煤矸石集料混凝土的微觀結構與物理力學性能研究

摘 要：隨著我國工業的發展，工業廢棄物越來越多。煤矸石是我國工業中最常見的工業廢棄物。因其在工業中的重要性，對煤矸石微觀結構和物理力學性的研究一直沒有停下腳步。煤矸石是煤礦生產過程中產生的廢渣，如果處置不當，會對環境造成很大的污染。如何根據對其微觀結構和力學性能的研究，加強煤矸石的集料功能，是一個值得探討的問題。本文簡單介紹了煤矸石作為混凝土集料的微觀結構及物理力學性能，以期能為煤矸石研究的進步提供參考。

關鍵詞：煤矸石；混凝土；微觀結構；物理力學性能

中圖分類號：TQ178 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）10（b）-0000-00

1 煤矸石作為集料混凝土的微觀結構研究現狀

1.1煤矸石微觀結構研究存在的問題

應工業化的發展要求，我國各個地方的專家在研究煤矸石的微觀結構上都取得了不同程度的成績，不同專家也都在各自的研究領域做出了貢獻。但是由于多種因素影響，我國煤矸石微觀結構研究現狀仍然面臨很多問題。主要體現在三個方面：一是現存的研究大多是對煤矸石宏觀結構的研究，而很少有關于細微觀結構的深入研究。在微觀形貌特征、孔結構等方面的研究幾乎是空白的。二是煤矸石活性對水泥混凝土的影響研究存在很大的缺陷。三是對非自燃煤矸石作為混凝土集料的研究不足。關于自燃煤矸石的研究在這一領域并不少見，因為自燃煤矸石是長期以來煤礦生產中常見的基礎物資。但是隨著工業的不斷發展，非自燃煤矸石會越來越廣泛地使用到煤礦生產中去。而目前對于非自燃煤矸石的微觀結構與物理力學性能之間聯系的研究成果寥寥無幾[1]。

1.2煤矸石集料的界面微觀研究

穩定的界面結構是煤矸石集料優異性能的重要保障。煤矸石作為混凝土集料使用時，有一些其他集料所沒有的特點。這些特點進一步對水泥石基體的界面結構產生影響，形成界面結構的獨特面貌。這些基本特征表現為：與普通集料不同的是，煤矸石集料有多達40多種化學元素，也因此增加了煤矸石集料的復雜性。給研究煤矸石集料的化學結構變化增添了很多不便和困難。自燃煤矸石本身的特性使得活性反應對界面結構造成影響。由于煤矸石集料的孔結構比一般集料更特殊，煤矸石集料擁有更多可吸水的孔結構，能夠吸收大量水泥漿中的水分，導致其界面結構與普通集料界面的過渡區有明顯的差異。煤矸石界面結構是微觀研究的一個重要課題，應當給予足夠的重視。在實驗中，可以借助顯微硬度儀、金相顯微鏡對煤矸石的界面結構進行觀察分析，開展更深入的研究。

另一方面，煤矸石界面微觀形貌研究也是集料微觀結構研究的重要組成部分。利用掃描儀器，可以在實驗中得到結論：與自燃煤矸石相比，非自燃煤矸石具有更加良好的界面結構。因為非自燃煤矸石的多孔結構和內部幾乎沒有細碎裂縫的表現，使得其界面結構十分平滑，集料與水泥的粘合度非常高。相反，自燃煤矸石則結構疏松，不能與水泥石基體進行緊密的結合。在實際使用中，可能會出現因強度太低、抗壓性能弱而導致集料折損的情況。煤矸石的界面微觀形貌會受到不同因素的影響，其中比較常見的是水灰比、集料預濕處理兩大因素。水灰比取決于水泥中水的含量，對集料的強度、性能都有至關重要的影響。實驗證明，水灰比高的條件下，煤矸石集料的水化反應更為強烈，水化物能夠充分地填充界面結構之間的空隙，形成更高的水泥強度。預濕處理能夠在實驗中改善集料的吸水狀況，從而通過預濕處理方式強化水泥混凝土的硬度[2]。

2 煤矸石的物理力學性能

2.1影響煤矸石力學性能的因素

煤矸石的力學性能主要是從宏觀層面和微觀層面兩個不同角度進行研究的。其力學性能會因為不同的內、外部條件，而產生不同的性能效果。這些條件大致有以下幾種：（1）煤矸石的不同種類會使物理力學性能產生不同的結果。通過微觀觀察，可以得知非自燃煤矸石的結構更為細密，而自燃煤矸石因為在燃燒過程會發生膨脹，并伴隨著一些成分的揮發，因此結構顯得更為疏松。因為兩種煤矸石的結構各異，在保證其他條件都相同的情況，兩者的活性反應程度也不相同。（2）養護條件。水泥混凝土十分容易受到外界環境的影響。因此，保持適宜的養護溫度，做好水泥混凝土的養護工作對于保證水泥的質量和作用十分關鍵。最理想的情況是將水泥放置在最合適的標準條件下進行養護，以使水化物充分地、均勻地分散到水泥顆粒的間隙之中，從而形成水泥混凝土所需的致密結構。這樣的水泥強度高、抗壓性好，十分適合作為建筑材料。如果養護溫度過高，則會導致水化物在早期形成階段過度揮發，而造成水泥結構蓬松。集料有可能會出現細微裂縫，從而降低了水泥的抗壓強度，增加了水泥發生液體滲透的可能性。（3）顆粒配級。混凝土良好的力學性能也取決于合理的顆粒配級。在固定的水灰比下，大粒徑與中間級顆粒及小粒徑之間的比例會直接影響水泥混凝土的強度。顆粒分配不均勻使得混凝土密度不均，無法在使用中承受重壓。（4）煤矸石預處理方式。是否對煤矸石集料進行預濕處理也對混凝土的力學性能有一定影響。自燃煤矸石本身孔結構比較發達，有更高的吸水率。未經預濕的自燃煤矸石會吸收大量水泥基體內部的水分，降低混凝土的抗壓性能。而經過一定時間預濕的自燃煤矸石，因為外部環境一直保持著一定的水分和濕度，則不會吸收內部水分。集料內部結構緊湊，保證了混凝土的強度[3]。

2.2煤矸石集料的選用標準

煤矸石作為一種混凝土用的集料，其力學性能的優良程度取決于多重因素。為了盡量保證煤矸石作為集料使用時的正常功能，在進行煤矸石選擇時有一些通用的標準。（1）巖石特性。通過上文對自燃煤矸石和非自燃煤矸石不同性能的分析，可以得出結論：影響煤矸石宏觀性能和微觀結構的關鍵因素還是煤矸石自身的特性。而巖石特性是煤矸石最重要的性能基礎。按照巖石特性進行的分類，一般有以下幾種：砂巖矸石、土巖煤矸石、粉砂巖矸石、鋁質矸石和鈣質矸石。這些類型的矸石各有其特點，適合不同的用途。當然，作為混凝土集料，應當采用強度大、硬度高的矸石。（2）嚴格控制煤矸石集料中的針片狀含量。針片狀顆粒廣泛存在于集料形成和破碎的過程中。這種顆粒會使集料表面出現不同程度的尖角，而尖角又很容易發生碎裂，影響到集料的強度和使用效果。（3）保持煤矸石集料與水泥基體之間的強度一致。煤矸石集料的強度與水泥基體的強度越接近，則混凝土性能越好。同時還要注意其他幾個原則。進行集料預濕處理時，要把控好時間。時間太短則達不到預濕的效果；但如果時間過長，則會出現預濕過于飽和的現象，不利于優化集料的性能。要選擇適當的集料級配，并采用適宜的養護條件，以增加集料強度。

3 結束語

綜上所述，煤矸石作為混凝土用集料有十分廣泛的用途。考慮到影響煤矸石物理力學性能的幾大因素，要根據實際需求選擇合適的煤矸石，滿足混凝土用集料的強度要求。深入對煤矸石微觀結構的研究還有很大的提升空間，也具有很大的科學價值。

參考文獻

[1] 段曉牧.煤矸石集料混凝土的微觀結構與物理力學性能研究[D].中國礦業大學，2014.

[2] 陳煒林.煤矸石作為水泥混凝土骨料可行性的基礎研究[D].北京工業大學，2010.

[3] 張金喜，陳煒林，金珊珊，陳春珍，楊榮俊. 煤矸石集料混凝土耐久性研究[J]. 北京工業大學學報，2011，01：116-125.

[4] 錢鳴高，許家林.科學采礦的理念與技術框架[J].中國礦業大學學報（社會科學版），2011（03）

[5] 馮朝朝，韓志婷，張志義，劉磊.煤礦固體廢物—煤矸石的資源化利用[J].煤炭技術. 2010（08）