王 輝

（黑龍江省建筑材料工業(yè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，黑龍江 哈爾濱）

1 引言

煤矸石是煤炭開(kāi)采和加工過(guò)程中排放的一種含碳量低、灰分高的固體廢棄物，是在成煤過(guò)程中與煤共同沉積的有機(jī)化合物和無(wú)機(jī)化合物混合在一起的巖石。其產(chǎn)出量一般要占到煤炭產(chǎn)量的10%～15%，排放量約占我國(guó)工業(yè)廢渣排放量的1/4。這些廢渣占用土地資源，引起地表下沉、水土流失，甚至導(dǎo)致地質(zhì)沙漠化、生態(tài)環(huán)境破壞等。目前，我國(guó)對(duì)煤矸石的利用措施較多，在建筑材料方面的利用主要包括煤矸石制磚、水泥原材料的部分替代、制備陶瓷材料等，這些技術(shù)相對(duì)比較成熟。將煤矸石加工處理作為膠凝材料或粗骨料制備混凝土的研究也比較多，由于煤矸石本身的隨機(jī)性較大，這些研究多數(shù)集中在對(duì)硬化漿體性能影響的分析方面，尚未提供相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，基于原材料破碎效果分析更鮮有報(bào)道。

2022年4月26日，聯(lián)合國(guó)環(huán)境規(guī)劃署（UNEP）在日內(nèi)瓦召開(kāi)新聞發(fā)布會(huì)，發(fā)布了《砂石與可持續(xù)性：避免危機(jī)的10項(xiàng)戰(zhàn)略建議》的最新報(bào)告。報(bào)告指出，當(dāng)前全球每年消耗大約500億噸砂石，足以在地球一周建造一堵高27m、寬27m的墻，可見(jiàn)，砂石已成為僅次于水資源的全球第二大資源。鑒于人類(lèi)對(duì)砂石有很強(qiáng)的依賴性，必須將砂石視為一種戰(zhàn)略資源，且需要重新考慮其開(kāi)采和使用。在國(guó)家生態(tài)文明建設(shè)方針指導(dǎo)下，我國(guó)各地陸續(xù)關(guān)閉和淘汰傳統(tǒng)落后的砂石企業(yè)，機(jī)制砂石已逐漸成為我國(guó)建筑市場(chǎng)所用砂石的主要來(lái)源。2019年11月4日，國(guó)家十部委聯(lián)合下發(fā)的《關(guān)于推進(jìn)機(jī)制砂石行業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的若干意見(jiàn)的通知》指出，到2025年，要形成較為完善合理的機(jī)制砂石供應(yīng)保障體系，年產(chǎn)1 000萬(wàn)噸及以上的超大型機(jī)制砂石企業(yè)產(chǎn)能占比達(dá)到40%，利用尾礦、廢石、建筑垃圾等生產(chǎn)的機(jī)制砂石占比明顯提高。黑龍江省是煤炭大省，擁有雞西、雙鴨山、七臺(tái)河、鶴崗等諸多煤炭產(chǎn)區(qū)，有豐富的煤矸石資源，固廢變砂在當(dāng)?shù)鼐哂休^好的資源優(yōu)勢(shì)。煤矸石中含有殘煤、碳質(zhì)泥巖、廢木材等可燃物，當(dāng)溫度達(dá)到可燃物的燃燒點(diǎn)時(shí)便可自燃，矸石山內(nèi)部溫度為800℃～1 000℃，內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，其內(nèi)部穩(wěn)定的分子結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變成部分無(wú)定形狀態(tài)，具有一定的火山灰活性，加之自身具有一定的強(qiáng)度，如何合理地對(duì)其進(jìn)行加工處理、綜合發(fā)揮其活性作用、固廢變砂是本文主旨。通過(guò)探討自燃煤矸石的相關(guān)性能，提出自燃煤矸石制砂指標(biāo)范圍，為后續(xù)研究提供理論支持。

2 自燃煤矸石破碎方式的研究

傳統(tǒng)的破碎設(shè)備一般適宜于將物料破碎至幾十毫米，最小可破碎至10mm以下。而對(duì)于2區(qū)砂要求其粒級(jí)分布主要集中在0.075～1.18mm之間，這使得傳統(tǒng)的破碎機(jī)只能依靠增加破碎強(qiáng)度來(lái)提高細(xì)顆粒的產(chǎn)出率，但增加破碎強(qiáng)度的負(fù)效應(yīng)是物料的細(xì)粉增加和易損件的磨損加快。隨著制砂機(jī)的投入使用，對(duì)一些巖石類(lèi)的制砂效果相對(duì)較好，但不同制砂機(jī)生產(chǎn)的機(jī)制砂質(zhì)量差別較大，特別是利用現(xiàn)有破碎機(jī)器，對(duì)自燃煤矸石進(jìn)行制砂設(shè)備的研究還需要研究和探討。

經(jīng)過(guò)自燃后的煤矸石內(nèi)部結(jié)構(gòu)疏松、多孔，強(qiáng)度相對(duì)降低，破碎方式對(duì)其原料的影響較大。常用的破碎機(jī)械有顎式破碎機(jī)、旋回破碎機(jī)、圓錐式破碎機(jī)、輥式破碎機(jī)、錘式破碎機(jī)、反擊式破碎機(jī)等。本文選取我省鶴崗、七臺(tái)河、雞西和雙鴨山4個(gè)地區(qū)7個(gè)礦區(qū)的自燃煤矸石作為研究對(duì)象，結(jié)合自燃煤矸石的實(shí)際情況，利用當(dāng)?shù)厮嗥髽I(yè)現(xiàn)有設(shè)備分別采用顎式破碎、反擊式破碎和錘式破碎三種方式進(jìn)行原料處理，從顆粒形狀、顆粒級(jí)配、細(xì)度模數(shù)、其他物理性能等方面依據(jù)《建設(shè)用砂》（GB/T 14684-2011）標(biāo)準(zhǔn)對(duì)其物理性能進(jìn)行分析。

2.1 顆粒形狀

以不同破碎方式工作的破碎機(jī)其工作原理各不相同，顎式破碎機(jī)的工作是間歇式的，由定顎和動(dòng)顎擺動(dòng)對(duì)石料進(jìn)行擠壓完成破碎，固定顎板和可動(dòng)顎板上的破碎表面具有鋸齒狀牙齒，以擠壓、劈碎和折碎的組合方式工作，固體物料破碎過(guò)程比較均勻，破碎后的物料粒形上呈針片狀含量較多，含粉量偏高。錘式破碎機(jī)是順著物料落下的方向打擊物料，錘頭是單個(gè)對(duì)物料進(jìn)行打擊破碎，物料獲得的速度和動(dòng)能有限，其產(chǎn)品片狀石料較多。反擊式破碎機(jī)工作是連續(xù)性的，板錘是自下而上迎接投入的物料進(jìn)行沖擊破碎，并把它拋到上方反擊板上，使其不僅破碎，而且獲得較大的速度和動(dòng)能，物料在互相打擊后，又會(huì)在轉(zhuǎn)盤(pán)和機(jī)殼之間形成渦流運(yùn)動(dòng)而造成多次的互相打擊、粉碎，破碎后的成品顆粒粒形好、產(chǎn)品粒度離散性大、細(xì)粉料和粉塵含量低。

圖1、圖2、圖3為采用顎式破碎、錘式破碎和反擊式破碎三種破碎方式后的物料形態(tài)，三者相同之處是形狀不規(guī)則、棱角分明、表面粗糙；不同之處在于顎式破碎的顆粒針片狀顆粒明顯，反擊式破碎的顆粒呈立方體形狀，錘式破碎的顆粒介于二者之間。通過(guò)比較自燃煤矸石顆粒和天然砂（1.18～2.36mm）在100倍放大鏡下如圖4、圖5可見(jiàn)，天然砂表面光滑圓潤(rùn)，而煤矸石則相對(duì)多棱角，且表面附有細(xì)粉顆粒。三種破碎方式后的煤矸石與天然砂的圓滑外觀相比較，反擊破碎的自燃煤矸石更接近于天然砂。

圖1 顎式破碎的顆粒

圖2 錘式破碎的顆粒

圖3 反擊式破碎的顆粒

圖4 自燃煤矸石顆粒

圖5 天然砂

1.2 顆粒級(jí)配與細(xì)度模數(shù)

《建設(shè)用砂》（GB/T 14684-2011）標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)機(jī)制砂的150μm累計(jì)篩余的上限沒(méi)有要求與天然砂完全相同，而是根據(jù)不同區(qū)下調(diào)到94%以上，說(shuō)明合理的顆粒級(jí)配才是制備砂漿和混凝土的前提要素。表1為不同破碎方式的煤矸石篩分結(jié)果。

表1 不同破碎方式的煤矸石篩分匯總

根據(jù)表1分別選取三種不同破碎方式的自燃煤矸石繪制顆粒級(jí)配曲線圖（如圖6、圖7、圖8所示）。

圖6 顎式破碎煤矸石顆粒級(jí)配圖

圖7 錘式破碎煤矸石顆粒級(jí)配圖

圖8 顎式破碎煤矸石顆粒級(jí)配圖

可以看出，采用顎式破碎和錘式破碎的自燃煤矸石顆粒級(jí)配曲線均超出《建設(shè)用砂》（GB/T 14684-2011）標(biāo)準(zhǔn)2區(qū)砂的范圍，且不同粒徑范圍連續(xù)性相對(duì)不好，反擊破的自燃煤矸石要優(yōu)于前兩種破碎方式，顆粒級(jí)配曲線連續(xù)性好，且全部落在《建設(shè)用砂》（GB/T 14684-2011）標(biāo)準(zhǔn)二區(qū)砂的范圍內(nèi)，滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

2.3 其他性能指標(biāo)

經(jīng)破碎后的自燃煤矸石堆積密度在1 200～1 350kg/m3之間，比天然砂的堆積密度小300kg/m3左右。以此種集料代替天然砂制備砂漿，降低了砂漿的表觀密度，對(duì)減輕砌體承重壓力提供較好的前提條件。其他性能指標(biāo)見(jiàn)表2。

表2 其他性能指標(biāo)

從以上分析可知，自燃煤矸石作為天然砂的替代材料，通過(guò)破碎效果的調(diào)整，從原料的物理性能上來(lái)看是可行的。

3 自燃煤矸石細(xì)粉的活性作用研究

自燃煤矸石除本身具有一定強(qiáng)度外，還具有火山灰活性，而自燃煤矸石的細(xì)粉有別于其他礦石開(kāi)采機(jī)制砂的細(xì)粉作用。本文選取我省鶴崗、七臺(tái)河、雞西、雙鴨山4個(gè)地區(qū)7個(gè)礦區(qū)的自燃煤矸石作為研究對(duì)象，其化學(xué)成分見(jiàn)表3。

表3 自燃煤矸石化學(xué)氧化物成分表

從結(jié)果看，這幾個(gè)礦區(qū)自燃煤矸石中SiO2含量均較高，其次是Al2O3和 Fe2O3，三者總質(zhì)量分?jǐn)?shù)之和達(dá)到80%多，從圖9可以更清晰、更直觀地看出各元素成分與化學(xué)成分表非常吻合。

圖9 7#自燃煤矸石能譜分析圖

針對(duì)自燃煤矸石氧化物中較高含量的SiO2和Al2O3分別采用定性和定量方法測(cè)試其活性能力，見(jiàn)圖10和表4。

圖10 自燃煤矸石火山灰性試驗(yàn)

表4 水泥膠砂28d抗壓強(qiáng)度比

從火山灰性試驗(yàn)結(jié)果圖上可以看到，液相中的Ca（OH）2值均處于Ca（OH）2溶解度曲線下方，說(shuō)明自燃煤矸石具備火山灰活性。這是由于自燃煤矸石中的SiO2、Al2O3與水泥水化時(shí)產(chǎn)生的Ca（OH）2作用，發(fā)生二次水化反應(yīng)，減少了Ca（OH）2含量，使溶液中Ca（OH）2濃度處于不飽和狀態(tài)。水泥膠砂28d抗壓強(qiáng)度比試驗(yàn)是綜合反映自燃煤矸石活性成分作用的最直接的方法，從表1中3#和7#結(jié)果可見(jiàn)，強(qiáng)度活性指數(shù)均高于70%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出《水泥砂漿和混凝土用天然火山灰質(zhì)材料》（GB/T 315-2011）≥65%標(biāo)準(zhǔn)要求，更滿足《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》（GB/T 1596-2017）≥70%標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的要求，這說(shuō)明自燃煤矸石是非常好的活性材料。

自燃煤矸石活性作用的發(fā)揮與其顆粒大小有密切關(guān)系。與水泥相似，顆?；钚宰饔玫陌l(fā)揮主要集中在75μm以下，將破碎篩分后的煤矸石細(xì)粉（150μm以下）通過(guò)激光粒度分布儀測(cè)試得到粒度分布圖（見(jiàn)圖11）。從圖11中可知，細(xì)粉粒徑有一半數(shù)量的顆粒粒徑低于42.56μm，在水泥水化反應(yīng)條件合適的情況下，最少半數(shù)煤矸石細(xì)粉可以參與二次水化反應(yīng)。

圖11 自燃煤矸石粒度分布圖

采用SEM 掃描電子顯微鏡和X射線衍射儀對(duì)細(xì)粉進(jìn)行微觀和礦物成分測(cè)試，如圖12、圖13所示。

圖12 自燃煤矸石SEM圖

圖13 自燃煤矸石x射線衍射圖

由圖12可見(jiàn)，除尚有極少數(shù)自燃煤矸石細(xì)顆粒外，絕大多數(shù)煤矸石呈自燃后狀態(tài)，結(jié)構(gòu)疏松，有大量不規(guī)則微孔，這是因?yàn)樽匀济喉肥谧匀歼^(guò)程中伴有結(jié)構(gòu)膨脹、成分揮發(fā)，微孔、斷鍵發(fā)生，無(wú)定形結(jié)構(gòu)顯現(xiàn)。通過(guò)圖13X射線衍射分析可知，自燃煤矸石礦物成分主要有石英、方解石、鈣長(zhǎng)石等，其中，石英衍射峰最強(qiáng)，其特征峰在 2θ/°為 26.628 7，d 為 3.344 86，自燃煤矸石黏土類(lèi)礦物結(jié)構(gòu)特征衍射峰已消失，說(shuō)明其經(jīng)過(guò)自燃、脫水、分解、高溫及重結(jié)晶，原有黏土類(lèi)礦物結(jié)構(gòu)已破壞，也呈現(xiàn)出無(wú)定形物質(zhì)的衍射特點(diǎn)。結(jié)合jade軟件分析，對(duì)峰值曲線進(jìn)行擬合，測(cè)定結(jié)晶度僅為41%，說(shuō)明活性作用明顯（見(jiàn)圖14）。自燃煤矸石若作為集料應(yīng)用于砂漿，對(duì)強(qiáng)度有貢獻(xiàn)作用。

圖14 自燃煤矸石jade結(jié)晶度擬合圖

4 不同因素對(duì)砂漿的抗壓強(qiáng)度分析

4.1 破碎方式對(duì)砂漿抗壓強(qiáng)度的影響

鑒于對(duì)自燃煤矸石破碎效果的分析，我們選取三種不同方式破碎后的自燃煤矸石按照《預(yù)拌砂漿》（GB 25181-2019）要求，分別以其60%、80%的比例代替天然砂進(jìn)行砂漿制備試驗(yàn)，1#砂漿煤矸石摻量為60%、2#砂漿煤矸石摻量為80%，結(jié)果如圖15、圖16、圖17所示。

圖15 60%煤矸石替代摻量砂漿不同破碎方式的抗壓強(qiáng)度對(duì)比

圖16 80%煤矸石替代摻量砂漿不同破碎方式的抗壓強(qiáng)度對(duì)比

圖17 不同煤矸石替代摻量砂漿、不同破碎方式的抗壓強(qiáng)度對(duì)比

由圖17可見(jiàn)，三種破碎方式的趨勢(shì)是一致的，反擊破碎的自燃煤矸石砂漿的強(qiáng)度結(jié)果更好，這也與上述對(duì)原材料的分析結(jié)果一致。

4.2 顆粒級(jí)配、細(xì)度模數(shù)對(duì)砂漿抗壓強(qiáng)度的影響

顆粒級(jí)配反映不同粒徑的顆粒之間互相融合搭配的程度，是決定砂性能是否優(yōu)異的關(guān)鍵要素。細(xì)度模數(shù)是用來(lái)表示砂的粗細(xì)程度，砂的粗細(xì)程度不僅對(duì)砂漿的和易性影響較大，對(duì)砂漿的力學(xué)性能也有一定的影響。如果細(xì)顆粒較多，砂漿用水量加大，保水性能會(huì)有所提升；如果砂中粗顆粒較多，砂漿的保水性能降低，導(dǎo)致在使用過(guò)程中砂漿容易分層，粗砂粒裸露，甚至拌和困難，嚴(yán)重影響砂漿性能。

鑒于現(xiàn)有破碎機(jī)的實(shí)際情況，我們對(duì)不同級(jí)配、細(xì)度模數(shù)的自燃煤矸石進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，結(jié)果如圖18所示。在保證膠凝材料用量不變、稠度75±5mm左右的情況下，隨著細(xì)度模數(shù)的增大，拌和物拌和阻力加大，水泥砂漿包裹不好，黏聚性下降，保水效果變差，甚至出現(xiàn)離析現(xiàn)象。從力學(xué)性能上看，隨著細(xì)度模數(shù)的增大，7d和28d抗壓強(qiáng)度值也呈下降趨勢(shì)，這與自燃煤矸石不同顆粒的形狀、顆粒粗細(xì)程度和級(jí)配是否連續(xù)統(tǒng)一有著密不可分的關(guān)系，說(shuō)明合理選擇自燃煤矸石顆粒級(jí)配和細(xì)度模數(shù)是保證自燃煤矸石砂漿性能指標(biāo)的重要因素，細(xì)度模數(shù)居于2區(qū)要求區(qū)間且連續(xù)顆粒級(jí)配的煤矸石砂漿強(qiáng)度最優(yōu)。

圖18 不同顆粒級(jí)配、細(xì)度模數(shù)的砂漿強(qiáng)度

4.3 不同細(xì)粉含量對(duì)自燃煤矸石砂漿力學(xué)性能抗壓強(qiáng)度的影響

前面分析知道，細(xì)粉具有火山灰活性，能夠參與二次水化反應(yīng)，為了研究細(xì)粉含量對(duì)砂漿性能的影響程度，取兩種煤矸石替代率下不同細(xì)粉含量砂漿進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，如圖19、圖20所示。

圖19 煤矸石80%替代率下不同細(xì)粉含量砂漿（無(wú)外加劑）的抗壓強(qiáng)度

圖20 煤矸石100%替代率下不同細(xì)粉含量砂漿（有外加劑）的抗壓強(qiáng)度

由圖19、圖20可知，盡管煤矸石替代率不同，有無(wú)外加劑，但對(duì)強(qiáng)度的影響趨勢(shì)是相同的。隨細(xì)粉增加，強(qiáng)度呈先上升后下降趨勢(shì)，在高處時(shí)說(shuō)明在此范圍內(nèi)的細(xì)粉活性發(fā)揮比較適中，對(duì)強(qiáng)度貢獻(xiàn)較好，當(dāng)含量在15%～17%之間對(duì)強(qiáng)度的貢獻(xiàn)最大。

5 試驗(yàn)修改建議

本文在使用反擊式破碎機(jī)對(duì)自燃煤矸石進(jìn)行破碎時(shí)看到尚有一些不足問(wèn)題：煤矸石自燃后內(nèi)部結(jié)構(gòu)已經(jīng)發(fā)生變化，自身強(qiáng)度有所下降，進(jìn)入反擊破碎機(jī)內(nèi)的物料在板錘作用區(qū)與轉(zhuǎn)子上的板錘撞擊后被拋向反擊裝置上再次破碎，又從反擊襯板上彈回到板錘作用區(qū)重新破碎。物料在相互打擊后會(huì)在轉(zhuǎn)盤(pán)與機(jī)殼之間形成渦流運(yùn)動(dòng)而造成多次的相互打擊、粉碎，如此反復(fù)，對(duì)強(qiáng)度會(huì)有影響。為了降低不利影響，建議根據(jù)現(xiàn)有反擊破碎機(jī)的實(shí)際情況，采取調(diào)整轉(zhuǎn)子直徑和長(zhǎng)度、板錘數(shù)目、給料導(dǎo)板傾角、導(dǎo)板卸載點(diǎn)、反擊板的形狀和懸掛位置、轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速等措施加以調(diào)整，找尋最佳破碎效果，拓寬現(xiàn)有破碎設(shè)備的適用范圍，減少新購(gòu)設(shè)備，降低經(jīng)濟(jì)造價(jià)。

6 結(jié)語(yǔ)

（1）自燃煤矸石作為天然砂的替代材料，通過(guò)破碎效果的調(diào)整，從原料的物理性能上是可行的。

（2）不同破碎方式后自燃煤矸石的顆粒形狀各不相同。從本文選用的三種破碎方式看，在顆粒形狀方面，顎式破碎后煤矸石的針片狀顆粒明顯；反擊式破碎后的成品顆粒粒形好，多數(shù)呈立方體形狀，更接近于天然砂；而錘式破碎的顆粒形狀介于二者之間。結(jié)合《建設(shè)用砂》（GB/T 14684-2011）中對(duì)顆粒級(jí)配的指標(biāo)分析，煤矸石機(jī)制砂不同地區(qū)的自燃煤矸石也不盡相同，通過(guò)反擊破碎后的自燃煤矸石顆粒級(jí)配明顯優(yōu)于其他兩種，級(jí)配連續(xù)性好，說(shuō)明各粒級(jí)間融合較好，不易造成級(jí)配缺失，且細(xì)度模數(shù)易于調(diào)整、可控。通過(guò)對(duì)不同破碎方式下砂漿抗壓強(qiáng)度的對(duì)比，進(jìn)一步驗(yàn)證了反擊破碎的自燃煤矸石是三種破碎方式中的最佳方式。

（3）不同礦區(qū)的自燃煤矸石也不盡相同。本文選取幾個(gè)礦區(qū)的自燃煤矸石在相同破碎方式下的壓碎值相差較大，這與礦區(qū)地質(zhì)成因有關(guān)。同一礦區(qū)不同破碎方式的自燃煤矸石壓碎值也相差很多，反擊破碎的比顎式要低，且符合《建設(shè)用砂》（GB/T 14684-2011）標(biāo)準(zhǔn)要求。自燃煤矸石堆積密度比天然砂的堆積密度小300kg/m3左右，從集料角度看，這為制備輕質(zhì)的自燃煤矸石砂漿提供了較好的前提條件。

（4）顆粒級(jí)配、細(xì)度模數(shù)是影響煤矸石砂漿性能的關(guān)鍵因素，不同區(qū)間顆粒的連續(xù)且處于2區(qū)內(nèi)的級(jí)配制備的砂漿力學(xué)性能好于3區(qū)級(jí)配，且隨細(xì)度模數(shù)的增大，抗壓強(qiáng)度下降明顯。因此，建議自燃煤矸石級(jí)配連續(xù)，細(xì)度模數(shù)在2區(qū)最佳。

（5）自燃煤矸石自燃后結(jié)構(gòu)膨脹、成分揮發(fā)，結(jié)構(gòu)疏松，有大量不規(guī)則微孔，無(wú)定形礦物形成，活性效果明顯。作為細(xì)集料應(yīng)用于砂漿，其細(xì)粉不僅承擔(dān)填充料作用，細(xì)粉中的活性成分還可以與水泥水化產(chǎn)物發(fā)生二次水化反應(yīng)，對(duì)砂漿強(qiáng)度具有貢獻(xiàn)作用，當(dāng)細(xì)粉含量在15%～17%之間對(duì)強(qiáng)度的貢獻(xiàn)最大。