煤矸石集料混凝土抗硫酸鹽侵蝕性能研究

白金婷 李國棟

摘 要：為了探討煤矸石作為集料配制混凝土的抗硫酸鹽侵蝕性能，采用干濕循環試驗方法，對普通混凝土、煤矸石混凝土、煤矸砂混凝土、煤矸石全集料混凝土的抗壓強度及抗壓耐蝕系數進行了研究，結果表明，在91次干濕循環硫酸鹽侵蝕后，普通混凝土與煤矸石混凝土、煤矸砂混凝土以及煤矸石全集料混凝土的抗壓強度基本呈現出下降趨勢，煤矸石混凝土、煤矸砂混凝土以及煤矸石全集料混凝土的抗壓耐蝕系數都能達到0.75以上，同時結合掃描電鏡分析了煤矸石集料混凝土的微觀情況。

關鍵詞：煤矸石;抗硫酸鹽侵蝕;抗壓耐蝕系數

煤矸石是在成煤過程中與煤層伴生的巖石，我國每年每生產1億噸煤炭，就會伴隨著1500萬—2000萬噸煤矸石的排放，根據國家統計局發布的數據，2016年原煤產量為33.64億噸，意味著會伴生有至少5億噸煤矸石的產出。大量煤矸石露天堆放，已形成2600余座煤矸石山，累積堆存量達50多億噸，占地20余萬畝，而且這個數量還在增加。煤矸石不斷地伴隨生產增加并且長期的露天堆放在地面上，占用了大量的耕地、林地，并且嚴重危害了礦區周圍的生態環境。為廢棄矸石尋找堆放用地已成為多數洗煤廠亟待解決的問題。將煤矸石變廢為寶，節能節地，增加產值，是未來煤矸石發展的必然趨勢。因此，基于煤矸石與砂石骨料的共性，進行煤矸石混凝土的研究，對于節省天然骨料資源，改善環境等都具有重大的現實意義。

史明月[1]等以四因素三水平正交試驗，對不同侵蝕環境下的煤矸石混凝土抗硫酸鹽侵蝕性能進行研究，結果表明干濕循環較長期浸泡對試件劣化更加明顯，粉煤灰和煤矸石的摻入對混凝土性能的劣化有一定的抑制作用。李永靖[2]等研究了粉煤灰摻量、干濕循環次數及水膠比對煤矸石混凝土抗硫酸鹽侵蝕性能的影響，結果表明煤矸石混凝土抗硫酸鹽侵蝕性能滿足一般建筑物的要求;郭金敏[3]等以煤矸石替代碎石、粉煤灰，礦渣替代水泥配制煤矸石混凝土，采用正交試驗法和綜合平衡法得出了煤矸石混凝土的最佳配合比，結果表明，硫酸鹽侵蝕對煤矸石混凝土強度的影響并不大。王金濤[4]等對大摻量條件下煤矸石混凝土硫酸鹽侵蝕和氯鹽侵蝕性能進行了研究，結果表明，碎石摻量與硫酸鹽侵蝕前后混凝土抗壓強度存在三次方函數關系。袁猛[5]對非自燃煤矸石混凝土在單一凍融、硫酸鹽侵蝕以及凍融和硫酸鹽侵蝕偶合條件下的破壞情況進行了研究，研究表明，損傷最嚴重的是凍融與硫酸鹽侵蝕偶合，次之是凍融，最后是硫酸鹽侵蝕。本文針對煤矸石混凝土耐久性問題，配制煤矸石混凝土g、煤矸砂混凝土s、煤矸石全集料混凝土q與普通混凝土p，研究其抗硫酸鹽侵蝕性能。

1 試驗部分

1.1 試驗材料

本試驗采用的水泥為大鷹牌42.5強度等級的普通硅酸鹽水泥;所用粉煤灰為F類一級灰;采用S95級磨細礦渣;所用砂子為河砂，級配Ⅱ區;所用石子為石灰石質5～20mm碎石，級配良好。煤矸石經破碎篩分后，得到連續級配5～20mm的碎石;煤矸砂經過人工處理后，得到Ⅱ區連續級配煤矸砂;水為普通自來水;所用化學試劑為天津市化學試劑三廠生產的無水硫酸鈉分析純。

1.2 試驗方法

參照GB/T50082-2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》，制作100mm×100mm×100mm的立方體試塊，采用干濕循環試驗方法，進行抗硫酸鹽侵蝕試驗。具體試驗過程：配制普通混凝土p、煤矸石混凝土g、煤矸砂混凝土s以及煤矸石全集料混凝土q，煤矸石與煤矸砂在拌制前均需潤濕，附加用水量為60%[6-8]。將試件養護至28d前2d取出，在（80±5）℃下烘48h，試件冷卻后，放入5%的硫酸鈉溶液中浸泡（15±0.5）h，試件風干后，開始在（80±5）℃下烘6h，如此為一個循環。在試驗過程中，循環28d、63d、91d時試件進行抗壓強度測試。抗壓強度耐腐蝕系數K按照公式（1）進行計算。

2 試驗結果分析

2.1 抗壓強度與干濕循環次數的關系

煤矸石混凝土g、煤矸砂混凝土s、煤矸石全集料混凝土q與普通混凝土p28d烘干后的抗壓強度分別為44MPa，60MPa，45MPa與57MPa。煤矸石集料混凝土與普通混凝土的強度與干濕循環次數的關系如圖1所示，由圖可以看出，隨著循環次數的增加，煤矸石集料混凝土與普通混凝土的強度基本呈遞減趨勢，普通混凝土經過91d硫酸鹽侵蝕循環后抗壓強度下降22.7%，煤矸砂混凝土強度下降7.1%，煤矸石混凝土強度下降22.0%，煤矸石全集料混凝土下降15.9%，這主要是由于硫酸鹽的侵蝕，混凝土中的氫氧化鈣和水化鋁酸鈣與硫酸鹽發生反應生成水化硫鋁酸鈣，也就是鈣礬石，其體積增大產生內應力導致混凝土強度的下降，后面的微觀分析也會對此做進一步的分析。

2.2 抗壓強度耐蝕系數與干濕循環次數關系

煤矸石集料混凝土與普通混凝土的抗壓強度耐蝕系數與干濕循環次數的關系如圖2所示，隨著循環次數的增加，抗壓耐蝕系數呈遞減趨勢，91次干濕循環硫酸鹽侵蝕之后，普通混凝土抗壓耐蝕系數為0.72，煤矸砂混凝土為0.97，煤矸石混凝土為0.77，煤矸石全集料混凝土為0.86，由此可以看出，除普通混凝土抗壓耐蝕系數下降到75%以下，煤矸石集料混凝土的抗壓耐蝕系數都在0.75以上。因此煤矸石作為粗細集料配制混凝土是能夠滿足抗硫酸鹽侵蝕性能要求的。

3 微觀分析

4 結論

（1）煤矸石混凝土、煤矸砂混凝土、煤矸石全集料混凝土經過91次干濕循環硫酸鹽侵蝕后，抗壓耐蝕系數都在0.75以上，滿足抗硫酸鹽侵蝕性能要求。

（2）對摻煤矸石與煤矸砂的混凝土進行了SEM分析，發現煤矸石與煤矸砂混凝土在經過硫酸鹽侵蝕后，會產生鈣礬石，從而導致混凝土產生微小裂縫而使強度降低。

參考文獻：

[1]史明月.煤矸石集料混凝土抗硫酸鹽侵蝕性能劣化規律試驗研究[D].遼寧工程技術大學，2017.

[2]李永靖，邢洋煤矸石混凝土抗硫酸鹽侵蝕試驗研究[J].非金屬礦，2016，39（1）：8-10.

[3]郭金敏，朱伶俐.煤矸石混凝土耐久性的正交試驗研究[J].遼寧工程技術大學學報（自然科學版），2011，30（4）：566-570.

[4]王金濤，尤培波.硫酸鹽與氯鹽環境下大摻量煤矸石混凝土性能[J].山西建筑，2015，41（2）：96-97.

[5]袁猛.非自燃煤矸石混凝土在凍融硫酸鹽侵蝕下的耐久性研究[D].中國礦業大學，2019.

[6]周梅，浦倍超，徐秒，田博宇，鐘琪.附加水及預濕時間對自燃煤矸石砂輕混凝土性能影響[J].硅酸鹽通報，2013，32（12）：2421-2426.

[7]周梅，王強，牟爽.自燃煤矸石粗集料特性對混凝土拌合物工作性影響研究[J].非金屬礦，2013，36（1）：8-11.

[8]周梅，趙華民，路其林，浦倍超.自燃煤矸石集料預處理對混凝土工作性及強度影響[J].工業建筑，2014，44（12）：113-117.