基于破碎效果分析煤矸石細集料在砂漿中的應用

王 輝

（黑龍江省建筑材料工業規劃設計研究院，黑龍江 哈爾濱）

1 引言

煤矸石是煤炭開采和加工過程中排放的一種含碳量低、灰分高的固體廢棄物，是在成煤過程中與煤共同沉積的有機化合物和無機化合物混合在一起的巖石。其產出量一般要占到煤炭產量的10%～15%，排放量約占我國工業廢渣排放量的1/4。這些廢渣占用土地資源，引起地表下沉、水土流失，甚至導致地質沙漠化、生態環境破壞等。目前，我國對煤矸石的利用措施較多，在建筑材料方面的利用主要包括煤矸石制磚、水泥原材料的部分替代、制備陶瓷材料等，這些技術相對比較成熟。將煤矸石加工處理作為膠凝材料或粗骨料制備混凝土的研究也比較多，由于煤矸石本身的隨機性較大，這些研究多數集中在對硬化漿體性能影響的分析方面，尚未提供相應的標準和規范，基于原材料破碎效果分析更鮮有報道。

2022年4月26日，聯合國環境規劃署（UNEP）在日內瓦召開新聞發布會，發布了《砂石與可持續性：避免危機的10項戰略建議》的最新報告。報告指出，當前全球每年消耗大約500億噸砂石，足以在地球一周建造一堵高27m、寬27m的墻，可見，砂石已成為僅次于水資源的全球第二大資源。鑒于人類對砂石有很強的依賴性，必須將砂石視為一種戰略資源，且需要重新考慮其開采和使用。在國家生態文明建設方針指導下，我國各地陸續關閉和淘汰傳統落后的砂石企業，機制砂石已逐漸成為我國建筑市場所用砂石的主要來源。2019年11月4日，國家十部委聯合下發的《關于推進機制砂石行業高質量發展的若干意見的通知》指出，到2025年，要形成較為完善合理的機制砂石供應保障體系，年產1 000萬噸及以上的超大型機制砂石企業產能占比達到40%，利用尾礦、廢石、建筑垃圾等生產的機制砂石占比明顯提高。黑龍江省是煤炭大省，擁有雞西、雙鴨山、七臺河、鶴崗等諸多煤炭產區，有豐富的煤矸石資源，固廢變砂在當地具有較好的資源優勢。煤矸石中含有殘煤、碳質泥巖、廢木材等可燃物，當溫度達到可燃物的燃燒點時便可自燃，矸石山內部溫度為800℃～1 000℃，內部結構發生變化，其內部穩定的分子結構轉變成部分無定形狀態，具有一定的火山灰活性，加之自身具有一定的強度，如何合理地對其進行加工處理、綜合發揮其活性作用、固廢變砂是本文主旨。通過探討自燃煤矸石的相關性能，提出自燃煤矸石制砂指標范圍，為后續研究提供理論支持。

2 自燃煤矸石破碎方式的研究

傳統的破碎設備一般適宜于將物料破碎至幾十毫米，最小可破碎至10mm以下。而對于2區砂要求其粒級分布主要集中在0.075～1.18mm之間，這使得傳統的破碎機只能依靠增加破碎強度來提高細顆粒的產出率，但增加破碎強度的負效應是物料的細粉增加和易損件的磨損加快。隨著制砂機的投入使用，對一些巖石類的制砂效果相對較好，但不同制砂機生產的機制砂質量差別較大，特別是利用現有破碎機器，對自燃煤矸石進行制砂設備的研究還需要研究和探討。

經過自燃后的煤矸石內部結構疏松、多孔，強度相對降低，破碎方式對其原料的影響較大。常用的破碎機械有顎式破碎機、旋回破碎機、圓錐式破碎機、輥式破碎機、錘式破碎機、反擊式破碎機等。本文選取我省鶴崗、七臺河、雞西和雙鴨山4個地區7個礦區的自燃煤矸石作為研究對象，結合自燃煤矸石的實際情況，利用當地水泥企業現有設備分別采用顎式破碎、反擊式破碎和錘式破碎三種方式進行原料處理，從顆粒形狀、顆粒級配、細度模數、其他物理性能等方面依據《建設用砂》（GB/T 14684-2011）標準對其物理性能進行分析。

2.1 顆粒形狀

以不同破碎方式工作的破碎機其工作原理各不相同，顎式破碎機的工作是間歇式的，由定顎和動顎擺動對石料進行擠壓完成破碎，固定顎板和可動顎板上的破碎表面具有鋸齒狀牙齒，以擠壓、劈碎和折碎的組合方式工作，固體物料破碎過程比較均勻，破碎后的物料粒形上呈針片狀含量較多，含粉量偏高。錘式破碎機是順著物料落下的方向打擊物料，錘頭是單個對物料進行打擊破碎，物料獲得的速度和動能有限，其產品片狀石料較多。反擊式破碎機工作是連續性的，板錘是自下而上迎接投入的物料進行沖擊破碎，并把它拋到上方反擊板上，使其不僅破碎，而且獲得較大的速度和動能，物料在互相打擊后，又會在轉盤和機殼之間形成渦流運動而造成多次的互相打擊、粉碎，破碎后的成品顆粒粒形好、產品粒度離散性大、細粉料和粉塵含量低。

圖1、圖2、圖3為采用顎式破碎、錘式破碎和反擊式破碎三種破碎方式后的物料形態，三者相同之處是形狀不規則、棱角分明、表面粗糙；不同之處在于顎式破碎的顆粒針片狀顆粒明顯，反擊式破碎的顆粒呈立方體形狀，錘式破碎的顆粒介于二者之間。通過比較自燃煤矸石顆粒和天然砂（1.18～2.36mm）在100倍放大鏡下如圖4、圖5可見，天然砂表面光滑圓潤，而煤矸石則相對多棱角，且表面附有細粉顆粒。三種破碎方式后的煤矸石與天然砂的圓滑外觀相比較，反擊破碎的自燃煤矸石更接近于天然砂。

圖1 顎式破碎的顆粒

圖2 錘式破碎的顆粒

圖3 反擊式破碎的顆粒

圖4 自燃煤矸石顆粒

圖5 天然砂

1.2 顆粒級配與細度模數

《建設用砂》（GB/T 14684-2011）標準中對機制砂的150μm累計篩余的上限沒有要求與天然砂完全相同，而是根據不同區下調到94%以上，說明合理的顆粒級配才是制備砂漿和混凝土的前提要素。表1為不同破碎方式的煤矸石篩分結果。

表1 不同破碎方式的煤矸石篩分匯總

根據表1分別選取三種不同破碎方式的自燃煤矸石繪制顆粒級配曲線圖（如圖6、圖7、圖8所示）。

圖6 顎式破碎煤矸石顆粒級配圖

圖7 錘式破碎煤矸石顆粒級配圖

圖8 顎式破碎煤矸石顆粒級配圖

可以看出，采用顎式破碎和錘式破碎的自燃煤矸石顆粒級配曲線均超出《建設用砂》（GB/T 14684-2011）標準2區砂的范圍，且不同粒徑范圍連續性相對不好，反擊破的自燃煤矸石要優于前兩種破碎方式，顆粒級配曲線連續性好，且全部落在《建設用砂》（GB/T 14684-2011）標準二區砂的范圍內，滿足標準要求。

2.3 其他性能指標

經破碎后的自燃煤矸石堆積密度在1 200～1 350kg/m3之間，比天然砂的堆積密度小300kg/m3左右。以此種集料代替天然砂制備砂漿，降低了砂漿的表觀密度，對減輕砌體承重壓力提供較好的前提條件。其他性能指標見表2。

表2 其他性能指標

從以上分析可知，自燃煤矸石作為天然砂的替代材料，通過破碎效果的調整，從原料的物理性能上來看是可行的。

3 自燃煤矸石細粉的活性作用研究

自燃煤矸石除本身具有一定強度外，還具有火山灰活性，而自燃煤矸石的細粉有別于其他礦石開采機制砂的細粉作用。本文選取我省鶴崗、七臺河、雞西、雙鴨山4個地區7個礦區的自燃煤矸石作為研究對象，其化學成分見表3。

表3 自燃煤矸石化學氧化物成分表

從結果看，這幾個礦區自燃煤矸石中SiO2含量均較高，其次是Al2O3和 Fe2O3，三者總質量分數之和達到80%多，從圖9可以更清晰、更直觀地看出各元素成分與化學成分表非常吻合。

圖9 7#自燃煤矸石能譜分析圖

針對自燃煤矸石氧化物中較高含量的SiO2和Al2O3分別采用定性和定量方法測試其活性能力，見圖10和表4。

圖10 自燃煤矸石火山灰性試驗

表4 水泥膠砂28d抗壓強度比

從火山灰性試驗結果圖上可以看到，液相中的Ca（OH）2值均處于Ca（OH）2溶解度曲線下方，說明自燃煤矸石具備火山灰活性。這是由于自燃煤矸石中的SiO2、Al2O3與水泥水化時產生的Ca（OH）2作用，發生二次水化反應，減少了Ca（OH）2含量，使溶液中Ca（OH）2濃度處于不飽和狀態。水泥膠砂28d抗壓強度比試驗是綜合反映自燃煤矸石活性成分作用的最直接的方法，從表1中3#和7#結果可見，強度活性指數均高于70%，遠遠超出《水泥砂漿和混凝土用天然火山灰質材料》（GB/T 315-2011）≥65%標準要求，更滿足《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》（GB/T 1596-2017）≥70%標準規定的要求，這說明自燃煤矸石是非常好的活性材料。

自燃煤矸石活性作用的發揮與其顆粒大小有密切關系。與水泥相似，顆粒活性作用的發揮主要集中在75μm以下，將破碎篩分后的煤矸石細粉（150μm以下）通過激光粒度分布儀測試得到粒度分布圖（見圖11）。從圖11中可知，細粉粒徑有一半數量的顆粒粒徑低于42.56μm，在水泥水化反應條件合適的情況下，最少半數煤矸石細粉可以參與二次水化反應。

圖11 自燃煤矸石粒度分布圖

采用SEM 掃描電子顯微鏡和X射線衍射儀對細粉進行微觀和礦物成分測試，如圖12、圖13所示。

圖12 自燃煤矸石SEM圖

圖13 自燃煤矸石x射線衍射圖

由圖12可見，除尚有極少數自燃煤矸石細顆粒外，絕大多數煤矸石呈自燃后狀態，結構疏松，有大量不規則微孔，這是因為自燃煤矸石在自燃過程中伴有結構膨脹、成分揮發，微孔、斷鍵發生，無定形結構顯現。通過圖13X射線衍射分析可知，自燃煤矸石礦物成分主要有石英、方解石、鈣長石等，其中，石英衍射峰最強，其特征峰在 2θ/°為 26.628 7，d 為 3.344 86，自燃煤矸石黏土類礦物結構特征衍射峰已消失，說明其經過自燃、脫水、分解、高溫及重結晶，原有黏土類礦物結構已破壞，也呈現出無定形物質的衍射特點。結合jade軟件分析，對峰值曲線進行擬合，測定結晶度僅為41%，說明活性作用明顯（見圖14）。自燃煤矸石若作為集料應用于砂漿，對強度有貢獻作用。

圖14 自燃煤矸石jade結晶度擬合圖

4 不同因素對砂漿的抗壓強度分析

4.1 破碎方式對砂漿抗壓強度的影響

鑒于對自燃煤矸石破碎效果的分析，我們選取三種不同方式破碎后的自燃煤矸石按照《預拌砂漿》（GB 25181-2019）要求，分別以其60%、80%的比例代替天然砂進行砂漿制備試驗，1#砂漿煤矸石摻量為60%、2#砂漿煤矸石摻量為80%，結果如圖15、圖16、圖17所示。

圖15 60%煤矸石替代摻量砂漿不同破碎方式的抗壓強度對比

圖16 80%煤矸石替代摻量砂漿不同破碎方式的抗壓強度對比

圖17 不同煤矸石替代摻量砂漿、不同破碎方式的抗壓強度對比

由圖17可見，三種破碎方式的趨勢是一致的，反擊破碎的自燃煤矸石砂漿的強度結果更好，這也與上述對原材料的分析結果一致。

4.2 顆粒級配、細度模數對砂漿抗壓強度的影響

顆粒級配反映不同粒徑的顆粒之間互相融合搭配的程度，是決定砂性能是否優異的關鍵要素。細度模數是用來表示砂的粗細程度，砂的粗細程度不僅對砂漿的和易性影響較大，對砂漿的力學性能也有一定的影響。如果細顆粒較多，砂漿用水量加大，保水性能會有所提升；如果砂中粗顆粒較多，砂漿的保水性能降低，導致在使用過程中砂漿容易分層，粗砂粒裸露，甚至拌和困難，嚴重影響砂漿性能。

鑒于現有破碎機的實際情況，我們對不同級配、細度模數的自燃煤矸石進行對比試驗，結果如圖18所示。在保證膠凝材料用量不變、稠度75±5mm左右的情況下，隨著細度模數的增大，拌和物拌和阻力加大，水泥砂漿包裹不好，黏聚性下降，保水效果變差，甚至出現離析現象。從力學性能上看，隨著細度模數的增大，7d和28d抗壓強度值也呈下降趨勢，這與自燃煤矸石不同顆粒的形狀、顆粒粗細程度和級配是否連續統一有著密不可分的關系，說明合理選擇自燃煤矸石顆粒級配和細度模數是保證自燃煤矸石砂漿性能指標的重要因素，細度模數居于2區要求區間且連續顆粒級配的煤矸石砂漿強度最優。

圖18 不同顆粒級配、細度模數的砂漿強度

4.3 不同細粉含量對自燃煤矸石砂漿力學性能抗壓強度的影響

前面分析知道，細粉具有火山灰活性，能夠參與二次水化反應，為了研究細粉含量對砂漿性能的影響程度，取兩種煤矸石替代率下不同細粉含量砂漿進行對比試驗，如圖19、圖20所示。

圖19 煤矸石80%替代率下不同細粉含量砂漿（無外加劑）的抗壓強度

圖20 煤矸石100%替代率下不同細粉含量砂漿（有外加劑）的抗壓強度

由圖19、圖20可知，盡管煤矸石替代率不同，有無外加劑，但對強度的影響趨勢是相同的。隨細粉增加，強度呈先上升后下降趨勢，在高處時說明在此范圍內的細粉活性發揮比較適中，對強度貢獻較好，當含量在15%～17%之間對強度的貢獻最大。

5 試驗修改建議

本文在使用反擊式破碎機對自燃煤矸石進行破碎時看到尚有一些不足問題：煤矸石自燃后內部結構已經發生變化，自身強度有所下降，進入反擊破碎機內的物料在板錘作用區與轉子上的板錘撞擊后被拋向反擊裝置上再次破碎，又從反擊襯板上彈回到板錘作用區重新破碎。物料在相互打擊后會在轉盤與機殼之間形成渦流運動而造成多次的相互打擊、粉碎，如此反復，對強度會有影響。為了降低不利影響，建議根據現有反擊破碎機的實際情況，采取調整轉子直徑和長度、板錘數目、給料導板傾角、導板卸載點、反擊板的形狀和懸掛位置、轉子的轉速等措施加以調整，找尋最佳破碎效果，拓寬現有破碎設備的適用范圍，減少新購設備，降低經濟造價。

6 結語

（1）自燃煤矸石作為天然砂的替代材料，通過破碎效果的調整，從原料的物理性能上是可行的。

（2）不同破碎方式后自燃煤矸石的顆粒形狀各不相同。從本文選用的三種破碎方式看，在顆粒形狀方面，顎式破碎后煤矸石的針片狀顆粒明顯；反擊式破碎后的成品顆粒粒形好，多數呈立方體形狀，更接近于天然砂；而錘式破碎的顆粒形狀介于二者之間。結合《建設用砂》（GB/T 14684-2011）中對顆粒級配的指標分析，煤矸石機制砂不同地區的自燃煤矸石也不盡相同，通過反擊破碎后的自燃煤矸石顆粒級配明顯優于其他兩種，級配連續性好，說明各粒級間融合較好，不易造成級配缺失，且細度模數易于調整、可控。通過對不同破碎方式下砂漿抗壓強度的對比，進一步驗證了反擊破碎的自燃煤矸石是三種破碎方式中的最佳方式。

（3）不同礦區的自燃煤矸石也不盡相同。本文選取幾個礦區的自燃煤矸石在相同破碎方式下的壓碎值相差較大，這與礦區地質成因有關。同一礦區不同破碎方式的自燃煤矸石壓碎值也相差很多，反擊破碎的比顎式要低，且符合《建設用砂》（GB/T 14684-2011）標準要求。自燃煤矸石堆積密度比天然砂的堆積密度小300kg/m3左右，從集料角度看，這為制備輕質的自燃煤矸石砂漿提供了較好的前提條件。

（4）顆粒級配、細度模數是影響煤矸石砂漿性能的關鍵因素，不同區間顆粒的連續且處于2區內的級配制備的砂漿力學性能好于3區級配，且隨細度模數的增大，抗壓強度下降明顯。因此，建議自燃煤矸石級配連續，細度模數在2區最佳。

（5）自燃煤矸石自燃后結構膨脹、成分揮發，結構疏松，有大量不規則微孔，無定形礦物形成，活性效果明顯。作為細集料應用于砂漿，其細粉不僅承擔填充料作用，細粉中的活性成分還可以與水泥水化產物發生二次水化反應，對砂漿強度具有貢獻作用，當細粉含量在15%～17%之間對強度的貢獻最大。