自燃煤矸石集料混凝土力學性能的研究進展★

佘宇豪，陳思宇，錢國敏，張奇恩,石夢晗

(1.遼寧工程技術大學土木工程學院，遼寧 阜新 123000; 2.西安外事學院人文藝術學院,陜西 西安 710000)

0 引言

我國是以煤炭為主要能源的發展中國家，隨著多年的煤炭開采，煤矸石累計堆存量高達70億t，不但占用大量占地，而且在自燃進程中釋放出有毒氣體，礦區的自然環境污染情況較為嚴重。煤矸石堆放一段時間后，有一部分會發生自行燃燒，燃燒過后的煤矸石稱為自燃煤矸石。之所以將自燃煤矸石作為混凝土的粗、細集料，是因為自燃煤矸石有質量好、儲量大、易開采、價格低廉等特點，能夠有針對性地推動自燃煤矸石固體廢棄物資源化利用,既可減少煤矸石堆積引起的次生環境問題和過度開采的問題，又可使制備的自燃煤矸石混凝土具有綠色混凝土“健康、環保、安全”的屬性[1]且緩解了當地石材資源匱乏。本文綜述了近年來自燃煤矸石集料混凝土力學性能的相關研究進展，系統分析了自燃煤矸石取代率、附加單位用水量、預濕時間、礦物摻合料等因素對自燃煤矸石集料混凝土力學性能的具體影響，推動自燃煤矸石集料混凝土在我國合理應用和自燃煤矸石集料混凝土結構設計、評估具有重要影響。

1 自燃煤矸石集料混凝土力學性能

1.1 自燃煤矸石集料混凝土強度

強度是硬化混凝土最重要的技術性質，混凝土的強度與其他各項性能有著密切相關聯系。混凝土強度在工程施工中也是控制和評定混凝土質量的主要指標。由于自燃煤矸石集料的特性使自燃煤矸石集料混凝土在立方體抗壓、劈裂抗拉、抗剪和抗折強度等力學性能方面與天然集料混凝土存在明顯差異[2]，所以自燃煤矸石對混凝土強度的影響是研究學者重點關注的方面。

1.1.1 立方體抗壓強度

立方體抗壓強度是衡量混凝土強度最基本的指標之一，是衡量自燃煤矸石集料混凝土是否可作為結構材料的標準之一。若自燃煤矸石集料混凝土的抗壓強度不符合規范，則不滿足安全和經濟要求。

李少偉[3]、馮喜俊[4]、楊尚諭等[5]對自燃煤矸石混凝土各強度等級研究發現，如圖1自燃煤矸石粗集料取代率低于45%時，立方體抗壓強度較天然混凝土下降幅值不大，可以制備符合C40以下的混凝土。

周梅等通過對C30強度自燃煤矸石砂混凝土展開研究，發現自燃煤矸石細集料取代率為100%時，其立方體抗壓強度比基準組值下降了9.70%[6]。為研究自燃煤矸石集料混凝土受高溫后對性能的影響，周梅團隊制備172塊自燃煤矸砂混凝土(自燃煤矸石細集料取代率為100%的混凝土)、自燃煤矸石砂輕混凝土和自燃煤矸石全輕混凝土的立方體試件，通過常溫和高溫試驗，研究結果表明自燃煤矸石集料混凝土的立方體抗壓強度表現出色，且采用二次多項式和分段式的方法，建立了自燃煤矸石集料混凝土的剩余抗壓強度與最高受火溫度、質量燒失率評估關系式，為預測其剩余抗壓強度提供了可靠的新方法[7]。

浦倍超[8]利用正交設計實驗，研究了摻合料對自燃煤矸石砂輕混凝土強度的影響，結果表明，當粉煤灰摻量大于15%，硅灰摻量大于2.5%，抗壓強度與其呈正相關；由于粉煤灰自身的火山灰效應不高，導致混凝土早期強度發展緩慢，同時，單摻粉煤灰的煤矸石全輕混凝土早期抗壓強度降低較大，但其后期強度大于普通混凝土抗壓強度[9]。硅灰的活性很高且它具有極其細微的顆粒，有效填充了骨料孔隙，降低孔隙率，對混凝土早期與后期強度有顯著影響；因此復摻粉煤灰、硅灰的協同作用對砂輕混凝土早期強度作用影響較小，但對后期強度具有積極作用，其中硅灰作用最大，粉煤灰作用次之。

周梅等[10]研究自燃煤矸石砂輕混凝土強度關于附加水及預濕時間的影響，試驗結果表明，其抗壓強度隨著附加水的量變大呈下降趨勢，甚至相差20%；由于自燃煤矸石粗集料由于空隙空間結構復雜，孔徑大小相差很大，自燃煤矸石砂輕混凝土抗壓強度在預濕時間3 min～6 min增長緩慢，時間延長至60 min，抗壓強度大幅度增加。王強[11]通過附加用水量、砂率、粗集料顆粒級配范圍對自燃煤矸石砂輕混凝土抗壓的影響，發現附加用水量為主要因素，砂率為次要因素，而顆粒級配范圍作用甚小，其抗壓強度與附加用水量的呈負相關；砂率為0.44時，自燃煤矸石砂輕混凝土抗壓強度達到最大值；當級配范圍為(5 mm～10 mm)∶(10 mm～15 mm)∶(15 mm～20 mm)=7∶47∶46時，試件的7 d,28 d抗壓強度最為理想；同時也指出斷裂破壞面上的粗集料基本為100%，原因可分為兩種：1)可能是自燃煤矸石砂輕混凝土強度配合比設計過高，使水泥凝結硬化后水泥石強度大于煤矸石粗集料自身的抗壓強度；2)由于粗集料制備過程中先是“顎式”破碎，后又采用人工砸碎成所要粒徑范圍，因此粗集料產生許多裂紋，使其自身強度降低。

周梅[12]、牟爽[13]、孫文彬等[14]對自燃煤矸石全輕混凝土強度進行試驗研究，試驗表明，其可配制C15～C30的不同強度等級的混凝土，其中混凝土總質量的70%～80%是由自燃煤矸石所占，可使自燃煤矸石工業廢棄物資源化。不僅廢渣被大量利用，而且施工當地石材資源匱乏問題得到緩解。

1.1.2 劈裂抗拉強度

相較于普通混凝土，單摻100%細集料、粗集料及雙摻100%粗細集料時，自燃煤矸石集料混凝土的劈拉強度分別降低了6.6%,10.8%,13.1%[15]。由于單摻100%細集料中粉體含量較多，因此在自燃煤矸石的“內養護”和表面“活性”雙重作用下，使其混凝土的長期強度有較高增長率，但其他兩種組合形式的混凝土長期強度因受到粗集料自身強度低的影響發展空間有限[16]。

吳秀峰等[17]采用均勻試驗設計了10組自燃煤矸石砂輕混凝土試件,進行劈拉強度試驗，發現混凝土斷裂面比較平整且幾乎直接穿過粗集料。研究結果表明:由于自燃煤矸石粗集料本身強度要低且碎石表面粗糙，吸水量愈多，其界面水灰比降低，水泥凝結硬化形成的水泥石與粗集料黏結強度較高，因此自燃煤矸石粗集料的抗壓強度對自燃煤矸石砂輕混凝土的抗拉強度有絕對作用。王強[18]對自燃煤矸石砂輕混凝土進行正交試驗，認為影響7 d，28 d劈拉強度的因素顯著性順序為：附加用水量>砂率>粗集料顆粒級配范圍；隨著附加水用量增加，劈拉強度逐漸減小；7 d，28 d粗集料最佳的顆粒級配范圍分別為(5 mm～10 mm)∶(10 mm～15 mm)∶(15 mm～20 mm)=7∶47∶46，(5 mm～10 mm)∶(10 mm～15 mm)∶(15 mm～20 mm)=7∶31∶62，此時劈拉強度最大。

1.1.3 抗折強度

楊尚諭研究指出自燃煤矸石粗集料取代天然集料分別為25%，50%，75%時，對混凝土抗折強度不利影響較小，降幅分別為1.63%,5.44%,6.35%，如圖2所示。但當取代率大于75%，混凝土抗折強度大幅下降。總體而言，自燃煤矸石粗集料的摻入導致混凝土內部微小缺陷增多，使得混凝土在受彎狀態下的破壞優先從自燃煤矸石粗集料開始，因此抗折強度隨取代率遞增而降低。

周梅、汪振雙等[19-20]為提高自燃煤矸石輕集料混凝土的抗折強度，其在混凝土中摻入0%～2%的鋼纖維，指出“邊壁效應”的鋼纖維百分比隨鋼纖維摻量增加而提高，對輕集料混凝土有明顯的增韌效果，改善混凝土的脆性特點，因此其對混凝土的抗折強度增幅較大，如圖3所示。自燃煤矸石由于其輕質的特點，與相同等級的混凝土相比，雖然鋼纖維摻量對抗壓強度的提高貢獻不大，但混凝土的受壓變形和破壞特征被極大改善，由明顯的脆性破壞轉變為具有一定塑性破壞特征，經過實驗表明，適量摻入化學、鋼纖維，可在一定范圍內提高自燃煤矸石集料混凝土的劈拉、抗折性能。朱凱等[21]使用聚丙烯纖維作為摻合料加入到自燃煤矸石輕集料混凝土中，研究表明，當混凝土斷裂時，纖維可吸收部分能量，阻礙裂縫的產生和發展。摻入適量纖維使混凝土28 d抗折強度明顯提高，但當摻合料大于0.8 kg/m3時，混凝土抗折強度呈現下降趨勢，產生此原因是纖維摻量密度增大降低混凝土均勻性和密實性。通過上述方法均可改善混凝土的抗折強度，制備不同構件。

2 自燃煤矸石集料彈性模量

彈性模量是混凝土的重要力學指標之一，對混凝土構件的使用性能具有十分重要的影響。段曉牧[22]通過將粗集料預濕處理后，其內部水分充滿孔隙之間，使內部微觀結構的致密性得以提高，提升集料自身的強度，同時集料在攪拌過程中不吸收水泥內部的水分，增強了自燃煤矸石混凝土的彈性模量。李少偉等認為自燃煤矸石粗集料取代率越高，其彈性模量越低，塑性越高，當取代率達到100%時，輕集料混凝土彈性模量降低了33%。周梅等[23]研究發現，當粗集料取代率為100%時，自燃煤矸石輕集料混凝土彈性模量降低幅度為19.8%～57.1%;由于自燃煤矸石集料本身的孔隙率較大，一方面有緩沖減壓作用，但自身的強度缺陷對混凝土彈性模量下降的影響不能相互抵消。目前，現有JGJ 51—2002輕骨料混凝土技術規程與GB 50010—2010混凝土結構設計規范均通過混凝土抗壓強度或表觀密度來預測自燃煤矸石集料混凝土的彈性模量，但精度較差，有待進一步優化、修正。王慶賀等提出利用兩相復合材料理論制作的煤矸石混凝土彈性模量預測模型，通過自燃煤矸石集料混凝土彈性模量的預測結果與試驗結果相比較，BNC模型對于煤矸石彈性模量的預測較為準確。劉海卿等[24]提出考慮了自燃煤矸石取代率、其混凝土表觀密度與抗壓強度三因素耦合下的彈性模量預測模型。

3 結論

我國作為世界第一產煤大國，煤炭產量達到世界產量的40%左右，使得自燃煤矸石成為了我國最大的固體廢棄物之一。從JC/T 541—94自燃煤矸石輕集料標準頒布，自燃煤矸石資源化備受關注。許多研究學者經過對自燃煤矸石集料混凝土進行大量實驗，結果表明，在一定條件下可以配制C40以下的混凝土，基本上滿足其作為結構部件的技術要求。自燃煤矸石粗集料取代率低于45%，混凝土立方體抗壓、抗拉、抗折強度較普通混凝土下降幅值不大，當取代率越高，彈性模量越低，抵抗變形破壞能力越強；細集料取代率為100%，其抗壓、劈拉強度依然滿足設計要求。同時混凝土早期強度和后期強度因復摻一定量的粉煤灰和硅灰具有積極作用；摻入適當的鋼纖維、聚丙烯纖維會明顯增強其抗折強度；BNC模型對自燃煤矸石集料混凝土彈性模量的預測和根據最高受火溫度、質量燒失率預測其剩余抗壓強度均提供了可靠依據。由于自燃煤矸石孔徑大、孔隙結構復雜和自身強度低，因此需要研究煤矸石的取代率、附加用水量、預濕時間、礦物摻合料等對自燃煤矸石集料混凝土的影響，使其更好地應用于土木工程領域。