伍銘翼，吉卓禮，尤銀江，梁小輝，楊 旭

（六盤水師范學(xué)院，貴州 六盤水 553000）

我國(guó)作為世界上的煤炭生產(chǎn)產(chǎn)量排名前列的國(guó)家，每年煤炭生產(chǎn)產(chǎn)量約為36.8 億t，而在我國(guó)產(chǎn)煤的各大基地中，六盤水的煤礦帶更有西南煤田的美稱，每年的產(chǎn)煤量約為7 000 萬t[1]。隨著煤產(chǎn)量的不斷提高，每年因在生產(chǎn)煤的過程中而產(chǎn)生的煤矸石的數(shù)量也變成一個(gè)天文數(shù)字。煤矸石是一種黑灰色的礦物，其是產(chǎn)生在煤礦巷道上下層間似煤非煤的產(chǎn)物，這些煤矸石由于沒有很大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，就會(huì)隨意地丟棄在煤礦的周邊。而隨著時(shí)間的不斷推移，這些煤矸石會(huì)越堆越多，最終形成煤矸石山，從而影響周邊的經(jīng)濟(jì)環(huán)境發(fā)展。而煤矸石造成的影響主要分為以下幾個(gè)方面。一是長(zhǎng)時(shí)間堆放的煤矸石可能會(huì)風(fēng)化破碎，從而產(chǎn)生大量的粉塵，對(duì)周圍的人和環(huán)境造成粉塵污染。二是長(zhǎng)時(shí)間堆放的煤矸石經(jīng)長(zhǎng)時(shí)間雨水的沖刷，水流會(huì)將煤矸石中的各種重金屬帶入地下河流和土壤中，就會(huì)造成水體的污染和土壤的污染。三是隨意堆積存放的煤矸石會(huì)占用到大面積的耕地。四是堆放得較高的煤矸石山由于顆粒間的緊密度不夠，當(dāng)堆放高度達(dá)到一定高度后，極容易發(fā)生煤矸石山體滑坡，存在極大的事故安全隱患。

2014 年12 月，《煤矸石綜合利用管理辦法（2014年修訂版）[2]發(fā)布，總共有26 條，主要概括了總則、綜合管理、鼓勵(lì)措施和監(jiān)督檢查等，于2015 年3 月1 日起正式實(shí)施。1998 年原國(guó)家經(jīng)貿(mào)委等8 部門聯(lián)合發(fā)布的《煤矸石綜合利用管理辦法》給予廢除。

蘇煜翔[3]在2021 年對(duì)煤矸石與碎石顆粒的級(jí)配、壓碎指標(biāo)、堆積密度、表觀密度、吸水率、含泥量和針塊狀顆粒含量進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)比較和分析，得出煤矸石可以用為混凝土的粗骨料。

Szczepanska 等[4]將西里西亞生產(chǎn)的煤矸石作為混凝土骨料來進(jìn)行試驗(yàn)，澆筑了煤矸石混凝土并研究了該地區(qū)生產(chǎn)的煤矸石混凝土的基本力學(xué)性能。

Zhou 等[5]利用煤矸石作為混凝土的粗骨料和細(xì)骨料，成功地生產(chǎn)了強(qiáng)度等級(jí)為15 到40 的煤矸石混凝土。

1 研究?jī)?nèi)容

本文以六盤水鐘山區(qū)某洗煤廠的煤矸石作為試驗(yàn)的研究對(duì)象，通過試驗(yàn)測(cè)定出煤矸石粗骨料和天然碎石粗骨料的物理力學(xué)性能（顆粒級(jí)配、表觀密度、堆積密度和吸水率），分析煤矸石作為混凝土粗骨料的可能性。最終以煤矸石作為混凝土的粗骨料來替代天然碎石，并研究煤矸石混凝土的抗拉性能。

2 煤矸石物理試驗(yàn)

2.1 顆粒級(jí)配

試驗(yàn)步驟如下。

第一步，將孔徑大小不同的孔篩按從大到小的順序連續(xù)依上而下疊放（圖1），并在最下部放上承接盤。

圖1 國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)孔篩

第二步，將準(zhǔn)備好的煤矸石骨料稱重500 g，將其倒入已疊放好的孔篩中。

第三步，將已倒入骨料的孔篩放置于搖篩機(jī)上，待搖篩機(jī)工作10 min 后，將疊好的孔篩一層一層地取下。稱量不同孔徑的孔篩中剩余的粗骨料的凈重并進(jìn)行記錄，結(jié)果精確至1 g。

第四步，計(jì)算不同孔徑的孔篩中骨料的重量占總重量的百分比。

第五步，根據(jù)每個(gè)孔篩中剩余的骨料的量，按照國(guó)家規(guī)定的規(guī)范相關(guān)范圍，評(píng)判該骨料的顆粒級(jí)配等級(jí)是否能用作混凝土的粗骨料。

2.2 堆積密度

試驗(yàn)步驟如下。

第一步，選定一定體積的容量筒并稱量容量筒的重量G1。

第二步，取已經(jīng)準(zhǔn)備好的試驗(yàn)試樣1 份，用小鏟子將試樣骨料從容量桶的正上方5 cm 處倒下，使試樣自由落體落入容量桶中，當(dāng)試樣裝滿容量筒且在容量筒的上部呈現(xiàn)出錐體后，即可停止加入試樣（圖2）。

圖2 容量桶試樣呈錐形

第三步，除去容量筒上部凸出的骨料試樣，并且將容量筒中還未裝滿的區(qū)域用骨料填滿，使得容量筒表面骨料的凸出部分與凹出部分大致齊平。

第四步，稱量骨料試樣與容量筒的重量G2。

式中：ρ1為積密度，kg/m3；G1為容量筒質(zhì)量，g；G2為容量筒和試樣的總質(zhì)量，g；V為容量筒體積，L。

2.3 表觀密度

2.3.1 試驗(yàn)步驟

第一步，將準(zhǔn)備好的骨料試樣浸水，讓骨料浸水飽和。在將骨料試驗(yàn)裝入廣口瓶中時(shí)，注意要傾斜放置廣口瓶。

第二步，向廣口瓶中注水，用玻璃片蓋上瓶口，然后左右搖晃廣口瓶將瓶中的氣泡排出。

第三步，向瓶中添加水直到水面凸出瓶口面，將玻璃片快速滑行，使水面與玻璃片緊貼。擦干廣口瓶表面的水。稱量試樣、水、廣口瓶和玻璃片的總質(zhì)量（圖3）m1，精確至1 g。

圖3 表觀密度試驗(yàn)過程

第四步，將廣口瓶中的試樣倒入托盤中，放入電熱鼓風(fēng)烘干箱中烘干（圖4），待試樣冷卻至恒溫后稱量托盤中試樣的質(zhì)量m0，精確至1 g。

圖4 熱鼓風(fēng)烘干箱中烘干

第五步，將廣口瓶洗干凈后，再向其中注入水。用玻璃片蓋住瓶口。使水面與玻璃片相連。擦拭干廣口瓶平面的水漬后。稱量水、廣口瓶和玻璃片的總質(zhì)量m2，精確至1 g。

2.3.2 表觀密度的計(jì)算按式（2）計(jì)算

式中：ρ1為表觀密度，kg/m3；m0為試樣烘干后的質(zhì)量，g；m1為試樣、水、廣口瓶和玻璃片的總質(zhì)量，g；m2為水、廣口瓶和玻璃片的總質(zhì)量，g；αt為稱量時(shí)水溫影響的修正系數(shù)。

2.4 吸水率

2.4.1 試驗(yàn)步驟

第一步，將孔篩篩除直徑為4.75 mm 以下的顆粒，各取2 份重量不低于5 kg 的骨料進(jìn)行烘干備用。

第二步，稱取一定質(zhì)量的骨料放入水中浸泡24 h。

第三步，待24 h 后將浸泡后骨料取出，使用干毛巾將骨料表面的水分擦拭干凈后并稱量出此時(shí)骨料的質(zhì)量m2，此時(shí)試樣骨料為飽和試樣。

第四步，將擦拭干凈水分后的試驗(yàn)骨料倒入托盤中，并將托盤放入電熱鼓風(fēng)烘干箱中進(jìn)行烘干處理，待骨料冷卻到常溫后，稱量出托盤和骨料的質(zhì)量（圖5）m1，精確至1 g。

圖5 托盤和骨料的質(zhì)量

第五步，稱量出托盤的質(zhì)量m3，精確至1 g。

2.4.2 吸水率按式（3）計(jì)算

式中：ω 為吸水率，%；m1為烘干后的試件與托盤的總質(zhì)量，g；m2為烘干前浸水飽和的試樣與托盤的總質(zhì)量，g；m3為托盤的質(zhì)量，g。

2.5 壓碎指標(biāo)

試驗(yàn)步驟如下。

第一步，準(zhǔn)備顆粒級(jí)配為10～20 mm 的試樣3 份，每份稱取5 kg，精確至1 g。

第二步，取煤矸石粗骨料1 份，分為2 份裝入受壓模桶中，在裝完一層骨料試驗(yàn)后在底盤上方鋪放一根直徑為1 cm 的鋼筋，然后左右搖動(dòng)受壓模桶30 下。

第三步，將受壓模桶放在壓力試驗(yàn)機(jī)上，用1 kN/s的速度加載到200kN/s，在加載載荷穩(wěn)定后將受壓模桶取下，倒出里面裝有的骨料的質(zhì)量并進(jìn)行稱重m1，精確至1 g。

第四步，用孔徑為2.36 mm 的孔篩對(duì)骨料進(jìn)行篩分，稱量孔篩中剩余骨料的質(zhì)量m2，精確至1 g。

煤矸石骨料與天然碎石骨料的壓碎指標(biāo)計(jì)算按式（4）進(jìn)行計(jì)算

式中：ζ 為壓碎指標(biāo)，%；m1為試驗(yàn)試樣的質(zhì)量，g；m2為篩分后的試樣的質(zhì)量，g。

2.6 試驗(yàn)結(jié)果

煤矸石骨料與天然碎石骨料的各項(xiàng)物理力學(xué)性能測(cè)定數(shù)據(jù)結(jié)果見表1。根據(jù)GB/T 14685—2011《建筑用卵石、碎石》[6]，煤矸石的顆粒級(jí)配滿足Ⅲ類的標(biāo)準(zhǔn)要求，所以煤矸石作為混凝土的粗骨料滿足要求；煤矸石的表觀密度比較小且小于規(guī)范規(guī)定的2 600 kg/m3要求，所以如果單指煤矸石表觀密度的要求，煤矸石的表觀密度并不能達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求；而煤矸石的表觀密度與天然碎石骨料比較小，所以說明煤矸石的材性比較不好，不夠緊實(shí)；壓碎指標(biāo)作為煤矸石骨料的一項(xiàng)重要指標(biāo)，會(huì)直接影響到混凝土的強(qiáng)度，雖然本地區(qū)的煤矸石的壓碎指標(biāo)比較高，但仍然符合作為混凝土粗骨料的標(biāo)準(zhǔn)要求。

表1 煤矸石骨料與天然碎石骨料的各項(xiàng)物理性能結(jié)果

2.7 總結(jié)

綜上可得，該地區(qū)生產(chǎn)的煤矸石用作混凝土中的粗骨料是可行的。

3 煤矸石的摻量對(duì)混凝土抗拉強(qiáng)度的影響

不同的混凝土等級(jí)強(qiáng)度中使用不同煤矸石替代碎石骨料的替代率對(duì)煤矸石混凝土劈裂抗拉的測(cè)試數(shù)據(jù)見表2。

表2 混凝土劈裂抗拉試驗(yàn)數(shù)據(jù)

為了更加直觀地分析煤矸石替代碎石不同替代率對(duì)煤矸石混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度的影響，通過表2 中的數(shù)據(jù)繪制點(diǎn)線圖（圖6）。

圖6 煤矸石混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度點(diǎn)線圖

根據(jù)表2 和圖6 進(jìn)行分析，當(dāng)混凝土的等級(jí)為C20，煤矸石的替代率小于50%時(shí)，煤矸石混凝土的劈裂抗拉會(huì)大幅度地降低；煤矸石的替代率在50%～70%之間時(shí)，煤矸石混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度會(huì)有所提升，但是提升的幅度較?。幻喉肥奶娲蚀笥?0%之后，混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度就會(huì)降低。當(dāng)混凝土等級(jí)為C30，煤矸石的替代率小于50%時(shí)，煤矸石混凝土的劈裂抗拉會(huì)大幅度地降低；煤矸石的替代率在50%～70%之間時(shí)，煤矸石混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度會(huì)有所提升，提升的幅度較小；煤矸石的替代率大于70%之后，混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度就會(huì)降低。當(dāng)混凝土的強(qiáng)度等級(jí)為C40 時(shí)，不管煤矸石的替代率為多少，都會(huì)使混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度降低。

通過觀察煤矸石混凝土劈裂抗拉試驗(yàn)的過程，在對(duì)試件施加荷載的過程中，如果施加的荷載力還未達(dá)到最大的荷載時(shí)，混凝土試件不會(huì)發(fā)生任何變化，但當(dāng)施加的荷載力達(dá)到混凝土試件所能承受的最大荷載時(shí)，混凝土試件會(huì)突然從中間斷裂成兩半，如圖7（e）所示。

圖7 混凝土試件劈裂抗拉斷裂面

觀察煤矸石混凝土試件的斷裂面，由圖7 可知，在未加入煤矸石前，混凝土試件的斷裂處為水泥漿與骨料連接處，其混凝土的骨料并未發(fā)生破壞，骨料仍然具有良好的外觀（圖7（a））。但在煤矸石的替代率為30%、50%、70%時(shí)，混凝土試件劈裂主要是由于煤矸石骨料直接發(fā)生劈裂而導(dǎo)致混凝土試件直接發(fā)生劈裂，分別如圖7（b）、圖7（c）、圖7（d）所示。所以，對(duì)于一般的混凝土來講，混凝土的劈裂抗拉的強(qiáng)度主要是由混凝土中水泥漿與骨料的連接處的強(qiáng)度而決定的，但是對(duì)于煤矸石混凝土來說，煤矸石混凝土的劈裂抗拉的強(qiáng)度主要是由煤矸石自身的強(qiáng)度決定。

4 結(jié)論

1）經(jīng)過一系列物理試驗(yàn)，得出結(jié)論：煤矸石可以代替部分石子作為粗骨料。

2）C20、C30 混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度隨煤矸石摻量的增加的變化規(guī)律較為相似，隨著煤矸石骨料摻量的增加，劈裂抗拉強(qiáng)度先降低后增強(qiáng)再降低，煤矸石骨料摻量在50%～70%之間時(shí)較為合理。對(duì)于C40 混凝土來說，其規(guī)律與C20、C30 不一致，其劈裂抗拉強(qiáng)度隨煤矸石骨料的增加一直呈下降狀態(tài)。

3）利用煤矸石代替混凝土粗骨料時(shí)，不宜配制強(qiáng)度較高的混凝土。