煤矸石充填骨料級配優化實驗研究*

舒安東，周 雄，鄧代強,2，曹國棟，王 爍

(1.湘潭大學 土木工程與力學學院，湖南 湘潭 411105；2.貴州理工學院 礦業工程學院，貴州 貴陽 550003)

0 引言

煤矸石是煤礦在開拓掘進、采煤、煤炭洗選和加工過程中所產生的固體廢棄物，是我國目前年排放量和累計堆存量最大的工業廢棄物[1]。據統計，我國目前累計堆存煤矸石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、運輸給煤礦企業帶來了很大負擔，煤矸石的堆存不僅占壓大量土地資源，同時還會對環境產生污染[2-3]。煤矸石中含有多種礦物，根據其化學成分、物理性能針對性地開展綜合利用，既能緩解堆存壓力，又能充分利用資源、降低企業生產成本[4-6]。煤矸石作為主體固廢材料，其主要來源有露天剝離以及井筒和巷道掘進過程中排出的矸石、采煤過程中煤巷產生的矸石、煤炭洗選過程中選出的矸石，其中露天開采占比45%[7]。大量的煤矸石如果露天堆放會形成矸石山，其中的有害成分和化學物質將逐漸進入土壤、大氣、地表、地下水，會嚴重污染環境[8]。因此，研究煤矸石充填骨料級配優化對煤炭工業的可持續發展以及我國環境保護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值，并在一定程度上減少其對環境的影響[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，如利用煤矸石替代骨料制備混凝土，不僅可以實現煤矸石的有效利用，而且還可以減少對天然集料資源的開采，因而具有較好的經濟、社會和環境效益[11-12]。現階段，許多學者對煤矸石混凝土的制備及其力學性能進行了較為全面的研究[13-14]，部分學者還對煤矸石混凝土的抗滲性進行了研究[15-16]。有研究表明，煤矸石在建材中的應用效果良好[17]。

煤矸石的綜合利用已經引起國內外學者的廣泛關注[18-19]，陳達等[20]研究了控制硅酸鹽水泥的摻入量對于混凝土性能標準的影響，并對其力學性能進行了研究。基于煤矸石和硅酸鹽水泥的固有特性，本文利用煤矸石、硅酸鹽水泥和細砂為充填集料制備充填材料，以不同的充填材料級配為自變量，開展級配優化實驗研究。

1 實驗材料與方法

1.1 實驗材料及器具

水泥：普通硅酸鹽水泥，強度等級為42.5。

振動臺：振動頻率為2 860 次/min。

模具：尺寸為4 mm×4 mm×4 mm的三聯模具。

實驗材料的物理性質見表1。

表1 實驗材料的物理性質

1.2 實驗方法

實驗過程分為以下3個部分:

a.選取水泥、煤矸石、細砂A作為充填骨料，保證3種充填骨料質量之和為500 g，以此擬定不同的配合比。根據擬定好的配合比，稱取對應質量的骨料，充分攪拌均勻，將混合料裝入尺寸為4 mm×4 mm×4 mm的三聯模具中；隨后使用電子秤稱得振動前質量為m，將裝滿骨料的模具放在振動臺上振動20 s，骨料間空隙被填滿，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20 s。以上述方法填充2次混合料(即振動3次)后，取下模具，稱得振動后質量為M。倒出模具中的混合料，開始下一組實驗，直至完成擬定配合比下所有組合的實驗。

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

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

1.3 實驗現象

將混合料裝入模具后，在振動臺上振動的過程中，明顯可見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。隨著振動次數和時間的增加，氣泡鼓出次數逐漸減少，混合料不再明顯下沉。通過仔細觀察發現，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象越不明顯。振動結束后，倒出模具內混合料時，發現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 實驗結果與分析

2.1 實驗結果

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

表2 實驗a的材料配合比

圖1 實驗a不同配合比對應的振前密度、振后密度及密度差

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

表3 實驗b的材料配合比

圖2 實驗b不同配合比對應的振前密度、振后密度及密度差

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

表4 實驗c的材料配合比

圖3 實驗c不同配合比對應的振前密度、振后密度及密度差

2.2 實驗結果分析

a.在實驗a中，煤矸石比例為10%時，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；當煤矸石所占比例達到90%時，振前密度達到最大值5 484 kg/m3，說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，混合料密度差卻最小，為555 kg/m3，說明煤矸石含量過多不利于提高骨料密實度；只有當煤矸石摻量取合適值時，即本實驗中煤矸石、細砂A、水泥的配合比為3∶1∶6時，密度差才達到最大。

b.實驗b中，當煤矸石和細砂B所占骨料比例最小時，混合料振前密度與振后密度均最小；隨著細砂A含量的增加，振前密度增大，說明細砂含量的增加可以使骨料密實度提高；但當細砂A達到90%且水泥含量為0時密度差最小，且最大密度差和最小密度差均小于實驗a中數值，說明由于缺少水泥填充骨料空隙，骨料密實度難以提高。當煤矸石、細砂B、細砂A、水泥的配合比為1.5∶1.5∶2∶5時，煤矸石提高骨料密實度的效果較好。

c.實驗c中，當細砂A和細砂B所占骨料比例最小時，混合料振前密度與振后密度最小；煤矸石含量增加時，振前密度與振后密度同時增大；當煤矸石含量為80%且不含細砂A和細砂B時，振后密度最大，說明煤矸石可以增大骨料密度；當細砂A和細砂B質量分數均僅有5%或骨料中不含水泥時，密度差最小，說明細骨料含量減少時，骨料密實度難以提高。但是相比實驗a、b，實驗c的密度差波動較小，數據較為集中，說明煤矸石充當骨料時，細砂種類的改變對骨料密實度影響較小。

3 結論

a.在摻入煤矸石的前提下，通過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配，從而實現煤矸石充填骨料級配的優化。

b.隨著煤矸石摻量的增加，骨料密度增大；當充填材料配合比為最佳級配時，密度差達到較優值，骨料密實效果較好，充填骨料強度得到提高。

c.水泥能夠較好地填充骨料空隙，當水泥含量達到合適值時，煤矸石作為充填骨料時對提高骨料密實度有顯著效果。