气化渣配制混凝土的性能研究

引言

煤与空气、氧气或水蒸气在高温高压条件下发生反应，煤中的灰分熔融形成的液态渣经冷却后产生的固体废弃物，即为气化渣，目前煤气化过程中会不可避免地产生大量煤气化渣[1]。宁东能源化工基地是我国最大的煤制油和煤制烯烃生产基地，2022年宁东能源化工基地气化渣排量约为680万t，其利用率较低，主要采取填埋、堆存的方式处理，企业处理负担沉重[2]，而气化渣含有的重金属、产生的粉尘污染及占用土地资源等对生态环境和人体健康均会产生不利的影响[3]。随着煤气化技术的广泛推广，气化渣年排放量只增不减，如何提高气化渣的利用率，有效实现气化渣减量化、资源化利用成为亟须解决的问题。

气化渣的特性与煤的灰分、操作条件、助熔剂类型和引入量、气化炉类型等有关，其影响因素较多[4-5]，煤气化渣的组成（尤其残余碳含量）、粒径等特性会对气化渣的应用产生直接影响。YUANDH等[6]对不同炉型、不同区域且具有代表性的多种气化渣特性进行了研究，发现气化渣的主要成分均为SiO2、Al2O3、Fe2O3、CaO，但是在SiO2、CaO、残余碳含量以及烧失量上存在较大差异，不同气化渣的微观形貌也具有多样化的特点。

本文针对宁东能源化工基地的气化粗渣，分析该气化渣的理化特性，并对使用气化渣做骨料制备的混凝土性能进行研究，为宁东能源化工基地气化渣的资源化利用提供技术参考。

材料与方法

1.1  试验材料

水泥：宁夏赛马水泥有限公司生产的P·O42.5水泥；高性能掺合料：宁夏润宇泽节能环保有限公司生产，为多种固废按照一定的比例组成，具有良好的适应性和体积稳定性，用于混凝土中能够提高混凝土的耐久性；粉煤灰：大坝电厂Ⅱ级灰；矿粉：S95级；碎石：贺兰山碎石5～25mm；砂：宁夏青铜峡天然砂，宁夏莲花山机制砂；外加剂：宁夏神狮建材有限公司生产的聚羧酸外加剂；气化渣：取自宁东能源化工基地某渣场，其细度模数2.4，堆积密度1560kg/m3，表观密度2540kg/m3，烧失量0.7%，吸水率0.8%，气化渣的化学组成和颗粒级配分别见表1、表2，图1为气化渣的XRD图，图2为气化渣的微观形貌。

气化渣中的残余碳含量是气化渣能否适用于混凝土的重要指标，如果残余碳含量高，气化渣的孔隙率大，应用于混凝土中容易使需水量增加、泌水增多，导致混凝土干缩大、出现裂缝等[2]；此外，残余碳属于惰性物质，较高的残余碳含量抑制了煤气化渣与水泥之间的胶凝反应，阻碍水化物凝胶体和结晶体的生长及互相连接，从而影响混凝土的性能[5]。

由表1、表2可知，该气化渣中碳元素含量2.1%，含碳量较低，且气化渣的细度模数、烧失量、吸水率这些会对混凝土性能产生影响的关键指标均不高，还具有一定的粒径分布，为气化渣配制混凝土奠定了重要的应用基础。由图1和图2可知，气化渣为玻璃相，气化渣中的颗粒有球状、片状以及不规则形状，颗粒表面光滑密实，这是因为煤中的Al2O3、SiO2与MgO、CaO等碱性组分在高温条件下容易形成共熔体，该共熔体急速冷却后，形成了表面光滑的球状玻璃体以及球体堆积颗粒。

1.2  配合比及试验方法

表3为气化渣混凝土的配合比，将所有试验材料在搅拌机中搅拌均匀，制备尺寸100mm×100mm×100mm的混凝土成型试块，在标准条件下进行养护。使用扫描电子显微镜（SEM）观察气化渣以及混凝土的微观形貌，使用X射线衍射仪（XRD）分析气化渣的物相，利用X射线荧光光谱仪（XRF）采用压片法分析气化渣的成分。按照GB/T50081—2019《混凝土物理力学性能试验方法标准》测试混凝土试块的抗压强度；按照GB/T50082—2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》测试混凝土试块的抗碳化性能。

结果与分析

2.1  气化渣混凝土的抗压强度

图3为不同气化渣掺量混凝土的抗压强度。

由图3可知，（1）对胶凝材料为水泥+高性能掺合料+粉煤灰的混凝土来说，养护7d时，随着气化渣掺量的增加（0%～60%），混凝土的抗压强度整体呈下降趋势，养护28d时，抗压强度整体差别不大。这说明气化渣的添加对混凝土的28d抗压强度没有明显的影响，当气化渣掺量从0%增加至60%时，混凝土的28d抗压强度均大于52.0MPa，其中，气化渣掺量为30%的试块的28d抗压强度最大，为56.5MPa。

（2）对胶凝材料为水泥+高性能掺合料+矿粉的混凝土来说，养护7d时，随着气化渣掺量的增加（30%～50%），抗压强度整体变化不大，养护28d时，抗压强度呈下降趋势，下降幅度略大，其中，气化渣掺量为30%的试块的28d抗压强度最大，为66.4MPa。

（3）胶凝材料为水泥+高性能掺合料+矿粉的混凝土的7、28d抗压强度均大于胶凝材料为水泥+高性能掺合料+粉煤灰的混凝土。这是因为矿粉相较于粉煤灰来说，其比表面积大，活性更大，在碱性条件下矿粉活性被激发，与水泥水化反应后生成的Ca(OH)2快速发生二次水化反应，生成更稳定的C-S-H凝胶等产物填充孔隙，增大混凝土的密实程度，提升水泥石与粗料之间的界面粘结力[7-9]，又因为矿粉的细度小，颗粒表面粗糙，也可发挥填充效应，进一步提高混凝土密实性，使混凝土的抗压强度得到显著提升。

2.2  气化渣混凝土的抗碳化性能

图4为不同气化渣掺量混凝土的碳化深度。

由图4可知，（1）随着气化渣掺量的增加，混凝土的28d碳化深度变化趋势与其28d抗压强度基本成负相关。一般来说，在原材料差别不大的情况下，混凝土越密实，抗压强度越大，其孔隙率越小，CO2越不容易渗入混凝土中，混凝土碳化深度越小，其抗碳化性能越强。

（2）当胶凝材料为水泥+高性能掺合料+粉煤灰时，随着气化渣掺量的增加，虽然相对于气化渣掺量为0%的混凝土，其碳化深度整体上呈下降趋势，但是下降得不明显，当气化渣掺量为30%时，混凝土的碳化深度为1.4mm，这说明掺入气化渣对混凝土的抗碳化性影响不大。

（3）在相同掺量下，胶凝材料为水泥+高性能掺合料+矿粉的混凝土的碳化深度要小于胶凝材料为水泥+高性能掺合料+粉煤灰的混凝土，均小于1.3mm，当气化渣掺量为30%时，胶凝材料为水泥+高性能掺合料+矿粉的混凝土的碳化深度为0mm，碳化等级为T-Ⅴ等级，是最高等级。

图5为气化渣掺量为30%时，胶凝材料分别为水泥+高性能掺合料+粉煤灰、水泥+高性能掺合料+矿粉的混凝土标养28d的微观形貌。

由图5可知，球形的气化渣在混凝土中起到很好的填充作用，提升了混凝土的密实性，在胶凝材料为水泥+高性能掺合料+粉煤灰的混凝土中，含有较多针状、交错分布的钙矾石和长板状的Ca(OH)2以及絮状、颗粒状的C-S-H凝胶；在胶凝材料为水泥+高性能掺合料+矿粉的混凝土中，主要含有较多的C-S-H凝胶，凝胶之间连接紧密，且晶相成长得更加成熟，这使得混凝土内部更加密实，界面粘结力更强，因此胶凝材料为水泥+高性能掺合料+矿粉的混凝土的抗压强度更大，其抗碳化性能更优。

创新技术在煤矸石山生态恢复中的应用

本文使用宁东能源化工基地的气化渣做骨料配制混凝土，探究气化渣混凝土的抗压强度和抗碳化性能，得出以下结论：

（1）采用宁东煤化工基地的气化渣做骨料配制的混凝土，其28d抗压强度均大于52.0MPa，碳化深度均小于5.4mm，碳化等级至少为T-Ⅳ等级。其中，气化渣最佳掺量为30%，当胶凝材料为水泥+高性能掺合料+矿粉时，混凝土的28d抗压强度为66.4MPa，碳化深度为0mm，碳化等级为T-Ⅴ等级，是最高等级；当胶凝材料为水泥+高性能掺合料+粉煤灰时，混凝土的28d抗压强度为56.5MPa，碳化深度1.4mm。

（2）在相同的气化渣掺量下，胶凝材料为水泥+高性能掺合料+矿粉配制的气化渣混凝土的抗压强度、抗碳化性能远优于胶凝材料为水泥+高性能掺合料+粉煤灰的气化渣混凝土。