年产10万m3煤矸石混凝土砌块的生产工艺设计.doc

安徽建筑大学CDIO课题实验论文安徽建筑大学 专 业 无机非金属材料工程 班 级 XX无机非X班 学生姓名 XXX 学 号 XXXXXXXX 课 题 年产10万m3煤矸石混凝土砌块的生产工艺设计 指导教师 XX 摘要本设计的题目为年产10万立方米的煤矸石混凝土砌块的生产工艺设计。首先得对煤矸石的组成、应用以及优缺点进行概述，再次要熟练混凝土配合比的计算和煤矸石掺量，而且自行设计砌块块型，以达到保温节能的要求。根据要求进行物料平衡计算和设备选型计算，同时对所涉及的各种设备进行了解，而且要查看相关资料，熟悉砌块生产线的流程，再根据自己设计要求，从装料、输送、配料、搅拌以及成型等流程设计出满足自己要求的工艺流程图，最后就是选择厂址，画出工厂总平面图。在此课题中，从设计到完善，都要满足设计要求和环境条件，在以最小污染和较经济的情况下完成该课题实验，才达到目的。关键词：煤矸石混凝土 配合比 搅拌机 配料机 输送机 砌块成型机目录摘要2第一章 前言41.1 建筑节能保温材料411.1 保温材料概念及分类41.1.2 节能保温建筑材料的选材原则411.3 保温材料的历史及发展41.2 煤矸石71.2.1 煤矸石来源及组成71.2.2 对环境的影响81.2.3 在建材领域的利用91.2.4 在其他领域的应用101.2.5 回收用途111.3 煤矸石混凝土13第二章 混凝土配合比计算152.1 设计条件152.2 普通混凝土配合比计算162.2.1 混凝土配制强度的确定162.2.2 确定水胶比162.2.3 用水量和外加剂用量172.2.4确定胶凝材料用量182.2.5 砂率192.2.6 粗、细骨料用量19第三章 物料平衡计算203.1 基础数据203.2 块型设计213.3 干物料计算223.4 湿物料计算223.5 物料平衡表23第四章 设备选型计算234.1 搅拌机选型计算234.2 砌块成型机选型计算264.3 砂石输送机选型计算284.4 螺旋输送机的选型计算314.5 骨料配料机364.6 主机能力平衡表39第五章 产品成本估算及经济效果分析395.1 产品成本估算395.2 投资估算的范围与依据405.3 编制说明405.4 工程费用计算414.5 基本数据41结论42参考文献43第一章 前言1.1 建筑节能保温材料11.1 保温材料概念及分类在建筑工程中，把用于控制室内热量外流的材料称为保温材料，把防止室外热量进入室内的材料称为隔热材料，两种材料均利于节能，通称为节能保温建筑材料。目前在工业与建筑常用的保温节能材料可分为无机类、有机类和复合材料三大类，按组成和状态又可分为：无机纤维状保温材料：如岩棉、玻璃棉、矿渣棉。松散粒状保温材料：如膨胀蛭石及制品、膨胀珍珠岩及制品。无机多孔保温材料：如泡沫水泥板、加气混能吐、微孔硅酸钙、复合硅酸盐。有机保温材料：各种聚苯板、聚碳酸酯、酚醛泡沫、软木板、木丝板。复合保温材料：如金属夹芯板。1.1.2 节能保温建筑材料的选材原则 节能保温建筑材料的选材要遵循以下原则：使用温度要适合。热导率要低。物理化学性能稳定。耐用年限要长。对工程要求的适应性要广。具有不燃性能。在满足上述条件下，材料价格要低。11.3 保温材料的历史及发展我国地域广阔，冬寒夏热十分突出，与同纬度其他国家相比，自长江以北至东北地区冬季温度偏低 10-18 ，夏季温度偏高 2 。由于我国对建筑物的保温、隔热、气密性重视不够，使得既有建筑和新建建筑的保温、隔热和气密性大部分都很差，采暖系统热效率普遍偏低。据统计，到 2000年底，能够达到建筑节能设计标准的建筑累计仅占全部城乡建筑总面积的 0.5%，占城市既有采暖居住建筑面积的 9%，绝大部分新建建筑仍是高能耗建筑。国外保温材料工业已经有很长的历史，建筑节能用保温材料占绝大多数，从上世纪 70 年代开始，国外开始普遍重视保温材料的生产和应用，力求大幅度减少能源的消耗量，从而减少环境污染和温室效应。如美国从 1987 年以来建筑保温材料占所有保温材料的 81左右，瑞典及芬兰等西欧国家 80以上的岩棉制品用于建筑节能。建筑节能不仅仅是建筑节能法规的颁布执行，它的实现还涉及一个庞大的产业群体，其中保温隔热材料与制品是影响建筑节能一个重要的影响因素。建筑保温材料的研制与应用越来越受到世界各国的普遍重视，新型保温材料正在不断地涌现 1。近年来，世界各国都在采取有力措施，发展保温材料，主要生产国保温材料的年增长率在 10%上下波动，例如日本，每年保温材料的增长率为 10%12%，保温材料的生产和使用量越大，节约的能源越多。从这个意义上讲，生产保温材料，就是生产能源，发展保温材料就是发展能源。而发展保温材料，比发展能源投资小、建设周期短、资源多、见效也快。因此，采取有力措施，大力发展保温材料工业，积极宣传保温材料对节能的作用，认真组织保温材料的推广和应用。真正做到该用保温材料的地方，都用上保温材料，这是有关的主管机关和科技工作者的一项光荣而又艰巨的任务2。目前，发达国家在浆体保温材料研制开发方面，是以轻质多功能复合浆体保温材料为主。此类浆体保温材料的各项性能较传统浆体保温材料明显提高，如具有较低的导热系数和良好的使用安全性及耐久性等。同时，这类复合浆体保温材料又具有优异的功能性，如无氟利昂阻燃型聚氨酯泡沫复合浆体保温材料、超轻质全憎水硅酸钙浆体保温材料等，可以满足不同使用条件的要求。此外，在开发“绿色”保温材料制品方面，国外也做出了相当程度的尝试，从原材料准备（开采或运输）、产品生产及使用，及日后的处理问题，都要求最大限度地节约资源和减少对环境的危害。保温材料工业是国外资源重新回收利用的一个很成功的典型 3。世界上保温材料的品种已经发展到六大类、几十个品种。各国由于资源条件和技术条件的不同，发展保温材料也各有侧重。例如美国、日本侧重于发展玻璃纤维、北欧则侧重于发展矿棉。匈牙利非常重视纤维保温材料的发展。传统的保温材料，例如硅藻土，美国、苏联、日本都在应用，近年来各国普遍重视发展珍珠岩 2。国内从 20 世纪 80 年代中期开始外墙外保温技术的试点，并将该技术广泛应用于建筑领域。但目前国内的建筑节能水平还远低于发达国家，建筑单位面积能耗仍是气候相近发达国家的 35 倍。国内的建筑节能工作在北京、天津等地进展情况较好，但在采暖地区的很多城镇进展相当缓慢，其原因主要是：建筑节能意识差；立法不健全，尽管节能技术标准属于强制性标准，却缺乏行政法规和执行机构实施监督；包费制的采暖收费制度与用户利益无直接关系，不能促使住户对节约热能的关注。建筑节能缺乏经济政策驱动机制，建设单位往往过多计较一次性基建投资；节能科技投入过少，从研究到推广各环节的工作还不配套，建筑节能产业体系还未充分建立 3。过去，由于我国建筑物不强调保温，工业保温也缺乏严格的规定和要求，保温材料生产量小，应用面窄，又加上地区性的不平衡，保温材料生产厂多集中在东北、华北和华东地区。因此，全国的能源利用率仅为 28%，有 72%的能源白白浪费掉，我国的能源利用率，比工业发达的国家低 50%。我国的保温材料以珍珠岩、硅藻土、蛙石和石棉为主。无机纤维、泡沫塑料、微孔硅钙板、加气混凝土、近年来有了较快的发展 2。1990 年之前辽宁的膨胀珍珠岩和全国一样主要用于屋面保温，由于建筑热工规范等新的技术要求，又逐渐加工成珍珠岩制品，也用于屋面保温。其它保温材料主要用于工业窑炉及管道保温。1990 年之后，由于建筑节能标准的要求和节能住宅试验小区的不断推广，保温材料已较多地用于建筑的屋顶及墙体和地面保温 4。总体来说，目前，我国墙体保温材料技术水平较低、种类较少、产品大多属于低档产品。在我国常见的保温隔热材料的种类主要有以下几种：目前建筑中常用的泡沫型保温材料主要包括两大类：即泡沫石棉保温材料和聚合物发泡型保温材料。其中的聚合物发泡型保温材料凭借其吸收率小、导热系数低、现场操作不会产生粉尘等优点，受到各方的青睐，得到较大的推广和应用。硅酸钙绝热制品保温材料在上世纪 80 年代曾经风靡一时，是块状硬质保温材料中的佼佼者。但随着时代的不断进步、科学技术的发展、研究手段的完善，硅酸钙绝热制品保温材料在市场上逐渐不再占据主导地位。导致这一结果的主要原因是厂家出于降低成本等考虑，将纸浆纤维作为石棉的替代品制作硅酸钙绝热制品保温材料，由于纸浆纤维不耐高温，用这种材料制备出的硅酸钙绝热制品保温材料的耐高温性能严重降低，同时还大大增加了制品的脆性，增加了制品的破碎率。纤维质保温材料曾经在上世纪 80 年代凭借其优异的防火性能和保温性能被广泛应用于建筑墙体、屋面的保温。但随着新型保温材料的出现，纤维质保温材料的劣势也逐渐显现出来，如投资较大，生产厂家很少，在与其他新兴保温产品的对比中逐渐处于劣势，大大限制了纤维质保温材料的推广应用。复合硅酸盐保温材料的通性为导热系数低、耐高温、耐火性强等。不仅如此由于制备硅酸盐类保温材料的原材料来源丰富、价格低廉、在市场竞争中占有优势。常见硅酸盐保温材料的主要种类包括硅酸镁、铝、稀土复合保温材料等。超轻保温砌块具有质量轻、施工速度快、保温效果好等优点，除此之外，超轻保温砌块在生产过程中还可以大量利用粉煤灰、矿渣等工业废渣作为原材料，这样，一方面降低了生产成本，另一方面还可以变废为宝，减少了环境污染，节能环保随着框架结构建筑的普遍采用，尤其是近些年来应用日益普遍的轻钢龙骨结构住房、厂房的出现、复合保温墙体材料的大量研究、应用，超轻保温砌块的生产与应用得到了前所未有的迅猛发展 5。用煤研石制保温材料,既充分回收利用了煤研石中的热能资源和矿物资源,又有效地提高了煤研石产品,的附加值,是一种新的煤研石综合利用方法。1.2 煤矸石1.2.1 煤矸石来源及组成煤矸石是矿业固体废物的一种，是洗煤厂的洗矸、煤炭生产中的手选矸、半煤巷和岩巷掘进中排出的煤和岩石以及和煤矸石一起堆放的煤系之外的白矸等的混合物。煤矸石属沉积岩。主要岩石种类有粘土岩类、砂岩类、碳酸盐类和铝质岩类。粘土岩中主要矿物组分为粘土矿物，其次为石英、长石云母和黄铁矿、碳酸盐等自生矿物，此外还含有植物化石、有机质、碳质等；砂岩类矿物多为石英、长石、云母、植物化石和菱铁矿结核等；碳酸盐类的矿物组成为方解石、白云石、菱铁矿，并混有较多的粘土矿物、陆源碎屑矿物、有机物、黄铁矿等；铝质岩类均含有高铝矿物：三水铝矿、一水软铝石、一水硬铝石，此外还常常含有石英、玉髓、褐铁矿、白云母、方解石等。 煤矸石的岩石种类和矿物组成直接影响煤矸石的化学成分，主要的无机成分有硅、铝、钙、镁、铁的氧化物和某些稀有金属。1.2.2 对环境的影响煤矸石是煤炭开采、洗选加工过程中产生的废弃岩石，约占煤炭产量的15 %左右。我国是世界上最大的煤炭生产国和消费国。由于矸石中含有残煤、碳质泥岩、碎木材等可燃物质，在长期露天堆积后，往往发生自燃现象，排放出大量的CO、CO2、SO2、H2S及NOx、CmHn 等有害气体，给环境带来了极大的危害。1煤矸石自燃的危害由于煤矸石长期露天堆放，矸石内部的热量逐接积累，当温度达到燃点时（煤的燃点一般为360C），矸石中的残煤及其它可燃物便可自燃。全国国有煤矿有大小矸石山1500多座，大约有1/3的矸石山发生过自燃现象，放出的大量有害气体，如SO2、CO、CO2、H2S、NOx等，并拌有大量烟尘，对矿区环境造成了严重污染。汾西矿物局的分析资料表明：凡煤层含硫在3 %左右，其中硫铁矿占40 %以上的煤矸石，并有硫铁矿结核出现，都会引起自燃发火。2危害生态环境，破坏自然景观目前我国煤矿产生的矸石大多露天堆放，不同程度地侵占耕地，平原地区更加明显，而且还以每年400ha的速度增长。这对于人均耕地不足0.1ha的我国来说，所产生的影响是显而易见的。矸石的堆放不仅埋压或破坏了原地貌植被，而且排放过程中产生的粉尘、自燃时产生的有毒物质对植物的生存也有较大影响，主要表现在植物生长缓慢、生长量降低，草地植被种类减少、病虫害增多等，这对矿区的生态环境造成了严重危害。3淋溶水污染煤矸石受到降雨喷淋或长期处于浸渍状态，矸石中的粉尘会成为水中悬浮物，有害成分溶解后进入水体、土壤、对水环境和土壤环境造成二次污染。当酸性较强的淋溶水进入水体时，对生物产生很强的冲击力，能消灭或抑制水中微生物的生长，妨碍水体自净。煤矸石中除含有SiO2、AI2O3以及铁、锰等常量元素之外，还有其它痕量重金属，如铅、镉、汞、砷、铬等，这些元素都是有毒重金属元素，在进入水体或渗入土壤后，会严重影响土壤环境或水环境。安徽淮南某矿的煤矸石淋溶水中重金属含量一般均高于土壤中相应成分含量（As除外）。4污染空气环境对于露天堆放的煤矸石，干燥和湿润是最重要的因素。如果潮湿的煤矸石处于冷热交替的环境下，会加速风化。而处在0.5至几米的覆层下时，风化程度大大降低。对于一些长期堆放的矸石山，由于风化严重，颗粒粉碎，稍有风吹便尘土飞扬，长期生活在这种环境中的居民，鼻咽炎、上呼吸道感染等发病率很高。5其他灾害矸石堆放时的自然安息角为38 40C，如果矸石山堆积过高、坡度过大或受到人为开挖影响时，或受到爆炸或暴雨侵蚀时，就容易形成坍塌、滑坡、渣石流等灾害。而对于正在自燃的矸石山，如遇淋溶水的渗入，受热后水气急剧膨胀易引起爆炸危险，严重危及附近居民的安全。如枣庄煤矿北煤井一矸石堆，1994年发生坍塌，导致17人死亡，7人受伤。1.2.3 在建材领域的利用煤矸石又是一种可利用资源。如能对其综合利用，不但能改善矿区环境，还能节约资源、减少占地，从而促进矿区的可持续发展。目前技术成熟、利用量比较大的煤矸石资源化途径是生产建筑材料。1.煤矸石制砖包括用煤矸石生产烧结砖和作烧砖内燃料。煤矸石砖以煤矸石为主要原料，一般占坯料质量的80以上，有的全部以煤矸石为原料，有的外掺少量粘土。煤矸石经破碎、粉磨、搅拌、压制、成型、干燥、焙烧，制成煤矸石砖。焙烧时基本上无需再外加燃料。泥质和碳质煤矸石质软、易粉碎，是生产煤矸石砖的理想原料。煤矸石的发热量要求在21004200kJkg，过低时需加煤，过高时易使成砖过火。煤矸石需粉碎到小于lmm的颗粒占75以上。用煤矸石粉料压制成的坯料塑性指数应在717之间，成型水分一般为15-20。许多砖厂生产的煤矸石砖抗压强度一般为4801：471MPa，抗折强度为294490MPa，高于普通粘土砖。以煤矸石作烧砖内燃料制砖生产工艺与用煤作内燃料基本相同，仅需增加煤矸石粉碎工序。2.煤矸石生产轻骨料适宜烧制轻骨料的煤矸石主要是碳质页岩和选矿厂排出的洗矸，矸石的含碳量不要过大，以低于13为宜。有两种烧制方法：成球法与非成球法。成球法是将煤矸石破碎、粉磨后制成球状颗粒，然后焙烧。将球状颗粒送人回转窑，预热后进人脱碳段，料球内的碳开始燃烧，继之进入膨胀段，此后经冷却、筛分出厂。其松散容重一般在1000kgm3左右。非成球法是把煤矸石破碎到一定粒度直接焙烧。将煤矸石破碎到5lOmm，铺在烧结机炉排上，当煤矸石点燃后，料层中部温度可达1200C，底层温度小于350C。未燃的煤矸石经筛分分离再返回重新烧结，烧结好的轻骨料经喷水冷却、破碎、筛分出厂。其容重一般在800kgm3左右。3.煤矸石生产空心砌块煤矸石空心砌块是以自燃或人工煅烧煤矸石为骨料，以磨细生石灰和石膏作胶结剂，经转动成型、蒸汽养护制成的墙体材料，产品标号可达200号。4.煤矸石作原燃料生产水泥煤矸石和粘土的化学成分相近并能释放一定的热量，用其代替粘土和部分燃料生产普通水泥能提高熟料质量。这是因为煤矸石配料比粘土配料配人的生料活化能降低了许多，用少量煤就可提高生料的预烧温度，且煤矸石中的可燃物也有利于硅酸盐等矿物的熔解和形成；此外煤矸石配的生料表面能高，硅铝等酸性氧化物易于吸收氧化钙，可加速硅酸钙等矿物的形成。用作水泥原燃料的煤矸石其生产工艺过程与生产普通水泥基本相同。将原燃料按一定比例配合，磨细成生料，烧至部分熔融，得到以硅酸钙为主要成分的熟料，再加入适量石膏和混合材料，磨成细粉而制成水泥。5.煤矸石作水泥混合材料煤矸石经自燃或人工煅烧后具有一定活性，可掺入水泥中作活性混合材，与熟料和石膏按比例配合后入水泥磨磨细。煤矸石的掺入量取决于水泥的品种和标号，在水泥熟料中掺人15的煤矸石，可制得325号一425号普通硅酸盐水泥；掺量超过20时，按国家规定为火山灰硅酸盐水泥。用煤矸石作混合材时，应控制烧失量5，S033，火山灰性试验必须合格，水泥胶砂28天抗压强度比62。1.2.4 在其他领域的应用煤矸石除了在建材领域广泛应用，在其它领域也有广阔的发展空间1.利用煤矸石发电为搞好煤炭资源的综合利用充分发挥煤矸石作为低热值燃料的特点，解决矿区用电紧张状况，可在产矸量大的矿区建矸石电厂，达到化害为利、节约能源、减少污染的目的。同时还可以解决矿区的供热，产生的炉渣还可以制各种建材。至2000年底，全国有煤矸石、煤泥等低热值燃料电厂120座，装机容量1840MW，年发电量87亿kW/h。对于调整产业结构，缓解能源紧张的局面，解决就业压力起到重要作用，经济效益、社会效益明显。2.开发煤矸石中的共伴生矿物煤矸石中含有Al、Fe、S、As、Gd等多种因素，当其含量达到一定的富矿含量时，可回收利用。从80年代初开始，我国在高硫煤矿区南桐、天府等相继建设了硫精矿回收车间，回收硫铁矿。南票、井陉等矿区，利用煤矸石生产氯化铝、聚合氯化铝等净水剂，丰富了矿区多种经营的内容，也发展了矿区经济，促进了环境保护。3.利用煤矸石生产肥料煤矸石中含有灰质页岩和含炭粉砂岩，有机质含量在15 %左右，并含有植物生长所需的B、Zn、Cu、Co、Mo、Mn等微量元素，用煤矸石改良土壤，一些矿区早已实施过。近年来开始发展以煤矸石为载体生产的无机复合肥和微生物肥料就是优质、高效、营养全面、对环境无污染的新型肥料。据不完全统计，全国有微生物菌肥厂50余座，年生产能力40多万t，大部分以煤矸石为载体，获得了显著的环境效益和社会效益。4.利用煤矸石筑路、填坑、土地复垦利用煤矸石作充填物治理采煤沉陷区，或用来填筑沉陷的公路、铁路路基、堤坝等，进行土地复垦，恢复生态环境。而向沉陷区直接排矸与向矸石山排矸相比，并不增加费用，在经济上是可行的。用煤矸石填埋后的塌陷地，可以用作建筑用地，也可以在其上复土还田，直接种植农作物。这样可以同时解决矿区塌陷地和煤矸石造成的生态问题。这些大批量处理矸石的方法，是解决矸石污染的有效途径之一。这种方法在平原矿区，如河北、河南、两淮等地已有20多年的应用历史。此外，煤矸石在经过特殊处理后，还可以做为环氧化天然橡胶（ENR）的补强填充剂；利用硅质煤矸石代替石英砂和大部分价格较贵的石油焦碳或资源较匮乏的无烟煤合成SiC，不但可实现废弃物资源化与控制污染的目的，同时可降低能耗和生产成本。这些研究都为煤矸石的综合利用开辟了新的途径。1.2.5 回收用途煤矸石弃置不用，占用大片土地。煤矸石中的硫化物逸出或浸出会污染大气、农田和水体。矸石山还会自燃发生火灾，或在雨季崩塌，淤塞河流造成灾害。中国积存煤矸石达10亿吨以上，每年还将排出煤矸石1亿吨。为了消除污染，自60年代起，很多国家开始重视煤矸石的处理和利用。利用途径有以下几种：回收煤炭和黄铁矿：通过简易工艺，从煤矸石中洗选出好煤，通过筛选从中选出劣质煤，同时拣出黄铁矿。或从选煤用的跳汰机平面摇床流程中回收黄铁矿、洗混煤和中煤。回收的煤炭可作动力锅炉的燃料，洗矸可作建筑材料，黄铁矿可作化工原料。 用于发电：主要用洗中煤和洗矸混烧发电。中国已用沸腾炉燃烧洗中煤和洗矸的混合物（发热量每公斤约2000大卡）发电。炉渣可生产炉渣砖和炉渣水泥。日本有10多座这种电厂；所用中煤和矸石的混合物，一般每公斤发热量为3500大卡；火力不足时,用重油助燃。德意志联邦共和国和荷兰把煤矿自用电厂和选煤厂建在一起，以利用中煤、煤泥和煤矸石发电。测试煤矸石的发热量应使用专门的仪器进行，微机量热仪可以满足发热量的测试。 制造建筑材料：代替粘土作为制砖原料，可以少挖良田。烧砖时，利用煤矸石本身的可燃物，可以节约煤炭。煤矸石可以部分或全部代替粘土组分生产普通水泥。还可直接与石灰、石膏以适当的配比，磨成无熟料水泥，可作为胶结料，以沸腾炉渣作骨料或以石子、沸腾炉渣作粗细骨料制成混凝土砌块或混凝土空心砌块等建筑材料。英国、比利时等国有专用煤矸石代替硅质原料生产水泥的工厂。煤矸石可用来烧结轻骨料。此外，煤矸石还可用于生产低热值煤气，制造陶瓷，制作土壤改良剂，或用于铺路、井下充填、地面充填造地。在自燃后的矸石山上也可种草造林，美化环境。 1.2.6 破碎煤矸石中二氧化硅、三氧化二铁、三氧化二铝的总含量在80%以上，它是一种天然的粘土质原料，可以用来烧制普通硅酸盐水泥、特种水泥和熟料水泥等各种建筑特殊用途水泥。磨粉机和制砂机已经广泛用于煤矸石制作水泥生产线。不论是将煤矸石用于制砖，或是做水泥添加料还是供应给煤矸石发电厂，通常用到的加工设备有颚式破碎机、反击式破碎机、雷蒙磨粉机、超压梯形磨粉机、立式磨粉机、振动筛、振动给料机等。1.2.7 煤矸石的主要指标(一) 成分构成煤矸石的成分构成（未燃烧过火矸石）见表1，其中含碳量6.33%。表1.1煤矸石的成分构成(二) 放射性分析煤矸石重的放射性元素指标经过国家建材局建材产品及建材用工业废渣放射性监督检测中心检测符合国家标准要求。检测结果见表2。表1.2煤矸石重的放射性元素指标(三) 过火煤矸石的主要成分构成过火煤矸石的主要成分构成见表3，碳含量为2.77%。表1.3过火煤矸石的主要成分构成1.3 煤矸石混凝土煤矸石的矿物成分以黏土矿物和石英为主，常见矿物为高岭土、蒙脱石、伊利石、石英、长石、云母和绿泥石类。除了石英和长石外，以上矿物均属于层状结构的硅酸盐，这是煤矸石矿物成分的一个特点6从1976年开始，国内对煤矸石混凝土进行了较系统的研究。煤矸石综合利用的途径很多，用来做砖、水泥或混凝土的骨料等建筑材料是综合利用的一个重要方面。1 煤矸石水泥煤矸石掺入混凝土中作为胶凝材料主要有两种使用途径。1.1 作矿物掺和料采用自燃煤矸石用作矿物掺和料，与水泥及其他掺和料共同作为混凝土中的胶凝材料。许多学者考查了掺煤矸石混凝土的耐久性，发现掺入煤矸石后，混凝土密实度提高，具有较好的抗冻性，抗渗性，抗硫酸盐侵蚀，较低的氯离子扩散速度和护筋能力7，8。目前国内已开始了高掺和复合掺高性能混凝土的研究。但在这些研究当中，大多以自燃煤矸石为基础，因其活性较低，如何更有效地激发煤矸石的潜在活性已成为困扰研究者的一个主要问题。张长森，蔡树元等人用热回流的方法测定自燃煤矸石中可溶出的SiO2、Al2O3含量，再与原样品中SiO2、Al2O3含量相除，即为SiO2、Al2O3溶出率（活性SiO2、Al2O3的含量）。按用于水泥中的火山灰质混合料GB/T2847-2005方法测定自燃煤矸石的火山灰活性，结果为OH及CA2+的量均不大于Ca（OH）2饱和溶液的中的各离子浓度，表明自燃煤矸石具有火山灰活性9。粉状的自燃煤矸石常温下就可与碱性盐发生化学反应，生成具有水硬性胶凝性能的化合物。这就是煤矸石的活性来源。目前，常采用物理激发、热激发和化学激发等方法，其中对热激发的研究较多。1）物理激发物理激发一般就是通过超细粉磨混合材料，使煤矸石颗粒变得很小，不仅能填充硬化结构的毛细孔，起到密实增强的作用，而且还能增加混合材的表面积，同时其颗粒表面出现错位、点缺陷和结构缺陷，SiO2和Al2O3的无定形程度增加，颗粒表面自由能增加，从而提高活性。2）热激发热激发是指将自燃煤矸石经过高温煅烧使其活性提高。它是利用高温使煤矸石微观结构中的各微粒产生剧烈的热运动脱去矿物中的结合水，使Ca2+，Mg2+，Fe3+等阳离子重新选择填隙位置，从而使硅氧四面体和铝氧三角体无法聚合成长链，而存在很多的断裂点，形成热力学不稳定结构，即烧成后的煤矸石中含有大量的活性SiO2和Al2O3，使煤矸石的活性提高。3）化学激发煤矸石化学激活是通过引入少量激发剂，使其参与并加速煤矸石与水泥水化产物产生二次反应的方法10。化学激发主要是破坏Si-O的网络结构，而Si-O结构相对比较稳定，同时激发剂种类以及掺量的影响与所存在溶液的pH值相关，相应单纯的化学激发过程还是比较慢，为了促进激活效果，一般要与热激发相结合。对煤矸石采用物理、热、化学激活主要是提高活性SiO2和Al2O3的含量，从而使煤矸石的活性提高，以提高水泥混凝土制品的强度，改善其耐久性。1.2 代替水泥原料生产煤矸石水泥大多数煤矸石其矿物组分主要为SiO2（石英）和Al2O3，属于一种富铝的黏土质原料，易磨，易烧性好，适于水泥厂作原料全部或者部分代替黏土生产水泥。而且煤矸石本身也还有一定量的炭，这在水泥熟料煅烧的过程中还能提供热量，节省一部分煅烧燃料。用煤矸石配置轻骨料混凝土的技术已经很成熟。早在1994年自燃煤矸石轻骨料JC/T541-94对自燃煤矸石轻骨料使用做出了详细的规范。煤矸石用作混凝土骨料分两种情况，就是煤矸石分别用作细骨料或粗骨料，或者同时取代普通粗细骨料。自燃煤矸石经粉碎而得的自燃煤矸石轻骨料，用煤矸石代替天然骨料配制混凝土强度能满足工程使用的要求。有些指标还高于普通混凝土指标。用自燃煤矸石粗细骨料代替黄砂石子用于建筑业不仅经济上合理，技术上可行，而且可以大量利用工业废渣，消除公害。既保护了土地资源，又改善了环境。2 利用煤矸石生产砌块的可行性煤矸石随煤炭开采出来被丢弃后，大部分矿山都是堆积几年、十几年，有的甚至超过几十年时间。从表1及表3可以看出其化学成分主要以硅、铝质量分数较高，表1中的钙也主要以石灰岩形式存在。过火煤矸石具有火山灰性质，有一定的活性。因此使用煤矸石生产混凝土砌块作为骨料对混凝土性能无损坏作用，是完全可行的。尾矿可能存在一定的放射性，如果超标用于生产墙体材料，会危害人体健康，煤矸石也不例外。所以在利用煤矸石生产墙体材料时，首先必须要对煤矸石做放射性检测。通过表2得知该煤矸石放射性指标符合相关国家标准，不超标，用于生产建材是合格的。第二章 混凝土配合比计算2.1 设计条件混凝土设计强度等级为C30-C45，现以混凝土强度C30为例，要求强度保证率95%，要求混凝土拌和物的坍落度为3550mm。假设制备砌块MU15，用C30混凝土，根据普通混凝土配合比设计最新规范JGJ55-2011规定.本设计所采用的原始材料参数：1） 水泥： PO 32.5级，水泥强度等级值的富余系数为1.12，密度为3.10g/cm3，堆积密度为1.50t/m3；2） 砂：中砂，表观密度2.65g/cm3，堆积密度1.50g/cm3；3）石：碎石，表观密度2.70 g/cm3，堆积密度1.55 g/cm3；石子最大粒径31.5mm；4）水：自来水；5）煤矸石：堆积密度1.10 g/cm32.2 普通混凝土配合比计算2.2.1 混凝土配制强度的确定了保证混凝土能够达到设计要求的强度等级，在进行混凝土配合比设计时，既要考虑到实际施工条件与实验室条件的差别，又要考虑到对混凝土强度的不利影响，必要使混凝土的配制强度高于设计等级强度。根据普通混凝土配合比设计规程（JGJ 552011），当混凝土的设计强度等级小于C60时，配制强度应按下式确定： 式（1.1）式中： 混凝土的配制强度，MPa；设计要求的混凝土强度标准值，MPa；施工单位混凝土强度标准差，MPa，可按下表取值； 表2.1标准差值MPa混凝土强度标准值C20C25C45C50C554.05.06.0将=30MPa，=5.0MPa代入上式（1.1）中得：=30+1.6455.0 =38.2MPa2.2.2 确定水胶比（1） 当混凝土强度等级小于C60时，混凝土水胶比宜按下式计算： 式（1.2）式中：混凝土水胶比；、回归系数；胶凝材料28d胶砂抗压强度(MPa)。（2） 回归系数（、）按下表选用：表2.2回归系数（、）取值表碎石卵石0.530.490.200.13实验采用碎石，=0.53，=0.20。 表2.3泥强度等级值的富余系数表32.542.552.51.121.161.10 2.2.3 用水量和外加剂用量（1） 确定1立方米塑性混凝土用水量，是根据坍落度以及碎石最大粒径来选取。表2.4混凝土单位用水量选用表（）项目指标卵石最大粒径（mm）碎石最大粒径（mm）102031.540162031.540坍落度（mm）1030190170160150200185175165355020018017016021019518517555702101901801702202051951857590215195185175230215205195注：本表用水量系采用中砂时的取值。采用细沙时，每立方米混凝土用水量可增加5kg10kg；采用粗砂时，可减少5kg10kg。由碎石的最大粒径为31.5mm，坍落度为3550mm，查混凝土单位用水量选用表得=185 。2.2.4确定胶凝材料用量（1） 每立方米混凝土中胶凝材料用量（），按下式计算： 式（1.7）将=185、=0.46代入上式中得：mb0=185/0.46Kg=402.2kg/m3 （2） 每立方米混凝土中煤矸石掺量（），按下式计算： 式（1.8）式中：计算配合比每立方混凝土中煤矸石用量（）；煤矸石掺量（%），=30%。将=402.2及=30%代入到（1.8）中得：=402.20.3=126kg/m3（3） 每立方米混凝土的水泥用量（），按下式计算： 式（1.9）式中：计算配合比每立方混凝土中水泥用量（）；将=402.2、=126代入到（1.9）中得：=420.2-126=276.22.2.5 砂率（1） 砂率的确定，坍落度3550mm的混凝土，其砂率可根据碎石最大公称粒径及水胶比按下表选用。表2.5混凝土的砂率（%）水胶比（）卵石最大粒径（mm）碎石最大粒径（mm）10.020.040.016.020.040.00.402632253124303035293427320.503035293428333338323730350.603338323731363641354033380.70364135403439394438433641注：本表数值系中砂的选用砂率，对细砂或粗砂，可相应地减少或增大砂率。由碎石的最大公称粒径为31.5mm及水胶比，取砂率=34%。2.2.6 粗、细骨料用量（1） 确定1立方米混凝土中砂、石用量，采用体积法，按下式计算： 式（1.10）式中：每立方米混凝土中水泥的用量；每立方米混凝土中粗骨料碎石的用量；每立方米混凝土中细骨料砂的用量；每立方米混凝土中水的用量；水泥密度，3.10；碎石表观密度，2.70；砂的表观密度，2.65；水的密度，1.0；混凝土的含气量百分数，在不使用引气剂或引气型外加剂时，取1。又有： =34% 式（1.11）联立（1.11）、（1.12）求解得：=616.4 =1196.5 由以上计算结果得知： （1.12）= 276.2:185:616.4:1196.5:126=1:0.67:2.23:4.33:0.46第三章 物料平衡计算3.1 基础数据在实际生活中，砂石含有少量的水分。生产操作过程，原料有少量的生产损失。令砂含水量为3%，石含水量为1%。生产损失为：水泥2%；煤矸石1%。年工作时间：300天 日工作时间：两班制，每班6小时混凝土的配合比为：=1:0.67:2.23:4.33:0.463.2 块型设计图3.1 砌块型号390mm190mm190mm此砌块的整体尺寸为390mm190mm190mm。灰色表示砌块主体混凝土，起到支撑作用，外壁厚度为25mm，内部肋后为25mm；空心部分两侧的厚度为30mm，中间厚度为30mm，空心率为38.6%，达到保温节能效果。1. 砌块产量计算表3.1砌块产量砌块年产量/万立方砌块体积/m3年产量/块日产量/块小时产量/块每年生产300天，实行两班制，每班6小时100.01471428572380919842.砌块混凝土材料用量表3.2 混凝土砌块材料用量砂子石子水水泥煤矸石1m3用量/kg616.41196.5185276.2126每块砌块用量/kg5.410.51.62.41.1实心体积：0.008778m3，煤矸石掺量30%3.3 干物料计算每年水泥用量（t）：=7142857*2.4*（1+2%）=17484.6