骨料顆粒級配對充填用煤矸石混凝土力學性能的影響

李大為

（山西省公路局 呂梁分局，山西 呂梁 033099）

0 引言

在一次能源消耗中，中國的煤炭消耗占比達到70%以上[1]，所占比重遠高于世界的平均消耗水平，為社會經濟發展做出了巨大貢獻，但煤炭開采引發的地表大范圍塌陷等各種問題亟需防治。據統計，我國現存的采煤塌陷區超過1萬km2，且每年仍在以270～410 km2的速度遞增[2]。為了解決煤炭開采造成的一系列問題，各大企業都開始使用煤礦采空區充填技術，但其充填成本高昂，應用效果不理想，因此，開發一種價格低廉的綠色充填材料成為重中之重。

煤矸石和粉煤灰作為煤炭開采與利用過程中產生的大宗固體廢棄物，目前我國煤矸石和粉煤灰的堆存量分別為70億t和30億t，且二者每年分別以3.0～3.5億t和5.5～5.7億t的速度增長[3-4]。長期堆放的煤矸石和粉煤灰不僅占用大量土地，同時煤矸石和粉煤灰中的有害物質也會污染周圍的土壤、空氣和水。此外，我國約有2 000多座煤矸石山自燃引發火災，自燃產生的大量SO2、CO、H2S等有毒有害氣體給礦區環境保護帶來嚴峻考驗。因此煤炭企業每年需要投入大量資金解決煤矸石土地的征用、矸石山的污染、山體滑坡和泥石流等自然災害問題。

以煤矸石和粉煤灰為原材料制備一種新型的混凝土用在采空區充填領域，不但可以解決“三下”壓煤和因煤炭開采導致的地表沉陷問題，同時可以消納大量煤矸石和粉煤灰，是一種兼具環境保護和節能減排的充填方法。

在充填混凝土中，骨料的粒徑級配對混凝土力學性能的影響顯而易見，因此有必要對煤矸石骨料的粒徑級配進行基礎研究。研究發現，采空區充填材料的力學性能要求是齡期為7 d和28 d抗壓強度分別大于3 MPa和4 MPa[5]。本文以煤矸石為骨料，粉煤灰和普通硅酸鹽水泥為膠凝材料，利用正交試驗確定了充填材料中的原材料配比和各因素對材料力學性能的影響強弱；考察了煤矸石顆粒級配對骨料密度、空隙率及充填材料抗壓強度的影響。

1 試驗概況

1.1 原材料

煤矸石采用晉能控股煤業集團在采煤過程中生產的經洗選后的煤矸石骨料；粉煤灰采用山西電力公司太原第一熱電廠生產Ⅱ級粉煤灰，含水率為0.60%，比表面積為4.50 m2/g；試驗水泥采用山西鑫泰宇公司生產的太行山牌P.O32.5級普通硅酸鹽水泥，比表面積為0.37 m2/g。煤矸石、粉煤灰和水泥的化學組成和礦物組成見表1和圖1，可知試驗用煤矸石屬于黏土巖類矸石，試驗用粉煤灰為F類粉煤灰。P.O32.5級普通硅酸鹽水泥的物理力學性能見表2，可知試驗用水泥性能滿足試驗要求。

表1 煤矸石、粉煤灰和水泥的化學組成分析

表2 P.O32.5級普通硅酸鹽水泥的物理力學性能

圖1 煤矸石、粉煤灰和水泥的礦物組成分析

分別稱取一定量的煤矸石、粉煤灰和水泥進行烘干。然后用錘式破碎機（LC-CP-200）將大塊煤矸石進行破碎。最終通過不同目數的方孔篩，去除原料中的雜質和粗大顆粒，獲得不同目數的煤矸石。粉煤灰和水泥的目數均大于200目。

1.2 試驗設計

1.2.1 充填用混凝土原材料配合比設計

為了研究充填用煤矸石輕骨料的混凝土力學性能，根據試驗需要設計四因素四水平正交試驗，以煤矸石用量、粉煤灰用量、水泥用量和固含量為正交試驗的4個因素，其中煤矸石用量的4個水平為4、5、6、7，粉煤灰用量的4個水平為1、2、3、4，水泥用量的4個水平為1、2、3、4，固含量的4個水平為78%、79%、80%、81%.設計16組配合比并測試混凝土在7 d和28 d的無側限單軸抗壓強度。正交試驗的具體配合比設計見表3。

表3 煤矸石混凝土配合比設計

1.2.2 煤矸石混凝土中骨料級配設計

最大密度曲線理論[6]認為不同粒徑大小的骨料經合理搭配后密度和孔隙率均會得到優化，利用公式可以表達為：

式中：Px為粒徑為d的煤矸石通過百分率，%；D為煤矸石的最大粒徑，mm；n為A.N.Tabol公式系數。

用于篩分煤矸石的套篩篩孔尺寸依次為2 mm、0.85 mm、0.425 mm、0.18 mm、0.075 mm，各級粒徑遞減。其中破碎后的煤矸石粒徑組成中最大粒徑為2 mm，利用式（1）計算不同n值（0.3、0.4、0.5、0.6、0.7）時煤矸石骨料的粒徑組成，煤矸石在各篩上的通過率見表4。可以看到n值越大，骨料組成中粗顆粒煤矸石越多，細顆粒煤矸石越少。圖2為不同n值下的Fuller曲線。

表4 煤矸石在各級篩的通過率

圖2 不同n值下的Fuller曲線

Fuller曲線對煤矸石最佳顆粒級配的確定具有重要作用。根據圖2中不同n值的Fuller曲線計算不同目數煤矸石的占比見表5。可以看到，不同級配方案中隨著n值的增大，粗顆粒煤矸石（10～20目、20～40目）逐漸增多，相對應的細顆粒煤矸石（40～80目、80～200目）逐漸減少。n=0.3時，粗顆粒煤矸石占比為59.3%，細顆粒煤矸石占比則為40.7%；而n=0.7時，粗顆粒煤矸石占比高達73.6%，細顆粒煤矸石僅占26.4%.

表5 不同n值的煤矸石顆粒級配占比

1.3 煤矸石混凝土試件的制備與養護

煤矸石混凝土試件按照GB/T50581—2002《普通混凝土力學性能試驗方法》使用攪拌機拌制煤矸石混凝土拌合物。混凝土抗壓試驗采用100 mm×100 mm×100 mm三聯模具成型。試件在標準條件下進行養護，然后編號、脫模。脫模后立即放入溫度為20℃±2℃，相對濕度為95%以上的標準養護箱中養護，養護齡期為7 d和28 d。

1.4 充填用煤矸石混凝土試件的力學性能試驗方法

試塊的抗壓強度依據GB/717671—1999《混凝土力學性能試驗方法》。3個試塊為一組，取平均值作為測試數據。當個別試塊的抗壓強度偏大或者偏小時（15%），將該數據剔除，剩余試塊的抗壓強度平均值為該組的抗壓測試數據。

1.5 充填用煤矸石骨料空隙率及密度的測定

按照T0301的方法取樣、縮分，在105℃±5℃的烘箱中烘干。骨料的空隙率及密度測定依據JTG E42—2005《公路工程集料規程》。

1.6 試驗儀器與設備

試驗主要設備（規格型號）為電子天平、電熱鼓風干燥箱、500 mL容量瓶、平頭鐵鍬、搗棒、錘式破碎機、標準檢驗篩、混凝土振動臺、電腦全自動恒應力試驗機、標準恒溫恒濕養護箱、全無油潤滑空氣壓縮機、混凝土攪拌機、三聯抗壓試模（100 mm×100 mm×100 mm）。

2 試驗結果分析

2.1 原材料配合比對煤矸石混凝土力學性能的影響

力學性能指標為無側限單軸抗壓強度。試驗采用四因素四水平正交試驗方法，并結合方差分析，判斷四因素的影響顯著水平。原材料配比設計及7 d、28 d試驗結果和28 d試驗結果的極差分析見表5。可以看到，影響煤矸石混凝土力學性能的四因素強弱順序依次為水泥>固含量>煤矸石>粉煤灰。在充分考慮充填材料抗壓強度性能的基礎上（一般礦井充填材料的抗壓強度選用要求為養護齡期7 d達到3 MPa，28 d達到5 MPa），參考充填成本等因素，確定材料的合適配比為煤矸石∶粉煤灰∶水泥=5∶1∶2，固含量為80%.

表5 原材料配合比及材料抗壓強度試驗結果極差分析

2.2 粒徑級配對充填用骨料性質及混凝土力學性能的影響

表6為顆粒級配后不同粒徑組成的煤矸石骨料密度及空隙率分析。可以看到，煤矸石的表觀密度和緊密堆積密度隨n值的增大先增大后減小，空隙率則呈現出相反的趨勢。當n=0.4時，煤矸石的表觀密度和緊密堆積 密 度 最 大 ，分 別 為 2 336.4 kg/m3、1 582.9 kg/m3，空隙率最小，為29.3%.這說明n=0.4時煤矸石的級配組合最優。

表6 不同粒徑組成的煤矸石骨料密度和空隙率分析

不同級配參數n對應的試塊抗壓強度如圖3所示。可以看到，顆粒級配不同的煤矸石基混凝土材料的抗壓強度不同，隨著n值的增大，煤矸石混凝土材料的抗壓強度先增大后減小。當n=0.4時，煤矸石混凝土材料的7 d和28 d抗壓強度分別為3.22 MPa和7.01 MPa，達到最大。這是因為n=0.4時煤矸石混凝土材料的內部結構密實，表6中n=0.4時的空隙率最小恰恰說明了這一點。

圖3 不同級配參數n的試塊抗壓強度

n=0.4時對應的煤矸石顆粒組成如圖4中的骨架密實結構，此時相互嵌鎖的粗顆粒煤矸石成為整個煤矸石混凝土材料的空間骨架，而細顆粒則填充在混凝土材料骨架間的空隙中，使得材料的內摩擦力增大，黏聚力增強。n=0.3時材料抗壓強度較低則是因為大顆粒煤矸石占比少，小顆粒煤矸石占比多，形成了懸浮結構。而在n=0.4之后抗壓強度逐漸降低則是因為細顆粒占比較少，容易在空間骨架之間形成空隙，材料結構內部黏聚力降低，抗壓強度減小。

圖4 3種典型組成結構[7]

3 結語

a）利用煤矸石、粉煤灰和水泥制備煤矸石混凝土充填材料，獲得材料組分的最優配比為煤矸石∶粉煤灰∶水泥=5∶1∶2，固含量為80%。

b）煤矸石粒徑變化對材料性能起主要作用，骨料的密度及空隙率隨n值變化而變化。當n=0.4時，級配骨料的空隙率最小，為29.3%，表觀密度和緊密堆積最大，分別為2 336.4 kg/m3和1 582.9 kg/m3，骨料顆粒級配合理。

c）骨料級配合理的煤矸石混凝土在7 d和28 d的無側限單軸抗壓強度分別為3.22 MPa和7.01 MPa，滿足采空區充填材料的力學性能要求。