煤矸石粗集料混凝土的工程可行性研究

戚 鵬

(中鐵十九局集團第三工程有限公司， 遼寧 沈陽 110136)

煤矸石是采礦過程中的附帶固體廢棄物。目前，我國的主要能源依然是煤炭，占年均能源消耗量的80%左右，因此，由煤炭開采所帶來的煤矸石數量龐大。據不完全統計，截至2018年底，我國煤矸石累計堆存量已達52億噸，而且以每年7億噸的產量不斷增長，占地面積約2 000公頃。煤矸石不僅占據大片土地，而且在長時間的風化、水作用下還會對環境造成嚴重污染。因此，對煤矸石資源的回收再利用已成為國內外的重點研究課題。

近年來，以煤矸石作為粗骨料制備混凝土得到廣泛關注。建筑、交通等基礎設施對混凝土需求量逐漸增大，因此采用煤矸石制備混凝土不僅能夠有效減少煤矸石堆存量，而且能夠節約成本、保護環境。近年來國內外學者展開了一系列關于煤矸石混凝土力學性能的研究。關虓等[1]通過聲發射技術對煤矸石粗集料混凝土的軸心抗壓強度進行了研究，并以聲發射試驗數據為基礎，建立了煤矸石混凝土的損傷本構模型，同時邱繼生等[2]還對凍融循環后的煤矸石混凝土力學特性進行了研究。周梅等[3-4]對不同溫度環境下煤矸石粗骨料混凝土進行了抗壓性能試驗，認為自燃煤矸石高溫處理后的抗壓強度、劈裂強度的損失率皆小于普通混凝土。馬宏強等[5-6]借助X射線衍射儀(XRD)和掃描電鏡技術(SEM)，探究煤矸石混凝土700 ℃高溫煅燒對其氯離子滲透、抗碳化性和硫酸鹽侵蝕性能的影響，認為最大程度激發煤矸石集料的活性對混凝土的力學性能起到促進作用。董作超等[7-8]采用XRD、SEM及MIP(壓泵法)等技術方法，對煤矸石細集料在不同溫度下的活性進行了研究，對不同活性的煤矸石細集料水泥硬化砂漿的孔隙結構進行了探討，并進一步分析了孔隙結構與砂漿強度之間的關系，認為不同活性的煤矸石細集料，在水化反應初期能夠與水泥水化反應產物產生二次水化反應，會對水泥砂漿的孔徑分布與孔隙率產生影響。王長龍等[9]采用煤矸石與鐵尾礦制備加氣混凝土，通過XRD、FE-SEM和EDX技術研究分析了加氣混凝土水化產物和微觀孔隙形貌。李永靖等[10]以煤矸石作為粗骨料，研究分析了煤矸石混凝土的干縮性和凍脹性，結果表明，采用煤矸石作為混凝土粗骨料是可行的，其干縮性和凍脹性均能滿足規范設計要求。李永靖等[11]還對煤矸石加筋混凝土的抗震性進行了研究。

綜上所述，煤矸石混凝土在工程中能夠滿足混凝土規范設計要求。本文結合前人研究結論，對煤矸石粗集料混凝土進行抗壓強度試驗，分析其各力學參數隨煤矸石置換率和水灰比的變化規律，為工程實踐提供可靠的試驗依據。

1 試驗部分

1.1 原材料

膠凝材料：阜新鷹牌(P·O)普通硅酸鹽水泥、普通自來水、減水劑、細集料為標準砂、粗集料為阜新艾友煤礦煤矸石。其中，煤矸石的化學成分為：CaO(2.76%)、SiO2(64.21%)、Al2O3(20.98%)、Fe2O3(4.54%)、MgO(3.21%)、Na2O(2.16%)、K2O(2.06%)。

1.2 煤矸石粗集料混凝土配合比設計

根據《普通混凝土配合比設計規程》(JGJ 55—2011)，并結合工程經驗，本文選取水灰比分別為0.50、0.40、0.35和0.30，對應混凝土強度等級分別為C25、C30、C40和C50。混凝土配合比按普通硅酸鹽混凝土進行設計，如表1所示，試件尺寸為100 mm×100 mm×100 mm。

表1 煤矸石粗集料混凝土配合比

1.3 煤矸石粗集料混凝土試驗方法

根據《普通混凝土力學性能試驗方法標準》(GB/T 50081—2002)進行煤矸石混凝土抗壓強度試驗，澆筑24 h后拆模，根據試驗方法，養護至不同齡期，養護齡期分為3、7、14、28、60、90、180 d。考慮煤矸石作為粗集料置換普通碎石對混凝土力學性能的影響，文中選取的替換率r分別為0(粗集料全為普通碎石)、0.25、0.50、0.75和1(粗集料全為煤矸石)。混凝土粗集料總量保持不變，僅以相應置換率計算煤矸石粗集料的用量。煤矸石混凝土抗壓強度試驗均在YAW-300型萬能試驗機上進行，將養護好的粗集料煤矸石混凝土試件置于試驗機的下承壓板中心位置，并確保試件頂面與壓力方向保持垂直。試驗加載方式采用力控制模式，加載速率為0.3 MPa/s，直至試件失穩破壞。

2 試驗結果分析

2.1 應力—應變曲線分析

通過煤矸石粗集料混凝土抗壓強度試驗得到養護齡期為28 d的煤矸石混凝土應力—應變曲線，如圖1所示。以水灰比0.50為例，不同置換率的煤矸石粗集料混凝土與普通混凝土應力—應變曲線變化趨勢大體相似。對于應力上升階段，不同置換率下煤矸石混凝土峰值強度均小于普通混凝土，且隨置換率逐漸增大，峰值強度逐漸減小；對于應力下降階段，不同置換率下煤矸石混凝土峰后曲線迅速下降，但曲線逐漸變緩，最終趨于穩定。根據現有研究結論可知，經過高溫處理的煤矸石粗集料混凝土的抗壓強度與室溫處理后的煤矸石混凝土的抗壓強度差別不大，且高溫處理較為復雜繁瑣，因此在進行煤矸石置換普通級配碎石時可不進行高溫處理。

圖1 水灰比0.5、不同置換率下煤矸石混凝土

限于篇幅，本文僅列出當水灰比為0.5、養護齡期為28 d時，不同置換率的煤矸石混凝土抗壓強度及彈性模量試驗結果和當置換率為r=0.25、養護齡期為28 d時，不同水灰比的煤矸石混凝土抗壓強度及彈性模量試驗結果，如表2所示。

表2 煤矸石混凝土力學參數(28 d)

2.2 抗壓強度分析

圖2為煤矸石混凝土抗壓強度與水灰比、置換率的分布曲線。從圖2(a)可以看出，煤矸石混凝土抗壓強度隨水灰比逐漸減小，二者之間滿足線性函數分布規律。根據表2可知，以置換率r=0.25時為例，當水灰比為0.3時，煤矸石混凝土抗壓強度為47.06 MPa。與水灰比0.3時煤矸石混凝土抗壓強度相比，水灰比0.35、0.4、0.5時抗壓強度分別減小了8.9、13.81、23.24 MPa，減幅分別為18.91%、29.35%和49.38%。由圖2(b)可以看出，煤矸石混凝土抗壓強度隨置換率逐漸減小，二者之間滿足指數函數分布規律。根據表2可知，以水灰比0.5為例，當置換率為0時，即混凝土為普通級配碎石混凝土時，抗壓強度為25.7 MPa。與置換率為0時相比，置換率為0.25、0.5、0.75、1時抗壓強度分別減小了1.88、3.79、5.27、6.17 MPa，減幅分別為7.3%、14.75%、20.51%和24.01%。由此可以看出，水灰比和置換率均對煤矸石混凝土抗壓強度產生較明顯的影響，且水灰比對煤矸石混凝土的抗壓強度影響較為顯著。

圖2 抗壓強度與水灰比、置換率關系

2.3 彈性模量分析

圖3為煤矸石混凝土彈性模量隨水灰比、置換率分布曲線。從圖3(a)可以看出，煤矸石混凝土彈性模量隨水灰比逐漸減小，二者之間滿足線性函數分布規律。根據表2可知，以置換率r=0.25時為例，當水灰比為0.3時，煤矸石混凝土彈性模量為23.82 GPa，與水灰比0.3時煤矸石混凝土彈性模量相比，水灰比0.35、0.4、0.5時彈性模量分別減小了5.29、7.63、11.57 GPa，減幅分別為22.21%、32.03%和48.57%。由圖3(b)可以看出，煤矸石混凝土彈性模量隨置換率逐漸減小，二者之間滿足指數函數分布規律。根據表2可知，以水灰比0.5為例，當置換率為0時，彈性模量為13.67 GPa，與置換率為0時相比，置換率為0.25、0.5、0.75、1時抗壓強度分別減小了1.42、2.71、3.38、3.91 GPa，減幅分別為10.39%、19.82%、24.73%和28.60%。由此可以看出，水灰比和煤矸石置換率均對煤矸石混凝土彈性模量產生較明顯的影響，且水灰比對煤矸石混凝土的彈性影響更加顯著。

2.4 養護齡期分析

圖4為不同試驗條件下煤矸石混凝土抗壓強度隨養護齡期分布曲線，其中圖4(a)為置換率0.25時、不同水灰比下抗壓強度隨養護齡期分布曲線，圖4(b)為水灰比0.5時、不同置換率下抗壓強度隨養護齡期分布曲線。

圖3 彈性模量與水灰比、置換率關系

圖4 抗壓強度與養護齡期之間關系

可以看出，不同試驗條件下煤矸石混凝土抗壓強度隨養護齡期的變化規律基本相同，大體分為三個階段，即迅速發展階段、緩慢發展階段和平臺穩定階段。其中煤矸石混凝土抗壓強度迅速發展階段一般發生在3～14 d，緩慢發展階段為14～28 d，28 d之后煤矸石混凝土抗壓強度隨時間逐漸趨于穩定，即平臺穩定階段。對抗壓強度隨時間的變化規律進行非線性最小二乘擬合，擬合曲線如圖4所示，可見不同試驗條件下煤矸石混凝土抗壓強度均隨掩護齡期呈指數函數分布，擬合相關系數均大于0.95。

2.5 水灰比、置換率耦合作用分析

圖5為煤矸石混凝土抗壓強度和彈性模量與水灰比、置換率之間的三維擬合分布關系。

圖5 煤矸石力學參數隨置換率、水灰比三維分布規律

由圖可知，煤矸石混凝土抗壓強度和彈性模量在置換率和水灰比耦合作用下逐漸減小，抗壓強度、彈性模量與置換率、水灰比四者之間滿足曲面指數函數關系，擬合函數表達式為：

式中：z為因變量，表示煤矸石混凝土抗壓強度或彈性模量，MPa(GPa)；x為水灰比；y為置換率；z0、B、C、D為擬合參數。

3 煤矸石混凝土破壞過程分析

煤矸石粗集料混凝土試件與普通混凝土試件的破壞過程類似。加載初期，試件表面并未出現明顯裂縫，隨著荷載繼續增大，試件表面開始出現裂縫，裂縫寬度不斷增大，且由試件側面開始向四周端角處延伸，試件開始產生擴容，表面混凝土開始脫落，最終破壞。觀察煤矸石粗集料混凝土試件的破壞形態可知，產生試件破壞的主要原因是煤矸石粗集料與水泥膠凝材料之間粘結面的破壞，少部分試件破壞為煤矸石粗集料自身的破斷，其原因可能是篩選粗集料時漏選了較大粒徑針片狀煤矸石，致使破裂面在煤矸石粗集料處形成貫穿裂縫。

4 煤矸石混凝土強度主要影響因素

(1)煤矸石混凝土抗壓強度和彈性模量均隨水灰比呈線性遞減分布規律，隨置換率呈指數函數遞減分布規律。同一置換率(0.25)下，水灰比從0.3增至0.5時，抗壓強度減小了49.38%，彈性模量減小了48.57%；同一水灰比(0.5)下，置換率從0增至1時，抗壓強度減小了24.1%，彈性模量減小了24.01%，表明水灰比對煤矸石抗壓強度影響較大。

(2)煤矸石混凝土抗壓強度隨養護齡期變化大體分為三個階段，即迅速發展階段、緩慢發展階段和平臺穩定階段。其中，迅速發展階段一般發生在3～14 d，緩慢發展階段為14～28 d，28 d之后煤矸石混凝土抗壓強度隨時間逐漸趨于穩定，與普通級配碎石混凝土變化規律基本相同。

(3)煤矸石混凝土產生破壞的主要原因是煤矸石粗集料與水泥膠凝材料之間粘結面的破壞，少部分由于篩選粗集料時漏選了較大粒徑針片狀煤矸石致使煤矸石粗集料自身的斷裂，最終導致混凝土失穩破壞。

5 結論

通過對煤矸石混凝土抗壓強度試驗研究表明，煤矸石粗集料混凝土可以大范圍應用在道路基層混凝土施工中，既解決了大量煤矸石放置污染土地的問題，又節約了工程中大量使用的碎石量；既有利于環保，又創造了巨大的經濟效益。