煤矸石混凝土受壓性能研究

李 建，馬騰飛*，岑祖妹，高利軍，高 亮

（1.六盤水師范學(xué)院，貴州六盤水 553000；2.陜煤集團(tuán)神木檸條塔礦業(yè)有限公司，陜西神木 719300）

煤矸石是煤礦生產(chǎn)中的非煤產(chǎn)物，目前我國煤矸石存量約為80 億t，大量的煤矸石堆積不僅占用耕地面積，而且會對周圍環(huán)境造成危害[1]。

當(dāng)前土建用砂石資源緊張，如能夠?qū)⑻幚砗蟮拿喉肥糜诠こ探Y(jié)構(gòu)中，不僅能消納大量的廢棄煤矸石，減少煤矸石對環(huán)境的污染；同時也拓寬了工程用混凝土的砂石來源途徑，減小了開山挖石、破壞環(huán)境的危害。

1 試驗

1.1 試驗原料與配合比設(shè)計

1.1.1 試驗原料

1）水泥。本試驗采用的水泥為六盤水地區(qū)生產(chǎn)的烏蒙山水泥。該水泥為PO.42.5 普通硅酸鹽水泥，其28 d 抗壓強度為42.9 MPa。

2）礦物摻合料。礦物摻合料是指在制備混凝土?xí)r，加入后可以改善混凝土性能的一種礦物材料，本次試驗中所備制的混凝土試件均未添加礦物摻合料。

3）煤矸石。本次試驗所用的煤矸石均由六盤水市虹橋新區(qū)某洗煤廠生產(chǎn)。將煤矸石作為混凝土粗骨料的取代物。煤矸石的化學(xué)成分見表1。

表1 煤矸石的化學(xué)成分%

4）水。本試驗所用水為六盤水居民用自來水。

1.1.2 配合比的設(shè)計

依據(jù)段曉牧[2]、陳煒林[3]、馮飛勝[4]和王志龍[5]等研究設(shè)計試驗，此外煤矸石混凝土的配合比計算根據(jù)JGJ 55—2011《普通混凝土配合比設(shè)計規(guī)程》[6]進(jìn)行設(shè)計計算，使用煤矸石和天然碎石作為煤矸石的粗骨料，設(shè)計混凝土強度等級為C20、C30、C40 三個等級。采用煤矸石粗骨料替代混凝土中天然石料的0%、30%、50%、70%、100%制備煤矸石混凝土。澆筑制備煤矸石混凝土試件，對煤矸石混凝土的抗壓強度進(jìn)行試驗研究，煤矸石混凝土的配合比見表2。

表2 煤矸石混凝土的配合比kg

1.2 試件設(shè)計和試驗步驟

1.2.1 煤矸石混凝土試件的設(shè)計

本次試驗設(shè)計澆筑的煤矸石混凝土試件的規(guī)格為100 mm×100 mm×100 mm 共計90 個，根據(jù)表2 所設(shè)計的混凝土配合比來澆筑本次試驗所用的試件。

按計算的比例準(zhǔn)備原料，將原料倒入攪拌機(jī)中進(jìn)行拌合，將充分?jǐn)嚢韬蟮脑系谷肽＞撸谱髅喉肥炷猎嚰０衙喉肥炷猎嚰湃霕?biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室中進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)室的溫度保持在20 ℃，相對濕度保持在95%以上。

1.2.2 煤矸石混凝土試件的抗壓試驗

煤矸石混凝土抗壓試驗，所用加載儀器為DYE-2000 型電液式壓力試驗機(jī)，試驗應(yīng)該符合GB/T 50081—2019《混凝土物理力學(xué)性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》[7]中的規(guī)定要求。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 煤矸石的摻加量對混凝土抗壓強度的影響

試驗將煤矸石根據(jù)0%、30%、50%、70%、100%的替代率來替代混凝土中的碎石骨料來制備煤矸石混凝土，通過試驗研究分析煤矸石的替代率對混凝土強度的影響，混凝土抗壓強度的計算要精確至0.1 MPa。不同煤矸石替代率下混凝土抗壓強度見表3。

表3 煤矸石混凝土28 d 測試強度MPa

根據(jù)表3 中的數(shù)據(jù)繪制C20、C30、C40 煤矸石混凝土的抗壓強度點線圖如圖1—圖3 所示。

圖1 C20 混凝土抗壓強度點線圖

根據(jù)圖1 分析得出，在C20 煤矸石混凝土中，當(dāng)煤矸石的替代率為30%時，此時煤矸石混凝土的抗壓強度最高，較未摻加煤矸石時的抗壓強度提高5%。煤矸石的替代率在30%~70%時，煤矸石混凝土的抗壓強度較煤矸石替代率為30%時的強度低，但都高于未摻加煤矸石時。煤矸石的替代率高于70%，煤矸石混凝土的抗壓強度就會低于未摻加煤矸石時的混凝土抗壓強度。

根據(jù)圖2 分析可得出，C30 煤矸石混凝土中只要摻加煤矸石后都會使混凝土的抗壓強度降低，當(dāng)摻加煤矸石的替代率大于50%后，煤矸石混凝土的抗壓強度會大幅度降低，且降低幅度約為10%。

圖2 C30 混凝土抗壓強度點線圖

根據(jù)圖3 分析可得出，將煤矸石摻加到混凝土中后，會使煤矸石混凝土的抗壓強度降低，當(dāng)煤矸石的替代率為30%時，混凝土的抗壓強度下降約為3%。當(dāng)煤矸石的替代率為30%~70%時，煤矸石混凝土的抗壓強度會發(fā)生一個較小上下波動。煤矸石的替代率超過70%時，會使混凝土的抗壓強度約下降15%。

圖3 C40 混凝土抗壓強度點線圖

為了可以更加直觀分析出煤矸石的摻加量對混凝土抗壓強度的影響，依據(jù)表3 中數(shù)據(jù)繪制成相應(yīng)的點線圖（圖4）。

圖4 煤矸石摻量與混凝土抗壓強度的折線圖

根據(jù)表3 和圖4 進(jìn)行分析可知，因為C20 混凝土等級強度較低，所以混凝土對所組成的原料的性能要求較低，當(dāng)將煤矸石替代混凝土中的碎石骨料后，混凝土的強度并不會受到較大的影響，且所制備的混凝土的性能也滿足國家規(guī)范要求，所以當(dāng)混凝土的強度等級為C20 時，在混凝土中摻入煤矸石后不會影響到混凝土的抗壓強度。C20 混凝土中富含大量的水泥凈漿，在振蕩時可以填充混凝土中集料所產(chǎn)生的空隙，使得煤矸石在混凝土中變得更加的密集，提高堅固性。在混凝土進(jìn)行養(yǎng)護(hù)硬化的過程，煤矸石由于吸水率較高而吸收的水分就會不斷地慢慢釋放出來，使得混凝土的內(nèi)部有較好的濕潤環(huán)境，為混凝土中膠凝材料水化提供水分，使水化反應(yīng)不斷地進(jìn)行，從而使混凝土的強度不斷地增加。對于C30 混凝土，當(dāng)用煤矸石替代混凝土中碎石骨料的替代率小于50%時，混凝土的強度雖然會有所降低，但是所降低的幅度不大。但是當(dāng)煤矸石的替代率大于50%時，混凝土的強度會發(fā)生大幅度的降低，因為此時混凝土中一半的骨料為煤矸石，而煤矸石自身的強度與天然碎石強度相比較低，所以導(dǎo)致了混凝土中骨料的強度與膠凝材料的強度不協(xié)調(diào)，當(dāng)對混凝土進(jìn)行施壓時，混凝土中水泥漿與骨料相連接部分還未發(fā)生破壞時，混凝土中煤矸石就已經(jīng)發(fā)生破壞，從而導(dǎo)致混凝土試件發(fā)生破壞。故當(dāng)使用煤矸石作為粗骨料來生產(chǎn)煤矸石混凝土?xí)r，應(yīng)注意所生產(chǎn)的混凝土強度等級。當(dāng)混凝土的強度等級高于C30 時，摻加的煤矸石的替代率應(yīng)控制在50%以下，混凝土強度等級低于C30 時，則不需考慮煤矸石的替代率；對于C40 混凝土，當(dāng)煤矸石的替代率為100%時，煤矸石混凝土的抗壓強度會發(fā)生大幅度的降低，且降低的幅度約為10%。

2.2 煤矸石摻量對混凝土抗壓破壞形態(tài)的分析

2.2.1 不同摻量的煤矸石對C20 混凝土抗壓形態(tài)的影響

對圖5 所示的試件裂紋進(jìn)行分析，在混凝土中摻加煤矸石后，會使混凝土試件的抗壓破壞形態(tài)發(fā)生改變；混凝土中還未摻加煤矸石前，混凝土試件經(jīng)過抗壓破壞所出現(xiàn)的裂紋主要為規(guī)整的縱向裂紋，且此時試件較為完整（圖5（a））。煤矸石混凝土中煤矸石的替代率為30%時，煤矸石混凝土試件經(jīng)過抗壓破壞后所出現(xiàn)的裂紋為縱向與橫向相交錯，煤矸石混凝土試件表面也較為完整（圖5（b））。煤矸石混凝土中煤矸石的替代率為50%時，試件經(jīng)過抗壓破壞后所產(chǎn)生的裂紋為縱向裂紋與橫向裂紋，且此時試件內(nèi)部的煤矸石骨料開始破壞，使試件的表面因受到煤矸石破壞而產(chǎn)生剝落（圖5（c））。煤矸石混凝土中煤矸石的替代率為70%時，凝土試件經(jīng)過抗壓破壞所出現(xiàn)的裂紋主要為規(guī)整的橫向裂紋，且此時試件的表面發(fā)生大面積的剝落（圖5（d））。煤矸石混凝土中煤矸石的替代率為100%時，試件表面發(fā)生大面積的骨料剝落，且不能較好地觀察出試件的裂紋（圖5（e））。

圖5 煤矸石混凝土抗壓破壞形態(tài)

2.2.2 煤矸石替代率為50%時，C20、C30、C40 混凝土抗壓形態(tài)分析

對圖6 的試件抗壓裂紋進(jìn)行分析，當(dāng)煤矸石的替代率為50%時，C20 煤矸石混凝土試件經(jīng)過抗壓破壞后所產(chǎn)生的裂紋為縱向裂紋為主、少許橫向裂紋，且此時試件內(nèi)部的煤矸石骨料開始破壞，使試件的表面因受到煤矸石破壞造成的擠壓而產(chǎn)生剝落（圖6（a））。C30 煤矸石混凝土試件經(jīng)過抗壓破壞后產(chǎn)生的裂紋為縱向裂紋，且試件的邊角線上出現(xiàn)骨料剝落（圖6（b））。C40 煤矸石混凝土試件經(jīng)過抗壓破壞后，所出現(xiàn)的裂紋主要為彎曲的縱向裂紋，且此時試件較為完整（圖6（c））。

圖6 C20、C30、C40 煤矸石混凝土抗壓破壞形態(tài)

3 結(jié)論

1）煤矸石的替代對C20 混凝土的抗壓強度的影響較小，故可以使用煤矸石來生產(chǎn)C20 混凝土。

2）對于C30 和C40 混凝土，當(dāng)煤矸石的替代率小于50%時，煤矸石混凝土的抗壓強度會有所降低，但是降低的降幅并不大，但當(dāng)煤矸石的替代率大于50%后，混凝土的抗壓強度就會發(fā)生大幅度的下降，甚至于可能會低于設(shè)計的等級強度。因此，在摻加煤矸石時，煤矸石的替代率最好為30%且不能超過50%。

3）分析煤矸石摻量對混凝土抗壓破壞形態(tài)的影響發(fā)現(xiàn)，隨著煤矸石摻量的增加，混凝土表面由較為完整逐漸變得較為破碎，因此煤矸石替代骨料時，不宜摻雜過多。