據(jù)國家統(tǒng)計局?jǐn)?shù)據(jù)顯示，近10年，煤炭消費(fèi)占比從2010年的76.2%下降到2020年的56.8%，10年間下降近20%，但我國以煤為主的能源結(jié)構(gòu)和經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展所處階段，決定了在未來相當(dāng)長的時間內(nèi)，我國經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展仍離不開煤炭。
在煤炭的開采和洗選過程中，必然要產(chǎn)生大量的煤矸石，目前煤矸石累計堆積量已經(jīng)超過70億噸，矸石山超過2000座，2020年我國原煤入洗率達(dá)到74.1%，到“十四五”末，原煤入洗率將達(dá)到85%以上，煤矸石堆存問題將更加突出，僅2020年就產(chǎn)生了7.95億噸煤矸石，并以每年約5億噸～8億噸的增加量逐年增加，以煤矸石為代表的煤基固廢合理處置及資源化問題，已經(jīng)成為影響礦區(qū)環(huán)境的制約因素之一。
當(dāng)前我國煤矸石綜合利用程度不足，2019年我國煤矸石利用率為70%，而美國煤矸石利用率達(dá)到了90%。推動煤矸石綜合利用最大化對構(gòu)建清潔低碳、安全高效的煤炭工業(yè)體系，形成人與自然和諧共生的煤礦發(fā)展格局具有重要意義。
本文主要針對近年來煤矸石在建材領(lǐng)域應(yīng)用的進(jìn)展進(jìn)行了探討，并進(jìn)行了展望，以推動我國煤矸石綜合利用的進(jìn)程。
煤矸石是采煤過程和選煤過程排放的副產(chǎn)品，如果不加以利用，則是一種固體廢物。煤矸石按來源分類可分為三大類，分為掘進(jìn)矸石、洗選矸石和自然矸石，一般掘進(jìn)矸石占原煤的10%左右，洗選矸石占入選原煤的12%～18%，占工業(yè)固體廢棄物總量的40%以上，是目前我國排放量最大的工業(yè)固體廢棄物之一。
煤矸石質(zhì)地堅硬，呈黑灰色，其主要成分是Al2O3、SiO2，礦物組成上，煤矸石主要由粘土礦物（高嶺石、伊利石、蒙脫石）、石英等組成，其中粘土礦物主要是高嶺石，我國煤矸石中高嶺石含量約為10%-67%，石英含量約為15%-35%，高嶺石等均屬于粘土類礦物，活性易于激發(fā)，石英屬于砂巖類礦物，抗風(fēng)化能力強(qiáng)，不易分解，這為煤矸石的進(jìn)一步轉(zhuǎn)化利用提供了可行性。
填埋法是目前煤矸石最主要處理方式之一。該方式不僅在運(yùn)輸和堆放過程中易造成大氣污染，填埋后，煤矸石中有害物質(zhì)滲透到土壤中造成水源和土壤污染，而且占用了大量的土地資源，會對整個礦區(qū)生態(tài)環(huán)境和安全造成嚴(yán)重的傷害。
除此之外，由于煤矸石中含有部分可燃的碳質(zhì)和黃鐵礦經(jīng)過氧化，熱量集聚到可燃質(zhì)的燃點(diǎn)就會發(fā)生自燃現(xiàn)象，直接對周圍居民的生活環(huán)境造成嚴(yán)重破壞。所以煤矸石應(yīng)堅持分類利用，高附加值利用，變廢為寶，將經(jīng)濟(jì)效益、社會效益和環(huán)境效益有機(jī)統(tǒng)一。
目前煤矸石在綜合利用方面，主要利用途徑有生產(chǎn)化工產(chǎn)品、改良土壤、發(fā)電和應(yīng)用在建材領(lǐng)域等方面，特別在建材領(lǐng)域方面，2015年，煤矸石綜合利用量為6.1×108t，其中在建材領(lǐng)域利用方面約占16%[8]。
2 煤矸石在建筑領(lǐng)域的應(yīng)用
從20世紀(jì)提出建筑節(jié)能理念到21世紀(jì)提出的綠色建筑理念再到今天的碳中和建筑理念，都旨在降低建筑能耗，推動建筑行業(yè)可持續(xù)發(fā)展。推動商業(yè)建筑碳中和的五大舉措中，源頭減量是其中重要環(huán)節(jié)之一，在商業(yè)建筑建造過程中，以水泥為主要材料的混凝土消耗量巨大，2020年，中國水泥產(chǎn)量23.77億噸，約占全球55%，排放CO2約12.30億噸，占全國碳排放總量的12.1%。
水泥碳排放主要來源于過程排放，即石灰石氧化所釋放的二氧化碳，所以推動水泥減碳的主要措施就是原料替代。
煤矸石作為煤炭行業(yè)排放的廢棄物，在建材領(lǐng)域有一定的發(fā)展?jié)摿Γ纾诙兰o(jì)六十年代，日本利用煤矸石燒結(jié)造輕質(zhì)骨料用于建筑領(lǐng)域，應(yīng)用結(jié)果表明，建筑物重要減輕20%，取得了良好的效果，由于煤矸石自身的特性，煤矸石在建材領(lǐng)域應(yīng)用的前景非常好。
煤矸石中含有大量的氧化鋁和二氧化硅，這是制備陶瓷的原料。
發(fā)泡陶瓷，作為一種新型無機(jī)建筑材料，具有輕質(zhì)、不燃、保溫、隔熱、防水防潮的特性。利用煤矸石制作陶瓷，這也是煤矸石資源化利用的一種途徑。
戴永剛使用35%的煤矸石和40%的粉煤灰，并添加了發(fā)泡劑，在1180℃下保溫30min，得到了性能優(yōu)異的發(fā)泡陶瓷，其體積密度為503kg/m3，抗壓強(qiáng)度8.35MPa，孔隙率為65.3%，表現(xiàn)孔徑0.5-1mm。
婁廣輝以煤矸石，鋁礬土為原料，添加石灰石、長石、起泡劑，經(jīng)過震實(shí)成型后在1200℃下燒結(jié)。制得的泡沫陶瓷的基本性能均滿足《建筑用發(fā)泡陶瓷保溫板》（JG/T 511-2017）中對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)指標(biāo)要求。
王超男在制備發(fā)泡陶瓷過程中，發(fā)現(xiàn)隨著焙燒溫度的升高，泡沫陶瓷的顯氣孔率先增大后減小，1000℃為頂點(diǎn)。研究發(fā)現(xiàn)這是由于在1000℃以上鉀長石的助溶劑作用顯著增加，使樣品的顯氣孔率減少。
孫曉剛研究了調(diào)整微硅粉的摻量對發(fā)泡陶瓷體積膨脹率的影響，先增大后減小以黃金尾砂和煤矸石協(xié)同制備發(fā)泡陶瓷，并對發(fā)泡劑的摻量進(jìn)行了研究。研究表明，當(dāng)發(fā)泡劑摻量為0.9%時，發(fā)泡陶瓷的膨脹率為158.3%。同時發(fā)現(xiàn)發(fā)泡陶瓷體積密度與抗壓強(qiáng)度均隨著摻量增加而下降。為了得到更高性能更高強(qiáng)度的發(fā)泡陶瓷，應(yīng)該尋找新的發(fā)泡法提高孔隙率。并且開發(fā)新的工藝流程，讓其應(yīng)用在更大的領(lǐng)域中。
目前，煤矸石磚年產(chǎn)量已達(dá)200億塊，年綜合利用煤矸石約5000萬噸，利用煤矸石部分或全部代替粘土生產(chǎn)燒結(jié)磚是煤矸石綜合利用的主攻方向之一。
煤矸石制磚具有自身的優(yōu)勢，煤矸石本身含有少量的碳，在燒制過程，可以節(jié)省外部能量消耗。
煤矸石作為原料，經(jīng)過粉碎、定型、干燥焙燒加工，可制成燒結(jié)多孔磚。在一定程度上可以代替使用粘土制備的磚類產(chǎn)品，大大減少粘土的用量。常見的煤矸石制磚的工藝過程主要包括原料選擇、原料預(yù)處理、成型、干燥和焙燒環(huán)節(jié)，工藝流程如圖1所示。
吳紅將煤矸石熱活化后進(jìn)行了機(jī)理分析，并且得到了制磚比較經(jīng)濟(jì)合理的原料方案：活化煤矸石66%、礦渣8%、水泥10%、外加劑2%、沙子4%。該方案制成免燒磚的強(qiáng)度，吸水性指標(biāo)均滿足JC/T 422-2007MU15標(biāo)準(zhǔn)要求。
陶有生介紹了歐洲唯一一家使用100%煤矸石作為原材料生產(chǎn)各種磚類產(chǎn)品的燒結(jié)磚廠Ceric。該磚廠創(chuàng)造了全內(nèi)燃燒磚工藝，在焙燒過程中沒有任何點(diǎn)火器，真正做到了不使用任何外部熱源完全依靠自身可燃碳作為熱源。此技術(shù)為中國的燒結(jié)磚生產(chǎn)技術(shù)提供了強(qiáng)有力的支持。
丁海萍以粉煤灰、煤矸石和爐渣比例為60:15:25為原料，成型壓力25MPa，燒結(jié)溫度1080℃，保溫30min，制成的透水磚抗壓強(qiáng)度為31.2MPa。
尹青亞在煤矸石的基礎(chǔ)上，添加了赤泥和一定量的雜泥土制備出的燒結(jié)多孔磚，可以滿足GB 6566-2010《建筑材料放射性核素限量》要求。但赤泥用量不能過多，赤泥過多，放射性會超標(biāo)。
對于煤矸石制磚，煤矸石的化學(xué)成分對煤矸石磚的性能和質(zhì)量影響較大，使用不同來源的煤矸石，不同的配比，其制磚工藝也不相同。工廠生產(chǎn)流程應(yīng)從實(shí)際出發(fā)，結(jié)合煤矸石的化學(xué)成分，制定不同制磚工藝方案，提高成品的性能。
煤矸石的化學(xué)成分與粘土極為相似，能夠部分或全部代替粘土用于生產(chǎn)水泥，經(jīng)過熱活化后的煤矸石作為混合材料，生產(chǎn)水泥摻量可以到30%，并且可以進(jìn)一步的提升水泥的性能，改善水泥生料的易燒性，有利于熱工制度的穩(wěn)定，提高水泥熟料的質(zhì)量。
但是不同地區(qū)的煤矸石成分和熱值一般差別巨大，使用前需要調(diào)整工藝參數(shù)以及配料方案。利用煤矸石制水泥，既節(jié)約成本，降低能耗。工藝流程如圖2。而煤矸石的摻量取決與活性大小，活性越大，可以取代的水泥量越大，對煤矸石有效活化是關(guān)鍵。
第一種方法是高溫煅燒，通過煅燒不僅能夠除碳，而且可以破壞牢固的Si-O和Al-O鍵結(jié)構(gòu)。
第二種方式是研磨，通過研磨，受到機(jī)械作用力，實(shí)現(xiàn)提升煤矸石的活化性質(zhì)。
第三種方法是化學(xué)方法，通過添加一定比例的化學(xué)添加劑，可以改善煤矸石的活性。
喬楠夫以40%的煤矸石作為添加材料，制備低熟料硅酸鹽水泥，并逐步增加煤矸石粉用量而對應(yīng)的水泥強(qiáng)度逐步增加。當(dāng)?shù)竭_(dá)50%時，強(qiáng)度已經(jīng)達(dá)到了普通硅酸鹽水泥強(qiáng)度中的32.5等級。
陳杉采用煤矸石作為原材料生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)G級油井水泥，使用高飽和比高硅酸率配料方案，得到的水泥物理性能各項(xiàng)指標(biāo)滿足國家標(biāo)準(zhǔn)GB 10238要求。證實(shí)利用煤矸石生產(chǎn)油井水泥的可行性，有效降低粘土的使用，節(jié)約了大量的生產(chǎn)成本。
煤矸石的活化程度是影響水泥強(qiáng)度的關(guān)鍵，同時對水泥生產(chǎn)過程中煤矸石的摻量有很大的影響，因此深入研究煤矸石的活化特性和方法是煤矸石制水泥的技術(shù)關(guān)鍵。
煤矸石經(jīng)處理加工后可以作為骨料添加到混凝土中，但與傳統(tǒng)制備混凝土的骨料石英以及碎石相比還是有許多缺點(diǎn)，比如強(qiáng)度低、密度小、層狀和片狀類較多，所以需要對煤矸石進(jìn)行預(yù)處理。目前預(yù)處理方式有直接破碎、篩分兩種方式。只有將煤矸石預(yù)處理后以及按照最佳摻料比混合，才能既保證混凝土的質(zhì)量安全又能將煤矸石的剩余價值利用起來。
馬宏強(qiáng)等研究了2種煤矸石（煅燒及未煅燒）的取代量對不同等級混凝土的性能影響，提出了煤矸石作為混凝土粗集料的可行性和最優(yōu)摻量。
邢軍等以熱活化煤矸石作為摻合料，研究了其對混凝土的性能影響，結(jié)果表明：合適的摻量，能夠改善混凝土的抗凍性能和抗氯離子滲透性，為煤矸石作為摻合料的應(yīng)用提供了依據(jù)。
段曉牧等研究了煤矸石種類、顆粒級配、粒徑大小和預(yù)處理手段對混凝土的力學(xué)性能影響，但兩者設(shè)計的混凝土種類都很單一，在對不同體系以及不同應(yīng)用類型的混凝土缺乏拓展研究。
白朝能選取了中國北方四個不同礦區(qū)的煤矸石，設(shè)計了3種取代方式制備煤矸石，為實(shí)際工程應(yīng)用提供了依據(jù)。
王長龍等以煤矸石和粉煤灰為主要原料制備了加氣混凝土，利用XRD和綜合熱分析儀對樣品進(jìn)行表征，并利用場發(fā)射掃描電鏡對樣品進(jìn)行形貌觀察，研究了煤矸石活性、煤矸石摻量等對制備加氣混凝土性能的影響。得到了最佳的優(yōu)化方案，所制備的混凝土性能達(dá)到了《蒸壓加氣混凝土砌塊》（GB 11968-2006）規(guī)定的指標(biāo)要求。
由于受到煤矸石物理化學(xué)性質(zhì)的影響，煤矸石制備混凝土在不同應(yīng)用上仍然存在問題，例如制備生態(tài)混凝土應(yīng)用到邊坡工程上，就需要保證具有一定的透水性和孔隙率，同時也要有一定的強(qiáng)度，這是制約生態(tài)混凝土應(yīng)用的關(guān)鍵因素之一。因此要結(jié)合不同煤矸石的特性，分類利用，并開發(fā)煤矸石制混凝土專用添加劑。
3 煤矸石在建材領(lǐng)域應(yīng)用展望
我國煤矸石綜合利用方面雖然已經(jīng)取得了進(jìn)步，但其規(guī)模化利用技術(shù)仍未成熟，煤矸石應(yīng)用于建材領(lǐng)域是行之有效的重要途徑，能夠消納大量煤矸石，應(yīng)優(yōu)先發(fā)展，在建材領(lǐng)域煤矸石可以制備陶瓷材料、制磚、水泥、混凝土等，具有造價低廉、節(jié)能降耗的優(yōu)點(diǎn)。隨著國家相關(guān)政策的支持，煤矸石在建材領(lǐng)域的發(fā)展將具有廣闊的發(fā)展空間。為順應(yīng)時代和國家發(fā)展理念，煤矸石在建材領(lǐng)域綜合利用應(yīng)注重以下問題。
（1）政府應(yīng)發(fā)揮主導(dǎo)作用。國家相關(guān)部門出臺相關(guān)扶持政策，制定煤矸石綜合利用相關(guān)規(guī)劃，引導(dǎo)資本加大對煤矸石綜合利用的投入，探索依靠市場機(jī)制推動其綜合利用的途徑和模式。
（2）加強(qiáng)基礎(chǔ)理論研究。基于煤矸石的物理化學(xué)性質(zhì)、巖石類型和礦物組成進(jìn)行深入研究，差異化分類與利用，充分提高煤矸石的利用率。
（3）規(guī)模利用與高值利用相結(jié)合。鼓勵產(chǎn)學(xué)研相結(jié)合，多產(chǎn)業(yè)協(xié)同利用，建立示范工程，擴(kuò)大產(chǎn)業(yè)化規(guī)模，攻關(guān)有針對性和結(jié)合實(shí)際的生產(chǎn)工藝方法和技術(shù)，降低煤矸石綜合利用的成本，與此同時，要避免煤矸石二次利用過程中的二次污染。
（4）提高資源配置效率。依托大數(shù)據(jù)和互聯(lián)網(wǎng)等現(xiàn)代化信息通信技術(shù)，建立“互聯(lián)網(wǎng)+煤矸石”綜合利用信息平臺，提高資源化配置效率。
煤矸石的大量堆存嚴(yán)重危害自然環(huán)境，煤炭系統(tǒng)每年都投入大量人力物力進(jìn)行矸石山的治理。經(jīng)過廣大科技工作者的努力，煤矸石的利用率不斷提高，資源化利用的道路也越來越寬，特別是在建材領(lǐng)域，取得了長足的進(jìn)步，有效推動了煤矸石的資源化和無害化。我國煤矸石的綜合利用雖然已經(jīng)取得了一定的進(jìn)展，但實(shí)際規(guī)模化資源利用率不高，由于各地煤矸石的差異，應(yīng)當(dāng)因地制宜，開發(fā)出有針對性和結(jié)合實(shí)際的應(yīng)用技術(shù)，堅持分類利用，高附加值利用，將煤矸石變廢為寶，將經(jīng)濟(jì)效益、社會效益和環(huán)境效益有機(jī)統(tǒng)一。
