曾小星

（1.廣東信澳建材有限公司，廣東 廣州 510627；2.澳門(mén)水泥廠有限公司，澳門(mén) 1106）

我國(guó)是煤炭大國(guó)，在煤炭開(kāi)采過(guò)程中產(chǎn)生了大量的廢棄物，如低品位煤炭、煤矸石等，目前，我國(guó)煤矸石堆積量達(dá)40億t以上，占全國(guó)工業(yè)固體廢物排放總量的40%以上。而這些煤矸石都是露天堆放在各個(gè)廠礦內(nèi)，不僅占用大量土地，還影響生態(tài)環(huán)境，污染周圍土壤和地下水；在一定的條件下還會(huì)發(fā)生自燃，排放二氧化硫、氮氧化物等有害氣體，污染大氣環(huán)境，影響當(dāng)?shù)鼐用竦纳眢w健康。因此，我國(guó)在煤矸石資源的利用方面開(kāi)展了很多的研究，煤矸石可以用作綜合發(fā)電、化工產(chǎn)品及建筑材料等方面，煤矸石作為原材料或摻合料應(yīng)用于水泥及混凝土中也得到了廣泛的研究和應(yīng)用[1-6]。

隨著水泥、混凝土大量的使用各種混合材，優(yōu)質(zhì)的混合材摻合料越來(lái)越少，例如粉煤灰，使用非常廣泛，但粉煤灰的排放量受用電量的影響，在秋冬季節(jié)會(huì)有一定的降低，因此，粉煤灰供應(yīng)就會(huì)短缺，各種低品位的粉煤灰以次充好，給水泥及混凝土行業(yè)產(chǎn)品質(zhì)量帶來(lái)一定的影響，針對(duì)粉煤灰資源的不穩(wěn)定和價(jià)格的日益攀升，我們開(kāi)展了用煤矸石粉替代粉煤灰在水泥及混凝土中的應(yīng)用研究，考慮到使用煤矸石活化技術(shù)會(huì)導(dǎo)致成本增加，本實(shí)驗(yàn)使用未經(jīng)活化、直接粉磨加工而成的煤矸石粉[7]。本研究積極響應(yīng)了煤炭工業(yè)大力發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)，充分利用煤矸石等工業(yè)廢棄物的政策號(hào)召，具有非常重要的意義。

1 試驗(yàn)

1.1 原材料

水泥：澳門(mén)水泥廠有限公司生產(chǎn)的P·Ⅱ42.5水泥；煤矸石粉：來(lái)自于廣西，45μm篩篩余10.1%，比表面積為300m2/kg；粉煤灰：低品位粉煤灰FA1來(lái)自于東莞，優(yōu)質(zhì)粉煤灰FA2來(lái)自于香港。水泥、煤矸石粉和粉煤灰的化學(xué)成分見(jiàn)表1。

碎石：來(lái)源于廣東新會(huì)，5～20mm連續(xù)級(jí)配，表觀密度2680 kg/m3；河砂：來(lái)源于廣東譚江，中砂，細(xì)度模數(shù)2.7，表觀密度2650 kg/m3；機(jī)制砂：來(lái)源于廣東新會(huì)，表觀密度2630 kg/m3；外加劑：SVZ為普通緩凝劑，1100NTR為緩凝型聚羧酸減水劑，來(lái)自于西卡（香港）有限公司。

表1 水泥、煤矸石粉和粉煤灰的化學(xué)成分 %

1.2 煤矸石粉與粉煤灰的火山灰活性試驗(yàn)

參照GB/T 1596—2005《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》中附錄D活性指數(shù)法，在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)控制試驗(yàn)溫度（20±2）℃條件下，對(duì)比研究了煤矸石粉與2種粉煤灰的活性指數(shù)。

鑒于我公司生產(chǎn)的粉煤灰水泥中粉煤灰含量一般控制在20%～25%，對(duì)比在摻量為20%的情況下，摻煤矸石粉水泥砂漿和摻優(yōu)質(zhì)粉煤灰砂漿的物理性能。

1.3 混凝土配合比試驗(yàn)

為了對(duì)比煤矸石粉與優(yōu)質(zhì)粉煤灰作為摻合料在混凝土中的應(yīng)用情況，分別用20%的煤矸石粉和優(yōu)質(zhì)粉煤灰替代部分水泥配制混凝土，通過(guò)調(diào)整聚羧酸外加劑的摻量來(lái)控制混凝土坍落度基本一致，混凝土的配合比及外加劑用量見(jiàn)表2。

表2 摻煤矸石粉與粉煤灰混凝土配合比 kg/m3

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 煤矸石粉與粉煤灰的火山灰活性試驗(yàn)

煤矸石粉與2種粉煤灰的活性試驗(yàn)配比及測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 煤矸石粉與2種粉煤灰的活性試驗(yàn)配比及測(cè)試結(jié)果

從表3可以看出：摻煤矸石粉砂漿試樣的抗壓、抗折強(qiáng)度與摻低品位粉煤灰砂漿試樣基本一致，兩者的3 d活性指數(shù)為50%左右，28 d活性指數(shù)也只有60%左右。

而摻優(yōu)質(zhì)粉煤灰FA2的砂漿試樣3 d活性指數(shù)為69%，28 d活性指數(shù)為78%。從結(jié)果可以看出，煤矸石粉與低品位粉煤灰的火山灰早期活性都比較低，對(duì)砂漿試樣強(qiáng)度發(fā)展幫助很少；而優(yōu)質(zhì)粉煤灰的早期、后期活性都較高，對(duì)水泥砂漿試樣強(qiáng)度發(fā)展有較好的輔助作用。

2.2 煤矸石粉與優(yōu)質(zhì)粉煤灰對(duì)比結(jié)果

摻20%煤矸石粉水泥砂漿和摻20%優(yōu)質(zhì)粉煤灰砂漿的配比及物理性能見(jiàn)表4。

表4 煤矸石粉和FA2砂漿的配比及物理性能

從表4可以看出，摻20%煤矸石粉砂漿的標(biāo)準(zhǔn)稠度需水量要比摻20%優(yōu)質(zhì)粉煤灰FA2的砂漿高1.4個(gè)百分點(diǎn)，而凝結(jié)時(shí)間要縮短25～35 min，摻煤矸石粉的砂漿與純水泥砂漿凝結(jié)時(shí)間基本一致，由此可以看出，摻一定量的煤矸石粉對(duì)水泥的凝結(jié)時(shí)間影響不大。摻20%煤矸石粉砂漿與摻20%優(yōu)質(zhì)粉煤灰的砂漿相比，3 d及7 d強(qiáng)度相差不大，而28 d強(qiáng)度相差將近5 MPa，因此，在作為水泥混合材方面講，煤矸石粉的28 d活性比優(yōu)質(zhì)粉煤灰要低很多。

2.3 煤矸石粉與優(yōu)質(zhì)粉煤灰在混凝土中的應(yīng)用

按表2配比制備的混凝土性能測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 混凝土坍落度及強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果

從表5可以看出，在保持坍落度基本一致情況下，摻20%煤矸石粉的混凝土中聚羧酸減水劑的用量要比摻優(yōu)質(zhì)粉煤灰的混凝土少一些（見(jiàn)表2），即煤矸石粉對(duì)混凝土的流動(dòng)性影響比較明顯，要優(yōu)于優(yōu)質(zhì)粉煤灰。摻煤矸石粉和摻優(yōu)質(zhì)粉煤灰的混凝土坍落度損失相近，二者的7 d、28 d抗壓強(qiáng)度也比較接近，因此，作為混凝土的摻合料來(lái)講，在20%的摻量下，摻煤矸石粉與摻優(yōu)質(zhì)粉煤灰效果基本一致。

由于煤矸石粉是經(jīng)過(guò)粉磨加工而成，顆粒級(jí)配相對(duì)比較均勻，在混凝土中通過(guò)與水泥的復(fù)合作用起到了良好的微細(xì)集料效應(yīng)[8]。

3 結(jié)語(yǔ)

（1）經(jīng)粉磨加工而成的煤矸石粉活性指數(shù)與低品位粉煤灰比較接近，28 d活性指數(shù)為60%左右。

（2）摻20%煤矸石粉的水泥凈漿凝結(jié)時(shí)間比摻20%優(yōu)質(zhì)粉煤灰短，與純水泥的凝結(jié)時(shí)間基本一致，摻20%煤矸石粉的水泥砂漿比摻20%優(yōu)質(zhì)粉煤灰的水泥砂漿28 d強(qiáng)度低5 MPa左右。

（3）摻20%煤矸石粉的混凝土所需減水劑比摻20%優(yōu)質(zhì)粉煤灰的混凝土要少，即在一定摻量范圍內(nèi)煤矸石粉在混凝土中的工作性能優(yōu)于粉煤灰，但在坍落度及強(qiáng)度方面表現(xiàn)基本一致。

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