煤矸石混凝土靜態抗壓破壞機理及強度預測

摘" 要：為厘清煤矸石混凝土靜態抗壓強度變化規律和破壞機理，采用試驗研究與模型預測相結合的方式，揭示煤矸石混凝土破壞過程、破壞形態、尺寸效應及水灰比對抗壓強度的影響規律，剖析水灰比與抗壓強度之間的數理關系，利用灰色理論建立GM（1，1）模型預測煤矸石混凝土抗壓強度。結果表明：煤矸石具有大多數黏土巖的特性，即干燥時強度良好，浸水后易發生崩解；煤矸石混凝土的破壞可分為3個階段（裂縫生成階段、裂縫發展擴大階段、混凝土破壞階段）、3種形態（粗骨料破壞、黏結破壞、水泥石破壞，且以粗骨料破壞為主）；當水灰比由0.60降至0.25時，煤矸石混凝土抗壓強度提高了2.67%～18.50%，滿足C15、C20、C25、C30 4個強度等級；由于煤矸石物理性質差，混凝土界面過渡區充斥大量微裂縫與孔洞，導致煤矸石混凝土尺寸效應強于普通混凝土；GM（1，1）模型預測值與實測值基本吻合，預測模型精度等級為1級。灰色理論可以有效預測煤矸石混凝土強度增長規律，煤矸石混凝土在實際應用前可采用灰色模型預測抗壓強度。

關鍵詞：煤矸石混凝土；破壞過程；破壞機理；尺寸效應；GM（1，1）模型

中圖分類號：U 414

文獻標志碼：A

文章編號：1672-9315（2024）04-0759

-09

DOI：10.13800/j.cnki.xakjdxxb.2024.0415開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

景宏君，單俊偉，李少平，等.

煤矸石混凝土靜態抗壓破壞機理及強度預測

［J］.西安科技大學學報，2024，44（4）：759-767.

JING Hongjun，SHAN Junwei，LI Shaoping，et al.

Static compressive failure mechanism and strength

prediction of coal gangue concrete

［J］.Journal of Xi’an University of Science and Technology，2024，44（4）：759-767.

收稿日期：2024-02-08

基金項目：

陜西省交通廳科技項目（21-21K，21-79B）；陜西省公路局科技項目（G21-04K）；榆林市科技局項目（CXY-2022-157）；陜西省博士后科研項目（2023BSHEDZZ310）

通信作者：

景宏君，男，陜西吳堡人，博士，教授，E-mail：jinghongjun@xust.edu.cn

Static compressive failure mechanism and strength

prediction of coal gangue concrete

JING Hongjun1，2，SHAN Junwei1，2，LI Shaoping3，GUO Meirong1，2，

CHEN Shaojie1，GAO Meng1，2

（1.College of Architecture and Civil Engineering，Xi’an University of Science and Technology，Xi’an 710054，China;

2.Road Engineering Research Center，Xi’an University of Science and Technology，Xi’an 710054，China;

3.Highway Administration of Yulin，Yulin 719054，China）

Abstracts：

To clarify the strength variation law and failure mechanism of coal gangue concrete，a combination of experimental research and model prediction was adopted.Through the cube compressive strength test，the failure process，failure mode，size effect，and the influence of water cement ratio on the compressive strength of coal gangue concrete were revealed.The mathematical relationship between water cement ratio and compressive strength was analyzed，and a GM（1，1）model was established by using grey theory to predict the compressive strength of coal gangue concrete.The results show that coal gangue has the characteristics of most clay rocks，that is，it has good strength when dry and is prone to disintegration after immersion in water.The failure of coal gangue concrete can be divided into three stages（crack generation stage，crack development and expansion stage，concrete failure stage）and three forms（coarse aggregate failure，bonding failure，cement stone failure，and mainly coarse aggregate failure）.When the water cement ratio decreases from 0.60 to 0.25，the compressive strength of coal gangue concrete increases by 2.67% to 18.50%，meeting the four strength levels of C15，C20，C25，and C30.Due to the poor physical properties of coal gangue，the transition zone of the concrete interface is filled with a large number of micro cracks and pores，resulting in a stronger size effect of coal gangue concrete than ordinary concrete.The predicted values of the GM（1，1）model are basically consistent with the measured values，and the accuracy level of the prediction model is level 1.The grey theory can effectively predict the strength growth law of coal gangue concrete，and the grey model can be used to predict the compressive strength of coal gangue concrete before practical application.

Key words：coal gangue concrete;failure process;failure mechanism;size effect;GM（1，1） model

0" 引" 言

煤矸石是煤炭開采過程中產生的干基灰分大于50%的巖石［1］，是排放量較大、利用率較低的工業固體廢棄物之一［2］，約占煤炭產量的10%～20%［3-4］。盡管煤矸石儲存地點較為偏遠，但數十億噸的堆放量仍會占據大量土地資源［5-6］。堆積過程中煤矸石微量重金屬元素通過雨水作用滲入地下水流，危及周邊環境及人體健康［7］。煤矸石經過一定程度的水洗、破碎、篩分后，按照不同比例可得煤矸石骨料，用煤矸石骨料部分或全部代替天然骨料制備而成的混凝土稱為煤矸石混凝土［8-9］。以煤矸石骨料代替天然骨料，從根本上解決了煤矸石堆積引發的環境問題，并顯著地降低了天然砂石的開采率［10-11］。

基于斷裂力學，混凝土屬于準脆性材料，尺寸效應是其固有特性之一，即材料的強度測試值隨結構尺寸的變化呈現有規律的升高或降低［12-13］。迄今為止，有關普通混凝土、纖維混凝土、高強混凝土、再生混凝土的尺寸效應［14-18］，國內外學者進行了深入研究，而關于煤矸石混凝土尺寸效應卻鮮有報道。煤矸石混凝土與普通混凝土存在諸多差異，因此，煤矸石混凝土尺寸換算系數與《混凝土物理力學性能試驗方法標準》（GB/T 50081—2019）也會有所出入。

煤矸石混凝土在實際推廣過程中仍存在一定困難，主要由于煤矸石混凝土性能受諸多因素的影響［19］，導致其破壞過程、破壞形態和破壞機理與普通混凝土有所不同。眾多影響因素中水灰比是影響煤矸石混凝土抗壓強度的主要因素［20］，

依據《普通混凝土配合比設計規程》（JGJ 55—2011）中Bolomy公式所得的計算強度往往低于實測強度。采用合理的模型預測抗壓強度可控制混凝土生產質量，減少不必要損失，推進煤矸石混凝土標準化的建立。

胡畔等通過AdaBoost算法預測混凝土抗壓強度平均值［21］;李濤等通過BP-ANN和RBP-NNN神經網絡，有效地預測了混凝土強度等級、保護層厚度和鋼筋直徑等對混凝土黏結性能的影響［22］；王堅強等通過灰色理論預測了水灰比0.38、養護溫度-3 ℃的混凝土強度增長規律，認為GM（1，1）模型對預測混凝土強度增長規律有著可行、有效及精度高的優點［23］。灰色預測理論是解決不確定系統建模預測問題的重要方法之一，自創立以來受到眾多學者的關注與研究［24-28］，并且該理論已在眾多領域取得成功應用。煤矸石混凝土同樣存在“小樣本”“貧信息”“不確定性”等系統問題，與灰色預測理論較為貼合，但灰色預測理論在煤矸石混凝土領域應用較少，還未形成較系統的結論。

通過SEM、XRD、立方體抗壓強度試驗，分析煤矸石混凝土破壞過程、破壞形態、尺寸效應和抗壓強度變化規律，提出煤矸石混凝土的破壞機理，并利用灰色理論建立不同水灰比煤矸石混凝土抗壓強度GM（1，1）模型。通過模型精準等級判別灰色理論在煤矸石混凝土領域的適用性，為煤矸石混凝土實際應用提供理論基礎與工程指導。

1" 試驗設計

1.1" 原材料

水泥為P.O 42.5普通硅酸鹽水泥；細骨料為天然河砂，表觀密度為2 620 kg·m-3，細度模數為2.4，吸水率為2.1%，含泥量為1.3%；粗骨料為破碎后的煤矸石，來自榆林市小保當礦區，煤矸石骨料粒徑為5～20 mm（圖1），其物理性質與天然骨料相比較差（表1）；水為實驗室自來水；減水劑為聚羧酸高效減水劑，減水效率為25%。

1.2" 配合比設計

根據不同水灰比，設計8組煤矸石混凝土配合比（表2）。根據課題組前期研究，煤矸石吸水率大，不增加拌合用水量將導致混凝土坍落度較低，若提高拌合用水，新拌混凝土易出現離析現象。因此，混凝土試件制備前需對煤矸石進行預濕處理，預濕用水為煤矸石骨料質量的50%。為方便實際工程施工，將新拌混凝土坍落度控制在120～160 mm，減水劑摻量均為1%（質量分數）。CGC0.60表示煤矸石混凝土水灰比為0.6，其余編號可依次類推。

1.3" 煤矸石分類

煤矸石根據內部結構與外觀形態可分為碳質頁巖、石灰巖、砂巖3大類。經統計小保當礦區煤矸石中碳質頁巖約占30%～35%，石灰巖約占20%～25%，砂巖約占35%～40%。不同煤矸石外觀如圖2所示，圖2（a）為碳質頁巖，呈深黑色，質地堅硬，表面較為粗糙；圖2（b）為石灰巖，呈灰黑色，具有明顯的層理構造，自然狀態下易崩解、風化；圖2（c）為砂巖，呈灰白色，表面顆粒感明顯、粗糙程度大，自然狀態下不易發生崩解、風化。

1.4" 試驗方法

1.4.1" 立方體抗壓強度試驗

立方體抗壓強度試驗按照《公路工程水泥及水泥混凝土試驗規程》（JTG 3420—2020）要求，采用SYE-2000壓力試驗機對邊長為150 mm標準立方體試件和100 mm非標準立方體試件進行抗壓強度試驗（圖3），每組強度為3個試件平均值。

1.4.2" 微觀試驗

電子顯微鏡試驗采用場發射環境掃描電子顯微鏡，試驗前將試樣尺寸切割為3～5 mm范圍，置于無水乙醇溶液中浸泡12 h，隨后在60 ℃烘箱中干燥12 h，對試樣進行噴金處理。

Ｘ射線衍射試驗采用粉末狀試樣，將煤矸石研磨至粉末狀，置于蓋玻片中央，通過X射線衍射分析其礦物成分與含量。

2" 結果與討論

2.1" 煤矸石微觀分析

煤矸石礦物成分主要為石英（SiO2）、伊利石（K（Al4Si2O9（OH）3））、鈉長石（Na（AlSi3O8））和高嶺石（Al4（OH）8（Si4O10））（圖4），

Na（AlSi3O8）屬于黏土巖，衍射強度遠大于其余礦物成分，說明占比較高，具有黏土巖的特性［28］，會出現干燥時強度良好，浸水后易發生崩解的現象。

煤矸石內部存在層理結構，充斥著大量微孔和裂縫（圖5），風化作用下會出現剝離現象，導致煤矸石吸水率是天然骨料3～6倍。上述配合比設計中對煤矸石進行了預濕處理，使其內部提前充盈部分自由水，避免吸收拌合用水，保證了水灰比數值的準確性。煤矸石碳元素信號強度遠高于其他元素（圖6），碳元素的增多導致煤矸石強度弱于天然砂石。

2.2" 混凝土立方體抗壓強度

2.2.1" 破壞過程與形態

裂縫生成階段從開始加載到裂縫出現前，試件的時間

-荷載曲線基本成正相關，裂縫最早出現在試塊某一面邊側的中部位置，隨后逐漸向上或向下延伸，方向與荷載方向大致平行（圖7（a））。

裂縫發展擴大階段出現裂縫后，試件的時間-荷載曲線斜率明顯大于第一階段，隨著荷載的繼續增加，最早出現的裂縫基本沿高度方向貫通，隨后裂縫從邊側中部位置向試塊中心持續發展，試塊表層出現鼓脹、脫落現象，其余角部位置也先后出現部分未貫通的裂縫（圖7（b））。

混凝土破壞階段此時混凝土所能承受荷載已達到最大值，裂縫也發展到了一定寬度，并且表層出現大面積鼓脹、脫落現象（圖7（c））。

由于混凝土受壓時橫向變形幾乎不受約束，所以煤矸石混凝土與普通混凝土裂縫發展階段變化基本一致。隨著荷載的繼續增加，普通混凝土的裂縫通常向試件中部位置發展，煤矸石混凝土卻先沿高度方向發展。煤矸石表觀密度較小，制備時易浮于混凝土邊側，導致試件高度方向承載能力降低。隨著裂縫的繼續發展，普通混凝土和煤矸石混凝土均會出現鼓脹、脫落現象。

隨著裂縫發展，煤矸石混凝土的破壞形態可分為3類（圖8），分別為粗骨料破壞、黏結破壞（粗骨料與水泥砂漿接觸面脫離）、水泥石破壞，并且3種破壞形態中以粗骨料破壞為主。煤矸石混凝土出現黏結破壞和水泥石破壞的原因與普通混凝土相同，但普通混凝土中極少出現粗骨料破壞的情況。這是因為煤矸石粗骨料中含有大量未被洗去的碳，導致其強度低于天然骨料。另外，煤矸石粗骨料具有明顯層理結構，且內部多孔，受力后各層之間和孔洞處易造成應力集中，形成初始裂縫，導致煤矸石混凝土多為粗骨料破壞。并且煤矸石混凝土界面過渡區充斥著大量微裂縫和孔洞（圖9），這些原始缺陷也是造成煤矸石混凝土主要破壞形態為粗骨料破壞的原因。

2.2.2" 水灰比對立方體抗壓強度影響

水灰比由0.60降低至0.25時，抗壓強度分別

提高了2.67%、11.30%、12.38%、13.62%

、14.97%、16.61%、18.50%，表明在單位用水量不變的情況下，降低水灰比可明顯提高煤矸石混凝土的抗壓強度（圖10），并且抗壓強度增長率與水泥用量增長率成正比，可知水泥用量直接決定煤矸石混凝土抗壓強度，進一步說明煤矸石混凝土的破壞形態主要為粗骨料破壞，呈現“強（水泥砂漿）”包“弱（煤矸石粗骨料）”結構。

按照《普通混凝土配合比設計規程》（JGJ 55—2011）規定，水灰比為0.60～0.46時，可制備強度等級為C15（fcu，C15=21.58 MPa）的混凝土，水灰比為0.46～0.33時，可制備強度等級為C20（fcu，C20=26.58 MPa）的混凝土，水灰比為0.33～

0.28時，可制備強度等級為C25（fcu，C25=33.225 MPa）的混凝土，水灰比小于0.28時，可制備強度等級為C30（fcu，C30=38.225 MPa）的混凝土。將最小水灰比設計為0.25，一是因為所用水泥為P.O 42.5普通硅酸鹽水泥，單位水泥用量已經達到640 kg·m-3，繼續增加單位水泥用量對煤矸石混凝土強度提升不大，除非增大水泥標號，抗壓強度才有明顯提升；二是因為水泥用量過大會引起混凝土早期收縮等一系列問題。

2.2.3" 齡期對立方體抗壓強度的影響

煤矸石混凝土齡期為3，7 d時抗壓強度發展迅速；14，28 d時發展速度相對緩慢（圖11）。

不同齡期的煤矸石混凝土抗壓強度發展規律與水灰比密切相關，水灰比由0.25提高至0.60時，齡期為

3 d的抗壓強度降低了18.48%、36.46%、39.71%、48.71%、51.65%、61.59%、60.76%，分別占總強度的33.39%～48.24%，基本呈下降趨勢，表明煤矸石混凝土早期強度依據水灰比的增加次第減少，實際工程中可根據不同早期強度要求選用不同水灰比。

2.2.4" 抗壓強度尺寸效應影響

煤矸石混凝土尺寸效應可以采用尺寸效應度γ表征，以邊長為100 mm立方體混凝土試件為基準，將邊長為150 mm立方體混凝土試件抗壓強度尺寸效應度定義為γ150，見式（1）。

γ150=fcu，100－fcu，150fcu，100×100%

（1）

式中" fcu，100表示邊長為100 mm的立方體混凝土試件抗壓強度，MPa；fcu，150表示邊長為150 mm的立方體混凝土試件抗壓強度，MPa。

依據式（1）計算各水灰比的煤矸石混凝土立方體抗壓強度尺寸效應度，并將尺寸效應度變化趨勢繪制于圖12。水灰比為0.25時，尺寸效應度為8.89%，當水灰比提高至0.60時，尺寸效應度分別提高了2.89%、4.56%、6.59%、8.02%、9.11%、11.30%、12.14%，說明煤矸石混凝土尺寸效應度隨水灰比的提高呈增加趨勢（圖12）。

統計尺寸效應理論認為試件的尺寸效應是由內部低強度單元引起，與材料的組成結構密切相關。而混凝土由骨料、水泥砂漿和界面過渡區3部分組成，煤矸石混凝土采用煤矸石骨料替換天然骨料，煤矸石骨料物理指標略低于天然骨料（表1），強度也小于水泥砂漿基體。煤矸石骨料與砂漿的界面過渡區內存在多條微裂縫和孔洞（圖9），致密程度不如天然骨料。煤矸石混凝土的尺寸效應是由煤矸石骨料與界面過渡區共同引起的。隨著水灰比的降低，煤矸石粗骨料的用量逐漸減少（表2），混凝土內部粗骨料與界面過渡區也隨之減少，尺寸效應度隨著水灰比的降低而減小。

中國混凝土規范《混凝土物理力學性能試驗方法標準》（GB/T 50081—2019）將尺寸換算系數作為尺寸效應指標，將邊長100 mm的立方混凝土試件抗壓強度折算為邊長150 mm的立方混凝土試件抗壓強度需乘以換算系數0.95，煤矸石混凝土的尺寸換算系數fcu，150/fcu，100為0.90～0.92，說明煤矸石混凝土尺寸效應顯著強于普通混凝土。若繼續采用《混凝土物理力學性能試驗方法標準》（GB/T 50081—2019）中尺寸換算系數將導致結構安全出現問題。

2.3" 強度預測模型

根據灰色理論建立GM（1，1）預測模型（圖13），以煤矸石混凝土28 d抗壓強度為原始序列，計算原始序列、一階累加序列及模型背景值（一階累加序列的滑動平均值）（表3）。

采用最小二乘法求解出a=-0.098 25，

灰色作用量u=18.934 31，將a，u帶入響應方程，最終還原出原始數據響應方程，見式（2）。

fcu=20.1e0.098 25k

（2）

式中" fcu為煤矸石混凝土抗壓強度，MPa；k為水灰比代表值，k取1，2，3，…，n，當k=1時，水灰比為0.60，k=2時，水灰比為0.55，依此類推。

煤矸石混凝土抗壓強度的預測值與實際值變化趨勢一致（圖14），水灰比為0.50時，二者差值最小（0.02 MPa），水灰比為0.25時，預測值與實際值抗壓強度差值最大（0.33 MPa），差值變化幅度較小。CGC0.55～CGC0.25的預測值與實際值的比值分別為0.991、0.994、1.001、1.003、1.007、1.001、0.992，比值均在（1±0.01）范圍內，殘差在-0.23～0.33 MPa范圍內，一定程度上驗證了模型的準確性。

為確定模型精度精度等級，對其進行后驗差檢驗。

C=R1R2=1n∑nk=1（X（0）（k）－）21n∑nk=1（E（k）－）2P=P{E（k）－lt;0.674" 5R1}（3）

式中" C為后驗差比值；P為最小誤差頻率；X（0）（k）為原始序列，MPa；為原始序列平均值，MPa；E（k）為原始序列的殘差，MPa；

為殘差平均值，MPa。

檢驗過程中，后驗差比值C越小，最小誤差頻率P越大，模型精度越高，模型精度由C和P共同判定，可將模型精度等級分為4級（表4）。

將原始數據進行計算，后驗差比值C=0.076，0.674" 5R1=4.202 1，E（k）－lt;4.202 1，故小誤差頻率P=1。

綜上所述，C=0.076lt;0.35，P=1gt;0.95，可知預測模型等級為1級，表明預測模型對煤矸石混凝土抗壓強度有較好的適用性，可為煤矸石混凝土標準化建立與工程應用提供可靠依據。

3" 結" 論

1）由于黏土巖占比較大，使煤矸石具有干燥時強度良好，浸水后易發生崩解的特性，并且煤矸石內部存在層理結構，同時充斥著大量微孔和裂縫，導致煤矸石壓碎值和吸水率較大。

2）煤矸石混凝土破壞可分為裂縫生成階段、裂縫發展擴大階段、混凝土破壞3個階段，破壞形態可分為粗骨料破壞、黏結破壞、水泥石破壞3類，以粗骨料破壞為主，煤矸石骨料最高可制備C30混凝土。煤矸石混凝土更適用于排水溝等低標號混凝土結構與構件。

3）煤矸石混凝土尺寸效應度隨水灰比的提高呈增加趨勢，煤矸石自身物理性質差，混凝土過渡區存在大量微裂縫，導致煤矸石混凝土尺寸效應強于普通混凝土，繼續采用普通混凝土規范尺寸換算系數將對結構安全造成威脅。

4）GM（1，1）抗壓強度預測模型的預測值與實際值較為吻合，經過精度檢驗，預測模型精度等級為1級，一定程度上驗證了灰色理論在煤矸石混凝土強度預測方向的適用性。

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（責任編輯：李克永）