王 辰，梁惠祺，別泉泉，張 碩，高 耀，舒元鋒，朱開成，王彥君，許澤勝，舒新前

(1.中國礦業(yè)大學(北京) 化學與環(huán)境工程學院，北京市海淀區(qū)，100083；2.綠色礦山推進委員會，北京市朝陽區(qū)，100029；3. 江蘇地質(zhì)礦產(chǎn)設(shè)計研究院，江蘇省徐州市，221000)

0 引言

建設(shè)用砂石作為混凝土的主料，是生產(chǎn)、生活中除水資源之外消耗量最大的自然資源之一。我國砂石銷量為200億t/a，作為骨料主要用于建筑、道路、橋梁、鐵路、水利等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，早期主要使用天然河砂，但是隨著資源逐漸變少，尤其我國對生態(tài)文明建設(shè)提出了更高的要求，天然砂開采越來越受到限制，產(chǎn)自固體廢棄物的機制砂使用日益增多。

目前，我國機制砂產(chǎn)量超過180億t，占砂石總量的78.3%，預計今后還會繼續(xù)增加[1]。在這種情況下，盡管我國機制砂的原料來源廣泛、產(chǎn)量巨大，但是由于需求旺盛，加之對天然砂石的進一步限采，導致機制砂使用越來越多[2]。為此，十分有必要擴大機制砂的原料來源，保障產(chǎn)品供應，緩解用砂需求，同時實現(xiàn)對多種工業(yè)固體廢棄物的有效資源化利用。部分學者對煤矸石細骨料混凝土的物理性能開展研究，發(fā)現(xiàn)煤矸石輕骨料與天然砂石骨料相比，具有抗壓能力好、抗凍性滿足制砂要求且成本較低的特點，可作為機制砂的重要來源[3]。

目前我國煤矸石堆積量超過50億t/a，對環(huán)境產(chǎn)生的危害十分顯著，使用煤矸石生產(chǎn)機制砂既可以緩解用砂需求，還可以減輕煤矸石造成的環(huán)境污染。盡管我國已經(jīng)在多地開展煤矸石機制砂的試驗與應用，但是由于存在煤矸石原料組分復雜、組成和性質(zhì)差異性大、制砂標準尚未規(guī)范等問題，限制了煤矸石機制砂的應用。

鑒于此，筆者從機制砂的應用狀況、制備標準與方法、使用煤矸石制備機制砂的可行性以及應用等方面對我國煤矸石機制砂的現(xiàn)狀進行了分析，并提出使用煤矸石制備機制砂的現(xiàn)存問題和相應解決措施，以期促進我國煤矸石機制砂的研究與應用進展。

1 機制砂制備及應用狀況

1.1 機制砂的原料來源

按照《建設(shè)用砂》(GBT 14684-2011)標準，機制砂是指經(jīng)機械破碎、篩分得到的廢石、尾礦或者工業(yè)廢渣顆粒，粒徑在4.75 mm以下，顆粒多呈棱角狀，表面粗糙[4]。機制砂的原料一般要求是來源廣、成本低、易加工的廢石、尾礦、建筑垃圾和工業(yè)固體廢棄物。我國多地的巖礦資源豐富，產(chǎn)生的廢石和尾礦通常強度較高、組成和性能符合要求，因而是制備機制砂的重要原料[5]。謝開仲等[6]研究人員以卵石、玄武巖、石灰?guī)r為原料，基于《公路工程巖石試驗規(guī)程》(JTGE 41-2005)開展了廢石制機制砂試驗，重點研究了不同原料的力學性能、顆粒級配以及表觀密度等性能，結(jié)果表明完全可以用以制備機制砂，并符合《建筑用卵石、碎石》(GB/T 14685-2011)對碎石的性能要求，母巖的力學和物理性質(zhì)見表1。

表1 母巖的力學和物理性質(zhì)

尾礦如鐵尾礦、錳尾礦、銅尾礦均可制備機制砂，建筑垃圾分選后，經(jīng)過破碎、篩選，也可以制成符合要求的機制砂，尾礦及建筑垃圾制備機制砂性能對比見表2。

表2 尾礦及建筑垃圾制備機制砂性能對比[7-17]

1.2 機制砂的生產(chǎn)工藝

機制砂生產(chǎn)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)是原料的破碎和篩選[18]，不僅決定機制砂的粒度級配，還是決定工藝適應性和生產(chǎn)成本的主要因素。

典型機制砂生產(chǎn)工藝流程如圖1所示。

圖1 典型機制砂生產(chǎn)工藝流程

由圖1可以看出，原料破碎后進行除粉作業(yè)，可以控制機制砂的石粉含量，以利于提高機制砂的品質(zhì)和混凝土的性能。目前機制砂采用的除粉工藝主要分為干式制砂和濕式制砂這2種[19]，不同的制砂工藝流程如圖2所示，2種除粉工藝優(yōu)缺點比較見表3。

圖2 不同的制砂工藝流程

表3 2種除粉工藝優(yōu)缺點比較

1.3 我國機制砂的技術(shù)標準和規(guī)范

1.3.1 我國機制砂的等級劃分

我國機制砂的技術(shù)指標嚴格遵循國家標準《建設(shè)用砂》(GBT 14684-2011)，按照技術(shù)要求可分為Ⅰ類、Ⅱ類、Ⅲ類這3種類別，機制砂等級見表4。

表4 機制砂等級

1.3.2 技術(shù)指標

根據(jù)《建設(shè)用砂》(GBT 14684-2011)，機制砂顆粒級配應符合顆粒級配的規(guī)定，具體顆粒級配規(guī)定見表5。

表5 顆粒級配規(guī)定

其中，Ⅰ類機制砂所屬的級配區(qū)為2區(qū)，Ⅱ類、Ⅲ類機制砂所屬的級配區(qū)則包括1、2、3區(qū)。機制砂的石粉含量和泥塊含量、堅固性、有害物質(zhì)等技術(shù)要求需要符合表6的規(guī)定。

表6 機制砂其他技術(shù)要求

依據(jù)《建設(shè)用砂》(GBT 14684-2011)，機制砂的表觀密度要求不小于2 500 kg/m3，松散堆積密度不小于1 400 kg/m3，空隙率不大于44%。經(jīng)堿集料反應試驗后，試件應無裂縫、酥裂和膠體外溢等現(xiàn)象，在規(guī)定的試驗齡期膨脹率應小于0.10 %。

1.3.3 制備規(guī)范

機制砂所用原料應符合相關(guān)要求，使用尾礦及工業(yè)廢渣時應經(jīng)過專業(yè)試驗后按照原料準備、破碎、篩分和除粉工藝過程生產(chǎn)。當原料特性和石粉含量明顯變化時應進行相關(guān)檢測，并符合《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(GB 50010-2010)和《混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計標準》(GB/T 50476-2019)的要求。

1.4 常用的機制砂生產(chǎn)設(shè)備

機制砂生產(chǎn)的主要設(shè)備包括破碎和篩分設(shè)備，常見破碎機有錘式、反擊式、沖擊式、旋盤式、顎式破碎機等，通過擠壓、劈碎、折斷和沖擊這4種方式使原料破碎成砂粒[20-22]。常見的篩分設(shè)備有圓孔篩和方孔篩，可根據(jù)振動頻率和篩孔尺寸加以選擇。各個破碎設(shè)備的性能對比見表7。

表7 各個破碎設(shè)備的性能對比[23]

1.5 機制砂的應用狀況及前景分析

我國機制砂占國內(nèi)供應量的比例持續(xù)攀升，由2009年的46.6 %上升至2018年的78.3 %，同期產(chǎn)量由56.9億t增至139.6億t，年均增長率達到了10.48%。機制砂原料來源越來越廣泛、制砂工藝日趨成熟、制砂設(shè)備不斷系列化和成套化、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)日臻完善；與此同時，許多大企業(yè)逐漸進入到固廢制砂行業(yè)，促使行業(yè)結(jié)構(gòu)也不斷優(yōu)化，機制砂得到了全面應用。隨著我國新型工業(yè)化、農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化、信息化和智能化向縱深發(fā)展，預計機制砂的生產(chǎn)和使用會持續(xù)穩(wěn)定增長。2011-2019年我國機制砂消費量和消費占比變化情況如圖3所示。

圖3 2011-2019年我國機制砂消費量和消費占比變化情況

2 煤矸石制機制砂及其應用

2.1 煤矸石的成分組成及其特點

我國是世界煤炭生產(chǎn)和消費大國，伴隨著煤炭的開發(fā)利用，相應產(chǎn)生了大量煤矸石。目前，全國煤矸石堆存已超過50億t，占地約為400 km2[24]，而且在以每年10%～15%的速度遞增。大量煤矸石堆存，造成了較為嚴重的環(huán)境污染[25]。實施煤矸石資源化利用不僅可以消減煤矸石，減輕環(huán)境污染，還能提高廢棄資源的利用效率[26]。目前，煤矸石已應用于農(nóng)業(yè)制肥、建筑材料、燃燒發(fā)電、工程施工、耐火材料等多個方面[27]。由于煤矸石的成分組成和性質(zhì)與砂石十分接近，利用煤矸石制備機制砂，無疑是大規(guī)模進行煤矸石資源化利用的重要方向。煤矸石與砂石成分對比見表8。

表8 煤矸石與砂石成分對比[28-31] wt%

2.2 煤矸石機制砂的特點

2.2.1 抗壓能力

王亮等[32]研究人員研究了煤矸石細骨料混凝土的抗壓強度，發(fā)現(xiàn)煤矸石細骨料添加量以20 %為界限，低于20 %時，混凝土的抗壓強度變化較小，甚至出現(xiàn)微小上升；高于20%時，混凝土的抗壓強度銳降。

煤矸石細骨料添加量對混凝土抗壓強度的影響如圖4所示。

圖4 煤矸石細骨料添加量對混凝土抗壓強度的影響

張振等[33]研究人員對比了煤矸石機制砂混凝土和天然砂混凝土的力學性能，得出機制砂混凝土在3 d、7 d和28 d的抗壓強度均大于天然砂混凝土的抗壓強度，機制砂與天然砂混凝土強度對比如圖5所示。

圖5 機制砂與天然砂混凝土強度對比

2.2.2 耐久性能

李永靖等[34]研究人員對比了不同水灰比條件下煤矸石骨料混凝土(MH) 及天然砂骨料混凝土(SH)的力學性能，2種骨料混凝土試件耐久性指數(shù)如圖6所示。

圖6 2種骨料混凝土試件耐久性指數(shù)

由圖6可以看出，隨著水灰比增大，2種骨料混凝土的耐久性指數(shù)均有一定程度的降低，由于煤矸石的強度稍低，因此其耐久性能下降更為明顯。但試驗結(jié)果表明，煤矸石骨料混凝土的抗凍性能能夠滿足凍融循環(huán)耐久性指數(shù)大于60%的要求。

2.3 煤矸石機制砂的應用

2.3.1 煤矸石機制砂用作建筑材料

(1)煤矸石制砂作為輕細骨料混凝土。與廢石和尾礦相比、煤矸石自重較小且表面粗糙，使煤矸石呈現(xiàn)出較強的吸濕性，水和泥化產(chǎn)物易于進入，因此可以提高集料和水泥界面的粘結(jié)力。煤矸石還可以與水泥中的氫氧化鈣發(fā)生火山灰反應，利于改善混凝土的性能[35]。黃愛悅等[36]研究人員研究表明煤矸石混凝土的導熱系數(shù)低于普通混凝土，高于其它輕混凝土。另外，研究得出煤矸石輕集料混凝土的抗凍性能優(yōu)于普通混凝土，抗?jié)B標號為S10，抗碳化深度為4.2 mm。利用煤矸石輕集料與煤矸石水泥配制的膠砂試塊強度(28 d)比用標準砂與煤矸石水泥配制的要高，煤矸石水泥膠砂試塊強度(28 d)比較見表9[36]。

表9 煤矸石水泥膠砂試塊強度(28 d)比較

(2)煤矸石機制砂制備新型混凝土。煤矸石制砂可用于制備泡沫混凝土等新型混凝土[37]，這種混凝土代替紅磚或燒結(jié)煤矸石磚做墻體，不僅可以減輕墻體重量，提高抗震和安全性能，還可以替代40%～70%的水泥，其成本只有普通水泥混凝土的1/2～3/4，經(jīng)濟效益明顯[38]。

2.3.2 煤矸石機制砂填充路段

閆廣宇等[39]研究人員對煤矸石集料基層混合料進行了不同配合比的試驗，根據(jù)粗細集料與粉煤灰的不同配比設(shè)置S1、S2、S3、S4這4個組別。研究發(fā)現(xiàn)，將煤矸石破碎篩分后，外摻10 %的粉煤灰加入基層混合料中，可顯著提升路基材料的致密度、耐久性和抗擊碎性，同時提高路基的無側(cè)限抗壓強度、抗劈裂性能和抗壓回彈模量，滿足二級公路的相關(guān)技術(shù)要求。不同煤矸石集料基層混合料配合比設(shè)計方案見表10。

表10 煤矸石集料基層混合料配合比設(shè)計方案

(1)無側(cè)限抗壓強度。與天然集料相比，煤矸石細集料摻入粉煤灰不僅可以提高材料的抗壓強度，而且可以提高基層材料的抗劈裂強度和抗壓強度[40]，不同時間下煤矸石集料無側(cè)限抗壓強度對比試驗如圖7所示[41]。

圖7 煤矸石集料無側(cè)限抗壓強度對比試驗

試驗結(jié)果表明，煤矸石集料基層材料強度雖低于天然集料基層材料，但以0～5 mm的煤矸石作為細集料制備的混合料，7 d無側(cè)限抗壓強度仍滿足《公路路面基層施工技術(shù)細則》(JTGT F20-2015)中二級公路基層強度的要求，且粉煤灰的摻入可提高其抗壓強度，尤其對水泥穩(wěn)定后的煤矸石細集料的強度增長顯著，并且有很好的后期強度的增長，粉煤灰作用在煤矸石集料基層材料的增長率大于天然集料基層材料。

(2)抗壓回彈模量。煤矸石集料摻入粉煤灰基料，隨著水泥水化產(chǎn)生的堿性水化產(chǎn)物 Ca(OH)2而激活火山灰反應，從而增強材料的后期強度和剛度，滿足《公路瀝青路面設(shè)計規(guī)范》(JTG D50-2006)要求的公路水泥穩(wěn)定碎石抗壓回彈模量推薦范圍1 300～1 700 MPa的要求，煤矸石機制砂細集料用于公路基層材料，其抗壓回彈模量滿足規(guī)范要求，煤矸石集料抗壓回彈模量如圖8所示。

圖8 煤矸石集料抗壓回彈模量

2.3.3 煤矸石制砂用于橋面路面的修葺建設(shè)

煤矸石機制砂棱角狀和表面粗糙的特點，使得顆粒間的粘結(jié)力及機械咬合力均大于天然砂，使其抗擾動性和抗裂性較強，可用于橋面路面修葺工程[42]，制得的高強度混凝土坍落度和擴展度分別達到250 mm和615 mm，28 d抗壓強度超過70 MPa，180 d的收縮率為315×10-6，因此可用于建造高穩(wěn)定橋梁[43]。

2.4 煤矸石制備機制砂存在的問題

盡管煤矸石機制砂可用于建筑、道路施工，但是迄今為止，煤矸石機制砂尚未得到規(guī)?；?，究其原因主要存在如下問題。

(1)煤矸石的成分復雜、性質(zhì)差異較大，而且不同地區(qū)、不同產(chǎn)地的煤矸石，其物理化學性能差異明顯，加之煤矸石中普遍含有一定的煤等碳質(zhì)組分，多地煤矸石的硫分較高，高硫煤矸石中還有一定量的硫酸鹽，遇到堿金屬容易生成可溶性硫酸鹽，并在一定溫度下產(chǎn)生SO2腐蝕設(shè)備[44]。顯然，有必要實施煤矸石的精準分級分質(zhì)，減少或者分選煤矸石中的碳質(zhì)和硫分，以符合機制砂對原料品質(zhì)的要求。

(2)煤矸石骨料多孔易吸水，強度較低，限制了其在高性能混凝土中的應用；煤矸石制備機制砂多孔吸水使空隙水增多、自由水量減少，進而使機制砂混凝土拌和物漿體的流變性減小、粘聚度降低，有可能使機制砂混凝土離析泌水[45]。煤矸石砂的粒徑組成、孔徑分布、孔的連通性及其吸返水速率對混凝土性能的影響也有待進一步研究[46]。

(3)不同類型的煤矸石和煤矸石中的不同組分制得的機制砂，往往會出現(xiàn)細度模數(shù)不穩(wěn)定、顆粒級配不合理、細顆粒含量太少等問題[47]。塑性指數(shù)與原料的細度密切相關(guān)，原料粒度越小、塑性越好、致密性越高、越易于制成水泥熟料，成品的抗凍性能、抗壓性能就越好[48]。因此，需要選用適宜的制砂技術(shù)，以精準控制煤矸石機制砂的細度模數(shù)。

(4)缺少煤矸石制機制砂的標準和規(guī)范，難以進行煤矸石原料要求、制砂工藝和產(chǎn)品規(guī)格的規(guī)范，同時也難以進行煤矸石機制砂工程的規(guī)范化監(jiān)理和管控。

3 結(jié)論與建議

(1)煤矸石制備機制砂需要突破煤矸石原料組分復雜、性質(zhì)差異變化較大的難題，需要聯(lián)合礦物加工工程、材料工程和環(huán)境工程等多個領(lǐng)域以及煤炭、材料、環(huán)保等多個行業(yè)協(xié)同攻關(guān)，起草和編制相應的規(guī)范和標準，規(guī)范煤矸石制備機制砂的原料要求、工藝流程和產(chǎn)品規(guī)格，實施煤矸石制備機制砂的標準化生產(chǎn)與規(guī)范化管控。

(2)我國機制砂產(chǎn)銷量已超過180億t，將煤矸石等工業(yè)固體廢棄物規(guī)?；苽錂C制砂，無疑是實現(xiàn)煤矸石有效資源化利用和大規(guī)模消減的最佳途徑之一。建議國家和地方相關(guān)部門適時出臺財政、稅收、資源綜合利用扶持政策，鼓勵煤矸石(工業(yè)固體廢棄物)制備機制砂產(chǎn)業(yè)發(fā)展，促進煤矸石資源化利用。

(3)開展煤矸石精準分級分質(zhì)制備機制砂關(guān)鍵技術(shù)和智能化裝備研發(fā)，實施煤矸石中煤、硫化物、粘土礦物、砂石的精準分級分質(zhì)，然后根據(jù)各組分的性質(zhì)分別加以合理有效利用，使煤矸石機制砂制備建立在智能、綠色、高效、全組分利用的可持續(xù)發(fā)展之上[49]。