基于煤矸石混凝土正交試驗的試驗研究

摘 要：目前，煤矸石是我國年排放量和累計堆存量最大的工業廢棄物之一，有文獻研究發現，煤矸石粉碎后，其可以部分或全部代替黏土組分生產普通水泥。該研究以煅燒過的煤矸石粉與非煅燒過的煤矸石粉為研究對象，在混凝土中利用煤矸石替代一部分水泥，來研究混凝土的抗壓強度。通過正交試驗，發現煅燒過的煤矸石粉活性大于未煅燒的，且煅燒過煤矸石替代水泥的最佳替代范圍大致在20%～35%；未煅燒過煤矸石替代水泥的最佳替代范圍大致在15%～30%。這個研究結果實現對煤矸石的再利用，具有保護環境和節約資源的重要意義。

關鍵詞：煤矸石粉；水泥；活性；替代率；抗壓強度

中圖分類號：TD849 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2024）29-0086-05

Abstract： At present， coal gangue is one of the industrial wastes with the largest annual discharge and cumulative stock in China. Studies from some literature have found that after pulverizing coal gangue， coal gangue can partially or completely replace clay components to produce ordinary cement. This study takes calcined coal gangue powder and non-calcined coal gangue powder as the research object， and uses coal gangue to replace part of cement in concrete to study the compressive strength of concrete. Through orthogonal experiment， it is found that the activity of calcined coal gangue powder is greater than that of uncalcined coal gangue powder， and the best replacement range of calcined coal gangue instead of cement is roughly between 20% and 35%. The best replacement range of uncalcined coal gangue for cement is roughly between 15% and 30%. This research result realizes the reuse of coal gangue and has the important significance of environmental protection and resource saving.

Keywords： coal gangue powder; cement; activity; substitution rate; compressive strength

煤矸石是目前我國年排放量和累計堆存量最大的工業廢棄物之一，煤矸石中含有大量的有機成分，同時富含金屬、堿土，以及碳、氮、氧、硫、硅、鋁和鉀等多種化學元素[1]。而傳統混凝土的生產是通過將水泥與砂子和礫石相結合而制成的，占全球溫室氣體排放量的5%～8%。這是因為水泥是混凝土中的關鍵成分，需要高溫和大量的能源來生產。因此，如果要減少能源消耗的話就得尋找代替水泥的物質，把煤矸石粉碎后，煤矸石可以全部或部分代替黏土組分生產普通水泥[2-3]。自燃或人工燃燒過的煤矸石，具有一定活性，可作為水泥的活性混合材料[4]，一般摻合量小于20%可生產普通硅酸鹽水泥；而當摻合量在20%～50%可生產火山灰質水泥；摻合量大于50%可生產少熟料水泥；硅酸鹽水泥是由水玻璃與火山灰質混合形成，以硅酸鹽為主，摻入少量其他成分。火山灰質硅酸鹽水泥是以石膏（CaSO4·2H2O）作膠凝劑，用火山灰質原料（如玄武巖、輝綠巖、安山巖等）與石灰石為主要原料，加入少量其他成分組成。而我國當前僅對水泥的強度指標、安定性和凝結時間作了規范要求，尚未對水泥顆粒的化學成分、摻合料和級配作出規定[5]。

1 試驗材料

1.1 水泥

因為考慮到摻和量的問題，以及貼合規范的要求，所以本實驗采用的是P·O32.5級粉煤灰碳酸水泥[6]。

1.2 粗集料

按照JTG E42—2005《公路工程集料試驗規程》規定，在水泥混凝土中，粗集料是指粒徑大于4.75 mm的碎石、礫石I，本試驗中粗骨料采用的是4.75～6 mm的連續級配碎石[7]。

1.3 細集料

按照JTG E42—2005《公路工程集料試驗規程》規定，在水泥混凝土中，細集料是指粒徑小于4.75 mm的天然砂、機制砂。本試驗中采用天然河砂[7]。

1.4 煤矸石粉

煤矸石（coal gangue）是采煤和洗煤工業的副產品，是無機質和少量有機質的混合物。其灰份的化學成分主要是：SiO2、Al2O3、C和少量的Fe2O3、CaO、MgO、Na2O、K2O、SO3、P2O5、N和H等，產地不一樣其微量化合物也不一樣。煤矸石的礦物成分以黏土礦物和石英成分為主。

含碳量較高的煤矸石，可從中回收煤炭或做工業生產的燃料，如化鐵、燒鍋爐、燒石灰， 以及生產煤氣或在選煤廠通過洗選回收煤炭；含碳量較低的煤矸石可用作生產磚瓦、水泥、輕骨料、沸石分子篩、礦渣棉和工程塑料等建筑材料；含碳量極少的煤矸石可用來填坑、造地和作路基材料。一些煤矸石粉還可以用來改良土壤、做肥料和農藥載體。氧化鋁含量高的煤矸石，可以用來提取化學品。附加值較高的用途如制高效絮凝劑、制高檔瓷[8]。

本次試驗采用經過煅燒和未經過煅燒2種不同的煤矸石粉。

1.4.1 煅燒過煤矸石粉主要成分表

煅燒過煤矸石粉的主要成分見表1。

1.4.2 未煅燒過煤矸石粉主要成分表

未煅燒過煤矸石粉的主要成分見表2。

1.5 水

本次試驗采用水為自來水，其密度為1 g/cm3，符合拌合用水標準。

2 試驗方法

本次試驗運用了正交試驗的方法，正交試驗設計（Orthogonal experimental design）是一種用于優化和改進產品、工藝或系統的實驗設計方法，其通過系統地變化和組合不同因素的水平，以確定對結果影響最大的因素和最佳的因素組合。

正交試驗設計的核心思想是通過選擇特定的因素水平組合，使得每個因素都能在不同的水平上進行測試，并且能夠獨立地評估每個因素對結果的影響。這樣可以在有限的試驗次數內獲得較全面的信息，減少試驗次數，提高試驗效率。

正交試驗設計通常使用正交表來安排試驗條件，以確保各個因素之間的相互作用最小化。通過分析試驗結果，可以確定主要影響因素和最佳的因素水平組合，從而優化產品或工藝，提高效率和性能。明確測試煤矸石粉代替部分水泥制造混凝土試塊的目的，確立多個試驗方案，進行試驗對比，并將試驗結果和數據進行統計分析對比，從而確立最后的結論。

3 試驗制備

首先確定C30混凝土的配合比，然后對試驗材料（水、水泥、煤矸石粉、細集料、粗集料）進行稱量。再按照不同比例的煤矸石粉替代水泥進行混凝土試塊的分組制作，尺寸為150 mm×150 mm×150 mm的正方體標準試塊（煤矸石粉替代量的范圍為15%～80%）。按照《混凝土強度檢驗評定標準》進行振搗和養護，并在養護時間為7、14和28 d時進行抗壓試驗，測試并記錄各組的抗壓強度數值[8]。

此外，采用正交試驗方法對煤矸石混凝土的配合比進行設計。選擇了煤矸石粉種類和煤矸石粉替代率這2個因素作為重要指標。每個指標選取了2個水平。一是煤矸石粉種類包括煅燒過和未煅燒（即活性的強度不同）；二是不同煤矸石粉替代率下的混凝土抗壓強度，通過這樣的正交試驗設計可以系統地評估不同煤矸石粉種類和摻量對混凝土性能的影響，進一步優化配合比設計，以獲得最佳替代量下的煤矸石混凝土性能。

4 配合比設計

煤矸石混凝土的配合比設計見表3。

4.1 混凝土的制備

雙臥軸攪拌機發動前首要查看旋轉部分與料筒是否有刮碰現象，如有刮碰，應及時調整。

減速箱應注入機油后方能運用，卸料蝸輪及滑動軸承處也應注入機油，然后清理料筒內雜料，將筒體限位裝置鎖緊，發動機器（如在發動后發現工作方向不符合要求時，應及時堵截電源，將導線的任意兩根相線交換方位，再重新發動）將混凝土拌合物料裝入料筒內，合上筒蓋，根據攪拌時刻調整時刻繼電器的守時（必須在斷電情況下調整），按動發動按鈕，主軸便帶動攪拌鏟工作，到達設守時刻后主動停車，進行卸料。卸料時先停機，然后將料體位約束受柄松開，再旋轉手輪，由蝸輪帶動料筒旋轉到便于出料的方位，中止轉動，然后發動機器使主軸工作方可排出物料，直至將料排干凈中止主軸工作，旋轉手輪使物料筒復位，最后雙臥軸攪拌機清洗料筒，將水倒入料筒內使主軸工作將料筒內殘余物料清洗干凈或用砂子洗?；炷岭p臥軸攪拌機如圖1所示。

4.2 混凝土的養護

在養護箱中的正方體試塊，在養護箱中養護7、14、28 d取出測試其抗壓強度。

按照規范混凝土標準養護箱的溫度標準為20 ℃±2 ℃，相對濕度標準為95%以上，箱內溫濕度均勻性應滿足上述要求；箱內設有試件放置架，試件放在架子上彼此間距至少保持10～20 mm，加濕裝置保證噴出的水是霧化狀態，未將水直接澆淋在試件上。標準養護箱如圖2所示。

5 試驗數據

5.1 活性分析

使用微機控制電流伺服萬能實驗機，對煤矸石混凝土的7、14、28 d的抗壓強度進行檢測，可以獲得不同煤矸石粉混凝土的抗壓強度數據，具體抗壓強度數據見表4，并進一步使用Origin軟件進行數據分析。

首先，準備2種不同煤矸石粉混凝土的試樣，并進行相應的抗壓試驗。試驗過程中，記錄下施加在每個試樣上的壓力和相應的應變值。這樣就可以得到一系列數據，分別對應著不同煤矸石粉混凝土的抗壓強度。

通過Origin的數據導入功能，將實驗數據快速導入并進行處理。然后，使用Origin的繪圖工具繪制出不同煤矸石粉混凝土的抗壓強度變化曲線。這樣可以直觀地觀察到2種混凝土的抗壓強度差異，并對其進行比較和分析。

另外，在繪制抗壓強度變化曲線的同時，還可以考慮不同替代率下混凝土抗壓強度的變化。即通過改變煤矸石粉在混凝土中的替代率，觀察抗壓強度的變化趨勢。在Origin中，可以使用函數擬合工具對不同替代率下的抗壓強度數據進行擬合分析，以得到更準確的曲線擬合結果。

通過Origin軟件的數據分析功能，可以更全面地了解不同煤矸石粉混凝土的抗壓強度變化及其與替代率之間的關系。這可以為工程設計和材料研究提供有價值的信息，以指導混凝土配方設計和優化?；钚圆罹嗯c抗壓強度養護時間關系如圖3所示。

通過試驗數據以及圖3可以看到，在不同替代率下，煅燒過的煤矸石粉混凝土的抗壓強度均優于非煅燒過煤矸石粉混凝土。進一步驗證了煅燒過煤矸石粉具有更高活性。活性煤矸石粉是指在一定條件下經過特殊處理或煅燒后的煤矸石粉，其具有更高的活性和反應性。煅燒過程可以改變煤矸石粉的顆粒結構和化學性質，從而增強其活性。這可能是由于煅燒過程中發生了物理和化學變化，導致煤矸石粉中的某些化學成分得到激活，使其更容易與水泥和其他混凝土成分發生反應。未經煅燒的煤矸石粉具有較低的活性，因為其未經過類似的處理過程。然而，具體的活性差異可能受到多種因素的影響，如煤矸石粉的原始成分、煅燒溫度和時間等。

綜上所述，根據圖3的分析結果，可以初步得出結論煤矸石粉具有活性，并且煅燒的煤矸石活性大于未煅燒過的。

5.2 替代率分析

對不同替代率下抗壓強度與養護時間進行對比分析，具體如圖4所示。

由試驗數據和圖4可知，不同替代率下的試塊表現出了不同的折線波度曲線。其中，20%無活性和20%有活性試塊的波度曲線與純水泥試塊非常相似，這表明這2種替代率下煤矸石粉替代水泥方面的能力比較強。而80%有活性和80%無活性的試塊則顯示出比較平緩的曲線，這表明這2種替代率下的替代效果不是很好。

在具體替代材料的選擇方面，需要考慮到煅燒與未煅燒的煤矸石的替代情況，隨著養護時間的延長，20%經過煅燒和未煅燒的煤矸石粉與80%其強度增長趨勢和幅度有了明顯差距。根據圖4數據表明，煅燒過的煤矸石替代水泥的最佳替代范圍大致在20%～35%，而未煅燒的煤矸石替代水泥的最佳替代范圍大致在15%～30%。

6 結論

本試驗主要研究煤矸石粉的活性以及煤矸石對水泥的最佳替代率。通過試驗數據以及圖3和圖4對實驗結果進行分析總結，得到如下結論。

1）通過正交試驗發現，煤矸石粉具有活性，并且煅燒的煤矸石活性大于未煅燒過的。

2）通過不同替代率下的煤矸石粉混凝土試驗發現，煅燒過煤矸石替代水泥的最佳替代范圍大致在20%～35%；未煅燒過煤矸石替代水泥的最佳替代范圍大致在15%～30%。

試驗結果表明，在混凝土生產中，可以將一部分煤矸石粉用作水泥的替代品，從而減少對傳統水泥的需求，還能實現對廢棄煤矸石的回收利用，具有較高的性價比。這對于保護環境和節約資源具有積極意義。

參考文獻：

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[6] 混凝土強度檢驗評定標準：GB/T 50107—2010[S].北京：中國建筑工業出版社，2010.

[7] 公路工程集料試驗規程：JTG E42—2005[S].北京：人民交通出版社，2005.

[8] 劉杰.煤矸石及電廠粉煤灰制磚經濟性分析[J].陜西煤炭，2020，39（5）：116-119.