自燃煤矸石骨料在預拌混凝土中的應用研究

周 梅，李高年，張 倩，崔翰博

（遼寧工程技術大學 建筑工程學院，遼寧 阜新 123000）

中國有10%（質量分數）左右的過火煤矸石經破碎、篩分，可直接制成骨料，即自燃煤矸石骨料，這種骨料以其質量較好、儲量較大、易開采、價格低廉等特點，在輕骨料家族中占有一席之地［1－4］.20世紀80年代用自燃煤矸石骨料配制的混凝土構件在阜新地區被廣泛應用，但隨著預拌混凝土的出現，自燃煤矸石骨料混凝土在阜新地區銷聲匿跡了.究其原因主要有：（1）自燃后的煤矸石孔隙率大、吸水率高，攪拌過程中會吸收大量的混凝土拌和水，使拌和物干稠，坍落度經時損失嚴重，不能滿足預拌混凝土大流動性的施工要求；（2）自燃煤矸石骨料在粒形、級配、表面質構、強度等方面與天然砂、石存在明顯差別，其許多性能指標介于輕骨料與天然骨料之間，沒有可遵循的配合比設計方法；（3）自燃煤矸石骨料混凝土的耐久性受到工程界質疑［5－7］.

本文以自燃煤矸石粗、細骨料的附加水及預濕時間為研究對象，通過混凝土稠度和強度試驗，揭示二者對混凝土拌和物工作性、硬化強度的影響，并以此修正配合比設計中的單位用水量.同時，研究了預拌自燃煤矸石骨料混凝土的抗氯離子滲透性能和抗凍性能，以期為這種混凝土的應用提供技術支撐.

1 試驗概況

試驗用自燃煤矸石取自阜新清河門礦，經破碎、篩分和組配，將粒徑＜5 mm 和5 mm＜粒徑≤20mm的自燃煤矸石分別作細、粗骨料.自燃煤矸石骨料和天然骨料的技術性能指標見表1，孔隙結構特征見圖1，2.試驗用水泥為P·O 42.5普通硅酸鹽水泥，摻合料為Ⅱ級粉煤灰和S95礦粉，減水劑為萘系高效減水劑.自燃煤矸石細骨料或粗骨料的置換率均為100%（質量分數）.預拌自燃煤矸石骨料混凝土稠度和強度試驗配合比見表2，抗氯離子滲透及抗凍試驗配合比見表3.

表1 自燃煤矸石骨料和天然骨料的性能指標Table 1 Performance of spontaneous combustion coal gangue aggregate and natural aggregate

圖1 自燃煤矸石與天然骨料的孔徑分布Fig.1 Pore size distribution of spontaneous combustion coal gangue and natural aggregate

圖2 自燃煤矸石與天然骨料累計孔徑面積分布Fig.2 Accumulated pore area distribution of spontaneous combustion coal gangue and natural aggregate

表2 預拌自燃煤矸石骨料混凝土稠度和強度試驗的配合比Table 2 Mix proportion for consistency，strength test of ready－mixed spontaneous combustion coal gangue aggregate concrete

表3 預拌自燃煤矸石骨料混凝土耐久性試驗配合比及試驗結果Table 3 Mix proportion for durability test and test result of ready－mixed spontaneous combustion coal gangue aggregate concrete

2 試驗結果及分析

2.1 工作性和強度

2.1.1 附加水對預拌自燃煤矸石骨料混凝土工作性和抗壓強度的影響

圖3 附加水對預拌自燃煤矸石骨料混凝土坍落度的影響Fig.3 Effect of additional water on slump of ready－mixed spontaneous combustion coal gangue aggregate concrete

圖4 附加水對預拌自燃煤矸石骨料混凝土抗壓強度的影響Fig.4 Effect of additional water on compressive strength of ready－mixed spontaneous combustion coal gangue aggregate concrete

附加水對預拌自燃煤矸石骨料混凝土坍落度和抗壓強度的影響見圖3，4.由圖3可見，隨著附加水量的增加，2個系列預拌自燃煤矸石骨料混凝土的坍落度明顯增大，當S系列自燃煤矸砂細骨料的附加水小于其吸水率（質量分數）40%，G 系列自燃煤矸石粗骨料的附加水小于其吸水率80%時，混凝土坍落度的增幅較大，之后變緩；當S系列自燃煤矸砂細骨料附加水為其吸水率的60%，G 系列自燃煤矸石粗骨料附加水為其吸水率的80%時，混凝土坍落度均可達到預拌混凝土的配制要求（坍落度＞160mm），且黏聚性和保水性良好；由圖4 可見，隨著附加水的增加，2個系列預拌自燃煤矸石骨料混凝土的抗壓強度逐漸降低，而且S系列預拌自燃煤矸砂細骨料混凝土抗壓強度的下降幅度明顯大于G系列預拌自燃煤矸石粗骨料混凝土.這主要是因為自燃煤矸石骨料隨著附加水的增加，吸附的水量增加，從而使拌和物水灰比增大，導致混凝土抗壓強度降低.由于煤矸砂細骨料的比表面積比煤矸石粗骨料大，因此煤矸砂細骨料與水接觸的面積大，吸水速率快，吸水率大（見表1），使S系列預拌自燃煤矸砂細骨料混凝土的坍落度增幅及抗壓強度降幅增大.另外，自燃煤矸石粗骨料由于粒徑較大，吸水速率相對較慢，且一部分水會留在毛細孔內，直至混凝土硬化后才釋放出來，起到“內養護”作用，使混凝土坍落度經時損失減小，后期強度發展較好.

2.1.2 預濕時間對預拌自燃煤矸石骨料混凝土工作性和抗壓強度的影響

在預拌自燃煤矸石骨料混凝土中，S系列的自燃煤矸砂細骨料附加水按其吸水率的60%加入，G系列的自燃煤矸石粗骨料附加水按其吸水率的80%加入.預濕時間對預拌自燃煤矸石骨料混凝土坍落度和抗壓強度的影響見圖5，6.由圖5可見，自燃煤矸石無論是細骨料，還是粗骨料，隨預濕時間的增加，預拌自燃煤矸石骨料混凝土坍落度增大.這是因為附加水一旦固定，自燃煤矸石骨料隨著預濕時間的增加，吸附的水量增大，拌和時搶拌和水減小，從而使拌和物水灰比變大，坍落度增大.

圖5 預濕時間對預拌自燃煤矸石骨料混凝土坍落度的影響Fig.5 Effect of pre－wetting time on slump of ready－mixed spontaneous combustion coal gangue aggregate concrete

圖6 預濕時間對預拌自燃煤矸石骨料混凝土抗壓強度的影響Fig.6 Effect of pre－wetting time on compressive strength of ready－mixed spontaneous combustion coal gangue aggregate concrete

由圖6可見，2 個系列的預拌自燃煤矸石骨料混凝土，隨著自燃煤矸石骨料預濕時間的增加，抗壓強度的發展態勢截然不同.G 系列預拌自燃煤矸石骨料混凝土隨預濕時間的增加，其抗壓強度增大，當附加水控制在自燃煤矸石骨料吸水率的30%～60%時，抗壓強度增幅最大；而S系列預拌自燃煤矸砂細骨料混凝土隨預濕時間的增加，抗壓強度降低.這可從自燃煤矸石骨料粒徑大小及孔隙特征來進行解釋.從圖1，2可以看出，自燃煤矸石粗骨料的總孔隙量約為天然骨料的100倍，其平均孔徑和中值孔徑均小于天然石材.對于G 系列預拌自燃煤矸石粗骨料混凝土，當預濕時間為10～30min時，自燃煤矸石的吸附水量變化很小，混凝土的水灰比基本保持不變，因此強度變化不大.當預濕時間為30～60min時，雖然自燃煤矸石粗骨料吸附水量沒有太大變化，但吸附水在自燃煤矸石粗骨料孔徑中的位置卻發生了很大變化.自燃煤矸石粒徑較大，隨著預濕時間延長，滲入到自燃煤矸石微孔中的水越多，而這部分水在混凝土硬化后緩慢釋放，起“內養護”作用，因此有利于混凝土后期強度的發展.當自燃煤矸石預濕時間大于60min時，滲入到自燃煤矸石微孔中的水基本釋放出來，因此再延長預濕時間也無任何作用，故建議自燃煤矸石粗骨料的預潤濕時間應控制在60min內；對于S系列預拌自燃煤矸砂細骨料混凝土，由于自燃煤矸砂細骨料粒徑較小、比表面積較大，其吸附水和釋放水的速率均較快，雖然預濕時間越長，釋放的水就越多，導致混凝土拌和物水灰比增大，強度下降，但下降幅度不大.

綜合考慮預拌混凝土施工的流動性、黏聚性、保水性及結構設計強度等級的要求，將自燃煤矸砂細骨料附加水控制在其吸水率的60%，預濕時間控制在10min，自燃煤矸石粗骨料附加水控制在其吸水率的80%，預濕時間控制在60min比較合理.

2.1.3 預拌自燃煤矸石骨料混凝土坍落度經時損失

從表3可見，預拌自燃煤矸石骨料混凝土坍落度經時損失的發展趨勢與普通混凝土相同，即隨著拌和物存放時間的延長，坍落度經時損失逐漸減小.但上述2個系列預拌自燃煤矸石骨料混凝土坍落度經時損失均小于普通混凝土.這是因為自燃煤矸石骨料在攪拌之前已浸水潤濕，水飽和程度較大，而且隨著拌和物存放時間的延長，自燃煤矸石骨料還會釋放吸附水，故預拌自燃煤矸石骨料混凝土坍落度經時損失小于普通混凝土.至于S系列預拌自燃煤矸砂細骨料混凝土坍落度經時損失較G 系列預拌自燃煤矸石粗骨料混凝土大，則是因為煤矸砂細骨料的吸水速率和釋放水速率較快所致.

2.2 抗氯離子滲透和抗凍融性能

預拌自燃煤矸石骨料混凝土抗氯離子滲透及抗凍融試驗結果見表3，4，凍融后表面形貌見圖7.

表4 預拌自燃煤矸石骨料混凝土抗凍融試驗結果Table 4 Freeze－thaw resistance test result of ready－mixed spontaneous combustion coal gangue aggregate concrete %

圖7 預拌自燃煤矸石骨料混凝土凍融后的表面形貌Fig.7 Surface state of ready－mixed spontaneous combustion coal gangue aggregate concrete after freeze－thaw cycle

從表3，4可以看出，2個系列預拌自燃煤矸石骨料混凝土6h的電通量為1 000～2 000C，屬于氯離子滲透等級低的范疇，經受300次凍融循環后，質量損失率＜5%，動彈性模量損失率＜40%，抗凍等級達到F300.從圖7（a）可以看出，S系列預拌自燃煤矸砂細骨料混凝土即使達到凍融破壞極限，試件仍較完好，只是表面有水泥漿剝蝕.由圖7（b）可見，G 系列預拌自燃煤矸石粗骨料混凝土達到凍融破壞極限時，試件已明顯破損.這是因為在S系列預拌自燃煤矸砂細骨料混凝土中，自燃煤矸砂細骨料主要填充天然粗骨料之間的空隙，與水泥漿一起包裹石子成為粗骨料之間的潤滑層，而在G 系列預拌自燃煤矸石粗骨料混凝土中，煤矸石粗骨料起骨架作用，隨著凍融次數的增加，其自身裂縫增多，當達到凍融極限時，自燃煤矸石粗集料自身已經凍融破壞，所以混凝土出現疏松狀況.

由表3可見，2 個系列預拌自燃煤矸石骨料混凝土均復摻了礦物摻合料和高效減水劑.高效減水劑可降低混凝土的孔隙率，礦物摻合料可細化混凝土的孔隙結構，自燃煤矸石骨料提前潤濕有利于改善骨料與水泥基體的界面黏結狀態，這些措施復合作用，改善了預拌自燃煤矸石骨料混凝土的流變性能，提高了抗凍、抗滲等耐久性能.

3 結論

（1）自燃煤矸石經破碎、篩分及攪拌之前浸水潤濕處理后，可替代天然砂、石作預拌混凝土的骨料.

（2）自燃煤矸砂細骨料的附加水最好控制在其吸水率的60%，預濕時間宜控制在10min，而自燃煤矸石粗骨料的附加水控制在其吸水率的80%，預濕時間控制在60min較合適.

（3）復摻礦物摻合料和高效減水劑可改善預拌自燃煤矸石骨料混凝土的孔隙結構，提高其抗氯離子滲透能力和抗凍融能力.

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