自燃煤矸石骨料在預(yù)拌混凝土中的應(yīng)用研究

周 梅，李高年，張 倩，崔翰博

（遼寧工程技術(shù)大學(xué) 建筑工程學(xué)院，遼寧 阜新 123000）

中國(guó)有10%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）左右的過(guò)火煤矸石經(jīng)破碎、篩分，可直接制成骨料，即自燃煤矸石骨料，這種骨料以其質(zhì)量較好、儲(chǔ)量較大、易開(kāi)采、價(jià)格低廉等特點(diǎn)，在輕骨料家族中占有一席之地［1－4］.20世紀(jì)80年代用自燃煤矸石骨料配制的混凝土構(gòu)件在阜新地區(qū)被廣泛應(yīng)用，但隨著預(yù)拌混凝土的出現(xiàn)，自燃煤矸石骨料混凝土在阜新地區(qū)銷聲匿跡了.究其原因主要有：（1）自燃后的煤矸石孔隙率大、吸水率高，攪拌過(guò)程中會(huì)吸收大量的混凝土拌和水，使拌和物干稠，坍落度經(jīng)時(shí)損失嚴(yán)重，不能滿足預(yù)拌混凝土大流動(dòng)性的施工要求；（2）自燃煤矸石骨料在粒形、級(jí)配、表面質(zhì)構(gòu)、強(qiáng)度等方面與天然砂、石存在明顯差別，其許多性能指標(biāo)介于輕骨料與天然骨料之間，沒(méi)有可遵循的配合比設(shè)計(jì)方法；（3）自燃煤矸石骨料混凝土的耐久性受到工程界質(zhì)疑［5－7］.

本文以自燃煤矸石粗、細(xì)骨料的附加水及預(yù)濕時(shí)間為研究對(duì)象，通過(guò)混凝土稠度和強(qiáng)度試驗(yàn)，揭示二者對(duì)混凝土拌和物工作性、硬化強(qiáng)度的影響，并以此修正配合比設(shè)計(jì)中的單位用水量.同時(shí)，研究了預(yù)拌自燃煤矸石骨料混凝土的抗氯離子滲透性能和抗凍性能，以期為這種混凝土的應(yīng)用提供技術(shù)支撐.

1 試驗(yàn)概況

試驗(yàn)用自燃煤矸石取自阜新清河門礦，經(jīng)破碎、篩分和組配，將粒徑＜5 mm 和5 mm＜粒徑≤20mm的自燃煤矸石分別作細(xì)、粗骨料.自燃煤矸石骨料和天然骨料的技術(shù)性能指標(biāo)見(jiàn)表1，孔隙結(jié)構(gòu)特征見(jiàn)圖1，2.試驗(yàn)用水泥為P·O 42.5普通硅酸鹽水泥，摻合料為Ⅱ級(jí)粉煤灰和S95礦粉，減水劑為萘系高效減水劑.自燃煤矸石細(xì)骨料或粗骨料的置換率均為100%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）.預(yù)拌自燃煤矸石骨料混凝土稠度和強(qiáng)度試驗(yàn)配合比見(jiàn)表2，抗氯離子滲透及抗凍試驗(yàn)配合比見(jiàn)表3.

表1 自燃煤矸石骨料和天然骨料的性能指標(biāo)Table 1 Performance of spontaneous combustion coal gangue aggregate and natural aggregate

圖1 自燃煤矸石與天然骨料的孔徑分布Fig.1 Pore size distribution of spontaneous combustion coal gangue and natural aggregate

圖2 自燃煤矸石與天然骨料累計(jì)孔徑面積分布Fig.2 Accumulated pore area distribution of spontaneous combustion coal gangue and natural aggregate

表2 預(yù)拌自燃煤矸石骨料混凝土稠度和強(qiáng)度試驗(yàn)的配合比Table 2 Mix proportion for consistency，strength test of ready－mixed spontaneous combustion coal gangue aggregate concrete

表3 預(yù)拌自燃煤矸石骨料混凝土耐久性試驗(yàn)配合比及試驗(yàn)結(jié)果Table 3 Mix proportion for durability test and test result of ready－mixed spontaneous combustion coal gangue aggregate concrete

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 工作性和強(qiáng)度

2.1.1 附加水對(duì)預(yù)拌自燃煤矸石骨料混凝土工作性和抗壓強(qiáng)度的影響

圖3 附加水對(duì)預(yù)拌自燃煤矸石骨料混凝土坍落度的影響Fig.3 Effect of additional water on slump of ready－mixed spontaneous combustion coal gangue aggregate concrete

圖4 附加水對(duì)預(yù)拌自燃煤矸石骨料混凝土抗壓強(qiáng)度的影響Fig.4 Effect of additional water on compressive strength of ready－mixed spontaneous combustion coal gangue aggregate concrete

附加水對(duì)預(yù)拌自燃煤矸石骨料混凝土坍落度和抗壓強(qiáng)度的影響見(jiàn)圖3，4.由圖3可見(jiàn)，隨著附加水量的增加，2個(gè)系列預(yù)拌自燃煤矸石骨料混凝土的坍落度明顯增大，當(dāng)S系列自燃煤矸砂細(xì)骨料的附加水小于其吸水率（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）40%，G 系列自燃煤矸石粗骨料的附加水小于其吸水率80%時(shí)，混凝土坍落度的增幅較大，之后變緩；當(dāng)S系列自燃煤矸砂細(xì)骨料附加水為其吸水率的60%，G 系列自燃煤矸石粗骨料附加水為其吸水率的80%時(shí)，混凝土坍落度均可達(dá)到預(yù)拌混凝土的配制要求（坍落度＞160mm），且黏聚性和保水性良好；由圖4 可見(jiàn)，隨著附加水的增加，2個(gè)系列預(yù)拌自燃煤矸石骨料混凝土的抗壓強(qiáng)度逐漸降低，而且S系列預(yù)拌自燃煤矸砂細(xì)骨料混凝土抗壓強(qiáng)度的下降幅度明顯大于G系列預(yù)拌自燃煤矸石粗骨料混凝土.這主要是因?yàn)樽匀济喉肥橇想S著附加水的增加，吸附的水量增加，從而使拌和物水灰比增大，導(dǎo)致混凝土抗壓強(qiáng)度降低.由于煤矸砂細(xì)骨料的比表面積比煤矸石粗骨料大，因此煤矸砂細(xì)骨料與水接觸的面積大，吸水速率快，吸水率大（見(jiàn)表1），使S系列預(yù)拌自燃煤矸砂細(xì)骨料混凝土的坍落度增幅及抗壓強(qiáng)度降幅增大.另外，自燃煤矸石粗骨料由于粒徑較大，吸水速率相對(duì)較慢，且一部分水會(huì)留在毛細(xì)孔內(nèi)，直至混凝土硬化后才釋放出來(lái)，起到“內(nèi)養(yǎng)護(hù)”作用，使混凝土坍落度經(jīng)時(shí)損失減小，后期強(qiáng)度發(fā)展較好.

2.1.2 預(yù)濕時(shí)間對(duì)預(yù)拌自燃煤矸石骨料混凝土工作性和抗壓強(qiáng)度的影響

在預(yù)拌自燃煤矸石骨料混凝土中，S系列的自燃煤矸砂細(xì)骨料附加水按其吸水率的60%加入，G系列的自燃煤矸石粗骨料附加水按其吸水率的80%加入.預(yù)濕時(shí)間對(duì)預(yù)拌自燃煤矸石骨料混凝土坍落度和抗壓強(qiáng)度的影響見(jiàn)圖5，6.由圖5可見(jiàn)，自燃煤矸石無(wú)論是細(xì)骨料，還是粗骨料，隨預(yù)濕時(shí)間的增加，預(yù)拌自燃煤矸石骨料混凝土坍落度增大.這是因?yàn)楦郊铀坏┕潭?，自燃煤矸石骨料隨著預(yù)濕時(shí)間的增加，吸附的水量增大，拌和時(shí)搶拌和水減小，從而使拌和物水灰比變大，坍落度增大.

圖5 預(yù)濕時(shí)間對(duì)預(yù)拌自燃煤矸石骨料混凝土坍落度的影響Fig.5 Effect of pre－wetting time on slump of ready－mixed spontaneous combustion coal gangue aggregate concrete

圖6 預(yù)濕時(shí)間對(duì)預(yù)拌自燃煤矸石骨料混凝土抗壓強(qiáng)度的影響Fig.6 Effect of pre－wetting time on compressive strength of ready－mixed spontaneous combustion coal gangue aggregate concrete

由圖6可見(jiàn)，2 個(gè)系列的預(yù)拌自燃煤矸石骨料混凝土，隨著自燃煤矸石骨料預(yù)濕時(shí)間的增加，抗壓強(qiáng)度的發(fā)展態(tài)勢(shì)截然不同.G 系列預(yù)拌自燃煤矸石骨料混凝土隨預(yù)濕時(shí)間的增加，其抗壓強(qiáng)度增大，當(dāng)附加水控制在自燃煤矸石骨料吸水率的30%～60%時(shí)，抗壓強(qiáng)度增幅最大；而S系列預(yù)拌自燃煤矸砂細(xì)骨料混凝土隨預(yù)濕時(shí)間的增加，抗壓強(qiáng)度降低.這可從自燃煤矸石骨料粒徑大小及孔隙特征來(lái)進(jìn)行解釋.從圖1，2可以看出，自燃煤矸石粗骨料的總孔隙量約為天然骨料的100倍，其平均孔徑和中值孔徑均小于天然石材.對(duì)于G 系列預(yù)拌自燃煤矸石粗骨料混凝土，當(dāng)預(yù)濕時(shí)間為10～30min時(shí)，自燃煤矸石的吸附水量變化很小，混凝土的水灰比基本保持不變，因此強(qiáng)度變化不大.當(dāng)預(yù)濕時(shí)間為30～60min時(shí)，雖然自燃煤矸石粗骨料吸附水量沒(méi)有太大變化，但吸附水在自燃煤矸石粗骨料孔徑中的位置卻發(fā)生了很大變化.自燃煤矸石粒徑較大，隨著預(yù)濕時(shí)間延長(zhǎng)，滲入到自燃煤矸石微孔中的水越多，而這部分水在混凝土硬化后緩慢釋放，起“內(nèi)養(yǎng)護(hù)”作用，因此有利于混凝土后期強(qiáng)度的發(fā)展.當(dāng)自燃煤矸石預(yù)濕時(shí)間大于60min時(shí)，滲入到自燃煤矸石微孔中的水基本釋放出來(lái)，因此再延長(zhǎng)預(yù)濕時(shí)間也無(wú)任何作用，故建議自燃煤矸石粗骨料的預(yù)潤(rùn)濕時(shí)間應(yīng)控制在60min內(nèi)；對(duì)于S系列預(yù)拌自燃煤矸砂細(xì)骨料混凝土，由于自燃煤矸砂細(xì)骨料粒徑較小、比表面積較大，其吸附水和釋放水的速率均較快，雖然預(yù)濕時(shí)間越長(zhǎng)，釋放的水就越多，導(dǎo)致混凝土拌和物水灰比增大，強(qiáng)度下降，但下降幅度不大.

綜合考慮預(yù)拌混凝土施工的流動(dòng)性、黏聚性、保水性及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)的要求，將自燃煤矸砂細(xì)骨料附加水控制在其吸水率的60%，預(yù)濕時(shí)間控制在10min，自燃煤矸石粗骨料附加水控制在其吸水率的80%，預(yù)濕時(shí)間控制在60min比較合理.

2.1.3 預(yù)拌自燃煤矸石骨料混凝土坍落度經(jīng)時(shí)損失

從表3可見(jiàn)，預(yù)拌自燃煤矸石骨料混凝土坍落度經(jīng)時(shí)損失的發(fā)展趨勢(shì)與普通混凝土相同，即隨著拌和物存放時(shí)間的延長(zhǎng)，坍落度經(jīng)時(shí)損失逐漸減小.但上述2個(gè)系列預(yù)拌自燃煤矸石骨料混凝土坍落度經(jīng)時(shí)損失均小于普通混凝土.這是因?yàn)樽匀济喉肥橇显跀嚢柚耙呀疂?rùn)濕，水飽和程度較大，而且隨著拌和物存放時(shí)間的延長(zhǎng)，自燃煤矸石骨料還會(huì)釋放吸附水，故預(yù)拌自燃煤矸石骨料混凝土坍落度經(jīng)時(shí)損失小于普通混凝土.至于S系列預(yù)拌自燃煤矸砂細(xì)骨料混凝土坍落度經(jīng)時(shí)損失較G 系列預(yù)拌自燃煤矸石粗骨料混凝土大，則是因?yàn)槊喉飞凹?xì)骨料的吸水速率和釋放水速率較快所致.

2.2 抗氯離子滲透和抗凍融性能

預(yù)拌自燃煤矸石骨料混凝土抗氯離子滲透及抗凍融試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3，4，凍融后表面形貌見(jiàn)圖7.

表4 預(yù)拌自燃煤矸石骨料混凝土抗凍融試驗(yàn)結(jié)果Table 4 Freeze－thaw resistance test result of ready－mixed spontaneous combustion coal gangue aggregate concrete %

圖7 預(yù)拌自燃煤矸石骨料混凝土凍融后的表面形貌Fig.7 Surface state of ready－mixed spontaneous combustion coal gangue aggregate concrete after freeze－thaw cycle

從表3，4可以看出，2個(gè)系列預(yù)拌自燃煤矸石骨料混凝土6h的電通量為1 000～2 000C，屬于氯離子滲透等級(jí)低的范疇，經(jīng)受300次凍融循環(huán)后，質(zhì)量損失率＜5%，動(dòng)彈性模量損失率＜40%，抗凍等級(jí)達(dá)到F300.從圖7（a）可以看出，S系列預(yù)拌自燃煤矸砂細(xì)骨料混凝土即使達(dá)到凍融破壞極限，試件仍較完好，只是表面有水泥漿剝蝕.由圖7（b）可見(jiàn)，G 系列預(yù)拌自燃煤矸石粗骨料混凝土達(dá)到凍融破壞極限時(shí)，試件已明顯破損.這是因?yàn)樵赟系列預(yù)拌自燃煤矸砂細(xì)骨料混凝土中，自燃煤矸砂細(xì)骨料主要填充天然粗骨料之間的空隙，與水泥漿一起包裹石子成為粗骨料之間的潤(rùn)滑層，而在G 系列預(yù)拌自燃煤矸石粗骨料混凝土中，煤矸石粗骨料起骨架作用，隨著凍融次數(shù)的增加，其自身裂縫增多，當(dāng)達(dá)到凍融極限時(shí)，自燃煤矸石粗集料自身已經(jīng)凍融破壞，所以混凝土出現(xiàn)疏松狀況.

由表3可見(jiàn)，2 個(gè)系列預(yù)拌自燃煤矸石骨料混凝土均復(fù)摻了礦物摻合料和高效減水劑.高效減水劑可降低混凝土的孔隙率，礦物摻合料可細(xì)化混凝土的孔隙結(jié)構(gòu)，自燃煤矸石骨料提前潤(rùn)濕有利于改善骨料與水泥基體的界面黏結(jié)狀態(tài)，這些措施復(fù)合作用，改善了預(yù)拌自燃煤矸石骨料混凝土的流變性能，提高了抗凍、抗?jié)B等耐久性能.

3 結(jié)論

（1）自燃煤矸石經(jīng)破碎、篩分及攪拌之前浸水潤(rùn)濕處理后，可替代天然砂、石作預(yù)拌混凝土的骨料.

（2）自燃煤矸砂細(xì)骨料的附加水最好控制在其吸水率的60%，預(yù)濕時(shí)間宜控制在10min，而自燃煤矸石粗骨料的附加水控制在其吸水率的80%，預(yù)濕時(shí)間控制在60min較合適.

（3）復(fù)摻礦物摻合料和高效減水劑可改善預(yù)拌自燃煤矸石骨料混凝土的孔隙結(jié)構(gòu)，提高其抗氯離子滲透能力和抗凍融能力.

［1］周梅，趙華民，路其林，等.自燃煤矸石骨料預(yù)處理對(duì)混凝土工作性及強(qiáng)度影響［J］.工業(yè)建筑，2014，44（12）：113－117.ZHOU Mei，ZHAO Huamin，LU Qilin，et al.Effect of additional water and prewet time on the performance of spontaneous combustion gangue sand lightweight concrete［J］.Industrial Architecture，2014，44（12）：113－117.（in Chinese）

［2］張寶生，孔麗娟，袁杰，等.輕骨料預(yù)濕程度對(duì)混合骨料混凝土力學(xué)性能的影響［J］.混凝土，2006（10）：24－30.ZHANG Baosheng，KONG Lijuan，YUAN Jie，et al.Effect of prewetting degree of lightweight aggregate on mechanical properties of specified density concrete［J］.Concrete，2006（10）：24－30.（in Chinese）

［3］胡曙光，王發(fā)洲，丁慶軍，等.輕骨料的吸水率與預(yù)處理時(shí)間對(duì)混凝土工作性的影響［J］.華中科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2002，19（2）：1－4.HU Shuguang，WANG Fazhou，DING Qingjun，et al.Influence of water absorption and pre－wetted method of lightweight aggregate on the workability of concrete［J］.Journal of Huazhong University of Science and Technology，2002，19（2）：1－4.（in Chinese）

［4］馬成理.自燃煤矸石的材料性能試驗(yàn)研究［J］.太原理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2003，34（2）：154－157.MA Chengli.The test of natural coal spoil material characteristics［J］.Journal of Taiyuan University of Technology，2003，34（2）：154－157.（in Chinese）

［5］陳煒林.煤矸石作為水泥混凝土骨料可行性的基礎(chǔ)研究［D］.北京：北京工業(yè)大學(xué)，2010.CHEN Weilin.Feasibility study of coal gangue as aggregate of cement concrete［D］.Beijing：Beijing University of Technology，2010.（in Chinese）

［6］馮乃謙，邢鋒.混凝土與混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009：58－62.FENG Naiqian，XING Feng.The durability of concrete and reinforced concrete structure［M］.Beijing：Machinery Industry Press，2009：58－62.（in Chinese）

［7］孫家瑛，耿健.再生細(xì)骨料粒徑及摻量對(duì)混凝土抗凍性能的影響［J］.建筑材料學(xué)報(bào)，2012，15（6）：382－385.SUN Jiaying，GENG Jian.Effect of particle size and content of recycled fine aggregate on frost resistance of concrete［J］.Journal of Building Materials，2012，15（6）：382－385.（in Chinese）

［8］楊全兵.混凝土鹽凍破壞機(jī)理（Ⅰ）：毛細(xì)管飽水度和結(jié)冰壓［J］.建筑材料學(xué)報(bào)，2007，10（5）：523－537.YANG Quanbing.Mechanisms of deicer－frost scaling of concrete（Ⅰ）：Capillary－uptake degree of saturation and ice－formation pressure［J］.Journal of Building Materials，2007，10（5）：523－537.（in Chinese）

［9］高雄，張雄，張永娟.化學(xué)外加劑對(duì)混凝土氣孔結(jié)構(gòu)及水化的影響［J］.功能材料，2013，44（23）：3416－3420.GAO Xiong，ZHANG Xiong，ZHANG Yongjuan.Effect of chemical admixtures on air void structure and hydration of concrete［J］.Journal of Functional Materials，2013，44（23）：3416－3420.（in Chinese）