原狀煤矸石骨料強(qiáng)化工藝研究

劉小婷，溫久然，王思雨，劉開平，高 妮，鐘佳墻

（1.長安大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，陜西西安710061；2.陜西鐵路工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院道橋工程系；3.西安同成建筑科技有限公司）

陜西銅川經(jīng)過幾十年對(duì)煤礦的開采，堆積大量的煤矸石對(duì)環(huán)境造成了嚴(yán)重污染。 如何提高煤矸石的綜合利用率，使其變廢為寶是目前研究煤矸石的主要課題［1］?；炷磷鳛槿蛴昧孔畲蟮慕ㄖ牧?，其主要組成——砂石材料的開采導(dǎo)致環(huán)境污染，因此開采受到限制， 砂石材料供不應(yīng)求引起價(jià)格飛漲、混凝土工程延期等困境［2－4］。 在中國，對(duì)煤矸石作為集料的研究大多集中在自燃煤矸石和少量煅燒煤矸石， 但自燃和煅燒煤矸石造成環(huán)境污染的同時(shí)，利用成本較高，因此大部分煤矸石在工程中并未得到應(yīng)用［5－7］。本文采用化學(xué)方法對(duì)銅川原狀煤矸石進(jìn)行液體強(qiáng)化處理， 再利用固體粉末對(duì)化學(xué)強(qiáng)化后的煤矸石進(jìn)行包覆處理，以提高煤矸石的耐水性；本研究對(duì)解決部分砂石材料短缺問題具有極大的意義。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 原材料

煤矸石：取自陜西省銅川，呈灰黑色，經(jīng)破碎后粒徑為2.36～4.75 mm，屬于黏土巖質(zhì)煤矸石，礦物主要組成為石英、高嶺石、云母等。

參照《公路工程集料試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E42—2005）試驗(yàn)方法，煤矸石作為集料時(shí)，表觀密度為2.64 g/cm3，含泥量為9.5%，吸水率為4.5%，壓碎值為22%。 由測(cè)試結(jié)果可知，煤矸石作為集料時(shí)，含泥量、壓碎值、吸水率較高，即煤矸石的強(qiáng)度和耐水性較差。 以下實(shí)驗(yàn)中主要針對(duì)煤矸石的強(qiáng)度和耐水性兩方面進(jìn)行改善。

1.2 液體強(qiáng)化劑

硅酸鹽類強(qiáng)化劑A，無色透明液體、無毒、不燃，主要成分為硅酸鈉、助劑、外摻劑，滲透力強(qiáng)，pH=10；硅酸鹽類強(qiáng)化劑B，主要成分為硅酸鈉，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為37%，pH=12； 硅溶膠， 納米級(jí)， 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%，pH=10；樹脂類強(qiáng)化劑，主要成分為特殊樹脂，pH=7～8，半透明水性液體，固含量為30%。

其他：土壤固化劑，液體，易溶于水的高分子有機(jī)質(zhì)，呈深褐色，pH≈1，含有木質(zhì)素與亞硫酸鹽的深度磺化物、表面活性劑等。

1.3 固體包覆粉體

快凝型修補(bǔ)材料，凝固時(shí)間為5～8 min，主要成分為硅酸鹽水泥等；硅酸鹽防水材料，主要成分為P.O42.5 水泥；某尾礦，主要成分為石英。

圖1a 為尾礦的SEM 微觀形貌圖，尾礦為不規(guī)則極細(xì)顆粒，比表面較大；圖1b 為尾礦XRD 衍射譜圖，從譜圖中可以看到，某尾礦的主要成分以石英為主，含有少量的正長石、金云母、角閃石。 其他原材料：木質(zhì)素磺酸鈉減水劑、高效聚羧酸減水劑、自來水、標(biāo)準(zhǔn)砂、2.36～4.75 mm 石灰?guī)r等。

圖1 尾礦的微觀性質(zhì)

1.4 實(shí)驗(yàn)方法

1.4.1 液體強(qiáng)化

1）備料。 將煤矸石置于105 ℃的烘箱中烘干至恒重備用。

2）強(qiáng)化處理。分別配制不同濃度液體強(qiáng)化劑（硅溶膠質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0、14%、16%、18%、20%；硅酸鹽類強(qiáng)化劑B 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0、2%、4%、6%、8%；硅酸鹽類強(qiáng)化劑A 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0、1%、2%、3%、4%、5%；樹脂類強(qiáng)化劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0、4%、6%、8%、10%、12%），將備好的煤矸石在液體強(qiáng)化劑中浸泡1 h 后烘干至恒重。

1.4.2 固體包覆處理

1）選取最佳液體強(qiáng)化劑配方，將液體強(qiáng)化后的煤矸石置于小型攪拌機(jī)中待用， 取煤矸石質(zhì)量的5%、10%、15%、20%、25%粉體對(duì)煤矸石進(jìn)行包裹處理，開動(dòng)攪拌機(jī)，邊噴液體粘結(jié)劑，邊裹粉體，液體粘結(jié)劑和粉體的質(zhì)量比如表1 所示。

表1 煤矸石的固體包覆配方

2）養(yǎng)護(hù)；A 號(hào)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)3 d，B、C 號(hào)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)7 d。

1.5 測(cè)試指標(biāo)

強(qiáng)度：選用細(xì)集料壓碎值作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，取粒徑為2.36～4.75 mm 的處理后煤矸石，每份400 g，參照《公路工程集料試驗(yàn)規(guī)程》細(xì)集料標(biāo)準(zhǔn)（T 0350—2005）進(jìn)行實(shí)驗(yàn)；所測(cè)壓碎值越小，集料的強(qiáng)度越高。耐水性：用濕水壓碎值進(jìn)行表征，取粒徑為2.36～4.75 mm 處理后的集料，每份400 g，參照《公路工程集料試驗(yàn)規(guī)程》細(xì)集料標(biāo)準(zhǔn)（T 0350—2005），將產(chǎn)品完全浸泡1 h，毛巾拭去集料表面水，測(cè)10 kN 的飽水濕壓碎值。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 液體強(qiáng)化劑化學(xué)處理煤矸石結(jié)果分析

以干、濕壓碎值表征處理效果。 壓碎值越低，則表示處理效果越好。

不同液體強(qiáng)化劑對(duì)煤矸石強(qiáng)度和耐水性的影響見圖2。 由圖2a、b、c 可以看出，隨液體強(qiáng)化劑濃度的增加，煤矸石的干壓碎值呈先減小后增加的趨勢(shì)，濕壓碎值變化較?。?在硅溶膠質(zhì)量分?jǐn)?shù)為16%時(shí)，達(dá)到煤矸石的干、濕壓碎值都為最低值，這表明硅溶膠質(zhì)量分?jǐn)?shù)為16%時(shí)，對(duì)煤矸石的強(qiáng)化效果最好，但強(qiáng)化效果非常有限； 樹脂類強(qiáng)化劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)需達(dá)到10%時(shí)，強(qiáng)化效果明顯；硅酸鹽類強(qiáng)化劑A 是硅酸鈉和表面活性助劑，其粘結(jié)性較高，為防止煤矸石顆粒間粘結(jié)，強(qiáng)化劑使用量只能在較少的范圍內(nèi)，研究發(fā)現(xiàn)在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%左右時(shí)較合適。

圖2 不同液體強(qiáng)化劑對(duì)煤矸石強(qiáng)度和耐水性的影響

由圖2d 可以看出， 隨硅酸鹽類強(qiáng)化劑B 濃度的增加，煤矸石的干、濕壓碎值都呈降低趨勢(shì)，但在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)強(qiáng)化劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于6%時(shí)，烘干后的煤矸石顆粒之間相互粘接，工藝上無法進(jìn)行，所以選用硅酸鹽類強(qiáng)化劑B 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6%較為合理。表2、 表3 為4 種液體強(qiáng)化劑對(duì)煤矸石作用后結(jié)果對(duì)比。

表2 干壓碎值最好配方對(duì)比

表3 濕壓碎值最好配方對(duì)比

由表2、3 可以得出， 對(duì)煤矸石的干壓碎值效果由大到小依次為： 硅酸鹽類強(qiáng)化劑B、 樹脂類強(qiáng)化劑、硅溶膠、硅酸鹽類強(qiáng)化劑A，硅酸鹽類強(qiáng)化劑B和樹脂類強(qiáng)化劑作用效果顯著； 樹脂類強(qiáng)化劑對(duì)煤矸石的濕壓碎值改善效果較好， 而硅酸鹽類強(qiáng)化劑A、B 對(duì)耐水性基本沒有影響。

分析可得，4 種強(qiáng)化劑對(duì)煤矸石的強(qiáng)度和耐水性都有不同程度的影響?？傮w來看，煤矸石的干壓碎值都呈下降趨勢(shì)，對(duì)濕壓碎值的影響不大；硅酸鹽類強(qiáng)化劑B 和樹脂類強(qiáng)化劑對(duì)強(qiáng)度改善效果較好，但相比硅酸鹽類， 高分子類具有價(jià)格貴、 用量高等缺點(diǎn)，所以選用硅酸鹽類強(qiáng)化劑B 以提高煤矸石的強(qiáng)度。 以下選用表面處理的方法對(duì)用6%硅酸鹽類強(qiáng)化劑B 強(qiáng)化后的煤矸石進(jìn)行耐水性改善。

2.2 固體對(duì)煤矸石物理包覆處理結(jié)果分析

對(duì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6%的強(qiáng)化劑溶液進(jìn)行強(qiáng)化處理后的煤矸石進(jìn)行包覆處理，由圖3 可以看到，包覆處理對(duì)煤矸石的干壓碎值影響不大。 當(dāng)快凝型修補(bǔ)材料包覆量大于煤矸石質(zhì)量的5%時(shí)， 隨包覆量的增加，煤矸石的壓碎值呈先降低后升高的趨勢(shì)，在包裹量為20%時(shí)，對(duì)煤矸石強(qiáng)化處理的效果最佳；煤矸石與外殼協(xié)調(diào)性較好，壓碎時(shí)有部分外殼脫落，部分煤矸石基體斷裂（見圖4a）。

圖3 不同種類的固體包覆粉對(duì)煤矸石強(qiáng)度的影響

隨硅酸鹽類防水材料包覆量的增加， 煤矸石的壓碎值先增加后降低；當(dāng)包覆量為25%時(shí)，包裹殼是有一定厚度的脆性材料，與基體不協(xié)調(diào)，壓碎后大量的外殼脫落被壓碎， 內(nèi)部灰黑色煤矸石裸露出來（見圖4b）。

用水泥與某尾礦質(zhì)量比為1∶1 的包裹粉進(jìn)行包裹，煤矸石的壓碎值整體呈下降趨勢(shì)。粉體包覆量大于等于10%時(shí)， 包裹層對(duì)煤矸石的強(qiáng)度起積極作用，當(dāng)包覆量為25%時(shí)，對(duì)煤矸石的強(qiáng)度提高較明顯。 這是因?yàn)榱６葮O細(xì)的石英巖石粉均勻緊密堆積起到“骨架”作用，形成“強(qiáng)包弱”的結(jié)構(gòu)，壓碎部分主要表現(xiàn)為煤矸石基體的碎裂，由圖4c 可看出壓碎后外殼完整，主要在煤矸石的中間斷裂。

圖4 煤矸石壓碎后的外觀形貌

將包覆處理后的煤矸石產(chǎn)品置于水中1 h，測(cè)其飽水壓碎值，所得結(jié)果如圖5 所示，其耐水性隨包覆量的變化趨勢(shì)滿足表4。 由圖5 可得，包覆處理效果由大到小依次為：水泥+尾礦、快凝型修補(bǔ)材料、硅酸鹽防水材料， 一方面是因?yàn)樗嗯c某尾礦形成高強(qiáng)度的水泥砂漿砼自身強(qiáng)度較高， 另一方面極細(xì)的尾礦緊密堆積密實(shí)度較高， 相比普通混凝土耐水性較好； 快凝型修補(bǔ)材料除含有早強(qiáng)快硬型硫鋁酸鹽水泥、普通硅酸鹽水泥外還有減水劑、促凝劑膠粉等成分，硬化后耐水性較好；硅酸鹽類防水材料包覆處理后一方面強(qiáng)度不高，界面粘結(jié)較弱，另一方面其主要成分P.O42.5 水泥包裹時(shí)凝結(jié)硬化較慢， 進(jìn)入煤矸石內(nèi)部的水分較多，同時(shí)，水化后形成的毛細(xì)孔成為水分子進(jìn)入的導(dǎo)管。

圖5 不同種類的固體包覆粉對(duì)煤矸石耐水性的影響

表4 煤矸石耐水性與固體包覆量的關(guān)系

2.3 優(yōu)化實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.3.1 對(duì)硅酸鹽類強(qiáng)化劑B 和土壤固化劑進(jìn)行復(fù)配實(shí)驗(yàn)

本研究主要針對(duì)黏土質(zhì)煤矸石進(jìn)行強(qiáng)化處理，土壤固化劑具有摻量少但價(jià)格成本高的特點(diǎn)，在6%的硅酸鹽類強(qiáng)化劑B 溶液中分別摻入0.3%、0.6%、0.9%、1%、2%、3%、4%、5%的土壤固化劑進(jìn)行復(fù)配實(shí)驗(yàn)，結(jié)果見圖6。 由圖6 可以看出，當(dāng)強(qiáng)化劑濃度一定時(shí)，土壤固化劑摻量在0.6%時(shí)，壓碎值為20.63%，工藝良好；土壤固化劑摻量為3%時(shí)壓碎值最小，能達(dá)到17.35%，但此時(shí)在烘干的過程中顆粒相互粘結(jié)。在實(shí)驗(yàn)過程中，大量未反應(yīng)的土壤固化劑隨液體被棄掉。 綜合工藝、成本等因素考慮，土壤固化劑摻量選用液體強(qiáng)化劑質(zhì)量的0.6%左右。

設(shè)計(jì)兩因素三水平正交實(shí)驗(yàn)， 探索復(fù)配強(qiáng)化劑的最佳搭配，表5 為正交實(shí)驗(yàn)因素水平表。

圖6 土壤固化劑摻量對(duì)煤矸石強(qiáng)度的影響

表5 正交實(shí)驗(yàn)因素水平

采用L9（34）正交表安排實(shí)驗(yàn)，結(jié)果見表6。 由表6 結(jié)果總體來看，硅酸鹽類強(qiáng)化劑B 濃度越高，土壤固化劑摻量越高，強(qiáng)化效果越好，強(qiáng)化劑的作用大于土壤固化劑的作用；在A3B3搭配下，即液體強(qiáng)化劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為7%，土壤固化劑的摻量為0.7%時(shí)，對(duì)煤矸石的強(qiáng)化效果最佳，壓碎值為20.18%。 由表6 還可看出， 硅酸鹽類強(qiáng)化劑B 質(zhì)量分?jǐn)?shù)在5%～6%時(shí)作用效果較明顯，在6%～7%時(shí)效果變化微弱。 綜合考慮， 強(qiáng)化劑搭配選用A2B3， 即硅酸鹽類強(qiáng)化劑B質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6%，土壤固化劑摻量為0.7%，此時(shí)壓碎值為20.73%。

表6 正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.3.2 設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，優(yōu)化包覆粉的配比

利用混凝土模型，P.O42.5 水泥為膠凝材料，75 μm 某礦尾礦為細(xì)砂，以不同配比做40 mm×40 mm×160 mm 混凝土試塊，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)7 d，所得結(jié)果見表7。 由表7 可得，在相同流動(dòng)性下，灰砂比為1∶1.2，高效聚羧酸減水劑用量為1%，所得水泥砂漿抗壓強(qiáng)度最高。

綜上， 液體強(qiáng)化劑選用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6%的硅酸鹽類強(qiáng)化劑B 外摻0.7%土壤固化劑，表面用質(zhì)量比為1∶1.2 的水泥和某礦尾礦進(jìn)行包裹，由于煤矸石表面需要潤濕， 粘結(jié)劑選用外摻高效聚羧酸減水劑的水，當(dāng)高效聚羧酸減水劑摻量為水泥質(zhì)量的1%時(shí)，包覆處理所需粘結(jié)劑的最少質(zhì)量為粉質(zhì)量的28%。所得處理后煤矸石的干壓碎值為18.5%左右， 濕壓碎值為3.5%～5%。

表7 7 d 齡期尾礦水泥砂漿的抗折、抗壓強(qiáng)度

強(qiáng)化后煤矸石作為水泥砂漿集料時(shí)， 按照集料規(guī)范實(shí)驗(yàn)，煤矸石集料的含泥量為3.2%，吸水率為3.88%，都有較大改善。

2.3.3 水泥砂漿驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)

由表7 所得，在相同流動(dòng)性下，包覆粉的最佳配比為灰砂比為1∶1.2，故表面包覆粉選用質(zhì)量比為1∶1.2 的水泥和某礦尾礦，粘結(jié)劑選用外摻高效聚羧酸減水劑的水，當(dāng)高效聚羧酸減水劑摻量為水泥質(zhì)量的1%時(shí)，包覆處理所需粘結(jié)劑的最少質(zhì)量為粉質(zhì)量的28%。 用此條件下所制得的最終骨料產(chǎn)品進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

分別選用原狀煤矸石、液體強(qiáng)化煤矸石、液體強(qiáng)化和固體包覆所得的煤矸石3 類骨料， 按照表8 配比進(jìn)行水泥砂漿驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，制作三聯(lián)模試件。

表8 不同煤矸石骨料水泥砂漿的設(shè)計(jì)配比

由表8 配比， 對(duì)照組為未摻加煤矸石的水泥砂漿，實(shí)驗(yàn)組為分別用原狀煤矸石（RCG）、液體強(qiáng)化后的煤矸石（LCG）、液體強(qiáng)化和固體包覆處理后的煤矸石（CCG）3 種集料取代石灰石，取代率為40%和60%。 制作40 mm×40 mm×160 mm 的水泥砂漿三聯(lián)模試件，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)7 d，測(cè)得水泥砂漿的抗折、抗壓強(qiáng)度結(jié)果見圖7。 由圖7 可見，當(dāng)3 類煤矸石分別取代40%和60%時(shí)，相比原狀煤矸石水泥砂漿，經(jīng)液體強(qiáng)化、液體強(qiáng)化和固體包覆處理后，水泥砂漿的抗折和抗壓強(qiáng)度都出現(xiàn)提高現(xiàn)象， 這說明原狀煤矸石經(jīng)強(qiáng)化后作為水泥砂漿集料時(shí)，能提高水泥砂漿的強(qiáng)度。

圖7 不同煤矸石取代率下，煤矸石水泥砂漿的7 d 強(qiáng)度

3 機(jī)理分析

3.1 液體強(qiáng)化機(jī)理分析

圖8 為質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6%的硅酸鹽類強(qiáng)化劑B 摻入0.7%的土壤固化劑所制成的液體強(qiáng)化劑對(duì)煤矸石處理前后微觀形貌對(duì)比圖。 圖8a 為原狀煤矸石，呈層狀結(jié)構(gòu)； 圖8b 為硅酸鹽類強(qiáng)化劑B 強(qiáng)化后的煤矸石表面，硅酸鈉固化后煤矸石趨向于團(tuán)塊狀、網(wǎng)狀，密實(shí)度提高，生成物填充在縫隙。

圖8 化學(xué)強(qiáng)化前后煤矸石SEM 圖

圖9 為液體強(qiáng)化劑處理前后煤矸石表層XRD圖。由圖9 可知，液體強(qiáng)化煤矸石后未檢測(cè)到新相，這說明生成物是無定型的膠體。 液體強(qiáng)化后的煤矸石試樣，XRD 圖具有以下幾個(gè)特點(diǎn)［8-9］：1）2θ=26.618°處石英的衍射峰強(qiáng)度降低顯著，峰寬變寬，這可能是因?yàn)橹饕煞止杷徕c的Na+的離子交換作用所致；2）高嶺石和云母的特征峰強(qiáng)度下降，主要是因?yàn)榉磻?yīng)的消耗和強(qiáng)化劑的彌散作用，反應(yīng)后彌散峰增多；3）土壤固化劑的摻入沒有生成新相，對(duì)強(qiáng)化劑具有促進(jìn)作用，彌散峰明顯增多，加劇了1）、2）的變化。

圖9 液體強(qiáng)化劑處理后煤矸石的X 射線衍射圖

煤矸石中粘土礦物在水中易分散成片狀， 高嶺石是以一層硅氧片和一層鋁氧片構(gòu)成的1∶1 型礦物，層間以氫鍵結(jié)合，聯(lián)結(jié)力較強(qiáng)，水分子很難進(jìn)入層間，晶層間穩(wěn)定，未發(fā)生反應(yīng)，未見晶面間距增大；在硅酸鈉的堿性溶液中，高嶺土主要是斷面的Si—O—H 和Al—O—H 鍵解離，Al—O—H 具有酸的性質(zhì)，解離出氫離子，與硅酸根離子形成水化硅酸凝膠；另一方面，因晶格置換，高嶺土帶有少量負(fù)電荷的端面形成水化陽離子吸附層， 能夠與硅酸離子靜電吸附， 吸附在端面形成復(fù)雜的產(chǎn)物限制了粘土礦物的活性。 云母較高嶺石水化程度大，膨脹性大，陽離子交換量高，水化反應(yīng)不僅發(fā)生在端面，還發(fā)生在層間，反應(yīng)生成非晶質(zhì)體的硅酸鹽凝膠較多［10－11］。

離子固化劑固化后的礦物組分不會(huì)發(fā)生變化，不會(huì)對(duì)煤矸石礦物產(chǎn)生晶體結(jié)構(gòu)破壞作用； 離子固化劑含有磺化的表面活性劑， 改善液體強(qiáng)化劑與煤矸石的表面特性，當(dāng)強(qiáng)化劑滲入煤矸石內(nèi)部，電離出的離子與粘土礦物表面發(fā)生反應(yīng)， 降低了雙電子層厚度，降低了對(duì)水的吸附能力，煤矸石礦物顆粒間距縮小，更加密實(shí)［12］。

3.2 固體包覆處理機(jī)理分析

液體強(qiáng)化后的煤矸石表面分別用3 種不同的固體粉末包覆處理， 所得到的煤矸石新產(chǎn)品界面處微觀形貌見圖10。 經(jīng)養(yǎng)護(hù)，煤矸石表面形成了包覆外殼。 圖11 為表面外殼生成物的X 射線衍射圖。

圖10 液體強(qiáng)化煤矸石與25%包覆量表面包裹層結(jié)合界面微觀形貌

圖11 包覆處理煤矸石外殼的XRD 圖

由圖10a 和圖11 可看出，煤矸石基體與快凝型修補(bǔ)材料外殼結(jié)合較好，出現(xiàn)較細(xì)的裂縫，生成物較復(fù)雜， 有明顯的結(jié)晶型CaSO4·2H2O 相和大量非晶形的C－S－H 凝膠，其外殼強(qiáng)度較高，耐水性較好。

由圖10b 和圖11 可看出，煤矸石基體與硅酸鹽類防水材料包裹外殼結(jié)合較差；出現(xiàn)很寬的裂縫。水化產(chǎn)物主要是C－S－H 凝膠以及大量的CH 晶體，有利于提高強(qiáng)度，但在煤矸石與外殼中CH 晶體生成，導(dǎo)致強(qiáng)度降低，同時(shí)也不利于界面粘結(jié)的發(fā)展［13］。

由圖10c 和圖11 可看出，由質(zhì)量比為1∶1 的某尾礦和水泥均勻包覆煤矸石表面， 包裹層與煤矸石基體緊密結(jié)合，可以看到：尾礦具有一定的火山灰反應(yīng)活性， 能夠與水泥水化生成的氫氧化鈣生成水化硅酸鈣［14］。 一方面，在2θ 為30～35°主要是C2S、C3S的消耗形成的凸包， 生成水化產(chǎn)物主要是密實(shí)的蜂窩狀的C－S－H 凝膠， 提高了煤矸石的強(qiáng)度和耐水性；另一方面，尾礦的主要成分是石英，極細(xì)的顆粒緊密堆積也是強(qiáng)度的主要來源， 生成了明顯的AFt相，提高了外殼的強(qiáng)度。 由“晶核形成延緩理論”認(rèn)為，水泥水化誘導(dǎo)期是由Ca（OH）2或C－S－H 或者他們兩者的晶核形成和生長來控制的， 尾礦顆粒作為微集料和水化硅酸鈣的成核活化點(diǎn)， 能夠降低水化產(chǎn)物成核所需的能量壁壘， 加速水化產(chǎn)物的結(jié)晶過程，使得包裹殼強(qiáng)度較高。 同時(shí)，晶核的結(jié)構(gòu)與水化產(chǎn)物類似，進(jìn)而生成大量的新晶核，使得包裹殼密度大大增加。新生成的晶粒又具有巨大的比表面積，在后期發(fā)展中，晶體不斷生成。 晶體不斷增加，使得體系更加致密，強(qiáng)度不斷增長［14］。

4 結(jié)論

1）硅溶膠、樹脂類強(qiáng)化劑、硅酸鹽類強(qiáng)化劑A、硅酸鹽類強(qiáng)化劑B 4 種液體強(qiáng)化劑均能改善煤矸石的強(qiáng)度，硅酸鹽類強(qiáng)化劑B 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6%時(shí)，強(qiáng)化效果最佳，但對(duì)耐水性改善不明顯；樹脂類強(qiáng)化劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%時(shí)，強(qiáng)化效果較好，對(duì)耐水性改善較好，但用量大、成本高成為主要限制因素。 2）在液體強(qiáng)化后的煤矸石基體表面包覆快凝型修補(bǔ)材料、硅酸鹽類防水材料、水泥和某尾礦的混合物，能明顯提高煤矸石的耐水性，但對(duì)煤矸石的強(qiáng)度影響不大；快凝型修補(bǔ)材料和硅酸鹽類防水材料用量較大時(shí)，形成的外殼容易脫落，用量較少時(shí)，強(qiáng)化效果較差；隨著水泥和某尾礦包覆量的增加， 煤矸石的強(qiáng)度和耐水性都能提高，在包覆量為25%時(shí)較合適。 3）在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6%的硅酸鹽類強(qiáng)化劑B 中外摻入0.7%的土壤固化劑， 能夠促進(jìn)硅酸鹽類強(qiáng)化劑B 的作用，強(qiáng)化后煤矸石的干壓碎值為20.73%，比原狀煤矸石降低了44.4%。 4）當(dāng)水泥與某尾礦的質(zhì)量比為1∶1.2，粘結(jié)劑為粉體質(zhì)量28%的自來水、外摻水泥質(zhì)量1%的高效聚羧酸減水劑， 對(duì)煤矸石包覆處理后效果較佳， 強(qiáng)度提高50%左右， 耐水性約提高85%。5）經(jīng)液體強(qiáng)化、固體尾礦包覆處理后的煤矸石用作集料， 水泥砂漿的強(qiáng)度高于原狀煤矸石水泥砂漿的強(qiáng)度。