摘要：以煤制油煤气化炉渣部分替代天然河砂制备的煤气化炉渣混凝土，具有自重轻、密实度高、力学性能与耐久性能良好等优势。通过掺入粉煤灰及聚羧酸减水剂以优化煤气化炉渣混凝土配合比，提高混凝土的工作性能，测试不同水胶质量比、砂率、煤气化炉渣掺量和粉煤灰取代率条件下对煤气化炉渣混凝土力学性能的影响。研究结果表明：煤制油煤气化炉渣具有与普通河砂相似的颗粒与物理性能，在水胶质量比为0.44、砂率为42％、粉煤灰取代率为10％时，混凝土强度性能良好，煤气化炉渣掺量可达到409 kg/m3。通过耐久性能试验，得出煤气化炉渣混凝土可抵抗150次冻融循环，抗渗等级为P12。碳化28 d时，碳化深度小于1 mm，具有良好的耐久性能。
关键词：煤制油气化渣,粉煤灰,抗压强度,抗冻性,碳化深度
0引言
中国的能源结构具有“富煤、贫油、少气”的特点。据统计，2023年，我国生产原煤47.1亿t，进口原煤4.74亿t。煤化工用煤占我国煤炭消费量的8%~9％，每吨煤化工用煤伴随产生20％气化渣（含粗渣及细渣）。经测算，2023年，我国产生的煤气化炉渣（含粗渣及细渣）为8 805.35万t，粗渣占比约70％。若不能合理处置和利用煤气化炉渣，将会造成严重的环境污染。
目前，众多学者在寻找煤气化炉渣减量化、资源化和无害化的利用途径[1-3]。煤气化炉渣综合利用技术多以制备路面材料[4]、制备胶凝材料[5-6]、制备烧结砖和陶粒、废水处理及高值化应用等方面为主。曹雯等[7]采用煤制油炉渣替代混凝土细骨料，寻找不同比例煤制油炉渣代替河砂后对混凝土的影响，得出满足C25、C30混凝土强度等级的最佳水灰比。张建鹏等[8]以陶粒、炉渣和粉煤灰为原材料配置出适合装配式建筑使用的轻骨料非结构构件混凝土，得出最优砂率为35%，粉煤灰取代率为50％。王宁等[9]研究了炉渣、粉煤灰替代率对混凝土抗压强度和吸水率的影响。结果表明，随着炉渣、粉煤灰掺量增大，混凝土28 d抗压强度呈现先增大、后减小的趋势。
本研究以煤气化炉渣部分替代河砂，同时考虑最佳水胶质量比、砂率以及粉煤灰取代率的影响，制备出满足C30强度等级的煤气化炉渣混凝土，研究煤气化炉渣、粉煤灰取代率对混凝土抗压强度、抗折强度的影响，并对最佳配合比下煤气化炉渣混凝土的耐久性能进行验证，以期为进一步研究煤气化炉渣混凝土界面区结构与其宏观性能之间的关系奠定基础。
1原材料及试验方法
1.1原材料
1）煤气化炉渣。采用国家能源集团宁夏煤业有限公司GSP气化炉产生的湿排煤气化粗渣（后续统称为煤气化炉渣，以下简称“CGS”）。其基本物理性能参数符合《建筑用砂》（GB/T 14684—2011）标准要求，主要化学成分为SiO2、Al2O3、Fe2O3和CaO。颗粒棱角少，具有和砂一般的级配，如表1所示。
2）粉煤灰。Ⅰ级粉煤灰的各项物理性能如表2所示。
3）水泥。采用赛马牌P.O 42.5级普通硅酸盐水泥，主要性能指标如表3、表4所示。
4）减水剂。采用聚羧酸高效减水剂，固含量为25％，密度为1.13 g/cm3，减水率为30％。其质量符合《聚羧酸系高性能减水剂》（JG/T223—2007）标准要求。
1.2试验方法
1）煤气化炉渣基本物理性能测试，参照《建设用砂》（GB/T 14684—2011）中松散堆积密度、表观密度、含水率和压碎值指标等基本物理性能参数。粉煤灰的各项物理性能指标参照《用于水泥和混凝土的粉煤灰》（GB/T 1596—2017）进行。
2）试样制备及强度测试。将水泥、煤气化炉渣、粉煤灰及碎石骨料按一定比例添加于混凝土拌锅中，将混合料拌合均匀后添加减水剂和水，再次搅拌120 s后装入试模中，置于振动台进行密实成型。成型后的试块在标准养护条件下养护24 h，脱模后放置于标准养护室养护至相关试验规定龄期。试样制备及强度测试方法参照《水泥及水泥混凝土试验规程》（JTG 3420—2020）进行。
3）煤气化炉渣混凝土工作性能试验、抗压强度试验、抗冻性试验、抗渗性试验和碳化试验分别按照《水泥及水泥混凝土试验规程》（JTG 3420—2020）中T 0553—2005、T 0565—2005、T 0568—2005和T 0581—2020等试验方法的相关要求进行。
2试验结果及分析
2.1配合比设计
按照表5所示配比制备试样，通过试拌调整各项材料的用量，满足混凝土制备的基本要求。选取水胶比（质量比）、砂率、煤气化炉渣和粉煤灰取代率作为影响因素进行配合比设计。
2.2抗压强度影响因素分析
如图2～图5所示，水胶质量比、砂率、煤气化炉渣掺量以及粉煤灰替代率对混凝土的抗压强度影响变化规律，最佳水胶质量比为0.44，最佳砂率为42％。满足C30混凝土配置强度下的煤气化炉渣最大掺量为50％，粉煤灰替代率为10％时，混凝土抗压强度最大。随着粉煤灰替代率的增大，混凝土中水泥用量大大减少，从而在水化后期水化产物减少，出现抗压强度下降的趋势。
2.3耐久性能评价
通过上述抗压强度影响因素分析，确定煤气化炉渣混凝土最优配合比，并将最优配比下的混凝土试块进行抗冻性、抗渗性以及碳化试验，进一步验证煤气化炉渣混凝土的耐久性能。
2.3.1抗冻性能
通过测定相对动弹性模量来表征冻融循环对混凝土内部结构的损伤情况，通过质量损失率来表征混凝土表面破坏情况。当相对动弹性模量下降至60%以下，或质量损失率达5％时，认为混凝土冻融循环破坏。以50％替代率煤气化炉渣、10％替代率粉煤灰的混凝土为研究对象，进行冻融循环试验，相对动弹性模量和质量损失率变化如图6、图7所示。
从图6、图7可知，煤气化炉渣混凝土相对动弹性模量随冻融次数的增加呈现先增后减的趋势，并且在150次冻融循环后相对动弹性模量达到66％。质量损失率在80次冻融循环后，增加速率明显高于80次冻融循环前。150次冻融后，试块表面出现明显脱落，并停止试验。
2.3.2抗渗性能
试验采用HP-40混凝土抗渗仪，如图8所示，符合现行《混凝土抗渗仪》（JG/T 249）规定。试验时，控制水压从0.1 MPa开始，每隔8 h增加0.1 MPa水压。当6个试件中有3个试件表面渗水时，停止试验。抗渗等级按下式计算：
P=10H-1.
式中：P为混凝土抗渗等级；H为6个试件中第3个试件渗水时的水压力，MPa。
对最优配比下的混凝土试块进行抗渗试验，当压力增加至1.2 MPa时，经过8 h，仅有1个试件出现渗水现象，该配合比下煤气化炉渣混凝土的抗渗等级为P12，抗渗效果良好。
2.3.3碳化试验
采用如图9所示的CGS混凝土碳化试验箱对煤气化炉渣混凝土试件进行碳化试验。在养护26 d后，从标养室取出，在60℃下烘48 h。将烘干的试件4个面进行蜡封处理，放入碳化箱中，碳化时间分别为3、7、14、28 d时，将试件劈裂后测试其碳化深度。试验过程中碳化箱中CO2体积分数控制在20%±3％，箱内相对湿度控制在70%±5％，温度控制在20℃±2℃。
将不同碳化龄期下的煤气化炉渣混凝土劈裂，然后喷涂1％的酚酞酒精溶液，如图10所示，取两侧碳化深度的算术平均值作为该点的深度值。由图11可知，28 d碳化龄期下气化渣混凝土碳化深度为0.9 mm，远小于《混凝土结构耐久性设计规范》（GB/T 50476—2019）中“在一般环境下，混凝土的碳化深度不宜超过保护层厚度的1/3”的规定。
3结论
1）与天然河砂相比，煤气化炉渣具有密度小、孔隙率高等特点，其化学成分以硅、铝和钙质氧化物为主，具有替代河砂作为混凝土细集料的可能。但其压碎值与吸水率较高，在一定程度上影响了煤气化炉渣混凝土的抗压强度，其力学性能与耐久性能值得进一步研究。
2）通过对气化渣混凝土在不同影响因素下的抗压强度变化规律进行研究，得出了适配C30混凝土的最优配合比，即水胶质量比为0.44、砂率为42％、煤气化炉渣掺量为409 kg/m3和粉煤灰替代率为10％条件下，此时混凝土28 d抗压强度为38.2 MPa。
3）研究制备的煤气化炉渣混凝土具有良好的耐久性能。其最优配比下可以抵抗150次冻融循环，抗渗等级为P12，28 d碳化后碳化深度小于1 mm。因此，该煤气化炉渣混凝土力学性能、耐久性能良好，具有很好的经济价值与应用前景。
参考文献
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