自燃煤矸石粗骨料特性及其對混凝土性能的影響

李少偉， 周 梅， 張莉敏，3

(1.遼寧工程技術大學 土木工程學院， 遼寧 阜新 123000； .福建省建筑科學研究院有限責任公司 福建省綠色建筑技術重點實驗室， 福建 福州 350108； 3.四川云能水利電力工程咨詢有限公司， 四川 成都 610000)

中國年生產混凝土2230億m3，每年消耗大量天然骨料，部分地區甚至出現砂石枯竭，對經濟和環境造成極大威脅和破壞．2018年1季度南京市的碎石、混凝土等建筑材料價格同比上漲80%；受環保整治停產影響，2018年4月西安市在短短2周內的砂石價格已經翻了近2倍，石子價格高達 150元/t．2018年6月，珠三角地區砂石供應緊缺，砂石價格突破290元/m3，使預拌C30混凝土的價格高達700元/m3．因此，研發一種混凝土骨料替代品的工作迫在眉睫．在中國全面推進生態文明建設、大力發展循環經濟的大背景下，大宗工業固體廢棄物綜合利用迎來了重要發展機遇．煤炭開采產生的大量煤矸石，是在成煤過程中與煤層伴生的一種含碳量較低、比煤堅硬的巖石，是排放量最大、利用率最低的7種大宗工業固廢之一．堆積量逐年增加的煤矸石，不僅占用大量寶貴的土地資源，而且嚴重污染了環境，成為中國當前急待解決的重要問題之一．中國開展煤矸石利用研究始于20世紀50年代中期，主要應用在路基和煤矸石制磚等方面，利用率較低．但中國有10%左右的過火煤矸石，其自燃后輕質、高強，性能穩定，而且質量好、儲量大、易開采、價格低廉，只需經過簡單的破碎篩分即可直接制得輕骨料或次輕級骨料，部分或全部取代天然骨料配制混凝土，是混凝土傳統天然骨料很好的替代產品．煤矸石骨料混凝土新技術不僅可以緩解現階段天然砂石的短缺問題，還可以實現煤矸石固廢的循環資源化利用，節約資源，保護環境，促進建筑業的可持續發展和節能減排的實施，被看作是發展綠色混凝土的重要措施之一[1-5]．

國內關于自燃煤矸石粗骨料及其混凝土性能的研究已取得一些研究成果[5-7]，但尚未制定出相應的標準或規程，加之自燃煤矸石粗骨料本身的隨機性和變異性，故仍需對其基本特性及其對混凝土性能的影響進行系統研究．

1 自燃煤矸石粗骨料的基本性能

按照JGJ 52—2006《普通混凝土用砂、石質量及檢驗方法標準》，測試了自燃煤矸石粗骨料(SGCA)和天然粗骨料(NCA)的堆積密度、表觀密度、吸水率(本文涉及的吸水率、含量、水灰比等除特別指明外均為質量分數或質量比)、針片狀顆粒含量、壓碎指標和堅固性等指標．

1.1 級配

自燃煤矸石粗骨料采用遼寧阜新清河門礦自燃煤矸石，經過破碎、篩分、分級和級配，得到粒徑為 5～ 20mm的連續級配粗骨料．天然粗骨料采用當地石灰巖5～20mm碎石．粗骨料級配組成見表1．

表1 粗骨料的級配組成、堆積密度和表觀密度

1.2 堆積密度與表觀密度

粗骨料的堆積密度和表觀密度試驗結果也列于表1．與天然碎石相比，自燃煤矸石粗骨料的堆積密度和表觀密度分別降低了26.9%和7.7%．主要原因是煤矸石自燃后的孔隙率增大，且破碎過程中的機械作用又使其內部微裂縫增多．

1.3 吸水率

通過骨料吸水性試驗發現，自燃煤矸石粗骨料的吸水率明顯高于天然碎石．主要原因是自燃煤矸石粗骨料孔隙率大、微裂縫多，在短時間內即可吸水飽和，1h即可達到其飽和程度的85%左右，1d可達其飽和程度的95%以上．另外，為了解粗骨料最大粒徑與其吸水率的關系，分別測試了5～10mm、10～20mm和20～25mm粒徑粗骨料的3d吸水率，以及5～25mm粒徑粗骨料的10min、30min、 1h、1d和3d吸水率，結果見表2．由表2可見，自燃煤矸石粗骨料的吸水率隨粒徑的減小而增加．這是因為自燃煤矸石粗骨料粒徑愈小，其比表面積越大，骨料與水接觸的面積越大，破碎造成的微裂縫越多，從而使其吸水率越大．吸水率大對骨料的含水率和混凝土拌和物工作性影響較大，因此，在使用前應對自燃煤矸石粗骨料進行實時檢測，按照當時含水量調整附加水用量，以滿足現場的施工要求．

表2 粗骨料的吸水率

1.4 壓碎指標

NCA和SGCA的壓碎值分別為4.5%和25.2%．自燃煤矸石粗骨料壓碎值大于天然碎石，表明自燃煤矸石粗骨料自身強度較低．這是因為自燃煤矸石粗骨料微裂縫多、孔隙率大，結構疏松，還有材質自身特性使其在破碎過程中具有較高的針片狀顆粒含量．因此，應限制自燃煤矸石粗骨料在強度要求較高的混凝土中使用．

1.5 針片狀顆粒含量

NCA和SGCA的針片狀顆粒含量分別為11.4%和14.4%，表明自燃煤矸石粗骨料的粒形較天然碎石差．主要原因是煤矸石在煤層中形成的片狀塊體較多，破碎時易形成針片狀．由于針片狀骨料對混凝土的工作性和強度均會產生不利影響，故實際應用時應注意控制其含量．

1.6 堅固性

NCA和SGCA的堅固性試驗結果(質量損失率)分別為1.3%和8.3%，表明自燃煤矸石粗骨料的堅固性遠低于天然碎石，耐久性稍差．因此，工程使用時需特別注意其耐久性問題．

1.7 微觀形貌

通過壓汞和掃描電鏡(SEM)試驗，表征分析了自燃煤矸石粗骨料和天然碎石的孔徑分布及微觀形貌，見圖1和圖2．可以發現二者孔隙尺寸和微觀組織結構均有明顯不同，自燃煤矸石粗骨料存在大量毛細孔隙．

圖1 天然碎石與自燃煤矸石的孔徑分布Fig.1 Pore size distribution of NCA and SGCA

圖2 天然碎石與自燃煤矸石的SEM照片Fig.2 SEM photos of NCA and SGCA(3000×)

綜合上述試驗結果可知，自燃煤矸石粗骨料的基本性能與天然石灰巖碎石相比存在較大差別，但仍能滿足JGJ 52—2006《普通混凝土用碎石或卵石質量標準及檢驗方法》中對粗骨料的基本要求．因此，從對骨料技術參數要求的角度來講，自燃煤矸石粗骨料用于配制C40強度等級以下的混凝土是可行的．

2 自燃煤矸石粗骨料混凝土(SGC)基本性能試驗

2.1 其他試驗原材料

膠凝材料采用阜鷹牌32.5R普通硅酸鹽水泥、Ⅰ級粉煤灰和S95礦粉；細骨料為河砂，細度模數3.07，級配合格；拌和水和附加水均為普通自來水；外加劑WRA采用聚羧酸高效減水劑，摻量1.5%，減水率20%～30%．

2.2 配合比設計

為探討自燃煤矸石粗骨料取代率φ(自燃煤矸石粗骨料占全部粗骨料的體積分數)對混凝土性能的影響，以25%為間隔，設計了φ=0%(基準組NC)、25%、50%、75%和100%，水灰比mW/mC均為0.46的5組配合比試件．考慮自燃煤矸石粗骨料吸水特性，提前對其進行預濕處理[8]，即根據實測的有效吸水率，以吸水率的80%計算出預濕自燃煤矸石粗骨料的附加用水量，并提前1h摻入以便均勻吸收．具體配合比見表3．

表3 混凝土配合比

Note：The values in the brackets are additional water.

2.3 試件制備與試驗

試件制作與養護在遼寧工程技術大學土木工程實驗中心進行．混凝土采用機器強制攪拌，投料順序為：粗細骨料攪拌均勻后加入膠凝材料→繼續攪拌均勻后加入摻有外加劑的拌和水→再攪拌3～5min→進行拌和物稠度試驗并成型試件→24h拆模后標準養護至規定齡期(7、28、56d)→按照GB/T 50081—2002《普通混凝土力學性能試驗方法標準》，進行尺寸為100mm×100mm×100mm的立方體試件、尺寸為100mm×100mm×300mm的棱柱體試件的力學性能試驗．

3 試驗結果與分析

3.1 拌和物和易性

自燃煤矸石粗骨料混凝土的稠度試驗結果見圖3和表4．由表4可見，通過附加水和配合比設計的調整，即通過自燃煤矸石粗骨料提前加入附加水預濕，可減少拌和物坍落度和擴展度的經時損失，其中φ=25%的自燃煤矸石粗骨料混凝土拌和物SGC-25的和易性與普通混凝土拌和物NC相近．但隨著取代率遞增，自燃煤矸石粗骨料的吸水量增大，加上骨料表面積的增大，使實際拌和用水減少，故拌和物坍落度變小，如圖3所示．因此，在改善自燃煤矸石粗骨料混凝土和易性的同時，還應注意自燃煤矸石粗骨料取代率的影響．

圖3 自燃煤矸石粗骨料混凝土的坍落度試驗Fig.3 Slump test of SGC

表4 混凝土拌和物和易性

3.2 混凝土表觀密度

參照標準ASTM C642-90《Test method for specific gravity, absorption and voids in hardened concrete》，對混凝土的表觀密度進行檢測．自燃煤矸石粗骨料混凝土的表觀密度較普通混凝土低，且隨取代率遞增，其表觀密度遞減．當取代率為100%時，自燃煤矸石粗骨料混凝土的表觀密度約為普通混凝土的94%．骨料等體積取代使得混凝土表觀密度下降，說明自燃煤矸石粗骨料具有輕質的優勢．

3.3 試件破壞形態

由于混凝土是多相復合材料，自燃煤矸石粗骨料混凝土試件的受力破壞過程及其形態與普通混凝土試件相似，都經歷了彈塑性、裂縫產生、裂縫發展和破碎4個階段．除了試件抗壓破壞符合環箍效應外，在試件接近劈拉破壞前，首先在其中部出現豎向裂縫，最后延伸至夾具兩端并斷裂破壞．從破壞斷面來看，試件NC中的骨料相對完整，僅有少部分粗骨料沿破壞面發生斷裂，破壞面凸凹不平，基本上是骨料和水泥砂漿膠結界面的斷裂；在試件SGC中發現了大部分粗骨料斷裂的現象，破壞面穿過粗骨料且較為平整，隨著取代率和養護齡期的增加，試件破壞斷面的平整形態越發明顯，如圖4所示．

圖4 不同取代率下混凝土的劈裂破壞斷面形貌Fig.4 Section view of concretes in different replacement rates of SGCA

圖5是不同養護齡期和取代率下自燃煤矸石粗骨料混凝土的軸壓破壞特征．由圖5可見：(1)在加載接近峰值應力時，沿棱柱體試件對角線外表面上分布著稀疏、短小的豎向裂縫；達到峰值應力時，裂縫持續變大、變長，最終形成貫穿試件內部的斜向裂縫． (2)試 件NC的軸壓破壞具有斜截面剪切破壞特征，而試件SGC的軸壓破壞呈現明顯的縱向劈裂破壞特征，且隨著取代率和養護齡期的增加，縱向劈裂破壞趨勢越發明顯．原因是存在初始微裂縫的自燃煤矸石粗骨料使混凝土中的缺陷分布相對均勻，破壞裂縫出現頻率升高，破壞斷裂面較多，骨料利用相對充分．

圖5 不同養護齡期和取代率下混凝土的軸壓破壞形貌Fig.5 Concrete failure appearance in different curing ages and replacement rates of SGCA

3.4 應力-應變曲線

混凝土應力-應變曲線的上升段不僅反映了試件在破壞前的彈塑性性能，還在一定程度上反映了試件的吸能儲能能力．通過應變片和壓力傳感器對混凝土軸心抗壓試驗的應力與應變進行同步采集，經計算繪制出其應力-應變(σ-ε)曲線的上升段，如圖6所示．由圖6可見：不同養護齡期下混凝土應 力- 應變曲線的上升段位置有所區別，養護齡期越長其位置越高，說明混凝土的峰值應力和強度隨齡期增長而增大；隨著取代率的增加，混凝土應力-應變曲線上升段的斜率減小，表明混凝土彈性模量隨取代率的增加而降低；養護齡期越長，各條應力-應變曲線之間越分散，說明骨料對混凝土彈性模量的影響隨齡期增長而越發顯著．

圖6 不同養護齡期和取代率下混凝土的應力-應變曲線Fig.6 Stress-strain curves of concrete in different curing ages and replacement rates of SGCA

圖7、8分別為取代率和養護齡期對混凝土彈性模量E、峰值應變εmax的影響．從骨料特性可知，自燃煤矸石粗骨料的孔隙率較大，微裂縫較多，彈性模量較低，故用其配制的混凝土彈性模量較低，并隨著取代率的增加而不斷降低，如試件SGC-100的彈性模量只有試件NC的67%左右(見圖7)．養護齡期對混凝土彈性模量的影響較小，這是因為骨料對約束混凝土應變起主導作用，骨料越疏松、取代率越大，對混凝土變形影響越顯著．

由圖8可知：隨著取代率的增加，自燃煤矸石粗骨料混凝土的峰值應變逐漸增加，表明其塑性有所改善；另外，養護齡期對混凝土峰值應變的影響較小．一定取代率的自燃煤矸石以及養護齡期較長的混凝土應力-應變曲線與橫坐標所圍面積較大，表明自燃煤矸石粗骨料和養護齡期對混凝土吸能儲能的能力有提升作用．

圖7 取代率和養護齡期對混凝土彈性模量影響Fig.7 Effect of replacement rate of SGCA and curing age on elastic modulus of concretes

圖8 取代率和養護齡期對混凝土峰值應變影響Fig.8 Effect of replacement rate of SGCA and curing age on peak-strain of concretes

3.5 混凝土強度

自燃煤矸石粗骨料混凝土7、28、56d抗壓強度和劈拉強度試驗結果見圖9．由圖9可知：(1)自燃煤矸石粗骨料混凝土的7、28d立方體抗壓強度與普通混凝土差別不大，說明用自燃煤矸石粗骨料部分或全部取代天然碎石來配制C40以下混凝土可行；隨著齡期的增長，取代率越高的混凝土其立方體抗壓強度增長速率越低，說明用自燃煤矸石粗骨料所制備的混凝土強度有限．這是由混凝土中起骨架作用的自燃煤矸石粗骨料自身強度低造成的．(2)當取代率較低(≤50%)時，自燃煤矸石粗骨料混凝土的7、28d軸心抗壓強度略高于普通混凝土，但之后軸心抗壓強度的降低程度隨取代率的增加而增加．這主要是由于自燃煤矸石粗骨料的吸水保濕性較強，拌和時因吸水而能在混凝土養護過程中對其形成內養護作用[6-7]，從而使混凝土內部膠結界面強度增高．當取代率較小時，自燃煤矸石粗骨料的內養護作用顯著，使得混凝土軸心抗壓強度有所上升；但當取代率大于50%后，由于其自身強度低，自燃煤矸石粗骨料對混凝土內養護作用減小，最終導致混凝土的軸心抗壓強度下降．(3)自燃煤矸石粗骨料混凝土的劈拉強度受養護齡期影響較小，隨著取代率的遞增，混凝土劈拉強度在取代率為50%時達到最高值，然后基本呈下降趨勢，這可能與試件SGC-50的骨料級配程度較高有關．

圖9 自燃煤矸石粗骨料混凝土的各項強度Fig.9 Different strengths of SGC

圖10為采用掃描電鏡觀測到的試件NC、SGC-25、SGC-100中骨料與水泥膠砂CM的界面過渡區(ITZ)微觀形貌．

圖10 混凝土中的ITZ微觀形貌Fig.10 Microscope of interfacial transition zone in concretes

界面過渡區是混凝土三相復合物中相對薄弱的細觀組分，對混凝土的宏觀力學性能有著顯著影響．由圖10(a)、(b)可以看出：自燃煤矸石粗骨料的界面過渡區與天然骨料不同，水泥膠砂CM通過骨料表面的孔隙滲入其中，并緊密包裹表面粗糙多孔的骨料，使其界面過渡區厚度較小，結構更為密實，且界面黏結力和膠結強度更高；天然骨料的界面過渡區雖然較為密實，但過渡區厚度和水灰比相對較大，導致其膠結強度較低.另一方面，大取代率自燃煤矸石粗骨料混凝土(試件SGC-100)的吸水量顯著增大，雖水灰比較小，但界面因水泥膠砂相對干稠而不密實，產生微裂縫，導致其強度降低，如圖10(c)所示．

綜上分析，自燃煤矸石粗骨料用于制備混凝土是可行的，并在一定條件下具有特定優勢．

4 結論

(1)自燃煤矸石粗骨料的堆積密度、表觀密度和堅固性低于天然粗骨料，而吸水率、針片狀顆粒含量和壓碎指標高于天然粗骨料，但仍能滿足《普通混凝土用碎石或卵石質量標準及檢驗方法》中對粗骨料的基本要求，自燃煤矸石粗骨料用于配制C40強度等級以下的混凝土是可行的．

(2)自燃煤矸石粗骨料取代率越大，混凝土拌和物的坍落度、混凝土的表觀密度和彈性模量降低越多，而塑性越高．當自燃煤矸石粗骨料取代率為100%時，混凝土的表觀密度約為普通混凝土的94%，而彈性模量約為67%．

(3)將自燃煤矸石用作粗骨料所制備的混凝土強度有限，但對C40以下混凝土的強度影響較小．當自燃煤矸石粗骨料取代率較低(φ<50%)時，內養護作用顯著而使ITZ更為密實，抗壓強度略有上升；隨著自燃煤矸石粗骨料取代率和養護齡期增長，試件破壞形式由斜面剪切破壞向縱向劈裂破壞發展，骨料利用較為充分．自燃煤矸石粗骨料用于制備混凝土具有一定優勢．