煤制油爐渣替代巷旁充填混凝土細(xì)骨料試驗研究

曹 雯，張明磊，高林生(1.防災(zāi)科技學(xué)院地質(zhì)工程學(xué)院，河北 三河 065201；2.中國地震局建筑物破壞機理與防御重點實驗室，河北 三河 065201；.華北科技學(xué)院安全工程學(xué)院，河北 三河 065201)

我國的能源稟賦特征為“富煤、貧油、少氣”，對油氣資源有巨大的市場需求。近年來，煤制油技術(shù)在我國蓬勃發(fā)展，將我國豐富的煤炭資源轉(zhuǎn)化為清潔的液態(tài)燃料，彌補了油氣資源的短缺。我國眾多大型煤炭集團均已經(jīng)投產(chǎn)或規(guī)劃設(shè)計了煤制油項目[1-3]。然而，煤制油技術(shù)在實施過程中，不可避免地會產(chǎn)生廢棄爐渣。據(jù)不完全統(tǒng)計，一個百萬噸級的煤制油企業(yè)每年產(chǎn)生的爐渣達到60萬t。爐渣的堆存大面積占用地面場地，且對周圍的水體、空氣等產(chǎn)生嚴(yán)重污染，給企業(yè)帶來了沉重的處理成本和環(huán)保壓力[4]。

近年來，我國城市基礎(chǔ)建設(shè)規(guī)模迅速增長，對混凝土的需求持續(xù)增加。然而，隨著環(huán)保政策不斷出臺，各地均不同程度地限制或禁止開采砂石，導(dǎo)致市場上制備混凝土所需的砂石資源緊缺，砂石資源價格因供求關(guān)系緊張不斷增長，使得混凝土的成本不斷增加。

為解決煤制油爐渣處理和混凝土砂石骨料緊缺的難題，本文嘗試用煤制油爐渣代替混凝土中的細(xì)骨料，以期實現(xiàn)煤炭固廢資源化利用，降低混凝土成本。在廢渣(如煉鋼爐渣、粉煤灰等)開發(fā)混凝土方面，前人進行了很多研究，也取得了眾多有意義的成果，在用煉鋼爐渣開發(fā)混凝土材料方面已積累了較多經(jīng)驗，如直接用煉鋼爐渣替代混凝土的細(xì)骨料，將煉鋼爐渣磨細(xì)后添加激發(fā)劑開發(fā)鋼渣水泥等[5-8]。粉煤灰是煤炭燃燒的產(chǎn)物，可用來生產(chǎn)粉煤灰水泥，可有效降低生產(chǎn)成本，在制備巷旁充填材料方面也有諸多成功應(yīng)用的案例[9-11]。前人的研究對利用煤制油爐渣開發(fā)混凝土材料具有很強的指導(dǎo)作用。在此基礎(chǔ)上，本文在某巷旁充填泵送混凝土材料配比的基礎(chǔ)上，開展了煤制油爐渣替代細(xì)骨料的試驗研究，得出了煤制油爐渣替代砂率對混凝土坍落度、強度等參數(shù)的影響，為煤制油爐渣開發(fā)混凝土材料提供了參考。

1 試驗概述

1.1 煤制油爐渣基礎(chǔ)參數(shù)測試

煤制油爐渣選用山西潞安礦業(yè)集團煤制油爐渣(圖1)。山西潞安礦業(yè)集團煤制油工藝為煤炭間接液化，利用氣化爐將煤炭中的大部分有效成分轉(zhuǎn)化為氣態(tài)混合物，未反應(yīng)的熔融態(tài)成分進入水中激冷形成煤制油爐渣，主要采用堆存處理。宏觀上煤制油爐渣主要由3種材料構(gòu)成，黑色短纖維、黑色陶瓷光澤顆粒和灰色顆粒，黑色陶瓷光澤顆粒和灰色顆粒外形均較粗糙。

根據(jù)相關(guān)規(guī)范對煤制油爐渣的物理參數(shù)進行了測試[12]，粒度分布見表1，部分參數(shù)測試結(jié)果見表2。由表1和表2可以看出，煤制油爐渣的粒度分布符合混凝土細(xì)骨料的級配要求，堆積密度和表觀密度滿足混凝土細(xì)骨料的密度要求，壓碎指標(biāo)滿足Ⅱ類細(xì)骨料要求，適用于大部分常用等級強度的混凝土要求；燒失率較低，殘留炭質(zhì)成分較少；細(xì)度模數(shù)為3.5，屬于粗砂，加之煤制油爐渣的吸水率略高于普通河砂，在制備混凝土過程中需要考慮煤制油爐渣對混凝土流動性的不良影響。

圖1 煤制油爐渣堆存狀況與外觀形態(tài)Fig.1 Storage status and appearance ofcoal liquefaction slag

表1 煤制油爐渣粒度分布Table 1 Particle size distribution of coal liquefaction slag

表2 煤制油爐渣部分物理參數(shù)Table 2 Some physical parameters of coal liquefaction slag

將煤制油爐渣研磨成粉末，進行衍射分析，得出煤制油爐渣的主要成分見表3。從表3可以看出，煤制油爐渣中的主要成分為SiO2、Al2O3、Fe2O3、MgO和CaO等，與高爐爐渣的成分有一定的相似性。煤炭氣化過程中，為增加熔融物黏度、降低熔融態(tài)溫度，會在煤炭中添加一定量的石灰石，因而煤制油爐渣主要成分中含有一定量的活性Al2O3(質(zhì)量分?jǐn)?shù)7.06%)和活性SiO2(質(zhì)量分?jǐn)?shù)5.19%)，為爐渣用于開發(fā)混凝土材料提供了可行性。

為檢測煤制油爐渣的污染特性，根據(jù)相關(guān)規(guī)程測試了煤制油爐渣浸出液的重金屬濃度[13]，測試結(jié)果見表4。煤制油爐渣中含有的重金屬元素均低于相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中的限值，因此，煤制油爐渣可按第Ⅰ類一般工業(yè)固體廢棄物進行處理。

表3 山西潞安礦業(yè)集團煤制油爐渣主要成分Table 3 Main components of coal liquefaction slag of Shanxi Lu’an mining group

表4 煤制油爐渣中重金屬的含量測試結(jié)果Table 4 Test results of heavy metal content in coal liquefaction slag

1.2 試驗簡介

基礎(chǔ)配比參照某巷旁充填混凝土材料配比，按照水∶水泥∶砂子∶石子=0.40∶1.00∶1.39∶1.60的配比。 膠結(jié)料選用普通硅酸鹽水泥，粗骨料選擇5～20 mm連續(xù)級配石灰石碎石，細(xì)骨料選用二區(qū)中砂，水為自來水。按配比稱取試驗重量的各組分，混合攪拌形成混凝土后，測試混凝土坍落度，然后在模具中澆筑強度測試試塊，試塊的尺寸為100 mm×100 mm×100 mm的立方體試件。由于為非標(biāo)準(zhǔn)化試件，在測試完成后需要乘以一個強度換算系數(shù)0.95。澆筑完成試塊后，覆蓋塑料膜防止混凝土因水分流失而出現(xiàn)干裂影響試驗準(zhǔn)確性。將試件靜置24 h后脫模，然后置于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護箱中養(yǎng)護，養(yǎng)護濕度不低于95%，溫度控制在20 ℃±2 ℃，分別測試和記錄1 d、3 d、7 d、14 d和28 d齡期的強度。初始配比混凝土部分參數(shù)見表5。

表5 某巷旁充填混凝土性能參數(shù)Table 5 Performance parameters of a mine concrete

2 試驗結(jié)果及分析

采用體積替代法研究煤制油爐渣替代砂量對巷旁充填混凝土性能參數(shù)的影響，替代率分為5級，每個等級增加20%。考慮煤制油爐渣與混凝土用砂吸水率的差異，對試驗水灰比分進行調(diào)整，分別為0.40、0.43、0.46和0.49。

2.1 坍落度

圖2是混凝土塌落度隨替代率的增加而變化的曲線，4種水灰比條件下混凝土的坍落度均隨著替代率的增加而降低。天然河砂在長期的水流沖刷作用下形狀較為規(guī)則，表面相對較為光滑，摩擦力較小；而煤制油爐渣經(jīng)熔融態(tài)物質(zhì)激冷而成，在溫差拉應(yīng)力作用下形成了鋸齒狀邊緣，表面較為粗糙，摩擦力比河砂大，這是導(dǎo)致混凝土坍落度隨著替代率增加而降低的一個因素。其次，煤制油爐渣的吸水率比河砂高，不利于混凝土流動，影響了混凝土的坍落度。同時，煤制油爐渣中含有一定量的纖維，阻礙了混凝土的流動，導(dǎo)致混凝土的坍落度隨著替代率的增加而不斷下降。

2.2 初凝時間

混凝土初凝時間隨著替代率的變化曲線如圖3所示。 隨著煤制油爐渣替代砂比例的增長， 4種水灰比混凝土的初凝時間均越來越短。混凝土的凝結(jié)根本原因是水泥的水化作用，受水泥類型、水灰比、外加劑、施工因素與環(huán)境等因素影響，原因較為復(fù)雜。煤制油爐渣的吸水率較高，可能是拌合水被吸入煤制油爐渣中，一定程度上增加了水泥水化產(chǎn)物的濃度，使得混凝土更早達到初凝狀態(tài)。若煤制油爐渣中含有一定的活性氧化鈣(0.63%)或氧化鋁成分，可能也是導(dǎo)致混凝土初凝時間隨著煤制油爐渣含量的增加而縮短的原因。

圖2 煤制油爐渣替代砂對坍落度的影響Fig.2 Effect of coal liquefaction slag replacingsand on slum

2.3 單軸抗壓強度強度

可以看出，不同水灰比條件下混凝土28 d強度最大值對應(yīng)的替代率存在差異。 當(dāng)水灰比為0.40、0.43、 0.46和0.49時， 28 d單軸抗壓強度最大值分別為39.75 MPa、38.35 MPa、35.16 MPa和29.32 MPa，較初始值分別提高了13.15%、14.31%、16.73%和21.56%。同時可以看出，混凝土28 d強度最大值的提高率隨著水灰比的增加而增加。總體來看，添加了煤制油爐渣的混凝土強度比初始配比混凝土的強度高，這可能是煤制油爐渣粗糙的顆粒外形、含有一定量短纖維和活性成分導(dǎo)致的。混凝土骨料的粗糙程度影響了骨料與水泥砂漿的黏結(jié)能力，骨料表面越粗糙，黏結(jié)能力越強[14]，因此從強度角度看，煤制油爐渣比河砂作為細(xì)骨料在表面形態(tài)方面更具優(yōu)勢。其次，煤制油爐渣內(nèi)部含有一定量的短纖維，對混凝土具有強化作用[15]，使得添加了煤制油爐渣的混凝土強度均有不同程度上的提高。另外，煤制油爐渣中的活性成分(Al2O3和SiO2)能夠與Ca(OH)2發(fā)生二次水化反應(yīng)，增強了混凝土的界面黏結(jié)能力，提高了混凝土水泥石與骨料間的粘結(jié)強度，進而增加混凝土的強度[8]。

圖4為混凝土的單軸抗壓強度隨替代率變化的情況。 隨著替代率的增加，4種水灰比混凝土的強度呈現(xiàn)了不同的變化趨勢。對比4種水灰比混凝土的評價煤制油爐渣混凝土需要全面考慮工作性能與強度性能，同時兼顧制作成本。從工作性能看，添加煤制油爐渣后，混凝土的坍落度與初凝時間均有一定程度降低，但大部分能夠滿足泵送需要，存在少數(shù)組的坍落度低于100 mm。從強度角度看，水灰比為0.40、0.43和0.46的煤制油爐渣混凝土滿足C30等級強度要求，水灰比為0.49的煤制油爐渣混凝土滿足C25等級強度要求。從成本角度看，用煤制油爐渣替代河砂不僅能夠降低混凝土的細(xì)骨料成本，還能提高煤制油爐渣利用率，節(jié)約煤制油爐渣堆存場地、環(huán)保處理等費用，具有較強的成本優(yōu)勢。因此，綜合來看，煤制油爐渣以一定比例替代混凝土細(xì)骨料后，混凝土的工作性能有所下降，強度滿足對應(yīng)強度等級的要求，細(xì)骨料成本下降，可以作為煤制油爐渣的資源化利用的有效途徑。需要注意的是，添加煤制油爐渣對混凝土的坍落度和初凝時間存在不利影響，在實際利用煤制油爐渣制備混凝土?xí)r需要根據(jù)工程要求進一步優(yōu)化配比。

圖3 煤制油爐渣替代砂對初凝時間的影響Fig.3 Effect of coal liquefaction slag replacingsand on initial setting time

圖4 4種水灰比條件下煤制油爐渣替代砂率對強度的影響對比Fig.4 Comparison of influence of sand replacement ratio of coal to coal liquefaction slagon strength under four water cement ratios

3 結(jié) 論

1) 煤制油爐渣替代細(xì)骨料對于混凝土的工作性能有一定不良影響。煤制油爐渣不同比例替代河砂后，混凝土的坍落度出現(xiàn)降低，初凝時間縮短，因而在實際利用煤制油爐渣制備混凝土?xí)r需要根據(jù)工程要求進一步優(yōu)化配比。

2) 煤制油爐渣比河砂更有利于混凝土強度的提高，添加煤制油爐渣的混凝土均較以河砂為細(xì)骨料的混凝土強度高。水灰比為0.40、0.43和0.46的煤制油爐渣混凝土滿足C30等級強度要求，水灰比為0.49的煤制油爐渣混凝土滿足C25等級強度要求。

3) 煤制油爐渣以一定比例替代混凝土細(xì)骨料后，混凝土的工作性能有所下降，強度滿足對應(yīng)強度等級的要求，細(xì)骨料成本下降，可以作為煤制油爐渣的資源化利用的有效途徑。