煤矸石制備機(jī)制砂的研究進(jìn)展

王 辰，梁惠祺，別泉泉，張 碩，高 耀，舒元鋒，朱開成，王彥君，許澤勝，舒新前

(1.中國礦業(yè)大學(xué)(北京) 化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，北京市海淀區(qū)，100083；2.綠色礦山推進(jìn)委員會，北京市朝陽區(qū)，100029；3. 江蘇地質(zhì)礦產(chǎn)設(shè)計(jì)研究院，江蘇省徐州市，221000)

0 引言

建設(shè)用砂石作為混凝土的主料，是生產(chǎn)、生活中除水資源之外消耗量最大的自然資源之一。我國砂石銷量為200億t/a，作為骨料主要用于建筑、道路、橋梁、鐵路、水利等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，早期主要使用天然河砂，但是隨著資源逐漸變少，尤其我國對生態(tài)文明建設(shè)提出了更高的要求，天然砂開采越來越受到限制，產(chǎn)自固體廢棄物的機(jī)制砂使用日益增多。

目前，我國機(jī)制砂產(chǎn)量超過180億t，占砂石總量的78.3%，預(yù)計(jì)今后還會繼續(xù)增加[1]。在這種情況下，盡管我國機(jī)制砂的原料來源廣泛、產(chǎn)量巨大，但是由于需求旺盛，加之對天然砂石的進(jìn)一步限采，導(dǎo)致機(jī)制砂使用越來越多[2]。為此，十分有必要擴(kuò)大機(jī)制砂的原料來源，保障產(chǎn)品供應(yīng)，緩解用砂需求，同時(shí)實(shí)現(xiàn)對多種工業(yè)固體廢棄物的有效資源化利用。部分學(xué)者對煤矸石細(xì)骨料混凝土的物理性能開展研究，發(fā)現(xiàn)煤矸石輕骨料與天然砂石骨料相比，具有抗壓能力好、抗凍性滿足制砂要求且成本較低的特點(diǎn)，可作為機(jī)制砂的重要來源[3]。

目前我國煤矸石堆積量超過50億t/a，對環(huán)境產(chǎn)生的危害十分顯著，使用煤矸石生產(chǎn)機(jī)制砂既可以緩解用砂需求，還可以減輕煤矸石造成的環(huán)境污染。盡管我國已經(jīng)在多地開展煤矸石機(jī)制砂的試驗(yàn)與應(yīng)用，但是由于存在煤矸石原料組分復(fù)雜、組成和性質(zhì)差異性大、制砂標(biāo)準(zhǔn)尚未規(guī)范等問題，限制了煤矸石機(jī)制砂的應(yīng)用。

鑒于此，筆者從機(jī)制砂的應(yīng)用狀況、制備標(biāo)準(zhǔn)與方法、使用煤矸石制備機(jī)制砂的可行性以及應(yīng)用等方面對我國煤矸石機(jī)制砂的現(xiàn)狀進(jìn)行了分析，并提出使用煤矸石制備機(jī)制砂的現(xiàn)存問題和相應(yīng)解決措施，以期促進(jìn)我國煤矸石機(jī)制砂的研究與應(yīng)用進(jìn)展。

1 機(jī)制砂制備及應(yīng)用狀況

1.1 機(jī)制砂的原料來源

按照《建設(shè)用砂》(GBT 14684-2011)標(biāo)準(zhǔn)，機(jī)制砂是指經(jīng)機(jī)械破碎、篩分得到的廢石、尾礦或者工業(yè)廢渣顆粒，粒徑在4.75 mm以下，顆粒多呈棱角狀，表面粗糙[4]。機(jī)制砂的原料一般要求是來源廣、成本低、易加工的廢石、尾礦、建筑垃圾和工業(yè)固體廢棄物。我國多地的巖礦資源豐富，產(chǎn)生的廢石和尾礦通常強(qiáng)度較高、組成和性能符合要求，因而是制備機(jī)制砂的重要原料[5]。謝開仲等[6]研究人員以卵石、玄武巖、石灰?guī)r為原料，基于《公路工程巖石試驗(yàn)規(guī)程》(JTGE 41-2005)開展了廢石制機(jī)制砂試驗(yàn)，重點(diǎn)研究了不同原料的力學(xué)性能、顆粒級配以及表觀密度等性能，結(jié)果表明完全可以用以制備機(jī)制砂，并符合《建筑用卵石、碎石》(GB/T 14685-2011)對碎石的性能要求，母巖的力學(xué)和物理性質(zhì)見表1。

表1 母巖的力學(xué)和物理性質(zhì)

尾礦如鐵尾礦、錳尾礦、銅尾礦均可制備機(jī)制砂，建筑垃圾分選后，經(jīng)過破碎、篩選，也可以制成符合要求的機(jī)制砂，尾礦及建筑垃圾制備機(jī)制砂性能對比見表2。

表2 尾礦及建筑垃圾制備機(jī)制砂性能對比[7-17]

1.2 機(jī)制砂的生產(chǎn)工藝

機(jī)制砂生產(chǎn)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)是原料的破碎和篩選[18]，不僅決定機(jī)制砂的粒度級配，還是決定工藝適應(yīng)性和生產(chǎn)成本的主要因素。

典型機(jī)制砂生產(chǎn)工藝流程如圖1所示。

圖1 典型機(jī)制砂生產(chǎn)工藝流程

由圖1可以看出，原料破碎后進(jìn)行除粉作業(yè)，可以控制機(jī)制砂的石粉含量，以利于提高機(jī)制砂的品質(zhì)和混凝土的性能。目前機(jī)制砂采用的除粉工藝主要分為干式制砂和濕式制砂這2種[19]，不同的制砂工藝流程如圖2所示，2種除粉工藝優(yōu)缺點(diǎn)比較見表3。

圖2 不同的制砂工藝流程

表3 2種除粉工藝優(yōu)缺點(diǎn)比較

1.3 我國機(jī)制砂的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范

1.3.1 我國機(jī)制砂的等級劃分

我國機(jī)制砂的技術(shù)指標(biāo)嚴(yán)格遵循國家標(biāo)準(zhǔn)《建設(shè)用砂》(GBT 14684-2011)，按照技術(shù)要求可分為Ⅰ類、Ⅱ類、Ⅲ類這3種類別，機(jī)制砂等級見表4。

表4 機(jī)制砂等級

1.3.2 技術(shù)指標(biāo)

根據(jù)《建設(shè)用砂》(GBT 14684-2011)，機(jī)制砂顆粒級配應(yīng)符合顆粒級配的規(guī)定，具體顆粒級配規(guī)定見表5。

表5 顆粒級配規(guī)定

其中，Ⅰ類機(jī)制砂所屬的級配區(qū)為2區(qū)，Ⅱ類、Ⅲ類機(jī)制砂所屬的級配區(qū)則包括1、2、3區(qū)。機(jī)制砂的石粉含量和泥塊含量、堅(jiān)固性、有害物質(zhì)等技術(shù)要求需要符合表6的規(guī)定。

表6 機(jī)制砂其他技術(shù)要求

依據(jù)《建設(shè)用砂》(GBT 14684-2011)，機(jī)制砂的表觀密度要求不小于2 500 kg/m3，松散堆積密度不小于1 400 kg/m3，空隙率不大于44%。經(jīng)堿集料反應(yīng)試驗(yàn)后，試件應(yīng)無裂縫、酥裂和膠體外溢等現(xiàn)象，在規(guī)定的試驗(yàn)齡期膨脹率應(yīng)小于0.10 %。

1.3.3 制備規(guī)范

機(jī)制砂所用原料應(yīng)符合相關(guān)要求，使用尾礦及工業(yè)廢渣時(shí)應(yīng)經(jīng)過專業(yè)試驗(yàn)后按照原料準(zhǔn)備、破碎、篩分和除粉工藝過程生產(chǎn)。當(dāng)原料特性和石粉含量明顯變化時(shí)應(yīng)進(jìn)行相關(guān)檢測，并符合《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50010-2010)和《混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50476-2019)的要求。

1.4 常用的機(jī)制砂生產(chǎn)設(shè)備

機(jī)制砂生產(chǎn)的主要設(shè)備包括破碎和篩分設(shè)備，常見破碎機(jī)有錘式、反擊式、沖擊式、旋盤式、顎式破碎機(jī)等，通過擠壓、劈碎、折斷和沖擊這4種方式使原料破碎成砂粒[20-22]。常見的篩分設(shè)備有圓孔篩和方孔篩，可根據(jù)振動(dòng)頻率和篩孔尺寸加以選擇。各個(gè)破碎設(shè)備的性能對比見表7。

表7 各個(gè)破碎設(shè)備的性能對比[23]

1.5 機(jī)制砂的應(yīng)用狀況及前景分析

我國機(jī)制砂占國內(nèi)供應(yīng)量的比例持續(xù)攀升，由2009年的46.6 %上升至2018年的78.3 %，同期產(chǎn)量由56.9億t增至139.6億t，年均增長率達(dá)到了10.48%。機(jī)制砂原料來源越來越廣泛、制砂工藝日趨成熟、制砂設(shè)備不斷系列化和成套化、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)日臻完善；與此同時(shí)，許多大企業(yè)逐漸進(jìn)入到固廢制砂行業(yè)，促使行業(yè)結(jié)構(gòu)也不斷優(yōu)化，機(jī)制砂得到了全面應(yīng)用。隨著我國新型工業(yè)化、農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化、信息化和智能化向縱深發(fā)展，預(yù)計(jì)機(jī)制砂的生產(chǎn)和使用會持續(xù)穩(wěn)定增長。2011-2019年我國機(jī)制砂消費(fèi)量和消費(fèi)占比變化情況如圖3所示。

圖3 2011-2019年我國機(jī)制砂消費(fèi)量和消費(fèi)占比變化情況

2 煤矸石制機(jī)制砂及其應(yīng)用

2.1 煤矸石的成分組成及其特點(diǎn)

我國是世界煤炭生產(chǎn)和消費(fèi)大國，伴隨著煤炭的開發(fā)利用，相應(yīng)產(chǎn)生了大量煤矸石。目前，全國煤矸石堆存已超過50億t，占地約為400 km2[24]，而且在以每年10%～15%的速度遞增。大量煤矸石堆存，造成了較為嚴(yán)重的環(huán)境污染[25]。實(shí)施煤矸石資源化利用不僅可以消減煤矸石，減輕環(huán)境污染，還能提高廢棄資源的利用效率[26]。目前，煤矸石已應(yīng)用于農(nóng)業(yè)制肥、建筑材料、燃燒發(fā)電、工程施工、耐火材料等多個(gè)方面[27]。由于煤矸石的成分組成和性質(zhì)與砂石十分接近，利用煤矸石制備機(jī)制砂，無疑是大規(guī)模進(jìn)行煤矸石資源化利用的重要方向。煤矸石與砂石成分對比見表8。

表8 煤矸石與砂石成分對比[28-31] wt%

2.2 煤矸石機(jī)制砂的特點(diǎn)

2.2.1 抗壓能力

王亮等[32]研究人員研究了煤矸石細(xì)骨料混凝土的抗壓強(qiáng)度，發(fā)現(xiàn)煤矸石細(xì)骨料添加量以20 %為界限，低于20 %時(shí)，混凝土的抗壓強(qiáng)度變化較小，甚至出現(xiàn)微小上升；高于20%時(shí)，混凝土的抗壓強(qiáng)度銳降。

煤矸石細(xì)骨料添加量對混凝土抗壓強(qiáng)度的影響如圖4所示。

圖4 煤矸石細(xì)骨料添加量對混凝土抗壓強(qiáng)度的影響

張振等[33]研究人員對比了煤矸石機(jī)制砂混凝土和天然砂混凝土的力學(xué)性能，得出機(jī)制砂混凝土在3 d、7 d和28 d的抗壓強(qiáng)度均大于天然砂混凝土的抗壓強(qiáng)度，機(jī)制砂與天然砂混凝土強(qiáng)度對比如圖5所示。

圖5 機(jī)制砂與天然砂混凝土強(qiáng)度對比

2.2.2 耐久性能

李永靖等[34]研究人員對比了不同水灰比條件下煤矸石骨料混凝土(MH) 及天然砂骨料混凝土(SH)的力學(xué)性能，2種骨料混凝土試件耐久性指數(shù)如圖6所示。

圖6 2種骨料混凝土試件耐久性指數(shù)

由圖6可以看出，隨著水灰比增大，2種骨料混凝土的耐久性指數(shù)均有一定程度的降低，由于煤矸石的強(qiáng)度稍低，因此其耐久性能下降更為明顯。但試驗(yàn)結(jié)果表明，煤矸石骨料混凝土的抗凍性能能夠滿足凍融循環(huán)耐久性指數(shù)大于60%的要求。

2.3 煤矸石機(jī)制砂的應(yīng)用

2.3.1 煤矸石機(jī)制砂用作建筑材料

(1)煤矸石制砂作為輕細(xì)骨料混凝土。與廢石和尾礦相比、煤矸石自重較小且表面粗糙，使煤矸石呈現(xiàn)出較強(qiáng)的吸濕性，水和泥化產(chǎn)物易于進(jìn)入，因此可以提高集料和水泥界面的粘結(jié)力。煤矸石還可以與水泥中的氫氧化鈣發(fā)生火山灰反應(yīng)，利于改善混凝土的性能[35]。黃愛悅等[36]研究人員研究表明煤矸石混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)低于普通混凝土，高于其它輕混凝土。另外，研究得出煤矸石輕集料混凝土的抗凍性能優(yōu)于普通混凝土，抗?jié)B標(biāo)號為S10，抗碳化深度為4.2 mm。利用煤矸石輕集料與煤矸石水泥配制的膠砂試塊強(qiáng)度(28 d)比用標(biāo)準(zhǔn)砂與煤矸石水泥配制的要高，煤矸石水泥膠砂試塊強(qiáng)度(28 d)比較見表9[36]。

表9 煤矸石水泥膠砂試塊強(qiáng)度(28 d)比較

(2)煤矸石機(jī)制砂制備新型混凝土。煤矸石制砂可用于制備泡沫混凝土等新型混凝土[37]，這種混凝土代替紅磚或燒結(jié)煤矸石磚做墻體，不僅可以減輕墻體重量，提高抗震和安全性能，還可以替代40%～70%的水泥，其成本只有普通水泥混凝土的1/2～3/4，經(jīng)濟(jì)效益明顯[38]。

2.3.2 煤矸石機(jī)制砂填充路段

閆廣宇等[39]研究人員對煤矸石集料基層混合料進(jìn)行了不同配合比的試驗(yàn)，根據(jù)粗細(xì)集料與粉煤灰的不同配比設(shè)置S1、S2、S3、S4這4個(gè)組別。研究發(fā)現(xiàn)，將煤矸石破碎篩分后，外摻10 %的粉煤灰加入基層混合料中，可顯著提升路基材料的致密度、耐久性和抗擊碎性，同時(shí)提高路基的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度、抗劈裂性能和抗壓回彈模量，滿足二級公路的相關(guān)技術(shù)要求。不同煤矸石集料基層混合料配合比設(shè)計(jì)方案見表10。

表10 煤矸石集料基層混合料配合比設(shè)計(jì)方案

(1)無側(cè)限抗壓強(qiáng)度。與天然集料相比，煤矸石細(xì)集料摻入粉煤灰不僅可以提高材料的抗壓強(qiáng)度，而且可以提高基層材料的抗劈裂強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度[40]，不同時(shí)間下煤矸石集料無側(cè)限抗壓強(qiáng)度對比試驗(yàn)如圖7所示[41]。

圖7 煤矸石集料無側(cè)限抗壓強(qiáng)度對比試驗(yàn)

試驗(yàn)結(jié)果表明，煤矸石集料基層材料強(qiáng)度雖低于天然集料基層材料，但以0～5 mm的煤矸石作為細(xì)集料制備的混合料，7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度仍滿足《公路路面基層施工技術(shù)細(xì)則》(JTGT F20-2015)中二級公路基層強(qiáng)度的要求，且粉煤灰的摻入可提高其抗壓強(qiáng)度，尤其對水泥穩(wěn)定后的煤矸石細(xì)集料的強(qiáng)度增長顯著，并且有很好的后期強(qiáng)度的增長，粉煤灰作用在煤矸石集料基層材料的增長率大于天然集料基層材料。

(2)抗壓回彈模量。煤矸石集料摻入粉煤灰基料，隨著水泥水化產(chǎn)生的堿性水化產(chǎn)物 Ca(OH)2而激活火山灰反應(yīng)，從而增強(qiáng)材料的后期強(qiáng)度和剛度，滿足《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D50-2006)要求的公路水泥穩(wěn)定碎石抗壓回彈模量推薦范圍1 300～1 700 MPa的要求，煤矸石機(jī)制砂細(xì)集料用于公路基層材料，其抗壓回彈模量滿足規(guī)范要求，煤矸石集料抗壓回彈模量如圖8所示。

圖8 煤矸石集料抗壓回彈模量

2.3.3 煤矸石制砂用于橋面路面的修葺建設(shè)

煤矸石機(jī)制砂棱角狀和表面粗糙的特點(diǎn)，使得顆粒間的粘結(jié)力及機(jī)械咬合力均大于天然砂，使其抗擾動(dòng)性和抗裂性較強(qiáng)，可用于橋面路面修葺工程[42]，制得的高強(qiáng)度混凝土坍落度和擴(kuò)展度分別達(dá)到250 mm和615 mm，28 d抗壓強(qiáng)度超過70 MPa，180 d的收縮率為315×10-6，因此可用于建造高穩(wěn)定橋梁[43]。

2.4 煤矸石制備機(jī)制砂存在的問題

盡管煤矸石機(jī)制砂可用于建筑、道路施工，但是迄今為止，煤矸石機(jī)制砂尚未得到規(guī)模化利用，究其原因主要存在如下問題。

(1)煤矸石的成分復(fù)雜、性質(zhì)差異較大，而且不同地區(qū)、不同產(chǎn)地的煤矸石，其物理化學(xué)性能差異明顯，加之煤矸石中普遍含有一定的煤等碳質(zhì)組分，多地煤矸石的硫分較高，高硫煤矸石中還有一定量的硫酸鹽，遇到堿金屬容易生成可溶性硫酸鹽，并在一定溫度下產(chǎn)生SO2腐蝕設(shè)備[44]。顯然，有必要實(shí)施煤矸石的精準(zhǔn)分級分質(zhì)，減少或者分選煤矸石中的碳質(zhì)和硫分，以符合機(jī)制砂對原料品質(zhì)的要求。

(2)煤矸石骨料多孔易吸水，強(qiáng)度較低，限制了其在高性能混凝土中的應(yīng)用；煤矸石制備機(jī)制砂多孔吸水使空隙水增多、自由水量減少，進(jìn)而使機(jī)制砂混凝土拌和物漿體的流變性減小、粘聚度降低，有可能使機(jī)制砂混凝土離析泌水[45]。煤矸石砂的粒徑組成、孔徑分布、孔的連通性及其吸返水速率對混凝土性能的影響也有待進(jìn)一步研究[46]。

(3)不同類型的煤矸石和煤矸石中的不同組分制得的機(jī)制砂，往往會出現(xiàn)細(xì)度模數(shù)不穩(wěn)定、顆粒級配不合理、細(xì)顆粒含量太少等問題[47]。塑性指數(shù)與原料的細(xì)度密切相關(guān)，原料粒度越小、塑性越好、致密性越高、越易于制成水泥熟料，成品的抗凍性能、抗壓性能就越好[48]。因此，需要選用適宜的制砂技術(shù)，以精準(zhǔn)控制煤矸石機(jī)制砂的細(xì)度模數(shù)。

(4)缺少煤矸石制機(jī)制砂的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，難以進(jìn)行煤矸石原料要求、制砂工藝和產(chǎn)品規(guī)格的規(guī)范，同時(shí)也難以進(jìn)行煤矸石機(jī)制砂工程的規(guī)范化監(jiān)理和管控。

3 結(jié)論與建議

(1)煤矸石制備機(jī)制砂需要突破煤矸石原料組分復(fù)雜、性質(zhì)差異變化較大的難題，需要聯(lián)合礦物加工工程、材料工程和環(huán)境工程等多個(gè)領(lǐng)域以及煤炭、材料、環(huán)保等多個(gè)行業(yè)協(xié)同攻關(guān)，起草和編制相應(yīng)的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)范煤矸石制備機(jī)制砂的原料要求、工藝流程和產(chǎn)品規(guī)格，實(shí)施煤矸石制備機(jī)制砂的標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)與規(guī)范化管控。

(2)我國機(jī)制砂產(chǎn)銷量已超過180億t，將煤矸石等工業(yè)固體廢棄物規(guī)模化制備機(jī)制砂，無疑是實(shí)現(xiàn)煤矸石有效資源化利用和大規(guī)模消減的最佳途徑之一。建議國家和地方相關(guān)部門適時(shí)出臺財(cái)政、稅收、資源綜合利用扶持政策，鼓勵(lì)煤矸石(工業(yè)固體廢棄物)制備機(jī)制砂產(chǎn)業(yè)發(fā)展，促進(jìn)煤矸石資源化利用。

(3)開展煤矸石精準(zhǔn)分級分質(zhì)制備機(jī)制砂關(guān)鍵技術(shù)和智能化裝備研發(fā)，實(shí)施煤矸石中煤、硫化物、粘土礦物、砂石的精準(zhǔn)分級分質(zhì)，然后根據(jù)各組分的性質(zhì)分別加以合理有效利用，使煤矸石機(jī)制砂制備建立在智能、綠色、高效、全組分利用的可持續(xù)發(fā)展之上[49]。