煤矸石砂RPC 力学性能试验分析

杨彦生

（国家能源集团神东煤炭集团有限责任公司环保管理处，陕西 榆林 719300）

1 概述

煤矸石是采煤过程和洗煤过程中排放的固体废物，是一种在成煤过程中与煤层伴生的一种含碳量较低、比煤坚硬的黑灰色岩石，在煤炭开采量中其占比约10% ～25%［1］。《中国矿产资源节约与综合利用报告（2019） 》显示我国尾矿和废石累积堆存量目前已接近600 亿t，75%为煤矸石和矿山开采产生的废石。煤矸石的合理开发和利用，不仅有利于减少环境污染，而且有很好的经济效益。但是相关资料显示，我国的煤矸石在2019 年的利用率约为70%，低于欧美发达国家90%的利用率［2］。可见我国的煤矸石利用力度还不够大，因此研究提高煤矸石的综合利用率和利用价值，既能使资源再利用，又可起到保护环境的作用。

在煤矸石利用方面，2011 年初太原西山煤矿将煤矸石破碎处理后填充到空巷道中，有效解决了采空区下陷的问题［3－4］。Li，F．C 等［5］以酸浸煤矸石为硅源，通过碳热还原法制备了SiC 纤维。周美荣［6］等确定了制备新型空心砖的最佳配方和最优工艺参数。赵亚兵等［7］则是将煤矸石作为主要原料制备出强度高和透水性能优良的透水砖。Taha，Y 等［8］从煤矿废石中回收残留的煤，然后再利用衍生的尾矿来生产环保的烧结砖。广州大学使用高煤酸或煅烧煤石，矿渣，粉煤灰和再生骨料为原料生产地聚合物再生混凝土［9］。应该看到上述技术并不能规模化、可持续地消纳数量庞大的煤矸石资源，研究开发煤矸石的利用途径，提高煤矸石的消耗率，意义重大，本文研究煤矸石砂替代活性粉末混凝土（RPC） 中的石英砂即为煤矸石新用途的一种。

活性粉末混凝土（RPC） 是近年来出现的一种力学性能、耐久性能都非常优越的新型建筑材料。其组成材料不同粒径颗粒以最佳比例形成最紧密堆积，即毫米级颗粒（骨料） 堆积的间隙由微米级颗粒（水泥、粉煤灰、矿粉） 填充，微米级颗粒堆积的间隙由亚微米级颗粒（硅灰） 填充。随着设计理论的完善、超高效减水剂技术的进步，这种材料已具备了普通混凝土的施工性能［10－13］。但RPC 中使用了大量的细石英砂，极大地提高了RPC 的原材料成本。已有的研究表明：

1） 利用再生骨料可以制备经济型RPC。

2） 将煤矸石制成不同粒级的矸石砂，可代替普通砂石。如果利用煤矸石砂可以制备经济型RPC，将探索出一条规模化、可持续地消纳数量庞大的煤矸石资源，全面替代砂石开采的有效途径。

2 试验研究所需的原材料

1） 煤矸石：取自陕北某煤矿的洗选矸石，主要化学成分：SiO2的质量分数为51． 2%，Al2O3的质量分数为41．4%，CaO 的质量分数为1．2%，Fe2O3的质量分数为2．76%。采用鄂式破碎机粗破碎，球磨机研磨后过筛，制成矸石砂，取粒度5 mm 和2．36 mm 以下为实验样品备用。对样品进行检测，压碎值为21．7%，含泥量3．2%，表观密度为2．11 t/m3，松装密度为1．09 t/m3。

2） 水泥：秦岭牌P． O42．5 普通硅酸盐水泥，三氧化硫的质量分数为1．9% ～3．5%，具有中水化热和中抗硫酸盐性。标准稠度用水量28．3%，初凝时间147 min，终凝时间253 min，3 d 无侧限抗压强度23．5 MPa；28 d 无侧限抗压强度51．4 MPa。

3） 硅灰：灰白色粉末，比表面积为2 800 000 cm2/g，平均粒径0．2 μm。

4） 减水剂：聚羧酸高效减水剂，减水率不小于30%。

5） 钢纤维：镀铜钢纤维，长度为12 mm ～14 mm，抗拉强度大于1 000 MPa。

6） 粉煤灰：其粒径一般在1 μm ～100 μm 之间。

3 RPC 试验样品制备方法

首先将原料按照质量比进行混合，配比为矸石砂∶水泥∶硅灰∶粉煤灰=30∶10∶3∶3，手动搅拌3 min ～5 min；其次将钢纤维以100 kg/m3的比例撒入搅拌后的混合料中，混合搅拌均匀；再次将减水剂和水混合均匀后加入混合均匀的混合料中，利用水泥胶砂搅拌机搅拌5 min，如图1（a）所示。

制备样品选用的模具尺寸为160 mm × 40 mm ×40 mm，将搅拌均匀的混凝土拌和料装入模具，经过振动台振捣成型（如图1（b） 所示） 。将制备好的试验样品静置24 h 后脱模，再进行7 d 的标准养生。

图1 试验样品制备

4 力学性能测试方法

依据GB/T 17671—2020 水泥胶砂强度检验方法（ISO 法）［14］测试标准养护条件下，试验样品件的7 d 强度。利用万能试验机分别对160 mm×40 mm×40 mm 的试件样品进行三点弯曲抗折强度试验，试验后采用抗压强度测试夹具测定抗压强度，试验操作图可见图2，图3。其中抗压强度计算公式如下：

图2 三点弯曲抗折强度试验

图3 抗压强度试验

其中，Fcs为抗压强度，MPa；Fc为受抗压时的破坏荷载，N；S为试件受压面的面积，cm2。

抗折强度计算公式如下：

其中，Fcf为抗折强度，MPa；Fc为受抗折时的破坏荷载，N；L为两支点间的距离，mm；b为试件截面宽度，mm；h为试件截面高度，mm。

5 试验结果与分析

5．1 试验结果

试件的7 d 无侧限抗压强度和三点弯曲抗折强度的试验结果如表1 所示。经过试验发现，矸石砂混凝土的7 d 龄期抗压强度可达44．85 MPa，抗压强度完全满足C40 混凝土的力学强度要求。抗折强度最高达到5．09 MPa，说明矸石砂混凝土具有较好的韧性。

表1 矸石砂混凝土的7 d 力学强度

5．2 抗折强度试验结果分析

抗折试件破坏后的典型形态图及力与位移曲线如图4，图5 所示。

图4 抗折试件破坏形态图

图5 典型抗折试件力-位移曲线图

由图4，图5 可见，矸石砂制备的高强混凝土材料的延展性较好，试件受压初期表现为弹性，试件所受荷载与挠度基本呈线性关系变化，试件底部完整。达到峰值强度后，试件所受荷载减小，挠度继续增大，伴随着试件底部出现裂缝，且裂缝逐渐向上延伸。挠度达到夹具最大值2．5 mm 时，裂纹还未完全贯穿试件，弯拉残余强度高。

5．3 抗压强度试验结果分析

将图4 所示的破坏试件放入图3 的夹具中开展抗压强度测试。样品破坏形态及其对应的力与位移曲线如图6，图7 所示。

由图6，图7 可见，矸石砂制备的高强混凝土材料的抗压性能较好，试件受压初期表现为弹性，试件所受荷载与压变形基本呈线性关系变化。达到峰值强度后，试件所受荷载迅速减小，挠度继续增大，未出现常见的剪切裂纹，裂纹均布分布，未完全贯穿试件，有两个主要破坏裂缝发育，样品变形严重，但仍然为一体，没有完全断裂成几块。认为是钢纤维在混凝土内部胶结较好，提高了其抗破坏能力。

图6 典型抗压试件

图7 典型抗压试件力-位移曲线图

经过初步试验，利用矸石砂制备的混凝土的7 d 抗折强度可达到5．09 MPa，7 d 抗压强度44．85 MPa，证明利用矸石砂制备高强混凝土材料的方法是可行的。

6 结论

1） 利用矸石砂制备的高强度的活性粉末混凝土最大抗压强度可达50．1 MPa，最大抗折强度可达5．34 MPa，7 d 平均抗压强度也达到了44．85 MPa，7 d 平均抗折强度达到了5．09 MPa。

2） 利用矸石砂制备的高强混凝土具有较强的抗破坏能力，样品第八次破坏后其抗压强度仍有9．26 MPa，认为其钢纤维胶结较好，提高了其抗破坏能力。

3） 证明了矸石砂制备高强混凝土是可行的。同时，将矸石砂制备的混凝土就地利用在建筑材料中，有良好的环保和经济价值。