摘 要

煤矸石是煤炭生产、加工过程中产生的固体废弃物，成煤过程中与煤伴生的一种碳质岩石，产量占煤炭开采量的10%～25%。本文以煤矸石产量大、高污染、利用率低为背景，采用了微观分析和试验研究相结合的方法，对未自燃煤矸石及其炉渣在混凝土中的应用进行了研究。

本课题首先研究了煤矸石及炉渣经过破碎分选后用作集料的可行性；然后采用不同的配合比，以煤矸石炉渣作细集料替代天然砂配制水泥砂浆，研究炉渣的掺入对砂浆性能影响；再分别以煤矸石和炉渣作粗细集料替代天然石砂配制混凝土，测试砂浆和混凝土工作性能和力学性能，研究煤矸石及炉渣的掺入对砂浆和混凝土性能的影响；优化集料级配，调整配合比，改善砂浆和混凝土的性能，找到煤矸石和炉渣的最佳掺量，研究出能节约天然集料，性能优良的煤矸石砂浆和混凝土。以期对煤矸石混凝土的质量控制、煤矸石混凝土的设计具有借鉴和指导意义。通过大量实验分析：煤矸石和炉渣的引入会降低新拌砂浆和混凝土的流动性，通过提高用水量以及加入外加剂等措施使得流动性得到一定改善，证实了煤矸石及炉渣替代天然集料应用于水泥砂浆和混凝土中是可行的；煤矸炉渣掺量为30%时可提高砂浆强度，掺量过高时强度下降；煤矸石作粗集料替代混凝土中5mm～10mm的天然石子，替代量不超过50%时基本不会影响混凝土强度，掺量过高时混凝土强度降低。

关键词：未自燃煤矸石；炉渣；粗细集料；混凝土

Abstract

Coal gangue production, processing of solid waste generated in the process, a process associated with coal coal, one carbonaceous rock, production accounts for about 10% to 25% of the amount of coal mined. In this paper, coal gangue yield, high pollution and low utilization as the background, using the microscopic analysis and experimental research method of combining, not spontaneous combustion of coal gangue and slag in the concrete application of the research.

This paper first studies the feasibility of coal gangue and slag after crushing sorting used as aggregate; then different mix, with different contents of gangue slag as fine aggregate preparation to replace natural sand cement mortar, respectively different contents of slag and coal gangue as aggregate thickness of sand instead of natural stone preparation of concrete, mortar and test performance and mechanical properties of concrete work on the impact of coal gangue and slag incorporation of mortar and concrete performance; optimized aggregate gradation, adjust the mix to improve the properties of the mortar and concrete, to find the best coal gangue and slag, developed energy saving cement, coal gangue excellent performance of mortar and concrete. In quality control of concrete gangue, coal gangue concrete design has a reference and guidance. By analyzing a large number of experiments: the introduction of gangue and slag reduces the fresh mortar and concrete mobility, improve water admixture is added to improve the flowability at low dosage, mortar and concrete will to varying degrees when content is too high bleeding, slurry parcel bad sign; gangue slag content below 30% can improve the mortar strength, dosage is too high, strength decreases; gangue as coarse aggregate replacement in concrete 5mm ~ 10mm natural stones, alternative amount of 50% or less does not substantially affect the strength of concrete, reduce the strength of concrete when the content is too high.

Keywords: Coal gangue; slag; weight aggregate;concrete

目录

摘要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1研究目的及意义 1

1.1.1煤矸石的由来及现状 1

1.1.2煤矸石的特征 1

1.1.3煤矸石危害 2

1.1.4研究的意义 2

1.2国内外的研究现状 3

1.2.1国外煤矸石研究利用现状 3

1.2.2国内研究现状 4

1.2.3煤矸石在建筑材料方面的应用 5

1.3研究目标、内容和技术方案 6

1.3.1研究目标 6

1.3.2研究内容 6

1.3.3技术路线 7

第2章 实验原材料和试验方法 8

2.1原材料 8

2.1.1水泥 8

2.1.2煤矸石炉渣 8

2.1.3未自燃煤矸石 9

2.1.4天然砂石 9

2.1.5外加剂 11

2.2试验方法 11

2.2.1XRF分析煤矸石组成 11

2.2.2集料性能测试 11

2.2.3试件制作与养护 13

2.2.4砂浆抗折抗压强度测试 14

2.2.5混凝土试件的强度测试 15

第3章 煤矸石基本理化性能研究 17

3.1煤矸石炉渣性能研究 17

3.1.1颗粒级配 17

3.1.2压碎指标 18

3.1.3表观密度、松散堆积密度和孔隙率 18

3.1.4饱和面干吸水率 19

3.2 未自燃煤矸石的物理性能研究 19

3.2.1颗粒级配 19

3.2.2针、片状颗粒含量 21

3.2.3压碎指标 21

3.2.4表观密度、松散堆积密度和孔隙率 21

3.2.5吸水率 21

第4章 煤矸石对砂浆和混凝土性能影响的研究 22

4.1水泥砂浆的制备 22

4.1.1原材料 22

4.1.2优化颗粒级配，制备水泥砂浆 22

4.1.3煤矸石炉渣代砂对水泥砂浆的性能影响 23

4.2煤矸石混凝土的制备 25

4.2.1 煤矸石炉渣代替细集料配制混凝土 26

4.2.2 煤矸石代替粗集料配制混凝土 28

4.3煤矸石对砂浆和混凝土性能影响机理分析 30

4.3.1炉渣对水泥砂浆性能影响 30

4.3.2煤矸石对混凝土性能影响 31

第5章 结论与展望 32

5.1 结论 32

5.2 展望 32

参考文献 34

致谢 36

第1章 绪论

1.1研究目的及意义

1.1.1煤矸石的由来及现状

我国是以煤炭为主要能源的发展中大国，煤炭开采量和消费量均居世界首位，2015年，在我国一次能源的生产和消费中煤炭占到74%和64%。煤炭开采过程中会产生大量固体废弃物，把成煤过程中与煤层伴生的一种含碳量较低、比煤坚硬的黑灰色岩石称作煤矸石，通常占煤产量的15%左右。在全国工业固体废物排放中煤矸石排放量占第一，约为总排放量的35%^[1]。目前全国已形成矸石山1500多座，占用土地30万亩，煤矸石总量已达40亿吨以上，以排矸量占原煤产量的20%估算，每年新增矸石3亿吨之多，综合利用的部分仅有6000万吨，其余部分就近堆积贮存，堆砌形成矸石山已成我国矿区的标志^[2]。

1.1.2煤矸石的特征

煤矸石由多种岩块构成，化学成分复杂，随着岩石种类和矿物组成不同而不同。如粘土岩类煤矸石主要成分是30~60%的SiO₂和15~40%的Al₂O₃。砂岩类煤矸石SiO₂含量最高可达70%。铝质岩类Al₂O₃含量可达40%。碳酸盐煤矸石CaO含量可达30%^[3]。此外，煤矸石还含有一些重金属元素如Hg、Ge、As、Pb等，有研究表明某些煤矸石还含有多种有机物如环芳烃。未自燃煤矸石外观呈黑色结构致密，燃烧后形成的废渣呈浅红色，结构疏松多孔。煤矸石属于地底沉积岩，矿物组成多样：主要由石英、方解石、硫铁矿和粘土矿物(高岭石、伊利石、蒙脱石等)以及碳质组成，矿物组成随岩石种类和产地变化而变化^[4]。未自燃煤矸石燃值通常是煤碳的三分之一，常作为烘干用燃料，含碳量较高品质好的煤矸石还可用于火力发电。使用煤矸石作为燃烧介质，燃烧后有效成分挥发，收集到的剩余成分即为煤矸石炉渣。炉渣化学成分和煤矸石相近，呈灰色，形状不规则与机制砂相似。

图1.1 煤矸石 图1.2 煤矸石炉渣

1.1.3煤矸石危害

矸石场堆放的矸石主要是未经处理采掘矸石(部分矿区为洗选矸石)，由于它的诸多特性，随意堆砌的煤矸石将会对环境造成恶劣的影响；其主要危害有：