李村煤礦煤矸石骨料物理力學(xué)性能試驗(yàn)研究

趙春洲

(山西潞安礦業(yè)集團(tuán)慈林山煤業(yè)有限公司 李村煤礦， 山西 長(zhǎng)治 046604)

中國(guó)能源結(jié)構(gòu)在未來(lái)相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)期內(nèi)仍將以煤炭資源為主[1-2]。煤矸石是煤炭生產(chǎn)和加工過(guò)程中產(chǎn)生的固體廢棄物，每年的排放量約為當(dāng)年煤炭產(chǎn)量的10%～15%，是中國(guó)排放量最大的固體廢棄物之一[3-5]。大量實(shí)踐表明，地面煤矸石堆放已經(jīng)造成了嚴(yán)重的空氣污染、水體污染，占用耕地以及導(dǎo)致人民財(cái)產(chǎn)損失等一系列問(wèn)題[6-8]。因此，開(kāi)展煤矸石的資源化利用已成為當(dāng)前中國(guó)煤炭工業(yè)綠色可持續(xù)發(fā)展的重大課題之一。

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)煤矸石綜合利用主要集中在發(fā)電、制磚、生產(chǎn)水泥瓷磚等方面，但是這些利用模式只適用于很少量一部分煤矸石的處理利用，煤矸石堆積量仍在逐年升高。就李村煤礦來(lái)講，目前礦井井下存在大量的井巷硬化工程，如巷道一次或二次噴漿支護(hù)、巷道砼底板等，這需要消耗大量的混凝土材料。而傳統(tǒng)的混凝土材料主要由水泥、粗骨料、細(xì)骨料和速凝劑等原料制備。其中，粗、細(xì)骨料的主要來(lái)源是碎石和河砂。近年來(lái)砂石價(jià)格不斷升高，這使得傳統(tǒng)混凝土作材料為煤礦井巷硬化工程材料成本也顯著提高。針對(duì)上述問(wèn)題，若能將煤矸石作為李村煤礦井下硬化工程中混凝土原料，替代傳統(tǒng)混凝土中的粗、細(xì)骨料，既可以減少煤矸石堆積引起的環(huán)境問(wèn)題，又可降低井下硬化工程的成本，是實(shí)現(xiàn)煤矸石資源化再生利用的極具前景和潛力的新途徑[9-12]。

但是，由于不同地區(qū)的煤矸石物理化學(xué)力學(xué)特性相差很大，采用煤矸石作為混凝土骨料時(shí)必須要使煤矸石的物理力學(xué)指標(biāo)滿(mǎn)足混凝土骨料的基本要求。為此，本文對(duì)李村煤礦末矸倉(cāng)排出的煤矸石進(jìn)行取樣分析，研究煤矸石骨料的基本物理性能、礦物組成、微觀結(jié)構(gòu)及其基本力學(xué)性能，并對(duì)比分析其與普通石子基本力學(xué)性能的差別，以期為制備煤矸石基混凝土提供相關(guān)的研究基礎(chǔ)。

1 煤矸石基本物理性能測(cè)試分析

1.1 試樣制備

試驗(yàn)所用煤矸石取自山西潞安礦業(yè)集團(tuán)慈林山煤業(yè)有限公司李村煤礦的天然原狀煤矸石，顏色為黑色或灰黑色，硬度較高，呈致密塊狀，如圖1所示。原狀煤矸石取自末矸倉(cāng)，煤矸石顆粒尺寸大小為2～40 mm。煤矸石取樣后，首先將大粒徑煤矸石采用人工初篩；然后采用BSX-92A型震擊式標(biāo)準(zhǔn)搖篩機(jī)將初篩后煤矸石進(jìn)行篩分，得到粒徑為4.75～31.5 mm煤矸石骨料(與普通混凝土粗骨料粒徑一致)，結(jié)果見(jiàn)表1。

從表1中可以看到，李村煤礦末矸倉(cāng)排出的煤矸石粒徑分布基本情況為：粒徑為0～4.75 mm的煤矸石占12.9%；粒徑為4.75～31.5 mm的煤矸石占79.7%；粒徑大于31.5 mm的煤矸石占7.4%。這表明李村煤礦末矸倉(cāng)排出的煤矸石可直接用作普通混凝土粗骨料的比例約為79.7%，剩余約20.3%無(wú)法直接在煤矸石基混凝土中應(yīng)用。

圖1 李村煤礦及現(xiàn)場(chǎng)采集的原狀煤矸石

表1 李村煤礦煤矸石骨料初篩結(jié)果

1.2 物理性能測(cè)試

利用上述初篩得到的煤矸石骨料，按照《建筑用卵石、碎石》(GB/T 14685—2011)規(guī)定，可以對(duì)煤矸石骨料的基本物理性質(zhì)(包括密度、含水率、吸水率、含泥量、骨料級(jí)配等)進(jìn)行測(cè)定，具體原理與方法如下：

1)煤矸石表觀密度計(jì)算公式為

(1)

式中：ρ為表觀密度，kg/m3；m0為烘干后試樣質(zhì)量，kg；m1為容量桶的質(zhì)量，kg；m2為容量筒和試樣總質(zhì)量，kg。

2)堆積密度計(jì)算公式為

(2)

式中：ρL為堆積密度，kg/m3；m1為容量桶的質(zhì)量，kg；m2為容量筒和試樣總質(zhì)量，kg；V為容量筒體積。

3)含水率的計(jì)算公式為

(3)

式中：wwc為含水率，%；m1為烘干后試樣與淺盤(pán)總質(zhì)量；m2為烘干前飽和面干試樣與淺盤(pán)總質(zhì)量；m3為淺盤(pán)質(zhì)量。

4)吸水率的計(jì)算公式為

(4)

式中：wws為吸水率，%；m1為烘干后試樣與淺盤(pán)總質(zhì)量；m2為烘干前飽和面干試樣與淺盤(pán)總質(zhì)量；m3為淺盤(pán)質(zhì)量。

5)含泥量的計(jì)算公式為

(5)

式中：wcL為泥塊含量，%；m1為直徑5 mm篩上的篩余量；m2為試驗(yàn)后烘干試樣質(zhì)量。

表2給出了李村煤礦煤矸石的物理性能指標(biāo)(包括表觀密度、堆積密度、含水率、吸水率、含泥量等)與普通石子的測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)比。從表2中可以看到，由于煤矸石受到自身層狀結(jié)構(gòu)特征等因素的影響，其吸水率、針片狀顆粒等含量較高，故會(huì)對(duì)其宏觀力學(xué)性能產(chǎn)生不利影響。

表2 李村煤礦煤矸石骨料物理性能指標(biāo)測(cè)試結(jié)果

2 煤矸石礦物組成測(cè)試分析

X射線熒光光譜分析(XRF)是利用X射線照射在物質(zhì)上產(chǎn)生的次級(jí)X射線(稱(chēng)為X射線熒光)，來(lái)測(cè)量元素周期表中的每一種元素。

利用XRF分析儀對(duì)李村煤礦煤矸石主要成分進(jìn)行分析，結(jié)果見(jiàn)表3。由表3可知，煤矸石中SiO2、Al2O3的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別占總質(zhì)量的30.29%和23.58%，二者之和為53.87%，其他氧化物TiO2、SO3、Na2O、Fe2O3、Cao等約占3.12%，有機(jī)物及水份等燒失量約占43.03%。可見(jiàn)，李村煤礦煤矸石中Si、Al所形成礦物約占煤矸石礦物組成的大多數(shù)，具有富含硅質(zhì)或鋁質(zhì)的特點(diǎn)，這一特點(diǎn)符合用作混凝土集料的要求。

但是，同時(shí)可以發(fā)現(xiàn)李村煤礦天然煤矸石中的有機(jī)物等含量(即測(cè)試中的燒失量)也較大，因此利用煤矸石制備的混凝土強(qiáng)度相比傳統(tǒng)混凝土的強(qiáng)度性能必然要降低。

表3 李村煤礦煤矸石主要礦物成分XRF測(cè)試結(jié)果 %

3 煤矸石力學(xué)強(qiáng)度特征測(cè)試分析

由于末矸倉(cāng)排出的煤矸石具有尺寸小且形狀不規(guī)則等特點(diǎn)，因此無(wú)法根據(jù)巖石力學(xué)試驗(yàn)規(guī)范加工成標(biāo)準(zhǔn)試樣進(jìn)行測(cè)試。為此，選擇壓碎值、點(diǎn)荷載強(qiáng)度兩種方法來(lái)評(píng)估李村煤礦末矸倉(cāng)排出的煤矸石的力學(xué)強(qiáng)度特征。

3.1 煤矸石壓碎值測(cè)試

壓碎值是指骨料在外力作用下抵抗破壞能力的性能指標(biāo)，是衡量骨料強(qiáng)度一個(gè)重要特征。具體測(cè)試的方法如下：

1)取風(fēng)干后的煤矸石試樣，篩除粒徑>19.0 mm和<9.50 mm的煤矸石，同時(shí)剔除針片狀煤矸石。然后，將準(zhǔn)備好的煤矸石稱(chēng)取試樣3 kg，精確至1 g。將試樣分兩層裝入壓碎值測(cè)試的標(biāo)準(zhǔn)模具中，蓋上壓頭，如圖2所示。

圖2 煤矸石壓碎值測(cè)試裝置及試樣

2)將裝有煤矸石試樣的模具置于單軸壓縮試驗(yàn)機(jī)上，按照恒定的力加載速度1 kN/s均勻施加載荷至200 kN，穩(wěn)定5 s后，卸載至力為零。

3)從試驗(yàn)機(jī)上取下標(biāo)準(zhǔn)壓碎值模具的壓頭，將其中壓碎的煤矸石倒出，利用孔徑2.36 mm標(biāo)準(zhǔn)篩篩除被壓碎的煤矸石細(xì)粒，測(cè)量留在篩上的試樣剩余質(zhì)量。

煤矸石的壓碎值可按下式計(jì)算：

(6)

式中：Q為壓碎值，%；m1為試驗(yàn)后通過(guò)2.36 mm篩孔的細(xì)料質(zhì)量，g；m0為試驗(yàn)前試樣質(zhì)量，g。

李村煤礦煤矸石的壓碎值測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表4。從表4中可以看到，李村煤礦煤矸石的平均壓碎值為27.3%，要高于普通石子壓碎值(136.63%)和國(guó)標(biāo)GB/T 14684、GB/T 14685要求的骨料壓碎值(≤20%)。這表明煤矸石由于受到自身層狀結(jié)構(gòu)、礦物成分等因素的影響，其力學(xué)強(qiáng)度性能要劣于普通石子。

表4 李村煤礦煤矸石壓碎值測(cè)試結(jié)果

3.2 煤矸石點(diǎn)載荷強(qiáng)度測(cè)試

點(diǎn)荷載測(cè)試是將不規(guī)則的試件置于兩個(gè)球形園錐狀壓板之間，對(duì)試件施加集中荷載，直至破壞，然后根據(jù)破壞荷載求得試樣的點(diǎn)荷載強(qiáng)度。點(diǎn)荷載強(qiáng)度可用于評(píng)價(jià)巖石單軸抗壓強(qiáng)度特征等指標(biāo)，尤其適用于各類(lèi)不規(guī)則的巖石試樣。

本次試驗(yàn)測(cè)定李村煤礦煤矸石在風(fēng)干狀態(tài)和含水狀態(tài)下的點(diǎn)荷載強(qiáng)度，試驗(yàn)儀器如圖3所示。巖石點(diǎn)載荷強(qiáng)度指數(shù)的計(jì)算公式為

(7)

式中：Is為巖石點(diǎn)載荷強(qiáng)度，MPa；P為破壞荷載，kN；De為等效巖芯直徑，mm。

利用點(diǎn)載荷試驗(yàn)儀分別對(duì)風(fēng)干狀態(tài)、含水狀態(tài)下的普通石子(試樣編號(hào)1～8)和李村煤礦煤矸石(試樣編號(hào)9～16)試樣進(jìn)行點(diǎn)載荷試驗(yàn)，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 李村煤礦煤矸石點(diǎn)荷載強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

圖3 煤矸石點(diǎn)載荷試驗(yàn)儀

由表5中數(shù)據(jù)可知，李村煤礦煤矸石試樣在風(fēng)干狀態(tài)下的點(diǎn)載荷強(qiáng)度平均值相比普通石子強(qiáng)度要降低26.3%。在飽水狀態(tài)下，李村煤礦煤矸石試樣的平均強(qiáng)度與相同狀態(tài)下的普通石子相比要降低36.9%。浸水后煤矸石試樣強(qiáng)度明顯降低。浸水后的煤矸石試樣用手指按壓時(shí)煤矸石試樣節(jié)理面有水分滲出并帶有氣泡，點(diǎn)荷載作用點(diǎn)處呈粉化狀破壞，其主要原因是煤矸石試樣存在變質(zhì)風(fēng)化、組織結(jié)構(gòu)破壞，節(jié)理、片理發(fā)育等原因造成的?？傮w來(lái)講，李村煤礦煤矸石比較適合于替代普通石子來(lái)制備低強(qiáng)度的煤矸石基混凝土。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)李村煤礦煤矸石物理力學(xué)等性能指標(biāo)的測(cè)試研究，對(duì)比分析了普通石子與李村煤礦煤矸石基本物理力學(xué)性能的差別，得到以下結(jié)論：

1)李村煤礦末矸倉(cāng)排出的煤矸石可直接用作普通混凝土粗骨料的比例約為79.7%，煤矸石骨料粒徑級(jí)配滿(mǎn)足國(guó)標(biāo)(GB/T 14685—2011)規(guī)定的混凝土粗集料標(biāo)準(zhǔn)級(jí)配要求；但是煤矸石受到自身層狀結(jié)構(gòu)特征等因素的影響，其吸水率、針片狀顆粒含量等物理性能指標(biāo)較高，故會(huì)對(duì)其宏觀力學(xué)性能產(chǎn)生不利影響。

2)李村煤礦煤矸石中SiO2、Al2O3二者質(zhì)量分?jǐn)?shù)之和為53.87%，有機(jī)物及水份等燒失量約占43.03%，具有富含硅質(zhì)或鋁質(zhì)的特點(diǎn)，符合用作混凝土粗骨料的要求。但是，李村煤礦煤矸石中的有機(jī)物等含量也較大，會(huì)對(duì)煤矸石混凝土的強(qiáng)度產(chǎn)生較大影響。

3)李村煤礦煤矸石平均壓碎值為27.3%，要高于普通石子壓碎值和國(guó)標(biāo)GB/T 14684、GB/T 14685要求的骨料壓碎值，風(fēng)干狀態(tài)下煤矸石的強(qiáng)度相比相同狀態(tài)下的普通石子要降低26.3%，飽水狀態(tài)下的煤矸石強(qiáng)度相比相同狀態(tài)下的普通石子要降低36.9%，總體來(lái)講比較適合于替代普通石子來(lái)制備低強(qiáng)度的煤矸石基混凝土。