秦 倩，王金滿，2，胡斯佳

(1.中國地質(zhì)大學(xué)(北京)土地科學(xué)技術(shù)學(xué)院，北京 100083； 2.國土資源部土地整治重點實驗室，北京 100035)

綠色礦業(yè)

利用煤矸石粉煤灰制成農(nóng)田排水混凝土材料的研制實驗

秦 倩1，王金滿1，2，胡斯佳1

(1.中國地質(zhì)大學(xué)(北京)土地科學(xué)技術(shù)學(xué)院，北京 100083； 2.國土資源部土地整治重點實驗室，北京 100035)

為了解決高潛水位采煤塌陷區(qū)的排水問題，同時提高礦山固體廢棄物煤矸石粉煤灰的利用率，本文開展了新型透水性煤矸石粉煤灰混凝土排水溝試驗研究。本研究設(shè)計了兩個試驗，一是煤矸石粉煤灰混凝土透水系數(shù)和抗壓強度測定試驗：共設(shè)置了五個試驗處理，分別以煤矸石代替25%和15%的碎石，粉煤灰替代10%和15%的水泥，同時包括一個空白對照組；二是室內(nèi)模擬排水溝透水率測定試驗：選取試驗一中透水系數(shù)最大，且滿足抗壓強度標(biāo)準(zhǔn)的處理5的混凝土配合比(煤矸石替代碎石量為30%，粉煤灰替代水泥量為15%)，進行室內(nèi)排水溝模擬試驗。結(jié)果表明：煤矸石粉煤灰混凝土具有較好的透水性，試驗一處理5的混凝土塊透水系數(shù)最大，其抗壓強度為12.03MPa，滿足抗壓強度標(biāo)準(zhǔn)；室內(nèi)模擬農(nóng)田排水溝的透水率為0.072cm/h，在田間應(yīng)用排漬模數(shù)可達(dá)0.01m3/(s.km2)，該混凝土在排漬模數(shù)不大于該值的地區(qū)可以應(yīng)用，具有廣闊的應(yīng)用前景。

土地復(fù)墾；煤矸石；粉煤灰；農(nóng)田排水；透水系數(shù)

中國是世界上采煤塌陷地面積最大的國家，因煤炭開采引起的塌陷地面積高達(dá)70萬km2，并且以130km2/a的速度繼續(xù)增長。采煤塌陷容易形成大小不一、深淺不等的封閉式塌陷水面，易造成地下水位的上升、土壤鹽漬化等問題，給生態(tài)環(huán)境帶來很大影響[1-2]，高潛水位采煤塌陷區(qū)的農(nóng)田排水是一個亟需解決的難題。在高潛水位采煤塌陷區(qū)的土地復(fù)墾中，由于地下水位高，致使土質(zhì)排水溝不容易穩(wěn)定，造成其斷面尺寸大、占地多。同時，傳統(tǒng)農(nóng)田排水溝道護砌材料致密，往往達(dá)不到預(yù)期的排水效果。

同時，伴隨著煤炭的開采，有大量的礦山固體廢棄物產(chǎn)生。2010年中國煤矸石和粉煤灰產(chǎn)生量大約為10.7億t，并隨著電力工業(yè)的發(fā)展，其排放量將會逐年增長，預(yù)計到2015年，粉煤灰和煤矸石將會達(dá)到13億t。大量的礦山固體廢棄物若不加以處理，將會產(chǎn)生揚塵、出現(xiàn)自燃等現(xiàn)象，對生態(tài)環(huán)境造成危害，其中有害元素有可能影響人的健康[3]。目前，對煤矸石的綜合利用主要有以下方面：發(fā)電；作為農(nóng)業(yè)肥料基質(zhì)，改良土壤；作為公路路基；復(fù)墾回填；制磚、水泥、混凝土等[4-6]。雖然煤矸石和粉煤灰的利用范圍很廣，但是由于量大其利用率仍然很低。

目前，對農(nóng)田排水溝的護砌材料研究很少，當(dāng)前的研究主要集中在植被砌護上。植被排水溝對有害物質(zhì)有很好的吸附作用，但由于植被排水溝會增加排水溝的糙率，影響排水溝的效果。為了解決高潛水位采煤塌陷區(qū)的排水問題，同時提高煤矸石和粉煤灰的利用率，能不能利用煤矸石和粉煤灰這些固體廢棄物作為排水溝混凝土的替代材料呢？為此，本文擬以煤矸石代替碎石、粉煤灰代替水泥，通過室內(nèi)透水試驗和模擬排水試驗，分析不同替代材料下的透水和排水效果，來提出一種煤矸石粉煤灰混凝土排水溝襯砌材料最優(yōu)方案，以提高粉煤灰、煤矸石的資源利用率，有效控制高潛水位采煤塌陷區(qū)復(fù)墾農(nóng)田的地下水位，減少土壤鹽漬化影響，改善生態(tài)環(huán)境，降低復(fù)墾和生產(chǎn)成本。

1 材料方法

1.1 材料

1)水泥。此次試驗所用水泥為PO 42.5級普通硅酸鹽水泥，由河北鉆牌泥有限公司生產(chǎn)，其主要特性見表1。

2)粗集料。同時考慮混凝土的透水性能和抗壓強度，此次試驗選用碎石作為粗集料，連續(xù)級配，級配范圍為5～15mm。完全干燥，如果略有含泥量，可以忽略不計。其物理性能：級配為3～10mm。

3)細(xì)集料。為了保證粉煤灰煤矸石透水性混凝土的強度能夠達(dá)到要求，采用中砂和黃砂作為本試驗的細(xì)集料。

4)粉煤灰。供試粉煤灰來自徐州賈汪電廠，密度2.2kg/m3，需水量比0.95，細(xì)度小于等于12%，粉煤灰中重金屬含量由原子吸收分光光度法測定，見表2。從表中可以看出，重金屬含量符合中國《農(nóng)用粉煤灰中污染物控制標(biāo)準(zhǔn)》(GB 8173-1987)的要求。

5)煤矸石。煤矸石來自江蘇省徐州賈汪礦區(qū)，選取未燃矸石，其粒徑不大于30mm。

6)外加劑。本試驗外加劑采用的是萘系高效減水劑(AE-d)。其主要性能及指標(biāo)見表3。

表1 鉆牌PO 42.5 級水泥化學(xué)組成

表2 粉煤灰中重金屬含量

注：a農(nóng)用粉煤灰中污染物控制標(biāo)準(zhǔn)。

表3 萘系高效減水劑主要性能指標(biāo)

1.2 混凝土透水系數(shù)與抗壓強度測定試驗

1.2.1 透水試驗裝置

透水試驗裝置見圖1，由三個部分組成：馬氏瓶、不透水圓柱形套筒及底座。馬氏瓶一側(cè)有出水口與不透水圓形套筒通過橡膠管連接，另一側(cè)有通氣管使內(nèi)部的水受到大氣的壓力。不透水圓柱形套筒兩端不封閉，直徑為150mm，高為250mm。套筒底部為混凝土塊，高為100mm，水只能通過混凝土塊滲透下溢。混凝土塊下方為透水性圓柱套筒，直徑為150mm。底座一側(cè)開口用來計量通過混凝土塊滲透的水量。

1.2.2 試驗設(shè)計

在普通砂漿配合比的礎(chǔ)上，水灰比為0.3，以粉煤灰代替部分水泥(分別替代10%和15%)，以煤矸石代替部分碎石(分別代替25%和30%)，本試驗共設(shè)置5個處理組，其中包括1個空白對照組。經(jīng)過配試粉煤灰煤矸石透水性混凝土的配比方案見表4。

表4 實驗設(shè)計表

圖1 自行設(shè)計透水儀裝置圖(單位：mm)

1.2.3 試驗過程

1.2.3.1 試塊制作

1)透水系數(shù)測定試驗試塊。透水系數(shù)測定試塊在不透水圓柱套筒內(nèi)制作，其尺寸為：直徑150mm，高100mm。按表4配合5組處理的試驗材料。采用三層插法搗制作試塊，試件成型后，表面要覆蓋塑料薄膜以防止水分散失，養(yǎng)護7d。

2)抗壓強度試驗試塊?；炷量箟簭姸仍噳K制作的過程與透水性試驗試塊的制作一致，每組處理制作三個試塊，共15個，尺寸規(guī)格為100mm×100mm×100mm。試件成型后混凝土表面立即用塑料薄膜蓋住，靜置二晝夜，環(huán)境溫度為20℃，然后編號、拆模。拆模后放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護室中養(yǎng)護，養(yǎng)護室相對濕度為95%以上。各試塊應(yīng)彼此間隔，同時試件表面要保持潮濕，養(yǎng)護齡期為28d。

1.2.3.2 透水系數(shù)測定

本次透水性混凝土滲透試驗采用的方法是大孔混凝土透水性試驗方法，是由日本混凝土工學(xué)協(xié)會參考《土壤透水性試驗》(JISA1218-2009)而制定的[7]。試驗時采用定水頭法，見圖1，不透水圓柱形套筒與馬氏瓶相連，混凝土上方的水頭高度控制在100mm，在單位時間內(nèi)，水通過混凝土滲透流入底座，從出水口流進量筒，記錄單位時間內(nèi)流出的水量，混凝土的透水系數(shù)按式(1)進行計算可以得到。

(1)

式中：k為透水性混凝土的透水系數(shù)，cm/s；Q為從t1到t2通過混凝土滲透的總水量，cm3；T為混凝土試塊的厚度，cm；A為混凝土上方與水接觸的透水面積，cm2；H為水頭，cm；(t2-t1)為時間，s。

1.2.3.3 混凝土抗壓強度測定

透水性混凝土的抗壓強度的測定是根據(jù)《普通混凝土力學(xué)性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50081-2002)來進行的，用混凝土抗壓強度檢測儀(ZCY-300KN)對5個處理的粉煤灰煤矸石混凝土抗壓強度進行測定。

1.3 室內(nèi)模擬農(nóng)田排水溝透水率測定試驗

1.3.1 試驗裝置

圖2 室內(nèi)模擬田間排水溝斷面圖(單位：cm)

試驗裝置如圖2所示，在排水溝模具上澆筑排水溝的底部和邊坡，混凝板的厚度為8cm，排水溝的底寬為14cm，頂寬為52cm，溝深度為26cm，邊坡比1∶1。模擬排水溝里土壤為中壤土，容重為1.42g/cm3。

1.3.2 試驗設(shè)計

選取透水效果最好抗壓強度滿足要求的處理5的混凝土配合比(煤矸石替代碎石量為30%，粉煤灰替代水泥量為15%)，在室內(nèi)進行農(nóng)田排水溝模擬試驗。用定水頭法測量混凝土的透水率，利用馬氏瓶向模具兩側(cè)注水，維持水位差在14cm，排水溝內(nèi)設(shè)計水位為10cm。水通過粉煤灰煤矸石混凝土滲透進入排水溝內(nèi)，超過設(shè)計水位時，水就從設(shè)計的出水管排出。利用量筒收集排出的水量，并利用秒表記錄排水時間。

1.3.3 試驗過程

1.3.3.1 試塊制作

在模具內(nèi)，用攪拌好的混凝土料現(xiàn)澆排水溝的邊坡和底部，混凝土表面要抹光收面。同樣，混凝土初凝后，表面要立即附上塑料薄膜進行養(yǎng)護，平均環(huán)境溫度為10℃以上時，需要每天澆水兩次，自然養(yǎng)護28d，一直帶模養(yǎng)護直到混凝土硬固后拆模。

1.3.3.2 透水率測定

通過測量的出水口的出水量，由式(2)可算得透水性混凝土的透水系數(shù)。

(2)

式中：Ts為透水率，cm/h；V為透水量，ml；S為透水性混凝土橫截面積，cm2；T為透水時間，h。

2 結(jié) 果

2.1 不同處理下煤矸石粉煤灰混凝土塊的透水系數(shù)

不同處理下煤矸石粉煤灰混凝土塊的透水系數(shù)見圖3。由圖可知，粉煤灰煤矸石混凝土的透水系數(shù)較普通混凝土得到了有效的提高，且隨著粉煤灰和煤矸石含量的增加，透水系數(shù)逐漸增大，第5組處理(煤矸石替代碎石量為30%，粉煤灰替代水泥量為15%)的透水系數(shù)最大，空白對照組的透水系數(shù)最小。

2.2 不同處理下煤矸石粉煤灰混凝土的抗壓強度

不同處理下煤矸石粉煤灰混凝土的抗壓強度見圖4。當(dāng)煤矸石透水性混凝土中的煤矸石和粉煤灰含量增加時，混凝土的抗壓強度呈先減小后增大，再減小的趨勢，最小抗壓強度是第五組處理為12.03MPa(煤矸石替代碎石量為30%，粉煤灰替代水泥量為15%)，所有處理均符合混凝土抗壓強度標(biāo)準(zhǔn)。

2.3 室內(nèi)模擬排水溝的透水率

室內(nèi)模擬排水溝的透水率見圖5。經(jīng)過前24h的起伏后，排水溝的透水系數(shù)逐漸趨于平緩，在0.07cm/h上下浮動。計算得出由煤矸石替代碎石量為30%，粉煤灰替代水泥量為15%時的混凝土排水溝的透水系數(shù)為0.072cm/h。

圖3 不同處理透水系數(shù)隨時間變化圖

圖4 不同處理混凝土抗壓強度變化

圖5 室內(nèi)模擬排水溝混凝土透水率變化圖

3 討 論

3.1 煤矸石粉煤灰混凝土透水性和抗壓強度變化機理

透水系數(shù)逐漸增大，是因為隨著煤矸石和粉煤灰的增加，混凝土的空隙增大，透水系數(shù)增大[8]。

最初混凝土塊壓強減小是因為隨著煤矸石和粉煤灰的加入，骨料粒徑增大，同時水泥的含量減少，混凝土C3S 、C2S 和Ca(OH)2含量減少[9]，骨料之間的咬合點減少，由此水泥漿體的粘結(jié)力減小以及產(chǎn)生的咬合摩擦力減小所致。接著抗壓強度增大是因為當(dāng)粉煤灰和煤矸石的含量達(dá)到最優(yōu)配比時，骨料表面有一層比較完整的膠結(jié)層，這種膠結(jié)層有較高的強度，因而透水性混凝土的抗壓強度達(dá)到一個高點[10]，當(dāng)超過這個最佳配合比時，混凝土的抗壓強度又開始減小。

3.2 透水性排水溝田間應(yīng)用可行性

經(jīng)上面的試驗可知煤矸石粉煤灰混凝土排水溝有較好的透水能力，那么這個透水能力是否滿足高潛水位采煤塌陷區(qū)實際的田間排水要求呢？

按照《農(nóng)田排水工程技術(shù)規(guī)范》(SL/T4-1999)設(shè)在1km2的農(nóng)田中布設(shè)兩條斗溝，20條農(nóng)溝，農(nóng)溝間距為100m，斗溝間距為500m，排水溝具體參數(shù)見表5，假設(shè)地下水位與農(nóng)溝溝底的距離為0.6m，與斗溝溝底的距離為0.9m。

利用式(3)計算使用此煤矸石粉煤灰混凝土在1km2農(nóng)田中的能夠產(chǎn)生的排漬流量。

(3)

式中：Q為排漬流量，m3/s；S為地下水與排水溝接觸的面積，m2；T為排水溝透水率，0.072 cm/h。

經(jīng)計算，Q=0.01m3/s。則該使用煤矸石粉煤灰制成的混凝土在本區(qū)域的排漬模數(shù)為0.01 m3/(s·km2)。因此，本煤矸石粉煤灰透水性混凝土排水溝在允許排漬模數(shù)小于0.01m3/(s·km2)的高潛水位采煤塌陷地可以廣泛應(yīng)用。

表5 排水溝參數(shù)

4 結(jié) 論

1)透水性煤矸石粉煤灰混凝土的最優(yōu)配合比為：煤矸石替代30%的碎石，粉煤灰替代15%的水泥。

2)按照最優(yōu)配比的混凝土進行室內(nèi)排水溝的模擬試驗，透水系數(shù)為0.072cm/h；田間應(yīng)用的排漬模數(shù)可達(dá)0.01m3/(s.km2)，能夠滿足高潛水位采煤塌陷區(qū)的排漬要求。

3)煤矸石粉煤灰透水性混凝土不僅有效地解決了高潛水位采煤塌陷區(qū)復(fù)墾中的排水問題，還提高了礦山固體廢棄物利用水平，在廢物利用和保護生態(tài)環(huán)境方面具有重要的意義，符合我國產(chǎn)業(yè)發(fā)展政策，易于推廣和實現(xiàn)，具有廣闊的前景。

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Adevelopment test on porous concrete material with coal gangue and fly ash used for farmland drainage in coal mining subsidence area with high ground-water level

QIN Qian1，WANG Jin-man1，2，HU Si-jia1

(1.College of Land Science and Technology，China University of Geosciences(Beijing)，Beijing 100083，China； 2.Key Laboratory of Land Consolidation and Rehabilitation Ministry of Land and Resources，Beijing 100035，China)

The purpose of this paper is to solve drainage problems of coal mining subsidence area with high groundwater level，while improving the utilization rate of mine solid wastes including coal gangue and fly ash.This paper carried out a test on the new porous concrete drainage ditch with coal gangue and fly ash.Two experiments was designed，one was the test of permeability coefficient and compressive strength of the concrete with coal gangue and fly ash.Five treatments were set up，respectively using coal gangue instead of 25% and 15% aggregate，fly ash instead 10% and 15% cement，also included a blank control group；Another was the test for the permeable rate of indoor simulated drainage ditch by choosing the concrete mix proportion of treatment 5 which had the maximum permeability coefficient and met the compressive strength standard in experiment one.It was proved that the concrete with coal gangue and fly ash had better water permeability，and the largest one was treatments 5(coal gangue instead of 30% gravel and fly ash instead of 15% cement).Besides，the compressive strength of it was 12.03MPa，meeting the standard；the permeable rate of indoor simulation of farmland drainage ditch was 0.072cm/h and the modulus of subsurface drainage can reach 0.01m3/ (s.km2) when assuming it was applied in the field.The results indicated that this kind of concrete can be applied in the area in which the modulus of subsurface drainage is not larger than the value.The porous concrete drainage ditch with coal gangue and fly ash will have a broad application prospect；this study can provide supporting for its application.

land reclamation；coal gangue；fly ash；farmland drainage；permeability coefficient

2014-12-02

國土資源部公益性行業(yè)科研專項資助(編號：2-1-2011-79-C)

秦倩(1991-)，女，漢族，安徽安慶人，碩士，主要從事土地整治與生態(tài)恢復(fù)研究。E-mail:qinqian2013@163.com。

王金滿(1979-)，男，內(nèi)蒙古赤峰人，副教授，主要從事土地整治與生態(tài)恢復(fù)、農(nóng)業(yè)水土資源與環(huán)境研究。E-mail：wangjinman2002@163.com。

TD98；S276

A

1004-4051(2015)07-0039-05