基于煤矸石混凝土正交試驗(yàn)的試驗(yàn)研究

摘 要：目前，煤矸石是我國(guó)年排放量和累計(jì)堆存量最大的工業(yè)廢棄物之一，有文獻(xiàn)研究發(fā)現(xiàn)，煤矸石粉碎后，其可以部分或全部代替黏土組分生產(chǎn)普通水泥。該研究以煅燒過(guò)的煤矸石粉與非煅燒過(guò)的煤矸石粉為研究對(duì)象，在混凝土中利用煤矸石替代一部分水泥，來(lái)研究混凝土的抗壓強(qiáng)度。通過(guò)正交試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)煅燒過(guò)的煤矸石粉活性大于未煅燒的，且煅燒過(guò)煤矸石替代水泥的最佳替代范圍大致在20%～35%；未煅燒過(guò)煤矸石替代水泥的最佳替代范圍大致在15%～30%。這個(gè)研究結(jié)果實(shí)現(xiàn)對(duì)煤矸石的再利用，具有保護(hù)環(huán)境和節(jié)約資源的重要意義。

關(guān)鍵詞：煤矸石粉；水泥；活性；替代率；抗壓強(qiáng)度

中圖分類號(hào)：TD849 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2024）29-0086-05

Abstract： At present， coal gangue is one of the industrial wastes with the largest annual discharge and cumulative stock in China. Studies from some literature have found that after pulverizing coal gangue， coal gangue can partially or completely replace clay components to produce ordinary cement. This study takes calcined coal gangue powder and non-calcined coal gangue powder as the research object， and uses coal gangue to replace part of cement in concrete to study the compressive strength of concrete. Through orthogonal experiment， it is found that the activity of calcined coal gangue powder is greater than that of uncalcined coal gangue powder， and the best replacement range of calcined coal gangue instead of cement is roughly between 20% and 35%. The best replacement range of uncalcined coal gangue for cement is roughly between 15% and 30%. This research result realizes the reuse of coal gangue and has the important significance of environmental protection and resource saving.

Keywords： coal gangue powder; cement; activity; substitution rate; compressive strength

煤矸石是目前我國(guó)年排放量和累計(jì)堆存量最大的工業(yè)廢棄物之一，煤矸石中含有大量的有機(jī)成分，同時(shí)富含金屬、堿土，以及碳、氮、氧、硫、硅、鋁和鉀等多種化學(xué)元素[1]。而傳統(tǒng)混凝土的生產(chǎn)是通過(guò)將水泥與砂子和礫石相結(jié)合而制成的，占全球溫室氣體排放量的5%～8%。這是因?yàn)樗嗍腔炷林械年P(guān)鍵成分，需要高溫和大量的能源來(lái)生產(chǎn)。因此，如果要減少能源消耗的話就得尋找代替水泥的物質(zhì)，把煤矸石粉碎后，煤矸石可以全部或部分代替黏土組分生產(chǎn)普通水泥[2-3]。自燃或人工燃燒過(guò)的煤矸石，具有一定活性，可作為水泥的活性混合材料[4]，一般摻合量小于20%可生產(chǎn)普通硅酸鹽水泥；而當(dāng)摻合量在20%～50%可生產(chǎn)火山灰質(zhì)水泥；摻合量大于50%可生產(chǎn)少熟料水泥；硅酸鹽水泥是由水玻璃與火山灰質(zhì)混合形成，以硅酸鹽為主，摻入少量其他成分。火山灰質(zhì)硅酸鹽水泥是以石膏（CaSO4·2H2O）作膠凝劑，用火山灰質(zhì)原料（如玄武巖、輝綠巖、安山巖等）與石灰石為主要原料，加入少量其他成分組成。而我國(guó)當(dāng)前僅對(duì)水泥的強(qiáng)度指標(biāo)、安定性和凝結(jié)時(shí)間作了規(guī)范要求，尚未對(duì)水泥顆粒的化學(xué)成分、摻合料和級(jí)配作出規(guī)定[5]。

1 試驗(yàn)材料

1.1 水泥

因?yàn)榭紤]到摻和量的問(wèn)題，以及貼合規(guī)范的要求，所以本實(shí)驗(yàn)采用的是P·O32.5級(jí)粉煤灰碳酸水泥[6]。

1.2 粗集料

按照J(rèn)TG E42—2005《公路工程集料試驗(yàn)規(guī)程》規(guī)定，在水泥混凝土中，粗集料是指粒徑大于4.75 mm的碎石、礫石I，本試驗(yàn)中粗骨料采用的是4.75～6 mm的連續(xù)級(jí)配碎石[7]。

1.3 細(xì)集料

按照J(rèn)TG E42—2005《公路工程集料試驗(yàn)規(guī)程》規(guī)定，在水泥混凝土中，細(xì)集料是指粒徑小于4.75 mm的天然砂、機(jī)制砂。本試驗(yàn)中采用天然河砂[7]。

1.4 煤矸石粉

煤矸石（coal gangue）是采煤和洗煤工業(yè)的副產(chǎn)品，是無(wú)機(jī)質(zhì)和少量有機(jī)質(zhì)的混合物。其灰份的化學(xué)成分主要是：SiO2、Al2O3、C和少量的Fe2O3、CaO、MgO、Na2O、K2O、SO3、P2O5、N和H等，產(chǎn)地不一樣其微量化合物也不一樣。煤矸石的礦物成分以黏土礦物和石英成分為主。

含碳量較高的煤矸石，可從中回收煤炭或做工業(yè)生產(chǎn)的燃料，如化鐵、燒鍋爐、燒石灰， 以及生產(chǎn)煤氣或在選煤廠通過(guò)洗選回收煤炭；含碳量較低的煤矸石可用作生產(chǎn)磚瓦、水泥、輕骨料、沸石分子篩、礦渣棉和工程塑料等建筑材料；含碳量極少的煤矸石可用來(lái)填坑、造地和作路基材料。一些煤矸石粉還可以用來(lái)改良土壤、做肥料和農(nóng)藥載體。氧化鋁含量高的煤矸石，可以用來(lái)提取化學(xué)品。附加值較高的用途如制高效絮凝劑、制高檔瓷[8]。

本次試驗(yàn)采用經(jīng)過(guò)煅燒和未經(jīng)過(guò)煅燒2種不同的煤矸石粉。

1.4.1 煅燒過(guò)煤矸石粉主要成分表

煅燒過(guò)煤矸石粉的主要成分見(jiàn)表1。

1.4.2 未煅燒過(guò)煤矸石粉主要成分表

未煅燒過(guò)煤矸石粉的主要成分見(jiàn)表2。

1.5 水

本次試驗(yàn)采用水為自來(lái)水，其密度為1 g/cm3，符合拌合用水標(biāo)準(zhǔn)。

2 試驗(yàn)方法

本次試驗(yàn)運(yùn)用了正交試驗(yàn)的方法，正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)（Orthogonal experimental design）是一種用于優(yōu)化和改進(jìn)產(chǎn)品、工藝或系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，其通過(guò)系統(tǒng)地變化和組合不同因素的水平，以確定對(duì)結(jié)果影響最大的因素和最佳的因素組合。

正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)的核心思想是通過(guò)選擇特定的因素水平組合，使得每個(gè)因素都能在不同的水平上進(jìn)行測(cè)試，并且能夠獨(dú)立地評(píng)估每個(gè)因素對(duì)結(jié)果的影響。這樣可以在有限的試驗(yàn)次數(shù)內(nèi)獲得較全面的信息，減少試驗(yàn)次數(shù)，提高試驗(yàn)效率。

正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)通常使用正交表來(lái)安排試驗(yàn)條件，以確保各個(gè)因素之間的相互作用最小化。通過(guò)分析試驗(yàn)結(jié)果，可以確定主要影響因素和最佳的因素水平組合，從而優(yōu)化產(chǎn)品或工藝，提高效率和性能。明確測(cè)試煤矸石粉代替部分水泥制造混凝土試塊的目的，確立多個(gè)試驗(yàn)方案，進(jìn)行試驗(yàn)對(duì)比，并將試驗(yàn)結(jié)果和數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析對(duì)比，從而確立最后的結(jié)論。

3 試驗(yàn)制備

首先確定C30混凝土的配合比，然后對(duì)試驗(yàn)材料（水、水泥、煤矸石粉、細(xì)集料、粗集料）進(jìn)行稱量。再按照不同比例的煤矸石粉替代水泥進(jìn)行混凝土試塊的分組制作，尺寸為150 mm×150 mm×150 mm的正方體標(biāo)準(zhǔn)試塊（煤矸石粉替代量的范圍為15%～80%）。按照《混凝土強(qiáng)度檢驗(yàn)評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行振搗和養(yǎng)護(hù)，并在養(yǎng)護(hù)時(shí)間為7、14和28 d時(shí)進(jìn)行抗壓試驗(yàn)，測(cè)試并記錄各組的抗壓強(qiáng)度數(shù)值[8]。

此外，采用正交試驗(yàn)方法對(duì)煤矸石混凝土的配合比進(jìn)行設(shè)計(jì)。選擇了煤矸石粉種類和煤矸石粉替代率這2個(gè)因素作為重要指標(biāo)。每個(gè)指標(biāo)選取了2個(gè)水平。一是煤矸石粉種類包括煅燒過(guò)和未煅燒（即活性的強(qiáng)度不同）；二是不同煤矸石粉替代率下的混凝土抗壓強(qiáng)度，通過(guò)這樣的正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)可以系統(tǒng)地評(píng)估不同煤矸石粉種類和摻量對(duì)混凝土性能的影響，進(jìn)一步優(yōu)化配合比設(shè)計(jì)，以獲得最佳替代量下的煤矸石混凝土性能。

4 配合比設(shè)計(jì)

煤矸石混凝土的配合比設(shè)計(jì)見(jiàn)表3。

4.1 混凝土的制備

雙臥軸攪拌機(jī)發(fā)動(dòng)前首要查看旋轉(zhuǎn)部分與料筒是否有刮碰現(xiàn)象，如有刮碰，應(yīng)及時(shí)調(diào)整。

減速箱應(yīng)注入機(jī)油后方能運(yùn)用，卸料蝸輪及滑動(dòng)軸承處也應(yīng)注入機(jī)油，然后清理料筒內(nèi)雜料，將筒體限位裝置鎖緊，發(fā)動(dòng)機(jī)器（如在發(fā)動(dòng)后發(fā)現(xiàn)工作方向不符合要求時(shí)，應(yīng)及時(shí)堵截電源，將導(dǎo)線的任意兩根相線交換方位，再重新發(fā)動(dòng)）將混凝土拌合物料裝入料筒內(nèi)，合上筒蓋，根據(jù)攪拌時(shí)刻調(diào)整時(shí)刻繼電器的守時(shí)（必須在斷電情況下調(diào)整），按動(dòng)發(fā)動(dòng)按鈕，主軸便帶動(dòng)攪拌鏟工作，到達(dá)設(shè)守時(shí)刻后主動(dòng)停車，進(jìn)行卸料。卸料時(shí)先停機(jī)，然后將料體位約束受柄松開(kāi)，再旋轉(zhuǎn)手輪，由蝸輪帶動(dòng)料筒旋轉(zhuǎn)到便于出料的方位，中止轉(zhuǎn)動(dòng)，然后發(fā)動(dòng)機(jī)器使主軸工作方可排出物料，直至將料排干凈中止主軸工作，旋轉(zhuǎn)手輪使物料筒復(fù)位，最后雙臥軸攪拌機(jī)清洗料筒，將水倒入料筒內(nèi)使主軸工作將料筒內(nèi)殘余物料清洗干凈或用砂子洗?；炷岭p臥軸攪拌機(jī)如圖1所示。

4.2 混凝土的養(yǎng)護(hù)

在養(yǎng)護(hù)箱中的正方體試塊，在養(yǎng)護(hù)箱中養(yǎng)護(hù)7、14、28 d取出測(cè)試其抗壓強(qiáng)度。

按照規(guī)范混凝土標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱的溫度標(biāo)準(zhǔn)為20 ℃±2 ℃，相對(duì)濕度標(biāo)準(zhǔn)為95%以上，箱內(nèi)溫濕度均勻性應(yīng)滿足上述要求；箱內(nèi)設(shè)有試件放置架，試件放在架子上彼此間距至少保持10～20 mm，加濕裝置保證噴出的水是霧化狀態(tài)，未將水直接澆淋在試件上。標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱如圖2所示。

5 試驗(yàn)數(shù)據(jù)

5.1 活性分析

使用微機(jī)控制電流伺服萬(wàn)能實(shí)驗(yàn)機(jī)，對(duì)煤矸石混凝土的7、14、28 d的抗壓強(qiáng)度進(jìn)行檢測(cè)，可以獲得不同煤矸石粉混凝土的抗壓強(qiáng)度數(shù)據(jù)，具體抗壓強(qiáng)度數(shù)據(jù)見(jiàn)表4，并進(jìn)一步使用Origin軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

首先，準(zhǔn)備2種不同煤矸石粉混凝土的試樣，并進(jìn)行相應(yīng)的抗壓試驗(yàn)。試驗(yàn)過(guò)程中，記錄下施加在每個(gè)試樣上的壓力和相應(yīng)的應(yīng)變值。這樣就可以得到一系列數(shù)據(jù)，分別對(duì)應(yīng)著不同煤矸石粉混凝土的抗壓強(qiáng)度。

通過(guò)Origin的數(shù)據(jù)導(dǎo)入功能，將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)快速導(dǎo)入并進(jìn)行處理。然后，使用Origin的繪圖工具繪制出不同煤矸石粉混凝土的抗壓強(qiáng)度變化曲線。這樣可以直觀地觀察到2種混凝土的抗壓強(qiáng)度差異，并對(duì)其進(jìn)行比較和分析。

另外，在繪制抗壓強(qiáng)度變化曲線的同時(shí)，還可以考慮不同替代率下混凝土抗壓強(qiáng)度的變化。即通過(guò)改變煤矸石粉在混凝土中的替代率，觀察抗壓強(qiáng)度的變化趨勢(shì)。在Origin中，可以使用函數(shù)擬合工具對(duì)不同替代率下的抗壓強(qiáng)度數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合分析，以得到更準(zhǔn)確的曲線擬合結(jié)果。

通過(guò)Origin軟件的數(shù)據(jù)分析功能，可以更全面地了解不同煤矸石粉混凝土的抗壓強(qiáng)度變化及其與替代率之間的關(guān)系。這可以為工程設(shè)計(jì)和材料研究提供有價(jià)值的信息，以指導(dǎo)混凝土配方設(shè)計(jì)和優(yōu)化。活性差距與抗壓強(qiáng)度養(yǎng)護(hù)時(shí)間關(guān)系如圖3所示。

通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)以及圖3可以看到，在不同替代率下，煅燒過(guò)的煤矸石粉混凝土的抗壓強(qiáng)度均優(yōu)于非煅燒過(guò)煤矸石粉混凝土。進(jìn)一步驗(yàn)證了煅燒過(guò)煤矸石粉具有更高活性?；钚悦喉肥凼侵冈谝欢l件下經(jīng)過(guò)特殊處理或煅燒后的煤矸石粉，其具有更高的活性和反應(yīng)性。煅燒過(guò)程可以改變煤矸石粉的顆粒結(jié)構(gòu)和化學(xué)性質(zhì)，從而增強(qiáng)其活性。這可能是由于煅燒過(guò)程中發(fā)生了物理和化學(xué)變化，導(dǎo)致煤矸石粉中的某些化學(xué)成分得到激活，使其更容易與水泥和其他混凝土成分發(fā)生反應(yīng)。未經(jīng)煅燒的煤矸石粉具有較低的活性，因?yàn)槠湮唇?jīng)過(guò)類似的處理過(guò)程。然而，具體的活性差異可能受到多種因素的影響，如煤矸石粉的原始成分、煅燒溫度和時(shí)間等。

綜上所述，根據(jù)圖3的分析結(jié)果，可以初步得出結(jié)論煤矸石粉具有活性，并且煅燒的煤矸石活性大于未煅燒過(guò)的。

5.2 替代率分析

對(duì)不同替代率下抗壓強(qiáng)度與養(yǎng)護(hù)時(shí)間進(jìn)行對(duì)比分析，具體如圖4所示。

由試驗(yàn)數(shù)據(jù)和圖4可知，不同替代率下的試塊表現(xiàn)出了不同的折線波度曲線。其中，20%無(wú)活性和20%有活性試塊的波度曲線與純水泥試塊非常相似，這表明這2種替代率下煤矸石粉替代水泥方面的能力比較強(qiáng)。而80%有活性和80%無(wú)活性的試塊則顯示出比較平緩的曲線，這表明這2種替代率下的替代效果不是很好。

在具體替代材料的選擇方面，需要考慮到煅燒與未煅燒的煤矸石的替代情況，隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間的延長(zhǎng)，20%經(jīng)過(guò)煅燒和未煅燒的煤矸石粉與80%其強(qiáng)度增長(zhǎng)趨勢(shì)和幅度有了明顯差距。根據(jù)圖4數(shù)據(jù)表明，煅燒過(guò)的煤矸石替代水泥的最佳替代范圍大致在20%～35%，而未煅燒的煤矸石替代水泥的最佳替代范圍大致在15%～30%。

6 結(jié)論

本試驗(yàn)主要研究煤矸石粉的活性以及煤矸石對(duì)水泥的最佳替代率。通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)以及圖3和圖4對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析總結(jié)，得到如下結(jié)論。

1）通過(guò)正交試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，煤矸石粉具有活性，并且煅燒的煤矸石活性大于未煅燒過(guò)的。

2）通過(guò)不同替代率下的煤矸石粉混凝土試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，煅燒過(guò)煤矸石替代水泥的最佳替代范圍大致在20%～35%；未煅燒過(guò)煤矸石替代水泥的最佳替代范圍大致在15%～30%。

試驗(yàn)結(jié)果表明，在混凝土生產(chǎn)中，可以將一部分煤矸石粉用作水泥的替代品，從而減少對(duì)傳統(tǒng)水泥的需求，還能實(shí)現(xiàn)對(duì)廢棄煤矸石的回收利用，具有較高的性價(jià)比。這對(duì)于保護(hù)環(huán)境和節(jié)約資源具有積極意義。

參考文獻(xiàn)：

[1] 吳淑文.鋼渣在建筑材料中的低成本應(yīng)用研究[D].南昌：南昌大學(xué)，2012.

[2] 胡志鵬，楊燕.煤矸石綜合利用前景廣闊[J].中國(guó)非金屬礦工業(yè)導(dǎo)刊，2004（2）：18-21.

[3] 朱明秀，閆小梅，潘志華.煤矸石的熱力-化學(xué)復(fù)合活化研究[J].南京工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2006（3）：15-19.

[4] 裘國(guó)華，施正倫，余春江，等.煤矸石代黏土煅燒水泥熟料配方優(yōu)化試驗(yàn)研究[J].浙江大學(xué)學(xué)報(bào)（工學(xué)版），2010，44（2）：315-319.

[5] 王海霞，倪文，黃屹，等.用活化煤矸石制備新型膠凝材料[J].金屬礦山，2011（3）：165-168.

[6] 混凝土強(qiáng)度檢驗(yàn)評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)：GB/T 50107—2010[S].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2010.

[7] 公路工程集料試驗(yàn)規(guī)程：JTG E42—2005[S].北京：人民交通出版社，2005.

[8] 劉杰.煤矸石及電廠粉煤灰制磚經(jīng)濟(jì)性分析[J].陜西煤炭，2020，39（5）：116-119.