煤矸石充填骨料級(jí)配優(yōu)化實(shí)驗(yàn)研究*

舒安東，周 雄，鄧代強(qiáng),2，曹?chē)?guó)棟，王 爍

(1.湘潭大學(xué) 土木工程與力學(xué)學(xué)院，湖南 湘潭 411105；2.貴州理工學(xué)院 礦業(yè)工程學(xué)院，貴州 貴陽(yáng) 550003)

0 引言

煤矸石是煤礦在開(kāi)拓掘進(jìn)、采煤、煤炭洗選和加工過(guò)程中所產(chǎn)生的固體廢棄物，是我國(guó)目前年排放量和累計(jì)堆存量最大的工業(yè)廢棄物[1]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)目前累計(jì)堆存煤矸石70億t以上，占地面積70 km2，且仍以每年3.0億～3.5億t的速度遞增。煤矸石的存儲(chǔ)、運(yùn)輸給煤礦企業(yè)帶來(lái)了很大負(fù)擔(dān)，煤矸石的堆存不僅占?jí)捍罅客恋刭Y源，同時(shí)還會(huì)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生污染[2-3]。煤矸石中含有多種礦物，根據(jù)其化學(xué)成分、物理性能針對(duì)性地開(kāi)展綜合利用，既能緩解堆存壓力，又能充分利用資源、降低企業(yè)生產(chǎn)成本[4-6]。煤矸石作為主體固廢材料，其主要來(lái)源有露天剝離以及井筒和巷道掘進(jìn)過(guò)程中排出的矸石、采煤過(guò)程中煤巷產(chǎn)生的矸石、煤炭洗選過(guò)程中選出的矸石，其中露天開(kāi)采占比45%[7]。大量的煤矸石如果露天堆放會(huì)形成矸石山，其中的有害成分和化學(xué)物質(zhì)將逐漸進(jìn)入土壤、大氣、地表、地下水，會(huì)嚴(yán)重污染環(huán)境[8]。因此，研究煤矸石充填骨料級(jí)配優(yōu)化對(duì)煤炭工業(yè)的可持續(xù)發(fā)展以及我國(guó)環(huán)境保護(hù)都有十分重要的意義。

利用煤矸石作為混凝土骨料已被證明有利于提高煤矸石的潛在價(jià)值，并在一定程度上減少其對(duì)環(huán)境的影響[9-10]。目前在資源化利用煤矸石方面已有一些較為成熟的技術(shù)，如利用煤矸石替代骨料制備混凝土，不僅可以實(shí)現(xiàn)煤矸石的有效利用，而且還可以減少對(duì)天然集料資源的開(kāi)采，因而具有較好的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和環(huán)境效益[11-12]?，F(xiàn)階段，許多學(xué)者對(duì)煤矸石混凝土的制備及其力學(xué)性能進(jìn)行了較為全面的研究[13-14]，部分學(xué)者還對(duì)煤矸石混凝土的抗?jié)B性進(jìn)行了研究[15-16]。有研究表明，煤矸石在建材中的應(yīng)用效果良好[17]。

煤矸石的綜合利用已經(jīng)引起國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注[18-19]，陳達(dá)等[20]研究了控制硅酸鹽水泥的摻入量對(duì)于混凝土性能標(biāo)準(zhǔn)的影響，并對(duì)其力學(xué)性能進(jìn)行了研究?；诿喉肥凸杷猁}水泥的固有特性，本文利用煤矸石、硅酸鹽水泥和細(xì)砂為充填集料制備充填材料，以不同的充填材料級(jí)配為自變量，開(kāi)展級(jí)配優(yōu)化實(shí)驗(yàn)研究。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料及器具

水泥：普通硅酸鹽水泥，強(qiáng)度等級(jí)為42.5。

振動(dòng)臺(tái)：振動(dòng)頻率為2 860 次/min。

模具：尺寸為4 mm×4 mm×4 mm的三聯(lián)模具。

實(shí)驗(yàn)材料的物理性質(zhì)見(jiàn)表1。

表1 實(shí)驗(yàn)材料的物理性質(zhì)

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)過(guò)程分為以下3個(gè)部分:

a.選取水泥、煤矸石、細(xì)砂A作為充填骨料，保證3種充填骨料質(zhì)量之和為500 g，以此擬定不同的配合比。根據(jù)擬定好的配合比，稱(chēng)取對(duì)應(yīng)質(zhì)量的骨料，充分?jǐn)嚢杈鶆?，將混合料裝入尺寸為4 mm×4 mm×4 mm的三聯(lián)模具中；隨后使用電子秤稱(chēng)得振動(dòng)前質(zhì)量為m，將裝滿(mǎn)骨料的模具放在振動(dòng)臺(tái)上振動(dòng)20 s，骨料間空隙被填滿(mǎn)，骨料體積減小而下沉。取下模具，將模具上方的空隙用前述混合料填充，再次振動(dòng)20 s。以上述方法填充2次混合料(即振動(dòng)3次)后，取下模具，稱(chēng)得振動(dòng)后質(zhì)量為M。倒出模具中的混合料，開(kāi)始下一組實(shí)驗(yàn)，直至完成擬定配合比下所有組合的實(shí)驗(yàn)。

b.保持充填骨料質(zhì)量之和為500 g不變，將實(shí)驗(yàn)a中的一半煤矸石替換為細(xì)砂B，即保證ω(煤矸石)∶ω(細(xì)砂B)=1∶1。其他實(shí)驗(yàn)材料與實(shí)驗(yàn)條件均不變，按實(shí)驗(yàn)a中所述方法完成實(shí)驗(yàn)。

c.保持充填骨料質(zhì)量之和為500 g不變，將實(shí)驗(yàn)a中的一半細(xì)砂A替換為細(xì)砂B，即保證ω(細(xì)砂A)∶ω(細(xì)砂B)=1∶1。其他實(shí)驗(yàn)材料與實(shí)驗(yàn)條件均不變，按實(shí)驗(yàn)a中所述方法完成實(shí)驗(yàn)。

1.3 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象

將混合料裝入模具后，在振動(dòng)臺(tái)上振動(dòng)的過(guò)程中，明顯可見(jiàn)部分混合料有氣泡冒出，有少許灰分從混合料中氣泡所在位置朝模具上方噴出，混合料下沉2～15 mm。隨著振動(dòng)次數(shù)和時(shí)間的增加，氣泡鼓出次數(shù)逐漸減少，混合料不再明顯下沉。通過(guò)仔細(xì)觀察發(fā)現(xiàn)，煤矸石所占比例越大，或水泥所占比例越小，氣泡鼓出與混合料下沉現(xiàn)象越不明顯。振動(dòng)結(jié)束后，倒出模具內(nèi)混合料時(shí)，發(fā)現(xiàn)部分混合料不易倒出，將模具倒置并用力敲擊后，混合料才得以倒出。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

表2為實(shí)驗(yàn)a的材料配合比。圖1表示實(shí)驗(yàn)材料為水泥、煤矸石、細(xì)砂A時(shí)，不同配合比所對(duì)應(yīng)的混合料振前密度、振后密度及密度差。由表2、圖1可知，當(dāng)ω(煤矸石)∶ω(細(xì)砂A)∶ω(水泥)=1∶1∶8時(shí)，振前密度最小，為3 234 kg/m3；當(dāng)配合比為1∶2∶7時(shí)，振后密度最小，為4 594 kg/m3；當(dāng)配合比為9∶0∶1時(shí)，密度差最小，為555 kg/m3；當(dāng)配合比為9∶0∶1時(shí)，振前密度最大，為5 484 kg/m3；當(dāng)配合比為1∶7∶2時(shí)，振后密度最大，為6 281 kg/m3；當(dāng)配合比為3∶1∶6時(shí)，密度差最大，為1 477 kg/m3。

表2 實(shí)驗(yàn)a的材料配合比

圖1 實(shí)驗(yàn)a不同配合比對(duì)應(yīng)的振前密度、振后密度及密度差

表3為實(shí)驗(yàn)b的材料配合比。圖2表示實(shí)驗(yàn)材料為水泥、煤矸石、細(xì)砂A、細(xì)砂B且ω(煤矸石)∶ω(細(xì)砂B)=1∶1時(shí)，不同配合比所對(duì)應(yīng)的混合料振前密度、振后密度及密度差。由表3、圖2可知，當(dāng)ω(煤矸石)∶ω(細(xì)砂B)∶ω(細(xì)砂A)∶ω(水泥)=0.5∶0.5∶1∶8時(shí)，振前密度和振后密度均最小，分別為6 211 kg/m3和7 352 kg/m3；當(dāng)配合比為0.5∶0.5∶9∶0時(shí)，密度差最小，為461 kg/m3；當(dāng)配合比為1∶1∶7∶1時(shí)，振前密度最大，為7 953 kg/m3；當(dāng)配合比為2.7∶2.7∶2.3∶2.2時(shí)，振后密度最大，為8 891 kg/m3；當(dāng)配合比為1.5∶1.5∶2∶5時(shí)，密度差最大，為1 383 kg/m3。

表3 實(shí)驗(yàn)b的材料配合比

圖2 實(shí)驗(yàn)b不同配合比對(duì)應(yīng)的振前密度、振后密度及密度差

表4為實(shí)驗(yàn)c的材料配合比。圖3表示實(shí)驗(yàn)材料為水泥、煤矸石、細(xì)砂A、細(xì)砂B且ω(細(xì)砂A)∶ω(細(xì)砂B)=1∶1時(shí)，不同配合比所對(duì)應(yīng)的混合料振前密度、振后密度及密度差。由表4、圖3可知，當(dāng)ω(煤矸石)∶ω(細(xì)砂A)∶ω(細(xì)砂B)∶ω(水泥)=1∶0.5∶0.5∶8時(shí)，振前密度和振后密度均最小，分別為6 313 kg/m3和7 164 kg/m3；當(dāng)配合比為7∶0.5∶0.5∶2時(shí)，密度差最小，為641 kg/m3；當(dāng)配合比為7∶0.5∶0.5∶2時(shí)，振前密度最大，為7 961 kg/m3；當(dāng)配合比為8∶0∶0∶2時(shí)，振后密度最大，為9 109 kg/m3；當(dāng)配合比為3∶1∶1∶5時(shí)，密度差最大，為1 305 kg/m3。

表4 實(shí)驗(yàn)c的材料配合比

圖3 實(shí)驗(yàn)c不同配合比對(duì)應(yīng)的振前密度、振后密度及密度差

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

a.在實(shí)驗(yàn)a中，煤矸石比例為10%時(shí)，混合料振前密度與振后密度最小；隨著煤矸石所占比例的增大，振前密度與振后密度均增大；當(dāng)煤矸石所占比例達(dá)到90%時(shí)，振前密度達(dá)到最大值5 484 kg/m3，說(shuō)明在骨料中加入煤矸石可以增大骨料密度，但煤矸石比例最大時(shí)，混合料密度差卻最小，為555 kg/m3，說(shuō)明煤矸石含量過(guò)多不利于提高骨料密實(shí)度；只有當(dāng)煤矸石摻量取合適值時(shí)，即本實(shí)驗(yàn)中煤矸石、細(xì)砂A、水泥的配合比為3∶1∶6時(shí)，密度差才達(dá)到最大。

b.實(shí)驗(yàn)b中，當(dāng)煤矸石和細(xì)砂B所占骨料比例最小時(shí)，混合料振前密度與振后密度均最?。浑S著細(xì)砂A含量的增加，振前密度增大，說(shuō)明細(xì)砂含量的增加可以使骨料密實(shí)度提高；但當(dāng)細(xì)砂A達(dá)到90%且水泥含量為0時(shí)密度差最小，且最大密度差和最小密度差均小于實(shí)驗(yàn)a中數(shù)值，說(shuō)明由于缺少水泥填充骨料空隙，骨料密實(shí)度難以提高。當(dāng)煤矸石、細(xì)砂B、細(xì)砂A、水泥的配合比為1.5∶1.5∶2∶5時(shí)，煤矸石提高骨料密實(shí)度的效果較好。

c.實(shí)驗(yàn)c中，當(dāng)細(xì)砂A和細(xì)砂B所占骨料比例最小時(shí)，混合料振前密度與振后密度最??；煤矸石含量增加時(shí)，振前密度與振后密度同時(shí)增大；當(dāng)煤矸石含量為80%且不含細(xì)砂A和細(xì)砂B時(shí)，振后密度最大，說(shuō)明煤矸石可以增大骨料密度；當(dāng)細(xì)砂A和細(xì)砂B質(zhì)量分?jǐn)?shù)均僅有5%或骨料中不含水泥時(shí)，密度差最小，說(shuō)明細(xì)骨料含量減少時(shí)，骨料密實(shí)度難以提高。但是相比實(shí)驗(yàn)a、b，實(shí)驗(yàn)c的密度差波動(dòng)較小，數(shù)據(jù)較為集中，說(shuō)明煤矸石充當(dāng)骨料時(shí)，細(xì)砂種類(lèi)的改變對(duì)骨料密實(shí)度影響較小。

3 結(jié)論

a.在摻入煤矸石的前提下，通過(guò)不斷改變充填材料配合比，可以找到煤矸石作為充填骨料的最佳級(jí)配，從而實(shí)現(xiàn)煤矸石充填骨料級(jí)配的優(yōu)化。

b.隨著煤矸石摻量的增加，骨料密度增大；當(dāng)充填材料配合比為最佳級(jí)配時(shí)，密度差達(dá)到較優(yōu)值，骨料密實(shí)效果較好，充填骨料強(qiáng)度得到提高。

c.水泥能夠較好地填充骨料空隙，當(dāng)水泥含量達(dá)到合適值時(shí)，煤矸石作為充填骨料時(shí)對(duì)提高骨料密實(shí)度有顯著效果。