理分析
4.6 煤矸石礦物聚合材料的應用
4.6.1 煤矸石礦物聚合材料的性能
4.6.2 煤矸石礦物聚合材料應用的注意事項
參考文獻
第5章 煤矸石質高性能混凝土礦物摻和料
5.1 煤矸石質礦物摻和料對混凝土工作性能和力學性能的影響
5.1.1 煤矸石質礦物摻和料對混凝土工作性能的影響
5.1.2 煤矸石質礦物摻和料對混凝土力學性能的影響
5.1.3 自燃煤矸石混凝土工作性能和力學性能
5.2 煤矸石質礦物摻和料對混凝土耐久性的影響
5.2.1 煤矸石質礦物摻和料對混凝土碳化性能的影響
5.2.2 煤矸石質礦物摻和料對混凝土抗氯離子滲透性能的影響
5.2.3 煤矸石質礦物摻和料對混凝土抗化學侵蝕性能的影響
5.2.4 煤矸石質礦物摻和料對混凝土抗凍性能的影響
5.2.5 煤矸石質礦物摻和料對混凝土鋼筋鏽蝕的影響
5.3 煤矸石質礦物摻和料對混凝土體積穩定性的影響
5.4 煤矸石礦物摻和料技術要求的探討
參考文獻
第6章 煤矸石質固土材料
6.1 煤矸石質固土材料應用概況
6.1.1 煤矸石固土的應用現狀
6.1.2 加固對象——土的性能
6.2 煤矸石質固土材料的性能
6.2.1 煤矸石固化土試驗原材料及試驗方法
6.2.2 煤矸石固化土力學性能（無側限抗壓強度）影響因素
6.2.3 煤矸石質固化土的耐久性能
6.2.4 煤矸石質固土材料強度形成機理
6.3 煤矸石質固土材料的應用
6.3.1 煤矸石質固土材料施工工藝
6.3.2 煤矸石質固土材料施工注意事項
6.4 煤矸石在鐵路路基中的應用
6.4.1 鐵路路基用材料的要求
6.4.2 路基材料用煤矸石的技術要求
6.4.3 煤矸石鐵路路基施工
6.4.4 煤矸石鐵路路基檢測項目
6.4.5 煤矸石在鐵路路基工程中的應用實例
參考文獻
第7章 煤矸石磚與煤矸石骨料
7.1 煤矸石磚
7.1.1 煤矸石燒結磚
7.1.2 煤矸石非燒結磚(免燒磚)
7.1.3 煤矸石磚常見問題
7.2 煤矸石骨料
7.2.1 煤矸石輕集料
7.2.2 煤矸石用作普通混凝土骨料
7.2.3 煤矸石用作骨料的注意事項
參考文獻
