磨細(xì)煤矸石粉在混凝土中應(yīng)用的試驗研究

李建勇 李榮江

（北京奧潤開元環(huán)?？萍佳芯吭?北京 100076）

前言

在我國，煤矸石是年產(chǎn)量最大、堆存最多的工業(yè)廢物。對煤矸石的資源化利用是實踐循環(huán)經(jīng)濟、節(jié)能減排的重要方向和內(nèi)容，具有廣泛的現(xiàn)實意義和社會經(jīng)濟利益。其中，對煤矸石在建材方面的資源化利用將是最大量、最有效的利用途徑[1]。

礦物摻合料已經(jīng)成為現(xiàn)代混凝土特別是預(yù)拌混凝土生產(chǎn)中不可或缺的原材料之一。隨著國內(nèi)預(yù)拌混凝土產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展，粉煤灰和礦渣粉等常用的礦物摻合料在很多地區(qū)已經(jīng)出現(xiàn)資源短缺、供應(yīng)緊張、價格上漲的局面。將磨細(xì)煤矸石粉用作混凝土礦物摻合料，不僅充分利用了固體廢棄物、變廢為寶，緩解粉煤灰、礦粉等摻合料供應(yīng)不足、價格上漲的局面，還可以節(jié)約大量的水泥，大大降低了混凝土成本，又可以解決煤矸石給環(huán)境帶來的諸多問題[2]。因此，研究煤矸石用作混凝土礦物摻合料的技術(shù)，對于煤矸石的資源化綜合利用有著極其重要的意義。

國內(nèi)對于煤矸石用作水泥混合材的研究較為普遍與成熟[3]，而對于磨細(xì)煤矸石粉作為礦物摻合料在混凝土中的應(yīng)用試驗研究相對較少，在很大程度上制約煤矸石在混凝土中的規(guī)模化應(yīng)用。

本文利用兩種不同產(chǎn)地的自燃煤矸石和煅燒煤矸石為原料，通過磨細(xì)加工制備了磨細(xì)煤矸石粉，對摻加磨細(xì)煤矸石粉的混凝土的拌合物性能、力學(xué)性能、抗凍性能和抗氯離子滲透性能等進行了試驗研究，并較為全面地檢測了復(fù)合摻加磨細(xì)煤矸石粉和II粉煤灰的C30混凝土的各項性能。本研究所得的試驗結(jié)果，可以為磨細(xì)煤矸石粉礦物摻合料的在預(yù)拌混凝土中的應(yīng)用提供一定的借鑒和指導(dǎo)。

1 原材料和配合比設(shè)計

1.1 原材料

（1）煤矸石

選用河北產(chǎn)煅燒煤矸石和內(nèi)蒙古產(chǎn)自燃煤矸石兩種原狀煤矸石。兩種煤矸石的化學(xué)成分見表1?；瘜W(xué)分析表明：煅燒煤矸石的SiO2含量在40%～60%之間，Al2O3含量在15%～30%之間，鋁硅比（Al2O3/SiO2）小于0.5，屬于粘土巖類煤矸石；自燃煤矸石的SiO2含量大于60%，鋁硅比（Al2O3/SiO2）小于0.5，屬于砂巖類煤矸石。另外，兩種煤矸石中有害、有毒及放射性元素很少，對健康和安全沒有危害。

（2）水泥和粉煤灰

選用北京金隅PO42.5普通硅酸鹽水泥，比表面積340m2/kg，28天抗壓強度為51MPa，化學(xué)成分見表1。

選用河北產(chǎn)II粉煤灰，細(xì)度23%，燒失量6.3%，需水量比101%，化學(xué)成分見表1。

（3）細(xì)集料

選用河北產(chǎn)Ⅱ區(qū)中砂河砂，細(xì)度模數(shù)2.7，含石量6%，含泥量2.2%，表觀密度2670kg/m3。

（4）粗集料

選用北京產(chǎn)5mm～25mm礦山廢石碎石，連續(xù)級配，含泥量1.2%，壓碎指標(biāo)4.5%，表觀密度2630kg/m3。

（5）外加劑

選用TGC-YS聚羧酸高性能減水劑，含固量12%，減水率29%。

（6）拌合水

自來水。

1.2 混凝土配合比方案

（1）混凝土拌合物性能和抗壓強度試驗

使用HJW-60混凝土攪拌機進行混凝土的拌合試驗。設(shè)計了C10、C30、C40和C60等四個強度等級的單摻磨細(xì)煤矸石粉或雙摻磨細(xì)煤矸石粉和粉煤灰的混凝土的配合比方案，見表2。其中，C30和C40兩個等級的單摻煤矸石粉配合比以及雙摻煤矸石粉和粉煤灰配合比用于混凝土拌合物坍落度性能試驗。

（2）單摻磨細(xì)煤矸石粉混凝土抗凍性能和抗氯離子滲透性能試驗

使用HJW-60混凝土攪拌機進行混凝土的拌合試驗。選取C30等級的混凝土，試驗研究在單摻磨細(xì)煤矸石粉的條件下，不同煤矸石粉摻量對混凝土抗凍融性能的影響，以及單摻30%煤矸石粉時混凝土的抗氯離子滲透性能。配合比方案見表3。

表1 原材料化學(xué)成分

表2 混凝土拌合物和抗壓強度試驗配合比方案

2 混凝土性能試驗結(jié)果

2.1 磨細(xì)煤矸石粉的粉磨

將原狀煤矸石進行水洗后烘干，使用XPS-100×60顎式破碎機破碎，然后使用SM-500球磨機進行粉磨加工，粉磨時間為30m in和40m in，制備了4種磨細(xì)煤矸石粉。表4給出了磨細(xì)煤矸石粉比表面積的測定結(jié)果。

結(jié)果表明，自燃煤矸石比煅燒煤矸石容易粉磨，相同粉磨時間下自燃煤矸石粉具有更高的比表面積。同時，這4種磨細(xì)煤矸石粉的比表面積均在550m2/kg以上，粉磨40min的煤矸石粉更是達到了超細(xì)狀態(tài)。

2.2 磨細(xì)煤矸石粉對混凝土拌合物性能的影響

按照表2中C30和C40等級的單摻煤矸石粉以及雙摻煤矸石粉和粉煤灰的配合比，使用HJW-60混凝土攪拌機攪拌混凝土，攪拌時間為120s。按GB/T 50080的規(guī)定測定混凝土拌合物出機坍落度和坍落擴展度，試驗結(jié)果見圖1和圖2。

從圖1和圖2可以看出：（1）不論是煅燒煤矸石還是自燃煤矸石，磨細(xì)煤矸石粉的細(xì)度（比表面積）越大，則混凝土的坍落度和擴展度越小，這說明磨細(xì)煤矸石粉的細(xì)度對混凝土拌合物的工作性有明顯影響；（2）不論是煅燒煤矸石還是自燃煤矸石，由于雙摻磨細(xì)煤矸石粉和粉煤灰時混凝土中的礦物摻合料總量顯著提高，因此混凝土拌合物的坍落度和擴展度均比單摻磨細(xì)煤矸石粉時有一定程度的降低，這說明在復(fù)合使用磨細(xì)煤矸石粉和粉煤灰時需要注意調(diào)整混凝土用水量或減水劑用量，以彌補工作性方面的下降；（3）在同樣摻量下，與摻加磨細(xì)煅燒煤矸石粉的混凝土相比，摻加磨細(xì)自燃煤矸石粉的混凝土拌合物的坍落度和擴展度的降低幅度更大更快，這說明磨細(xì)自燃煤矸石粉對混凝土坍落度和擴展度的影響更大。

表3 混凝土抗凍性能和抗氯離子滲透性能試驗配合比方案

表4 煤矸石粉比表面積

圖1 煅燒煤矸石粉混凝土坍落度試驗結(jié)果

圖2 自燃煤矸石粉混凝土坍落度試驗結(jié)果

2.3 磨細(xì)煤矸石粉對混凝土抗壓強度的影響

按表2給出的四個等級的混凝土配合比，使用HJW-60混凝土攪拌機攪拌混凝土，攪拌時間為120s。按GB/T 50080的規(guī)定測定出機后混凝土拌合物坍落度、擴展度，通過調(diào)整減水劑摻量控制混凝土拌合物坍落度/擴展度在（220±10mm）/（570±10mm）的范圍內(nèi)。成型邊長為100mm×100mm×100mm的立方混凝土試件，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護至規(guī)定齡期（3d、7d、28d三個齡期），按GB/T 50081的規(guī)定測定混凝土抗壓強度。以摻煤矸石粉混凝土的抗壓強度與相應(yīng)等級的單摻粉煤灰的基準(zhǔn)混凝土抗壓強度的百分比值作為評價指標(biāo)。結(jié)果見圖3。

從圖3中可以看出：（1）摻加磨細(xì)煤矸石粉后，四個等級混凝土的各齡期抗壓強度的發(fā)展趨勢基本接近，這說明磨細(xì)煤矸石粉對于不同強度等級混凝土抗壓強度的發(fā)展規(guī)律的影響沒有明顯差異；（2）相同摻量條件下，摻加自燃煤矸石粉的混凝土的各齡期抗壓強度均高于摻加煅燒煤矸石粉的混凝土，這說明磨細(xì)自燃煤矸石粉比磨細(xì)煅燒煤矸石粉在混凝土中具有更好的活性效應(yīng)；（3）相同摻量下，摻加磨細(xì)30min煅燒煤矸石粉的混凝土的抗壓強度稍高于摻加磨細(xì)40min煅燒煤矸石粉的混凝土，而摻加磨細(xì)30min自燃煤矸石粉的混凝土與摻加磨細(xì)40min自燃煤矸石粉混凝土的強度非常接近，因此，從經(jīng)濟性和活性效應(yīng)綜合考慮，對于煅燒煤矸石和自燃煤矸石，30min應(yīng)該是更好的粉磨時間。

有一點需要說明，雖然結(jié)果表明磨細(xì)自燃煤矸石粉具有更好的活性效應(yīng)，但其需水量要高于磨細(xì)煅燒煤矸石粉。在混凝土攪拌過程中，摻加磨細(xì)自燃煤矸石粉時一般需要多加0.2%的減水劑，來達到與摻加磨細(xì)煅燒煤矸石粉混凝土相同的坍落度與擴展度。

2.4 混凝土抗凍性能實驗

按表3中的混凝土配合比，研究了不同摻量磨細(xì)煤矸石粉對混凝土抗凍性能的影響?；炷猎嚰?biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護至28d齡期后，使用CABR-HDK9混凝土快速凍融試驗機進行50次凍融循環(huán)試驗。試驗結(jié)果見圖4。

圖3 摻煤矸石粉混凝土抗壓強度試驗結(jié)果

從圖4中可以看出：（1）在0～40%的磨細(xì)煤矸石粉摻量范圍內(nèi)，經(jīng)過50次快速凍融循環(huán)，混凝土的強度損失率均隨磨細(xì)煤矸石粉摻量的增大而增大；（2）摻加磨細(xì)自燃煤矸石粉時，摻量高于20%后混凝土的強度損失率有顯著增大；摻加磨細(xì)煅燒煤矸石粉時，摻量高于30%后混凝土的強度損失率有顯著增大；（3）相同摻量下，摻自燃煤矸石粉混凝土的抗凍性能明顯優(yōu)于摻磨細(xì)煅燒煤矸石粉混凝土的抗凍性能。

磨細(xì)煤矸石粉摻量的增大過程，實際上是混凝土漿體總孔隙體積逐漸增大的過程，孔體積的增大與孔結(jié)構(gòu)的變化使混凝土的抗凍性能降低。前述的試驗結(jié)果表明，磨細(xì)自燃煤矸石粉比磨細(xì)煅燒煤矸石粉在混凝土中具有更好的活性效應(yīng)，因此混凝土的結(jié)構(gòu)會更加密實。所以，摻加磨細(xì)自燃煤矸石粉混凝土的抗凍性能會優(yōu)于摻加磨細(xì)煅燒煤矸石粉混凝土。雖然摻入磨細(xì)煤矸石粉會降低混凝土的抗凍性能，但只要調(diào)整好混凝土配合比，保證混凝土具有較高的密實度，應(yīng)當(dāng)可以使摻磨細(xì)煤矸石粉混凝土具有適宜的抗凍性。

2.5 混凝土抗氯離子滲透性能實驗

按表3中單摻30%磨細(xì)煤矸石粉的混凝土配合比，成型混凝土試塊，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護至28天和56d齡期，鉆芯取樣制作圓盤形試件，按GB/T 50082的規(guī)定測定，使用CABR-RCMP混凝土氯離子電通量測定儀進行電通量測定，研究磨細(xì)煤矸石粉對混凝土抗氯離子滲透性能的影響。試驗結(jié)果見圖5。

從圖5中可以看出：（1）在30%磨細(xì)煤矸石粉摻量下，摻磨細(xì)煅燒煤矸石粉和磨細(xì)自燃煤矸石粉的混凝土的電通量均低于未摻煤矸石粉的混凝土，并且56天齡期時電通量下降更為明顯，這說明磨細(xì)煤矸石粉可以明顯改善混凝土的抗氯離子滲透性能；（2）相同齡期和煤矸石粉摻量的條件下，摻加磨細(xì)自燃煤矸石粉混凝土的抗氯離子滲透能力優(yōu)于摻加磨細(xì)煅燒煤矸石粉混凝土。

3 摻磨細(xì)煤矸石粉混凝土綜合性能檢測結(jié)果

在前述研究的基礎(chǔ)上，委托第三方檢測機構(gòu)對復(fù)合摻加磨細(xì)自燃煤矸石粉和Ⅱ級粉煤灰的C30等級混凝土進行綜合性能檢測?；炷僚浜媳纫姳?，綜合性能檢測結(jié)果見表6。

檢測結(jié)果表明，雙摻磨細(xì)自燃煤矸石粉和粉煤灰混凝土的各項性能優(yōu)良，完全能夠滿足C30普通混凝土的要求，將磨細(xì)煤矸石粉用作混凝土礦物摻合料具有技術(shù)上的可行性：

圖4 磨細(xì)煤矸石粉對混凝土抗凍性能的影響

圖5 磨細(xì)煤矸石粉對混凝土抗氯離子滲透性能的影響

表5 雙摻磨細(xì)煤矸石粉和粉煤灰混凝土綜合性能檢測用配合比

表6 煤矸石混凝土性能檢測結(jié)果

（1）拌合物工作性良好，初始坍落度和坍落擴展度分別為220mm和550mm，1小時后坍落度保持良好，坍落度和擴展度分別為210mm和470mm；

（2）力學(xué)性能良好，28天抗壓強度為44.7MPa，靜彈模量為32700MPa，其他力學(xué)強度良好；

（3）綜合耐久性能優(yōu)異，可以經(jīng)受300次以上快速凍融循環(huán)和150次以上硫酸鹽侵蝕，抗氯離子侵蝕性能良好，抗碳化性能良好；

（4）體積穩(wěn)定性較好，2 8天線體積收縮率為-2.7%，沒有明顯體積收縮。

結(jié)論

（1）本研究所用的砂巖類自燃煤矸石比粘土類煅燒煤矸石更容易粉磨，并且兩種煤矸石都可以使用球磨機粉磨成超細(xì)狀煤矸石粉。經(jīng)過30min的粉磨，兩種煤矸石粉均可以達到550m2/kg以上的高比表面積。

（2）在相同條件下，磨細(xì)自燃煤矸石粉比磨細(xì)煅燒煤矸石粉在混凝土中能夠發(fā)揮更好的活性效應(yīng)，摻磨細(xì)自燃煤矸石粉混凝土各齡期抗壓強度、抗凍性能和抗氯離子滲透性能均高于摻磨細(xì)煅燒煤矸石粉混凝土。但磨細(xì)自燃煤矸石粉需水量要高于磨細(xì)煅燒煤矸石粉，表現(xiàn)為前者制備的混凝土的坍落度稍差。

（3）對復(fù)合摻加磨細(xì)自燃煤矸石粉和Ⅱ級粉煤灰的C30等級混凝土進行綜合性能檢測結(jié)果表明，雙摻磨細(xì)自燃煤矸石粉和粉煤灰混凝土的各項性能優(yōu)良，完全能夠滿足C30普通混凝土的要求，拌合物工作性良好，力學(xué)性能較高，綜合耐久性能優(yōu)異，體積穩(wěn)定性較好。因此，磨細(xì)煤矸石粉用作混凝土礦物摻合料在技術(shù)上是可行的。

[1] 孫堅，耿春雷，張作泰，等．工業(yè)固體廢棄物資源綜合利用技術(shù)現(xiàn)狀[J]．材料導(dǎo)報．2012，26(6)：107-108.

[2] 王彥峰．論煤矸石綜合利用現(xiàn)狀[J]．北方環(huán)境．2011，23(11)：52-52.