煤制油炉渣替代巷旁充填混凝土细骨料试验研究

曹 雯，张明磊，高林生(1.防灾科技学院地质工程学院，河北 三河 065201；2.中国地震局建筑物破坏机理与防御重点实验室，河北 三河 065201；.华北科技学院安全工程学院，河北 三河 065201)

我国的能源禀赋特征为“富煤、贫油、少气”，对油气资源有巨大的市场需求。近年来，煤制油技术在我国蓬勃发展，将我国丰富的煤炭资源转化为清洁的液态燃料，弥补了油气资源的短缺。我国众多大型煤炭集团均已经投产或规划设计了煤制油项目[1-3]。然而，煤制油技术在实施过程中，不可避免地会产生废弃炉渣。据不完全统计，一个百万吨级的煤制油企业每年产生的炉渣达到60万t。炉渣的堆存大面积占用地面场地，且对周围的水体、空气等产生严重污染，给企业带来了沉重的处理成本和环保压力[4]。

近年来，我国城市基础建设规模迅速增长，对混凝土的需求持续增加。然而，随着环保政策不断出台，各地均不同程度地限制或禁止开采砂石，导致市场上制备混凝土所需的砂石资源紧缺，砂石资源价格因供求关系紧张不断增长，使得混凝土的成本不断增加。

为解决煤制油炉渣处理和混凝土砂石骨料紧缺的难题，本文尝试用煤制油炉渣代替混凝土中的细骨料，以期实现煤炭固废资源化利用，降低混凝土成本。在废渣(如炼钢炉渣、粉煤灰等)开发混凝土方面，前人进行了很多研究，也取得了众多有意义的成果，在用炼钢炉渣开发混凝土材料方面已积累了较多经验，如直接用炼钢炉渣替代混凝土的细骨料，将炼钢炉渣磨细后添加激发剂开发钢渣水泥等[5-8]。粉煤灰是煤炭燃烧的产物，可用来生产粉煤灰水泥，可有效降低生产成本，在制备巷旁充填材料方面也有诸多成功应用的案例[9-11]。前人的研究对利用煤制油炉渣开发混凝土材料具有很强的指导作用。在此基础上，本文在某巷旁充填泵送混凝土材料配比的基础上，开展了煤制油炉渣替代细骨料的试验研究，得出了煤制油炉渣替代砂率对混凝土坍落度、强度等参数的影响，为煤制油炉渣开发混凝土材料提供了参考。

1 试验概述

1.1 煤制油炉渣基础参数测试

煤制油炉渣选用山西潞安矿业集团煤制油炉渣(图1)。山西潞安矿业集团煤制油工艺为煤炭间接液化，利用气化炉将煤炭中的大部分有效成分转化为气态混合物，未反应的熔融态成分进入水中激冷形成煤制油炉渣，主要采用堆存处理。宏观上煤制油炉渣主要由3种材料构成，黑色短纤维、黑色陶瓷光泽颗粒和灰色颗粒，黑色陶瓷光泽颗粒和灰色颗粒外形均较粗糙。

根据相关规范对煤制油炉渣的物理参数进行了测试[12]，粒度分布见表1，部分参数测试结果见表2。由表1和表2可以看出，煤制油炉渣的粒度分布符合混凝土细骨料的级配要求，堆积密度和表观密度满足混凝土细骨料的密度要求，压碎指标满足Ⅱ类细骨料要求，适用于大部分常用等级强度的混凝土要求；烧失率较低，残留炭质成分较少；细度模数为3.5，属于粗砂，加之煤制油炉渣的吸水率略高于普通河砂，在制备混凝土过程中需要考虑煤制油炉渣对混凝土流动性的不良影响。

图1 煤制油炉渣堆存状况与外观形态Fig.1 Storage status and appearance ofcoal liquefaction slag

表1 煤制油炉渣粒度分布Table 1 Particle size distribution of coal liquefaction slag

表2 煤制油炉渣部分物理参数Table 2 Some physical parameters of coal liquefaction slag

将煤制油炉渣研磨成粉末，进行衍射分析，得出煤制油炉渣的主要成分见表3。从表3可以看出，煤制油炉渣中的主要成分为SiO2、Al2O3、Fe2O3、MgO和CaO等，与高炉炉渣的成分有一定的相似性。煤炭气化过程中，为增加熔融物黏度、降低熔融态温度，会在煤炭中添加一定量的石灰石，因而煤制油炉渣主要成分中含有一定量的活性Al2O3(质量分数7.06%)和活性SiO2(质量分数5.19%)，为炉渣用于开发混凝土材料提供了可行性。

为检测煤制油炉渣的污染特性，根据相关规程测试了煤制油炉渣浸出液的重金属浓度[13]，测试结果见表4。煤制油炉渣中含有的重金属元素均低于相关标准中的限值，因此，煤制油炉渣可按第Ⅰ类一般工业固体废弃物进行处理。

表3 山西潞安矿业集团煤制油炉渣主要成分Table 3 Main components of coal liquefaction slag of Shanxi Lu’an mining group

表4 煤制油炉渣中重金属的含量测试结果Table 4 Test results of heavy metal content in coal liquefaction slag

1.2 试验简介

基础配比参照某巷旁充填混凝土材料配比，按照水∶水泥∶砂子∶石子=0.40∶1.00∶1.39∶1.60的配比。 胶结料选用普通硅酸盐水泥，粗骨料选择5～20 mm连续级配石灰石碎石，细骨料选用二区中砂，水为自来水。按配比称取试验重量的各组分，混合搅拌形成混凝土后，测试混凝土坍落度，然后在模具中浇筑强度测试试块，试块的尺寸为100 mm×100 mm×100 mm的立方体试件。由于为非标准化试件，在测试完成后需要乘以一个强度换算系数0.95。浇筑完成试块后，覆盖塑料膜防止混凝土因水分流失而出现干裂影响试验准确性。将试件静置24 h后脱模，然后置于标准养护箱中养护，养护湿度不低于95%，温度控制在20 ℃±2 ℃，分别测试和记录1 d、3 d、7 d、14 d和28 d龄期的强度。初始配比混凝土部分参数见表5。

表5 某巷旁充填混凝土性能参数Table 5 Performance parameters of a mine concrete

2 试验结果及分析

采用体积替代法研究煤制油炉渣替代砂量对巷旁充填混凝土性能参数的影响，替代率分为5级，每个等级增加20%。考虑煤制油炉渣与混凝土用砂吸水率的差异，对试验水灰比分进行调整，分别为0.40、0.43、0.46和0.49。

2.1 坍落度

图2是混凝土塌落度随替代率的增加而变化的曲线，4种水灰比条件下混凝土的坍落度均随着替代率的增加而降低。天然河砂在长期的水流冲刷作用下形状较为规则，表面相对较为光滑，摩擦力较小；而煤制油炉渣经熔融态物质激冷而成，在温差拉应力作用下形成了锯齿状边缘，表面较为粗糙，摩擦力比河砂大，这是导致混凝土坍落度随着替代率增加而降低的一个因素。其次，煤制油炉渣的吸水率比河砂高，不利于混凝土流动，影响了混凝土的坍落度。同时，煤制油炉渣中含有一定量的纤维，阻碍了混凝土的流动，导致混凝土的坍落度随着替代率的增加而不断下降。

2.2 初凝时间

混凝土初凝时间随着替代率的变化曲线如图3所示。 随着煤制油炉渣替代砂比例的增长， 4种水灰比混凝土的初凝时间均越来越短。混凝土的凝结根本原因是水泥的水化作用，受水泥类型、水灰比、外加剂、施工因素与环境等因素影响，原因较为复杂。煤制油炉渣的吸水率较高，可能是拌合水被吸入煤制油炉渣中，一定程度上增加了水泥水化产物的浓度，使得混凝土更早达到初凝状态。若煤制油炉渣中含有一定的活性氧化钙(0.63%)或氧化铝成分，可能也是导致混凝土初凝时间随着煤制油炉渣含量的增加而缩短的原因。

图2 煤制油炉渣替代砂对坍落度的影响Fig.2 Effect of coal liquefaction slag replacingsand on slum

2.3 单轴抗压强度强度

可以看出，不同水灰比条件下混凝土28 d强度最大值对应的替代率存在差异。 当水灰比为0.40、0.43、 0.46和0.49时， 28 d单轴抗压强度最大值分别为39.75 MPa、38.35 MPa、35.16 MPa和29.32 MPa，较初始值分别提高了13.15%、14.31%、16.73%和21.56%。同时可以看出，混凝土28 d强度最大值的提高率随着水灰比的增加而增加。总体来看，添加了煤制油炉渣的混凝土强度比初始配比混凝土的强度高，这可能是煤制油炉渣粗糙的颗粒外形、含有一定量短纤维和活性成分导致的。混凝土骨料的粗糙程度影响了骨料与水泥砂浆的黏结能力，骨料表面越粗糙，黏结能力越强[14]，因此从强度角度看，煤制油炉渣比河砂作为细骨料在表面形态方面更具优势。其次，煤制油炉渣内部含有一定量的短纤维，对混凝土具有强化作用[15]，使得添加了煤制油炉渣的混凝土强度均有不同程度上的提高。另外，煤制油炉渣中的活性成分(Al2O3和SiO2)能够与Ca(OH)2发生二次水化反应，增强了混凝土的界面黏结能力，提高了混凝土水泥石与骨料间的粘结强度，进而增加混凝土的强度[8]。

图4为混凝土的单轴抗压强度随替代率变化的情况。 随着替代率的增加，4种水灰比混凝土的强度呈现了不同的变化趋势。对比4种水灰比混凝土的评价煤制油炉渣混凝土需要全面考虑工作性能与强度性能，同时兼顾制作成本。从工作性能看，添加煤制油炉渣后，混凝土的坍落度与初凝时间均有一定程度降低，但大部分能够满足泵送需要，存在少数组的坍落度低于100 mm。从强度角度看，水灰比为0.40、0.43和0.46的煤制油炉渣混凝土满足C30等级强度要求，水灰比为0.49的煤制油炉渣混凝土满足C25等级强度要求。从成本角度看，用煤制油炉渣替代河砂不仅能够降低混凝土的细骨料成本，还能提高煤制油炉渣利用率，节约煤制油炉渣堆存场地、环保处理等费用，具有较强的成本优势。因此，综合来看，煤制油炉渣以一定比例替代混凝土细骨料后，混凝土的工作性能有所下降，强度满足对应强度等级的要求，细骨料成本下降，可以作为煤制油炉渣的资源化利用的有效途径。需要注意的是，添加煤制油炉渣对混凝土的坍落度和初凝时间存在不利影响，在实际利用煤制油炉渣制备混凝土时需要根据工程要求进一步优化配比。

图3 煤制油炉渣替代砂对初凝时间的影响Fig.3 Effect of coal liquefaction slag replacingsand on initial setting time

图4 4种水灰比条件下煤制油炉渣替代砂率对强度的影响对比Fig.4 Comparison of influence of sand replacement ratio of coal to coal liquefaction slagon strength under four water cement ratios

3 结 论

1) 煤制油炉渣替代细骨料对于混凝土的工作性能有一定不良影响。煤制油炉渣不同比例替代河砂后，混凝土的坍落度出现降低，初凝时间缩短，因而在实际利用煤制油炉渣制备混凝土时需要根据工程要求进一步优化配比。

2) 煤制油炉渣比河砂更有利于混凝土强度的提高，添加煤制油炉渣的混凝土均较以河砂为细骨料的混凝土强度高。水灰比为0.40、0.43和0.46的煤制油炉渣混凝土满足C30等级强度要求，水灰比为0.49的煤制油炉渣混凝土满足C25等级强度要求。

3) 煤制油炉渣以一定比例替代混凝土细骨料后，混凝土的工作性能有所下降，强度满足对应强度等级的要求，细骨料成本下降，可以作为煤制油炉渣的资源化利用的有效途径。