李大為

（山西省公路局 呂梁分局，山西 呂梁 033099）

0 引言

在一次能源消耗中，中國(guó)的煤炭消耗占比達(dá)到70%以上[1]，所占比重遠(yuǎn)高于世界的平均消耗水平，為社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展做出了巨大貢獻(xiàn)，但煤炭開(kāi)采引發(fā)的地表大范圍塌陷等各種問(wèn)題亟需防治。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)現(xiàn)存的采煤塌陷區(qū)超過(guò)1萬(wàn)km2，且每年仍在以270～410 km2的速度遞增[2]。為了解決煤炭開(kāi)采造成的一系列問(wèn)題，各大企業(yè)都開(kāi)始使用煤礦采空區(qū)充填技術(shù)，但其充填成本高昂，應(yīng)用效果不理想，因此，開(kāi)發(fā)一種價(jià)格低廉的綠色充填材料成為重中之重。

煤矸石和粉煤灰作為煤炭開(kāi)采與利用過(guò)程中產(chǎn)生的大宗固體廢棄物，目前我國(guó)煤矸石和粉煤灰的堆存量分別為70億t和30億t，且二者每年分別以3.0～3.5億t和5.5～5.7億t的速度增長(zhǎng)[3-4]。長(zhǎng)期堆放的煤矸石和粉煤灰不僅占用大量土地，同時(shí)煤矸石和粉煤灰中的有害物質(zhì)也會(huì)污染周?chē)耐寥馈⒖諝夂退?。此外，我?guó)約有2 000多座煤矸石山自燃引發(fā)火災(zāi)，自燃產(chǎn)生的大量SO2、CO、H2S等有毒有害氣體給礦區(qū)環(huán)境保護(hù)帶來(lái)嚴(yán)峻考驗(yàn)。因此煤炭企業(yè)每年需要投入大量資金解決煤矸石土地的征用、矸石山的污染、山體滑坡和泥石流等自然災(zāi)害問(wèn)題。

以煤矸石和粉煤灰為原材料制備一種新型的混凝土用在采空區(qū)充填領(lǐng)域，不但可以解決“三下”壓煤和因煤炭開(kāi)采導(dǎo)致的地表沉陷問(wèn)題，同時(shí)可以消納大量煤矸石和粉煤灰，是一種兼具環(huán)境保護(hù)和節(jié)能減排的充填方法。

在充填混凝土中，骨料的粒徑級(jí)配對(duì)混凝土力學(xué)性能的影響顯而易見(jiàn)，因此有必要對(duì)煤矸石骨料的粒徑級(jí)配進(jìn)行基礎(chǔ)研究。研究發(fā)現(xiàn)，采空區(qū)充填材料的力學(xué)性能要求是齡期為7 d和28 d抗壓強(qiáng)度分別大于3 MPa和4 MPa[5]。本文以煤矸石為骨料，粉煤灰和普通硅酸鹽水泥為膠凝材料，利用正交試驗(yàn)確定了充填材料中的原材料配比和各因素對(duì)材料力學(xué)性能的影響強(qiáng)弱；考察了煤矸石顆粒級(jí)配對(duì)骨料密度、空隙率及充填材料抗壓強(qiáng)度的影響。

1 試驗(yàn)概況

1.1 原材料

煤矸石采用晉能控股煤業(yè)集團(tuán)在采煤過(guò)程中生產(chǎn)的經(jīng)洗選后的煤矸石骨料；粉煤灰采用山西電力公司太原第一熱電廠生產(chǎn)Ⅱ級(jí)粉煤灰，含水率為0.60%，比表面積為4.50 m2/g；試驗(yàn)水泥采用山西鑫泰宇公司生產(chǎn)的太行山牌P.O32.5級(jí)普通硅酸鹽水泥，比表面積為0.37 m2/g。煤矸石、粉煤灰和水泥的化學(xué)組成和礦物組成見(jiàn)表1和圖1，可知試驗(yàn)用煤矸石屬于黏土巖類(lèi)矸石，試驗(yàn)用粉煤灰為F類(lèi)粉煤灰。P.O32.5級(jí)普通硅酸鹽水泥的物理力學(xué)性能見(jiàn)表2，可知試驗(yàn)用水泥性能滿(mǎn)足試驗(yàn)要求。

表1 煤矸石、粉煤灰和水泥的化學(xué)組成分析

表2 P.O32.5級(jí)普通硅酸鹽水泥的物理力學(xué)性能

圖1 煤矸石、粉煤灰和水泥的礦物組成分析

分別稱(chēng)取一定量的煤矸石、粉煤灰和水泥進(jìn)行烘干。然后用錘式破碎機(jī)（LC-CP-200）將大塊煤矸石進(jìn)行破碎。最終通過(guò)不同目數(shù)的方孔篩，去除原料中的雜質(zhì)和粗大顆粒，獲得不同目數(shù)的煤矸石。粉煤灰和水泥的目數(shù)均大于200目。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.2.1 充填用混凝土原材料配合比設(shè)計(jì)

為了研究充填用煤矸石輕骨料的混凝土力學(xué)性能，根據(jù)試驗(yàn)需要設(shè)計(jì)四因素四水平正交試驗(yàn)，以煤矸石用量、粉煤灰用量、水泥用量和固含量為正交試驗(yàn)的4個(gè)因素，其中煤矸石用量的4個(gè)水平為4、5、6、7，粉煤灰用量的4個(gè)水平為1、2、3、4，水泥用量的4個(gè)水平為1、2、3、4，固含量的4個(gè)水平為78%、79%、80%、81%.設(shè)計(jì)16組配合比并測(cè)試混凝土在7 d和28 d的無(wú)側(cè)限單軸抗壓強(qiáng)度。正交試驗(yàn)的具體配合比設(shè)計(jì)見(jiàn)表3。

表3 煤矸石混凝土配合比設(shè)計(jì)

1.2.2 煤矸石混凝土中骨料級(jí)配設(shè)計(jì)

最大密度曲線理論[6]認(rèn)為不同粒徑大小的骨料經(jīng)合理搭配后密度和孔隙率均會(huì)得到優(yōu)化，利用公式可以表達(dá)為：

式中：Px為粒徑為d的煤矸石通過(guò)百分率，%；D為煤矸石的最大粒徑，mm；n為A.N.Tabol公式系數(shù)。

用于篩分煤矸石的套篩篩孔尺寸依次為2 mm、0.85 mm、0.425 mm、0.18 mm、0.075 mm，各級(jí)粒徑遞減。其中破碎后的煤矸石粒徑組成中最大粒徑為2 mm，利用式（1）計(jì)算不同n值（0.3、0.4、0.5、0.6、0.7）時(shí)煤矸石骨料的粒徑組成，煤矸石在各篩上的通過(guò)率見(jiàn)表4?？梢钥吹絥值越大，骨料組成中粗顆粒煤矸石越多，細(xì)顆粒煤矸石越少。圖2為不同n值下的Fuller曲線。

表4 煤矸石在各級(jí)篩的通過(guò)率

圖2 不同n值下的Fuller曲線

Fuller曲線對(duì)煤矸石最佳顆粒級(jí)配的確定具有重要作用。根據(jù)圖2中不同n值的Fuller曲線計(jì)算不同目數(shù)煤矸石的占比見(jiàn)表5?？梢钥吹剑煌?jí)配方案中隨著n值的增大，粗顆粒煤矸石（10～20目、20～40目）逐漸增多，相對(duì)應(yīng)的細(xì)顆粒煤矸石（40～80目、80～200目）逐漸減少。n=0.3時(shí)，粗顆粒煤矸石占比為59.3%，細(xì)顆粒煤矸石占比則為40.7%；而n=0.7時(shí)，粗顆粒煤矸石占比高達(dá)73.6%，細(xì)顆粒煤矸石僅占26.4%.

表5 不同n值的煤矸石顆粒級(jí)配占比

1.3 煤矸石混凝土試件的制備與養(yǎng)護(hù)

煤矸石混凝土試件按照GB/T50581—2002《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法》使用攪拌機(jī)拌制煤矸石混凝土拌合物。混凝土抗壓試驗(yàn)采用100 mm×100 mm×100 mm三聯(lián)模具成型。試件在標(biāo)準(zhǔn)條件下進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，然后編號(hào)、脫模。脫模后立即放入溫度為20℃±2℃，相對(duì)濕度為95%以上的標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱中養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)齡期為7 d和28 d。

1.4 充填用煤矸石混凝土試件的力學(xué)性能試驗(yàn)方法

試塊的抗壓強(qiáng)度依據(jù)GB/717671—1999《混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法》。3個(gè)試塊為一組，取平均值作為測(cè)試數(shù)據(jù)。當(dāng)個(gè)別試塊的抗壓強(qiáng)度偏大或者偏小時(shí)（15%），將該數(shù)據(jù)剔除，剩余試塊的抗壓強(qiáng)度平均值為該組的抗壓測(cè)試數(shù)據(jù)。

1.5 充填用煤矸石骨料空隙率及密度的測(cè)定

按照T0301的方法取樣、縮分，在105℃±5℃的烘箱中烘干。骨料的空隙率及密度測(cè)定依據(jù)JTG E42—2005《公路工程集料規(guī)程》。

1.6 試驗(yàn)儀器與設(shè)備

試驗(yàn)主要設(shè)備（規(guī)格型號(hào)）為電子天平、電熱鼓風(fēng)干燥箱、500 mL容量瓶、平頭鐵鍬、搗棒、錘式破碎機(jī)、標(biāo)準(zhǔn)檢驗(yàn)篩、混凝土振動(dòng)臺(tái)、電腦全自動(dòng)恒應(yīng)力試驗(yàn)機(jī)、標(biāo)準(zhǔn)恒溫恒濕養(yǎng)護(hù)箱、全無(wú)油潤(rùn)滑空氣壓縮機(jī)、混凝土攪拌機(jī)、三聯(lián)抗壓試模（100 mm×100 mm×100 mm）。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 原材料配合比對(duì)煤矸石混凝土力學(xué)性能的影響

力學(xué)性能指標(biāo)為無(wú)側(cè)限單軸抗壓強(qiáng)度。試驗(yàn)采用四因素四水平正交試驗(yàn)方法，并結(jié)合方差分析，判斷四因素的影響顯著水平。原材料配比設(shè)計(jì)及7 d、28 d試驗(yàn)結(jié)果和28 d試驗(yàn)結(jié)果的極差分析見(jiàn)表5。可以看到，影響煤矸石混凝土力學(xué)性能的四因素強(qiáng)弱順序依次為水泥>固含量>煤矸石>粉煤灰。在充分考慮充填材料抗壓強(qiáng)度性能的基礎(chǔ)上（一般礦井充填材料的抗壓強(qiáng)度選用要求為養(yǎng)護(hù)齡期7 d達(dá)到3 MPa，28 d達(dá)到5 MPa），參考充填成本等因素，確定材料的合適配比為煤矸石∶粉煤灰∶水泥=5∶1∶2，固含量為80%.

表5 原材料配合比及材料抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果極差分析

2.2 粒徑級(jí)配對(duì)充填用骨料性質(zhì)及混凝土力學(xué)性能的影響

表6為顆粒級(jí)配后不同粒徑組成的煤矸石骨料密度及空隙率分析?？梢钥吹?，煤矸石的表觀密度和緊密堆積密度隨n值的增大先增大后減小，空隙率則呈現(xiàn)出相反的趨勢(shì)。當(dāng)n=0.4時(shí)，煤矸石的表觀密度和緊密堆積 密 度 最 大 ，分 別 為 2 336.4 kg/m3、1 582.9 kg/m3，空隙率最小，為29.3%.這說(shuō)明n=0.4時(shí)煤矸石的級(jí)配組合最優(yōu)。

表6 不同粒徑組成的煤矸石骨料密度和空隙率分析

不同級(jí)配參數(shù)n對(duì)應(yīng)的試塊抗壓強(qiáng)度如圖3所示?？梢钥吹剑w粒級(jí)配不同的煤矸石基混凝土材料的抗壓強(qiáng)度不同，隨著n值的增大，煤矸石混凝土材料的抗壓強(qiáng)度先增大后減小。當(dāng)n=0.4時(shí)，煤矸石混凝土材料的7 d和28 d抗壓強(qiáng)度分別為3.22 MPa和7.01 MPa，達(dá)到最大。這是因?yàn)閚=0.4時(shí)煤矸石混凝土材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)密實(shí)，表6中n=0.4時(shí)的空隙率最小恰恰說(shuō)明了這一點(diǎn)。

圖3 不同級(jí)配參數(shù)n的試塊抗壓強(qiáng)度

n=0.4時(shí)對(duì)應(yīng)的煤矸石顆粒組成如圖4中的骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)，此時(shí)相互嵌鎖的粗顆粒煤矸石成為整個(gè)煤矸石混凝土材料的空間骨架，而細(xì)顆粒則填充在混凝土材料骨架間的空隙中，使得材料的內(nèi)摩擦力增大，黏聚力增強(qiáng)。n=0.3時(shí)材料抗壓強(qiáng)度較低則是因?yàn)榇箢w粒煤矸石占比少，小顆粒煤矸石占比多，形成了懸浮結(jié)構(gòu)。而在n=0.4之后抗壓強(qiáng)度逐漸降低則是因?yàn)榧?xì)顆粒占比較少，容易在空間骨架之間形成空隙，材料結(jié)構(gòu)內(nèi)部黏聚力降低，抗壓強(qiáng)度減小。

圖4 3種典型組成結(jié)構(gòu)[7]

3 結(jié)語(yǔ)

a）利用煤矸石、粉煤灰和水泥制備煤矸石混凝土充填材料，獲得材料組分的最優(yōu)配比為煤矸石∶粉煤灰∶水泥=5∶1∶2，固含量為80%。

b）煤矸石粒徑變化對(duì)材料性能起主要作用，骨料的密度及空隙率隨n值變化而變化。當(dāng)n=0.4時(shí)，級(jí)配骨料的空隙率最小，為29.3%，表觀密度和緊密堆積最大，分別為2 336.4 kg/m3和1 582.9 kg/m3，骨料顆粒級(jí)配合理。

c）骨料級(jí)配合理的煤矸石混凝土在7 d和28 d的無(wú)側(cè)限單軸抗壓強(qiáng)度分別為3.22 MPa和7.01 MPa，滿(mǎn)足采空區(qū)充填材料的力學(xué)性能要求。