楊彥生

（國(guó)家能源集團(tuán)神東煤炭集團(tuán)有限責(zé)任公司環(huán)保管理處，陜西 榆林 719300）

1 概述

煤矸石是采煤過(guò)程和洗煤過(guò)程中排放的固體廢物，是一種在成煤過(guò)程中與煤層伴生的一種含碳量較低、比煤堅(jiān)硬的黑灰色巖石，在煤炭開(kāi)采量中其占比約10% ～25%［1］?！吨袊?guó)礦產(chǎn)資源節(jié)約與綜合利用報(bào)告（2019） 》顯示我國(guó)尾礦和廢石累積堆存量目前已接近600 億t，75%為煤矸石和礦山開(kāi)采產(chǎn)生的廢石。煤矸石的合理開(kāi)發(fā)和利用，不僅有利于減少環(huán)境污染，而且有很好的經(jīng)濟(jì)效益。但是相關(guān)資料顯示，我國(guó)的煤矸石在2019 年的利用率約為70%，低于歐美發(fā)達(dá)國(guó)家90%的利用率［2］。可見(jiàn)我國(guó)的煤矸石利用力度還不夠大，因此研究提高煤矸石的綜合利用率和利用價(jià)值，既能使資源再利用，又可起到保護(hù)環(huán)境的作用。

在煤矸石利用方面，2011 年初太原西山煤礦將煤矸石破碎處理后填充到空巷道中，有效解決了采空區(qū)下陷的問(wèn)題［3－4］。Li，F(xiàn)．C 等［5］以酸浸煤矸石為硅源，通過(guò)碳熱還原法制備了SiC 纖維。周美榮［6］等確定了制備新型空心磚的最佳配方和最優(yōu)工藝參數(shù)。趙亞兵等［7］則是將煤矸石作為主要原料制備出強(qiáng)度高和透水性能優(yōu)良的透水磚。Taha，Y 等［8］從煤礦廢石中回收殘留的煤，然后再利用衍生的尾礦來(lái)生產(chǎn)環(huán)保的燒結(jié)磚。廣州大學(xué)使用高煤酸或煅燒煤石，礦渣，粉煤灰和再生骨料為原料生產(chǎn)地聚合物再生混凝土［9］。應(yīng)該看到上述技術(shù)并不能規(guī)模化、可持續(xù)地消納數(shù)量龐大的煤矸石資源，研究開(kāi)發(fā)煤矸石的利用途徑，提高煤矸石的消耗率，意義重大，本文研究煤矸石砂替代活性粉末混凝土（RPC） 中的石英砂即為煤矸石新用途的一種。

活性粉末混凝土（RPC） 是近年來(lái)出現(xiàn)的一種力學(xué)性能、耐久性能都非常優(yōu)越的新型建筑材料。其組成材料不同粒徑顆粒以最佳比例形成最緊密堆積，即毫米級(jí)顆粒（骨料） 堆積的間隙由微米級(jí)顆粒（水泥、粉煤灰、礦粉） 填充，微米級(jí)顆粒堆積的間隙由亞微米級(jí)顆粒（硅灰） 填充。隨著設(shè)計(jì)理論的完善、超高效減水劑技術(shù)的進(jìn)步，這種材料已具備了普通混凝土的施工性能［10－13］。但RPC 中使用了大量的細(xì)石英砂，極大地提高了RPC 的原材料成本。已有的研究表明：

1） 利用再生骨料可以制備經(jīng)濟(jì)型RPC。

2） 將煤矸石制成不同粒級(jí)的矸石砂，可代替普通砂石。如果利用煤矸石砂可以制備經(jīng)濟(jì)型RPC，將探索出一條規(guī)?；?、可持續(xù)地消納數(shù)量龐大的煤矸石資源，全面替代砂石開(kāi)采的有效途徑。

2 試驗(yàn)研究所需的原材料

1） 煤矸石：取自陜北某煤礦的洗選矸石，主要化學(xué)成分：SiO2的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為51． 2%，Al2O3的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為41．4%，CaO 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1．2%，F(xiàn)e2O3的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2．76%。采用鄂式破碎機(jī)粗破碎，球磨機(jī)研磨后過(guò)篩，制成矸石砂，取粒度5 mm 和2．36 mm 以下為實(shí)驗(yàn)樣品備用。對(duì)樣品進(jìn)行檢測(cè)，壓碎值為21．7%，含泥量3．2%，表觀密度為2．11 t/m3，松裝密度為1．09 t/m3。

2） 水泥：秦嶺牌P． O42．5 普通硅酸鹽水泥，三氧化硫的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1．9% ～3．5%，具有中水化熱和中抗硫酸鹽性。標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量28．3%，初凝時(shí)間147 min，終凝時(shí)間253 min，3 d 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度23．5 MPa；28 d 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度51．4 MPa。

3） 硅灰：灰白色粉末，比表面積為2 800 000 cm2/g，平均粒徑0．2 μm。

4） 減水劑：聚羧酸高效減水劑，減水率不小于30%。

5） 鋼纖維：鍍銅鋼纖維，長(zhǎng)度為12 mm ～14 mm，抗拉強(qiáng)度大于1 000 MPa。

6） 粉煤灰：其粒徑一般在1 μm ～100 μm 之間。

3 RPC 試驗(yàn)樣品制備方法

首先將原料按照質(zhì)量比進(jìn)行混合，配比為矸石砂∶水泥∶硅灰∶粉煤灰=30∶10∶3∶3，手動(dòng)攪拌3 min ～5 min；其次將鋼纖維以100 kg/m3的比例撒入攪拌后的混合料中，混合攪拌均勻；再次將減水劑和水混合均勻后加入混合均勻的混合料中，利用水泥膠砂攪拌機(jī)攪拌5 min，如圖1（a）所示。

制備樣品選用的模具尺寸為160 mm × 40 mm ×40 mm，將攪拌均勻的混凝土拌和料裝入模具，經(jīng)過(guò)振動(dòng)臺(tái)振搗成型（如圖1（b） 所示） 。將制備好的試驗(yàn)樣品靜置24 h 后脫模，再進(jìn)行7 d 的標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)生。

圖1 試驗(yàn)樣品制備

4 力學(xué)性能測(cè)試方法

依據(jù)GB/T 17671—2020 水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法（ISO 法）［14］測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下，試驗(yàn)樣品件的7 d 強(qiáng)度。利用萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)分別對(duì)160 mm×40 mm×40 mm 的試件樣品進(jìn)行三點(diǎn)彎曲抗折強(qiáng)度試驗(yàn)，試驗(yàn)后采用抗壓強(qiáng)度測(cè)試夾具測(cè)定抗壓強(qiáng)度，試驗(yàn)操作圖可見(jiàn)圖2，圖3。其中抗壓強(qiáng)度計(jì)算公式如下：

圖2 三點(diǎn)彎曲抗折強(qiáng)度試驗(yàn)

圖3 抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

其中，F(xiàn)cs為抗壓強(qiáng)度，MPa；Fc為受抗壓時(shí)的破壞荷載，N；S為試件受壓面的面積，cm2。

抗折強(qiáng)度計(jì)算公式如下：

其中，F(xiàn)cf為抗折強(qiáng)度，MPa；Fc為受抗折時(shí)的破壞荷載，N；L為兩支點(diǎn)間的距離，mm；b為試件截面寬度，mm；h為試件截面高度，mm。

5 試驗(yàn)結(jié)果與分析

5．1 試驗(yàn)結(jié)果

試件的7 d 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度和三點(diǎn)彎曲抗折強(qiáng)度的試驗(yàn)結(jié)果如表1 所示。經(jīng)過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，矸石砂混凝土的7 d 齡期抗壓強(qiáng)度可達(dá)44．85 MPa，抗壓強(qiáng)度完全滿(mǎn)足C40 混凝土的力學(xué)強(qiáng)度要求?？拐蹚?qiáng)度最高達(dá)到5．09 MPa，說(shuō)明矸石砂混凝土具有較好的韌性。

表1 矸石砂混凝土的7 d 力學(xué)強(qiáng)度

5．2 抗折強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果分析

抗折試件破壞后的典型形態(tài)圖及力與位移曲線如圖4，圖5 所示。

圖4 抗折試件破壞形態(tài)圖

圖5 典型抗折試件力-位移曲線圖

由圖4，圖5 可見(jiàn)，矸石砂制備的高強(qiáng)混凝土材料的延展性較好，試件受壓初期表現(xiàn)為彈性，試件所受荷載與撓度基本呈線性關(guān)系變化，試件底部完整。達(dá)到峰值強(qiáng)度后，試件所受荷載減小，撓度繼續(xù)增大，伴隨著試件底部出現(xiàn)裂縫，且裂縫逐漸向上延伸。撓度達(dá)到夾具最大值2．5 mm 時(shí)，裂紋還未完全貫穿試件，彎拉殘余強(qiáng)度高。

5．3 抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果分析

將圖4 所示的破壞試件放入圖3 的夾具中開(kāi)展抗壓強(qiáng)度測(cè)試。樣品破壞形態(tài)及其對(duì)應(yīng)的力與位移曲線如圖6，圖7 所示。

由圖6，圖7 可見(jiàn)，矸石砂制備的高強(qiáng)混凝土材料的抗壓性能較好，試件受壓初期表現(xiàn)為彈性，試件所受荷載與壓變形基本呈線性關(guān)系變化。達(dá)到峰值強(qiáng)度后，試件所受荷載迅速減小，撓度繼續(xù)增大，未出現(xiàn)常見(jiàn)的剪切裂紋，裂紋均布分布，未完全貫穿試件，有兩個(gè)主要破壞裂縫發(fā)育，樣品變形嚴(yán)重，但仍然為一體，沒(méi)有完全斷裂成幾塊。認(rèn)為是鋼纖維在混凝土內(nèi)部膠結(jié)較好，提高了其抗破壞能力。

圖6 典型抗壓試件

圖7 典型抗壓試件力-位移曲線圖

經(jīng)過(guò)初步試驗(yàn)，利用矸石砂制備的混凝土的7 d 抗折強(qiáng)度可達(dá)到5．09 MPa，7 d 抗壓強(qiáng)度44．85 MPa，證明利用矸石砂制備高強(qiáng)混凝土材料的方法是可行的。

6 結(jié)論

1） 利用矸石砂制備的高強(qiáng)度的活性粉末混凝土最大抗壓強(qiáng)度可達(dá)50．1 MPa，最大抗折強(qiáng)度可達(dá)5．34 MPa，7 d 平均抗壓強(qiáng)度也達(dá)到了44．85 MPa，7 d 平均抗折強(qiáng)度達(dá)到了5．09 MPa。

2） 利用矸石砂制備的高強(qiáng)混凝土具有較強(qiáng)的抗破壞能力，樣品第八次破壞后其抗壓強(qiáng)度仍有9．26 MPa，認(rèn)為其鋼纖維膠結(jié)較好，提高了其抗破壞能力。

3） 證明了矸石砂制備高強(qiáng)混凝土是可行的。同時(shí)，將矸石砂制備的混凝土就地利用在建筑材料中，有良好的環(huán)保和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。