煤矸石用作混凝土骨料的可行性分析

刘 辉，陈 菲

(陕煤集团神木柠条塔矿业有限公司，陕西 榆林 719300)

0 引言

煤矸石是煤矿在开拓掘进、采煤、煤炭洗选和加工过程中所产生的固体废弃物，是我国目前年排放量和累计堆存量最大的工业废弃物[1]。据统计，我国目前累计堆存煤矸石约70亿t以上，占地面积为70 km2，且仍以每年3.0～3.5亿t的速度增加。煤矸石的存储、运输给煤矿企业造成较大的经济损失，煤矸石的堆存不仅占压大量土地资源，同时其自燃等还污染环境[2-4]。但煤矸石也是包含多种矿物的混合物，根据煤矸石的化学成分、物理性能有针对性地开展煤矸石的综合利用，既能降低煤矸石的堆存造成的经济环境问题，又可充分利用自然资源、降低企业生产成本[5-7]。

1 煤矸石的化学分析

煤矸石的化学组成是评价煤矸石特性、利用途径与指导生产的重要指标。煤矸石的化学组成随着煤层地质年代、不同产生途径以及不同岩石性质，其化学组成波动较大，主要由无机矿物质、少量有机物以及微量稀有元素组成。煤矸石的化学成分不稳定，不同地区区域成分差别较大[8-11]。本次试验使用的煤矸石产自陕煤集团柠条塔煤矿所在地。

1.1 化学组成分析

分析仪器：化学组成分析是通过谱图对样品的成分进行定量分析，最终得出氧化物所占的百分比。对煤矸石的化学成分分析采用德国Bruker公司生产的S4 PIONEER型X射线荧光光谱分析仪(XRF)，如图1所示。

图1 化学组成分析仪器

分析结果：煤矸石的化学组成分析见表1。由表1可知，煤矸石的化学成分组成中，SiO2和Al2O3的含量均占有较大的比重，分别为46.71%和15.39%。从化学组成上来看，煤矸石里不含有害元素，可以作为骨料来制备混凝土。

表1 煤矸石化学成分

1.2 矿物组成分析

分析仪器：矿物组成分析是利用仪器来定性分析某种矿物在试样中的含量，煤矸石和黄砂的矿物组成分析采用日本理学公司生产的D/MAX-2200型X射线粉末衍射仪(XRD)，如图2所示。矿物的X射线衍射图谱如图3所示。

图2 矿物组成分析仪器

图3 煤矸石X射线衍射图谱

分析结果：通过对煤矸石的X射线衍射图谱分析可以看出，煤矸石是以石英(SiO2)为主，石英的抗风化能力很强，既耐磨又耐分解，由此推断从矿物组成角度而言煤矸石是可以用作骨料来制备混凝土。除石英外，煤矸石的主要矿物组成还包括白云母、斜绿泥石、蓝柱石以及高岭石等。

2 煤矸石物理力学试验

2.1 煤矸石粗骨料的制备

制备的必要性：骨料的颗粒级配是确保混凝土质量的一个很重要因素。由于煤矸石原材料都是成块状、粒径很大且杂物较多，如图4所示。因此煤矸石在用作混凝土粗骨料之前必须经过破碎和筛分。

图4 煤矸石

制备结果：煤矸石经过破碎处理后分为两类粗骨料。①普通煤矸石是将煤矸石破碎后，先过5 mm的筛网筛去细末，而后再将一些可见杂物、片状煤矸石以及一些破碎后粒径仍然过大的煤矸石挑选出，制备成满足级配要求的煤矸石粗骨料;②原状煤矸石是在煤矸石破碎后不做任何处理，直接用于制备混凝土。这主要针对于在实际应用煤矸石作为粗骨料制备混凝土时，对混凝土强度要求不高的情况。如在煤矿掘进的巷道里以煤矸石为粗骨料浇筑混凝土地平，此时为了降低投资，考虑在煤矸石破碎后便不做任何处理，将原状煤矸石粗骨料直接用于制备混凝土。

2.2 压碎指标

压碎值是集料抵抗压碎的性能指标，集料的压碎值用于衡量混凝土骨料在逐渐增加的荷载下抵抗压碎的能力，属于骨料力学性质的指标，以评定其在混凝土中的适用性。煤矸石的压碎指标试验所需仪器主要包括电子天平、新标准砂石筛、电热鼓风恒温干燥箱、受压试模、压力试验机、垫棒等。压碎指标按式(1)计算。

(1)

式中：Qe—压碎指标，%；G1—试样的质量，g；G2—压碎试验后筛余的试样质量，g。

2.3 颗粒级配

颗粒级配又称(粒度)级配，是指由不同粒度组成的散状物料中各级粒度所占的数量。常以占总量的百分数来表示。合理的颗粒级配是使配料获得低气孔率的重要途径。骨料的颗粒级配主要通过筛分试验进行。煤矸石的筛分试验主要试验仪器包括试验筛，电子天平，顶击式标准筛振筛机，电热鼓风恒温干燥箱，浅盘，硬、软毛刷等。

2.4 表观密度

表观密度是指材料的质量与表观体积之比。表观体积是实体积加闭口孔隙体积，一般可直接测得，对于形状非规则的材料，可用液体比重天平法来测得。煤矸石的表观密度试验主要试验仪器包括带有吊篮的液体天平、新标准砂石筛、电热鼓风恒温干燥箱、温度计、带盖容器、浅盘、刷子、毛巾等。表观密度按式(2)计算。

(2)

式中：ρ—表观密度，kg/m3；m0—试样的烘干质量，g；m1—吊篮在水中的质量，g；m2—吊篮及试样在水中的质量，g；α1—考虑称量时水温对表观密度影响的修正系数，见表2。

表2 不同水温条件下的修正系数

2.5 吸水率

材料在水中能吸收水分的性质称为吸水性。材料的吸水性用吸水率表示，吸水率有质量吸水率和体积吸水率两种表示方法。煤矸石的吸水率试验主要使用仪器有试验筛、电子天平、电热鼓风恒温干燥箱、容器、浅盘、毛巾、刷子等。吸水率按式(3)计算。

(3)

式中：ωwa—吸水率，%；m11—烘干后试样与浅盘的总质量，g；m12—烘干前饱和面干试样与浅盘的总质量，g；m13—浅盘质量，g。

2.6 含泥量

骨料的含泥量对混凝土的质量有着明显的影响。规范中对混凝土骨料的泥土含量有明确的规定值。因此，需对骨料的含泥量进行测定。煤矸石含泥量的测定主要试验仪器包括筛、电子天平、电热鼓风恒温干燥箱、洗砂用的容器及烘干用的浅盘等。煤矸石的含泥量按式(4)计算。

(4)

式中：wc—含泥量，%；m20—试验前的烘干试样重量，g；m21—试验后的烘干试样重量，g。

3 试验结果分析

3.1 试验结果

煤矸石的压碎指标、表观密度、吸水率及含泥量的实测值和国家标准要求见表3。

表3 煤矸石物理性能指标

煤矸石的颗粒级配筛分结果见表4，级配曲线如图5所示。

3.2 结果分析

与国家标准对比：由表3可知，两类(普通、原状)煤矸石的实测压碎指标均为21%，满足国家Ⅲ类标准(≤30%)的要求；表观密度均为2 400 kg/m3，不满足国家标准(≥2 600 kg/m3)的要求；吸水率均为5.7%(国家标准对骨料吸水率不作要求)；原状煤矸石的含泥量为2.3%，普通煤矸石的含泥量为1.7%，均不满足国家标准(≤1.5%)的要求。基于物理性能试验结果，煤矸石的压碎指标满足国家Ⅲ类标准要求，可用作混凝土的粗骨料；但由于煤矸石的表观密度、含泥量不满足规范要求，若全部采用柠条塔煤矿煤矸石作为混凝土粗骨料，难以制备强度等级较高的煤矸石混凝土。

表4 煤矸石筛分结果表

图5 煤矸石级配曲线

筛分效果分析：①由表3可知，普通煤矸石和原状煤矸石除含泥量不同以外，其他指标均相同，这主要是因为与普通煤矸石相比，原状煤矸石在破碎后未经筛分，杂物、细末较多。而在进行压碎指标、表观密度和吸水率分析时，按照国家标准要求试验前需将原材料过4.75 mm的筛网，因此，原状煤矸石与普通煤矸石的压碎指标、表观密度和吸水率无太大差异。而从含泥量可以看出，原状煤矸石的含泥量明显大于普通煤矸石骨料，并且两类煤矸石的含泥量均大于国家标准。对于普通煤矸石含泥量不满足标准要求主要是因为在破碎时产生的粉末附着在煤矸石表面，筛分时并不能将此类细末筛去；②由表4、图5可以看出，两类煤矸石的颗粒级配试验表明，筛分、挑选后的普通煤矸石骨料满足标准(5～31.5 mm的连续级配)要求；而原状煤矸石骨料，筛孔尺寸为4.75 mm时，累计筛余量为85%，筛孔尺寸为2.36 mm时，累计筛余量为92%，不满足规范(筛孔尺寸为4.75 mm，累计筛余量为90～100%，筛孔尺寸为2.36 mm时，累计筛余量为95～100%)的要求。两类煤矸石骨料之间的差别主要在于5 mm以下的颗粒含量不同，这是由于筛分造成的，这也将影响由两类骨料而制备的混凝土性能。为了使煤矸石粗骨料能够满足级配要求，建议在煤矸石破碎后进行筛分。

4 结论

(1)煤矸石中主要的氧化物为SiO2和Al2O3，不含有害元素；煤矸石中的主要矿物为石英和白云母，柠条塔煤矿产出的煤矸石可作为粗骨料来制备混凝土。

(2)煤矸石的压碎指标满足国家Ⅲ类标准要求，可用作混凝土的粗骨料；但由于煤矸石的表观密度、含泥量不满足规范要求，若全部采用柠条塔煤矿煤矸石作为混凝土粗骨料，难以制备强度等级较高的煤矸石混凝土。

(3)普通煤矸石的级配满足标准要求，而原状煤矸石骨料的级配不满足要求，为了使煤矸石粗骨料满足级配要求，建议在煤矸石破碎后进行筛分。