摘要
煤矸石作为煤炭开采和洗选过程中排放量最大的固体废弃物，其资源化利用对生态环境保护和循环经济发展具有重要意义。以煤矸石为主要原料制备烧结砖是消纳煤矸石的重要途径之一。传统煤矸石烧结砖在强度、耐磨性和高温性能方面存在不足，限制了其在高端工程领域的应用。本文系统探讨了以刚玉-莫来石或碳化硅为主要增强相、通过高温烧结工艺成型的煤矸石烧结砖的材料设计原理、烧结工艺参数与性能优化策略。通过对煤矸石基体与增强相的界面结合机制、高温烧结过程中的相变与致密化行为以及最终制品的力学与热学性能进行分析综述，为高性能煤矸石基复相烧结砖的工业化制备提供理论与技术参考。
一、引言
煤矸石是煤炭开采和洗选加工过程中产生的伴生废弃物，排放量约占煤炭产量的10%～15%。我国煤矸石累计堆存量已超过70亿吨，且仍以每年数亿吨的速度增长。大量煤矸石堆放不仅占用土地资源，还会引发自燃、扬尘、重金属淋溶等环境问题。因此，煤矸石的减量化、资源化和高值化利用一直是材料科学与环境工程领域的研究热点。
在众多资源化利用途径中，制备烧结砖是煤矸石大宗消纳的有效方式之一。煤矸石中SiO₂和Al₂O₃含量较高，本身具有一定的黏土矿物特征，可在高温下发生液相烧结形成具有一定强度的陶瓷结合体。传统煤矸石烧结砖的力学性能—尤其是抗压强度、抗折强度和耐磨性—以及高温体积稳定性仍有较大提升空间，难以用于对性能要求较高的工业窑炉内衬、冶金炉底或高温管道等场景。
为了突破这一瓶颈，Y通过在煤矸石基体中引入刚玉（α-Al₂O₃）、莫来石（3Al₂O₃·2SiO₂）或碳化硅（SiC）等高性能增强相，并经高温烧结制得复相材料。该类复相材质不仅可大幅提高砖体的力学强度和热震稳定性，还能延长其高温服役寿命。本文围绕这一主题，从原料体系、烧结工艺、显微结构演变与性能评价等方面展开论述。
二、原料体系与 Materials Design 原理
2.1 基体材料：煤矸石
煤矸石的化学组成随产地和层位波动较大，通常以SiO₂（40%～60%）和Al₂O₃（15%～35%）为主，同时含有少量Fe₂O₃、TiO₂、CaO、MgO、K₂O、Na₂O等氧化物以及有机质和微量重金属元素。经适当粉碎、配料和成型后，煤矸石中的黏土矿物（如高岭石、伊利石）在高温下脱水分解，生成无定形SiO₂和Al₂O₃，并进一步反应形成莫来石相，从而赋予材料一定的陶瓷结合强度。
煤矸石自烧结过程中形成的莫来石含量有限、晶粒发育不完全，且普遍存在气孔率偏高的问题。这些微结构缺陷是导致传统煤矸石砖力学强度低、抗热震性差的主要原因。
2.2 增强相体系之一：刚玉-莫来石复相
刚玉（α-Al₂O₃）具有极高的硬度（莫氏硬度9）、高熔点（2054℃）和优异的化学稳定性，是高性能耐火材料的重要组分。莫来石则具有低热膨胀系数（5.3×10⁻⁶/K）、良好的抗热震性和高温蠕变抗力。将刚玉和莫来石以适当比例引入煤矸石基体，可形成优势互补的复相结构。
在高温烧结过程中，煤矸石分解产生的SiO₂可与外加的活性Al₂O₃反应生成二次莫来石，填充于刚玉颗粒与基体之间，形成紧密的界面结合。反应式可简写为：
3Al₂O₃ + 2SiO₂ → 3Al₂O₃·2SiO₂
这一反应的热力学驱动力来自莫来石在多铝体系中的高稳定性和低自由能。适量的刚玉 (0~40 wt%) 与莫来石 (0~60 wt%) 配合煤矸石使用，可获得高达150~250 MPa的抗压强度，热震稳定性提升数倍。
2.3 增强相体系之一：碳化硅复相
碳化硅（SiC）是高技术陶瓷和耐火材料领域的核心材料之一，具有高硬度、高导热系数（通常高于金属）、低热膨胀系数、优良的抗氧化和耐磨性能。将SiC颗粒均匀分散于煤矸石-莫来石基体中，可显著提升制品的耐磨性、导热性和抗热冲击性。
SiC在氧化性气氛中和高温条件下会有所氧化：
SiC (s) + 2O₂ (g) → SiO₂ (s) + CO₂ (g)
生成的SiO₂可部分弥补基体中的硅含量，有助于莫来石化反应的正向进行，但过量的氧化会导致质量损失与收锾变大。因此，在配方与烧结制度设计中必须在成本与产量之间取得平衡。
2.4 添加助剂与结合剂
在一些制备工艺中，还加入少量 TiO₂、MgO 或 B₂O₃ 作为烧结助剂，促进液相形成与奥罗拉石(TiO₂)稳定晶界强度，亦可加入酚醛碳结构技术以减少残余硅。
与此恰当的結合系統十分关键，例如可采用的溶液、水泥、水泥。中短期也可使用含水泥，如铝水泥。特殊酸酯大物质中可以调控沉淀的结构点。这也是制品微观协同性的重要一项措施。根据研究发现：优质样本产品及质量優良产品的成形大多选用特定比值及经颗粒控制的强烧结性能样品体系获得。若基质较宽广可采用高性能液压方式和相应辅助装置增强坯料设备利用率与横向韧性以及最终生产效益的契合率与产量上明显都推到一个尖端情况；
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