煤矸石用作混凝土骨料的可行性分析

劉 輝，陳 菲

(陜煤集團神木檸條塔礦業有限公司，陜西 榆林 719300)

0 引言

煤矸石是煤礦在開拓掘進、采煤、煤炭洗選和加工過程中所產生的固體廢棄物，是我國目前年排放量和累計堆存量最大的工業廢棄物[1]。據統計，我國目前累計堆存煤矸石約70億t以上，占地面積為70 km2，且仍以每年3.0～3.5億t的速度增加。煤矸石的存儲、運輸給煤礦企業造成較大的經濟損失，煤矸石的堆存不僅占壓大量土地資源，同時其自燃等還污染環境[2-4]。但煤矸石也是包含多種礦物的混合物，根據煤矸石的化學成分、物理性能有針對性地開展煤矸石的綜合利用，既能降低煤矸石的堆存造成的經濟環境問題，又可充分利用自然資源、降低企業生產成本[5-7]。

1 煤矸石的化學分析

煤矸石的化學組成是評價煤矸石特性、利用途徑與指導生產的重要指標。煤矸石的化學組成隨著煤層地質年代、不同產生途徑以及不同巖石性質，其化學組成波動較大，主要由無機礦物質、少量有機物以及微量稀有元素組成。煤矸石的化學成分不穩定，不同地區區域成分差別較大[8-11]。本次試驗使用的煤矸石產自陜煤集團檸條塔煤礦所在地。

1.1 化學組成分析

分析儀器：化學組成分析是通過譜圖對樣品的成分進行定量分析，最終得出氧化物所占的百分比。對煤矸石的化學成分分析采用德國Bruker公司生產的S4 PIONEER型X射線熒光光譜分析儀(XRF)，如圖1所示。

圖1 化學組成分析儀器

分析結果：煤矸石的化學組成分析見表1。由表1可知，煤矸石的化學成分組成中，SiO2和Al2O3的含量均占有較大的比重，分別為46.71%和15.39%。從化學組成上來看，煤矸石里不含有害元素，可以作為骨料來制備混凝土。

表1 煤矸石化學成分

1.2 礦物組成分析

分析儀器：礦物組成分析是利用儀器來定性分析某種礦物在試樣中的含量，煤矸石和黃砂的礦物組成分析采用日本理學公司生產的D/MAX-2200型X射線粉末衍射儀(XRD)，如圖2所示。礦物的X射線衍射圖譜如圖3所示。

圖2 礦物組成分析儀器

圖3 煤矸石X射線衍射圖譜

分析結果：通過對煤矸石的X射線衍射圖譜分析可以看出，煤矸石是以石英(SiO2)為主，石英的抗風化能力很強，既耐磨又耐分解，由此推斷從礦物組成角度而言煤矸石是可以用作骨料來制備混凝土。除石英外，煤矸石的主要礦物組成還包括白云母、斜綠泥石、藍柱石以及高嶺石等。

2 煤矸石物理力學試驗

2.1 煤矸石粗骨料的制備

制備的必要性：骨料的顆粒級配是確保混凝土質量的一個很重要因素。由于煤矸石原材料都是成塊狀、粒徑很大且雜物較多，如圖4所示。因此煤矸石在用作混凝土粗骨料之前必須經過破碎和篩分。

圖4 煤矸石

制備結果：煤矸石經過破碎處理后分為兩類粗骨料。①普通煤矸石是將煤矸石破碎后，先過5 mm的篩網篩去細末，而后再將一些可見雜物、片狀煤矸石以及一些破碎后粒徑仍然過大的煤矸石挑選出，制備成滿足級配要求的煤矸石粗骨料;②原狀煤矸石是在煤矸石破碎后不做任何處理，直接用于制備混凝土。這主要針對于在實際應用煤矸石作為粗骨料制備混凝土時，對混凝土強度要求不高的情況。如在煤礦掘進的巷道里以煤矸石為粗骨料澆筑混凝土地平，此時為了降低投資，考慮在煤矸石破碎后便不做任何處理，將原狀煤矸石粗骨料直接用于制備混凝土。

2.2 壓碎指標

壓碎值是集料抵抗壓碎的性能指標，集料的壓碎值用于衡量混凝土骨料在逐漸增加的荷載下抵抗壓碎的能力，屬于骨料力學性質的指標，以評定其在混凝土中的適用性。煤矸石的壓碎指標試驗所需儀器主要包括電子天平、新標準砂石篩、電熱鼓風恒溫干燥箱、受壓試模、壓力試驗機、墊棒等。壓碎指標按式(1)計算。

(1)

式中：Qe—壓碎指標，%；G1—試樣的質量，g；G2—壓碎試驗后篩余的試樣質量，g。

2.3 顆粒級配

顆粒級配又稱(粒度)級配，是指由不同粒度組成的散狀物料中各級粒度所占的數量。常以占總量的百分數來表示。合理的顆粒級配是使配料獲得低氣孔率的重要途徑。骨料的顆粒級配主要通過篩分試驗進行。煤矸石的篩分試驗主要試驗儀器包括試驗篩，電子天平，頂擊式標準篩振篩機，電熱鼓風恒溫干燥箱，淺盤，硬、軟毛刷等。

2.4 表觀密度

表觀密度是指材料的質量與表觀體積之比。表觀體積是實體積加閉口孔隙體積，一般可直接測得，對于形狀非規則的材料，可用液體比重天平法來測得。煤矸石的表觀密度試驗主要試驗儀器包括帶有吊籃的液體天平、新標準砂石篩、電熱鼓風恒溫干燥箱、溫度計、帶蓋容器、淺盤、刷子、毛巾等。表觀密度按式(2)計算。

(2)

式中：ρ—表觀密度，kg/m3；m0—試樣的烘干質量，g；m1—吊籃在水中的質量，g；m2—吊籃及試樣在水中的質量，g；α1—考慮稱量時水溫對表觀密度影響的修正系數，見表2。

表2 不同水溫條件下的修正系數

2.5 吸水率

材料在水中能吸收水分的性質稱為吸水性。材料的吸水性用吸水率表示，吸水率有質量吸水率和體積吸水率兩種表示方法。煤矸石的吸水率試驗主要使用儀器有試驗篩、電子天平、電熱鼓風恒溫干燥箱、容器、淺盤、毛巾、刷子等。吸水率按式(3)計算。

(3)

式中：ωwa—吸水率，%；m11—烘干后試樣與淺盤的總質量，g；m12—烘干前飽和面干試樣與淺盤的總質量，g；m13—淺盤質量，g。

2.6 含泥量

骨料的含泥量對混凝土的質量有著明顯的影響。規范中對混凝土骨料的泥土含量有明確的規定值。因此，需對骨料的含泥量進行測定。煤矸石含泥量的測定主要試驗儀器包括篩、電子天平、電熱鼓風恒溫干燥箱、洗砂用的容器及烘干用的淺盤等。煤矸石的含泥量按式(4)計算。

(4)

式中：wc—含泥量，%；m20—試驗前的烘干試樣重量，g；m21—試驗后的烘干試樣重量，g。

3 試驗結果分析

3.1 試驗結果

煤矸石的壓碎指標、表觀密度、吸水率及含泥量的實測值和國家標準要求見表3。

表3 煤矸石物理性能指標

煤矸石的顆粒級配篩分結果見表4，級配曲線如圖5所示。

3.2 結果分析

與國家標準對比：由表3可知，兩類(普通、原狀)煤矸石的實測壓碎指標均為21%，滿足國家Ⅲ類標準(≤30%)的要求；表觀密度均為2 400 kg/m3，不滿足國家標準(≥2 600 kg/m3)的要求；吸水率均為5.7%(國家標準對骨料吸水率不作要求)；原狀煤矸石的含泥量為2.3%，普通煤矸石的含泥量為1.7%，均不滿足國家標準(≤1.5%)的要求。基于物理性能試驗結果，煤矸石的壓碎指標滿足國家Ⅲ類標準要求，可用作混凝土的粗骨料；但由于煤矸石的表觀密度、含泥量不滿足規范要求，若全部采用檸條塔煤礦煤矸石作為混凝土粗骨料，難以制備強度等級較高的煤矸石混凝土。

表4 煤矸石篩分結果表

圖5 煤矸石級配曲線

篩分效果分析：①由表3可知，普通煤矸石和原狀煤矸石除含泥量不同以外，其他指標均相同，這主要是因為與普通煤矸石相比，原狀煤矸石在破碎后未經篩分，雜物、細末較多。而在進行壓碎指標、表觀密度和吸水率分析時，按照國家標準要求試驗前需將原材料過4.75 mm的篩網，因此，原狀煤矸石與普通煤矸石的壓碎指標、表觀密度和吸水率無太大差異。而從含泥量可以看出，原狀煤矸石的含泥量明顯大于普通煤矸石骨料，并且兩類煤矸石的含泥量均大于國家標準。對于普通煤矸石含泥量不滿足標準要求主要是因為在破碎時產生的粉末附著在煤矸石表面，篩分時并不能將此類細末篩去；②由表4、圖5可以看出，兩類煤矸石的顆粒級配試驗表明，篩分、挑選后的普通煤矸石骨料滿足標準(5～31.5 mm的連續級配)要求；而原狀煤矸石骨料，篩孔尺寸為4.75 mm時，累計篩余量為85%，篩孔尺寸為2.36 mm時，累計篩余量為92%，不滿足規范(篩孔尺寸為4.75 mm，累計篩余量為90～100%，篩孔尺寸為2.36 mm時，累計篩余量為95～100%)的要求。兩類煤矸石骨料之間的差別主要在于5 mm以下的顆粒含量不同，這是由于篩分造成的，這也將影響由兩類骨料而制備的混凝土性能。為了使煤矸石粗骨料能夠滿足級配要求，建議在煤矸石破碎后進行篩分。

4 結論

(1)煤矸石中主要的氧化物為SiO2和Al2O3，不含有害元素；煤矸石中的主要礦物為石英和白云母，檸條塔煤礦產出的煤矸石可作為粗骨料來制備混凝土。

(2)煤矸石的壓碎指標滿足國家Ⅲ類標準要求，可用作混凝土的粗骨料；但由于煤矸石的表觀密度、含泥量不滿足規范要求，若全部采用檸條塔煤礦煤矸石作為混凝土粗骨料，難以制備強度等級較高的煤矸石混凝土。

(3)普通煤矸石的級配滿足標準要求，而原狀煤矸石骨料的級配不滿足要求，為了使煤矸石粗骨料滿足級配要求，建議在煤矸石破碎后進行篩分。