大摻量掘進(jìn)煤矸石道路基層和混凝土的制備及力學(xué)性能研究

祝小靚 張 明 王棟民 房奎圳

(1.中建西部建設(shè)建材科學(xué)研究院有限公司,四川 成都 610221;2.中建西部建設(shè)股份有限公司,四川 成都 610213;3.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院,北京 100083)

隨著我國(guó)現(xiàn)代化建設(shè)的不斷推進(jìn),基建對(duì)砂石質(zhì)和量的需求不斷提高,機(jī)制砂石骨料已不能滿(mǎn)足這種需求,在生態(tài)環(huán)境優(yōu)先的發(fā)展理念下,這種局面尤顯突出[1-2]。而礦業(yè)開(kāi)發(fā)產(chǎn)生的大量固體廢棄物的堆存不僅占用土地、污染環(huán)境,還造成了資源浪費(fèi)[3-5]。煤礦巖石巷道掘進(jìn)產(chǎn)生的煤矸石是典型的固體廢棄物,約占煤矸石總量的60%,具有含碳量低、熱值低等特點(diǎn)[6-7]。用地區(qū)性掘進(jìn)煤矸石大摻量替代道路和建筑砂石料,不僅能緩解砂石料源緊張問(wèn)題,還可以改善掘進(jìn)煤矸石堆存的環(huán)境污染現(xiàn)狀。

煤矸石應(yīng)用于道路工程已有較長(zhǎng)的歷史,美國(guó)、法國(guó)將自燃煤矸石用作道路充填材料[8],英國(guó)將煤矸石與鋁土礦復(fù)摻混合用作公路面層,俄羅斯將加工后的自燃煤矸石用作公路墊層[9];我國(guó)2000年前后修建的京福高速和平頂山至臨汾高速用煤矸石鋪筑了10 km的路基[10]。周梅等[11]分析了用石灰-粉煤灰穩(wěn)定的煤矸石混合料用于季節(jié)性冰凍地區(qū)路面基層的可行性,認(rèn)為其無(wú)側(cè)限抗壓性能滿(mǎn)足高速公路和一級(jí)公路對(duì)路面基層及底基層的強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求。而有關(guān)煤矸石混凝土的研究與應(yīng)用相對(duì)較少,王晴等[12]通過(guò)正交試驗(yàn)確定了摻40%煤矸石混凝土有較好的抗氯離子滲透性能;張玉慶[13]制備了摻量不大于40%的煤矸石透水混凝土。以上研究與應(yīng)用表明,煤矸石在道路材料中的應(yīng)用主要為道路路基、墊層和面層工程,而在基層中大摻量替代集料的可行性研究較少;煤矸石在混凝土中的應(yīng)用研究主要為中低摻量替代骨料,對(duì)全替代骨料的研究還是空白,這主要是因?yàn)楦鞯貐^(qū)煤矸石的物化性質(zhì)復(fù)雜多樣[14-17]。

本研究以鶴壁地區(qū)掘進(jìn)煤矸石為對(duì)象,首先分析了其物理性能,確定其具有替代砂石料的綜合性能,然后依據(jù)掘進(jìn)煤矸石粗、細(xì)集料的性質(zhì)設(shè)計(jì)了水泥穩(wěn)定煤矸石道路基層,通過(guò)7 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度論證了其路用的可行性;此外,還研究了不同標(biāo)號(hào)下煤矸石砂全替代機(jī)制砂的混凝土性能以及不同煤矸石砂石骨料類(lèi)型全替代機(jī)制砂石C30混凝土的力學(xué)性能,為豐富掘進(jìn)煤矸石在道路工程中的應(yīng)用以及在建筑材料中大摻量使用提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 試驗(yàn)原料及方法

1.1 試驗(yàn)原料

(1)掘進(jìn)煤矸石來(lái)自河南省鶴壁市鶴煤集團(tuán),主要化學(xué)成分及物相分析結(jié)果分別見(jiàn)表1、圖1。

表1 掘進(jìn)煤矸石的主要化學(xué)成分分析結(jié)果Table 1 Analysis results of the main chemical composition of drifting coal gangue %

圖1 掘進(jìn)煤矸石XRD圖譜Fig.1 XRD pattern of drifting coal gangue

由表1及圖1可知,掘進(jìn)煤矸石主要成分為SiO2和Al2O3,其次為CaO和Fe2O3;主要礦物相為石英、高嶺石和地開(kāi)石,掘進(jìn)煤矸石中Al2O3為非晶態(tài)。

掘進(jìn)煤矸石經(jīng)過(guò)分離—破碎—篩分,得到4種不同粒級(jí)(31.5～19 mm、19～9.5 mm、9.5～4.75 mm以及-4.75 mm)的集料,依據(jù)《建筑用卵石、碎石》(GB/T 14685—2011)、《建設(shè)用砂》(GB/T 14684—2011)和《公路工程集料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E42—2005)對(duì)上述粗集料(31.5～19 mm、19～9.5 mm、9.5～4.75 mm)及細(xì)集料(-4.75 mm)的物理性能進(jìn)行分析,結(jié)果見(jiàn)表2、表3。

表2 粗集料物理性能參數(shù)Table 2 Physical property parameters of coarse aggregate

表3 細(xì)集料物理性能參數(shù)Table 3 Physical property parameters of fine aggregate

由表2和表3可知,掘進(jìn)煤矸石粗集料各性能指標(biāo)均滿(mǎn)足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn),且與機(jī)制石接近,其中掘進(jìn)煤矸石壓碎值略高于機(jī)制石,接近路面基層集料壓碎值的規(guī)范上限;掘進(jìn)煤矸石細(xì)集料各性能指標(biāo)均滿(mǎn)足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn),壓碎值低于機(jī)制砂,遠(yuǎn)小于國(guó)家要求上限。

對(duì)細(xì)集料中-0.075 mm粒級(jí)粉體進(jìn)行微觀形貌分析,結(jié)果見(jiàn)圖2?？梢园l(fā)現(xiàn),粉體顆粒大小不一,呈凝聚態(tài),部分顆粒表面疏松多孔,推測(cè)多孔的粉體是造成細(xì)集料吸水率高于機(jī)制砂的主要原因。從整體上看,掘進(jìn)煤矸石砂的細(xì)度要大于機(jī)制砂。

圖2 細(xì)集料中-0.075mm粒級(jí)粉體的SEM圖片F(xiàn)ig.2 SEM image of powder below 0.075mm in fine aggregate

(2)試驗(yàn)所用機(jī)制砂石、水泥熟料、減水劑、粉煤灰、礦粉、自來(lái)水均為鶴壁市定?；炷劣邢挢?zé)任公司日常生產(chǎn)所用。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 道路水穩(wěn)層材料制備及性能測(cè)試

煤矸石道路基層材料的制備依據(jù)《公路工程無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E51—2009),首先,采用YDT-Ⅱ型土工電動(dòng)擊實(shí)儀進(jìn)行擊實(shí)試驗(yàn),得出混合料的最大干密度和最佳含水率。接著,通過(guò)TCZT-100混合料試樣制模脫模一體試驗(yàn)機(jī)制備水穩(wěn)層試件,根據(jù)最大干密度及最佳含水率,以98%密實(shí)度成型得到直徑、厚度均為150 mm的圓柱體混凝土試件。之后,將水穩(wěn)層試件進(jìn)行6 d標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)和1 d水養(yǎng),通過(guò)DYE-2000KN無(wú)側(cè)限壓力試驗(yàn)機(jī)測(cè)得7 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度。

1.2.2 混凝土試件制備及性能測(cè)試

煤矸石混凝土試件的配合比設(shè)計(jì)見(jiàn)表4,為保證在A-G配合比下混凝土的狀態(tài)保持基本一致,通過(guò)調(diào)整減水劑摻量使不同骨料類(lèi)別下達(dá)到一致的狀態(tài),試件成型養(yǎng)護(hù)7 d、28 d后采用HYE-300-10萬(wàn)能壓力試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行混凝土試件的抗壓強(qiáng)度測(cè)試,通過(guò)掃描電鏡(SEM)對(duì)微觀形貌進(jìn)行分析。

表4 混凝土配合比設(shè)計(jì)Table 4 Mix proportion design of concrete kg/m3

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 大摻量掘進(jìn)煤矸石在道路材料中的應(yīng)用

道路基層材料以水泥穩(wěn)定碎石層為主,水穩(wěn)層混合料中主要以集料的連續(xù)級(jí)配形成緊密堆積,通過(guò)水泥的膠凝作用形成具有一定強(qiáng)度的半剛性材料,本試驗(yàn)將掘進(jìn)煤矸石集料全替代碎石集料,設(shè)計(jì)出一種具有連續(xù)級(jí)配的掘進(jìn)煤矸石集料,通過(guò)改變水泥摻量,得出混合料的擊實(shí)曲線和強(qiáng)度變化規(guī)律。

2.1.1 混合料組成設(shè)計(jì)

根據(jù)《公路路面基層施工技術(shù)細(xì)則》(JTG/T F20—2015)對(duì)掘進(jìn)煤矸石集料進(jìn)行篩分,結(jié)果如表5所示。

表5 掘進(jìn)煤矸石集料篩分分析結(jié)果Table 5 Analysis results of screening for drifting coal gangue aggregate

根據(jù)篩分結(jié)果,進(jìn)行混合料配合比設(shè)計(jì),通過(guò)緊密堆積理論公式計(jì)算得出31.5～19 mm、19～9.5 mm、9.5～4.75 mm以及-4.75 mm粒級(jí)樣適宜的配合比為9∶29∶22∶40(質(zhì)量比),合成級(jí)配在《公路路面基層施工技術(shù)細(xì)則》(JTG/T F20—2015)規(guī)定級(jí)配的上限和下限之間(見(jiàn)圖3)。

圖3 合成級(jí)配曲線Fig.3 Combined gradation curve

2.1.2 最大干密度及最佳含水量

混合料擊實(shí)試驗(yàn)將5.5 kg的試料按照設(shè)計(jì)級(jí)配進(jìn)行稱(chēng)重,水泥摻量分別為集料的3%、4%、5%、6%、7%,并且預(yù)定5～7個(gè)不同含水量(在估計(jì)最佳含水量左右只差0.5%～1%),然后依次在不同水泥摻量下,對(duì)2.1.1設(shè)計(jì)的混合料進(jìn)行擊實(shí)試驗(yàn),結(jié)果如圖4所示。

圖4 不同水泥摻量條件下混合料的擊實(shí)曲線Fig.4 The compaction curve of mixture with different cement addition

由圖4可知,隨著水泥摻量的增加,混合料含水量變化范圍增大,干密度變化區(qū)間變小,最大干密度和最佳含水量均隨著水泥摻量的增加而增加且增加趨勢(shì)逐漸變緩。這是由于水泥作為一種粉體材料,本身具有吸水性,另外由于水泥與水反應(yīng)后水化產(chǎn)物具有膠凝特性,隨著水泥摻量的增加,水化產(chǎn)物的膠結(jié)作用和部分粉體填充作用,使混合料趨于最佳緊密堆積狀態(tài),混合料的最大干密度增加趨緩。

2.1.3 7 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度

根據(jù)2.1.2中每個(gè)水泥摻量下對(duì)應(yīng)的最佳干密度和最大含水量計(jì)算試件最終容重,使用φ150 mm×150mm的圓柱形試模進(jìn)行混合料試件的成模。試件養(yǎng)護(hù)后進(jìn)行7 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的測(cè)試,結(jié)果如圖5所示。

圖5 不同水泥摻量下試件7 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度Fig.5 The unconfined compressive strength of the specimen at 7 d ages with different cement addition

由圖5可知,隨著水泥摻量的增加,試件7 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的增加呈現(xiàn)先快后慢的趨勢(shì)。這是由于低摻量下水泥可以有效地增加試件的早期強(qiáng)度,當(dāng)強(qiáng)度增加到一定值后,水泥摻量增加帶來(lái)的強(qiáng)度增長(zhǎng)有限,主要由試件本身的干密度以及緊密堆積理論決定強(qiáng)度發(fā)展,趨勢(shì)漸緩。

2.2 大摻量掘進(jìn)煤矸石在混凝土中的應(yīng)用

本部分先考察了掘進(jìn)煤矸石砂全替代機(jī)制砂對(duì)C10、C20、C30、C35、C40 和 C50 混凝土的影響,再研究了掘進(jìn)煤矸石砂石骨料分別替代機(jī)制砂石料、全替代機(jī)制砂石料以及水洗煤矸石替代機(jī)制石料制備C30混凝土的強(qiáng)度變化規(guī)律。

2.2.1 掘進(jìn)煤矸石對(duì)混凝土試件力學(xué)性能的影響

按照表4將煤矸石砂分別替代普通C10、C20、C30、C35、C40和C50混凝土中的機(jī)制砂,對(duì)混凝土試件的7 d和28 d抗壓強(qiáng)度進(jìn)行分析,結(jié)果如圖6所示。

圖6 掘進(jìn)煤矸石砂對(duì)不同強(qiáng)度等級(jí)混凝土試件力學(xué)性能的影響Fig.6 The influence of drifting coal gangue sand on mechanical properties of concrete specimen with different strength grades

由圖6可知,當(dāng)混凝土試件強(qiáng)度等級(jí)不高于C35時(shí),混凝土的強(qiáng)度發(fā)展均符合標(biāo)準(zhǔn)要求;當(dāng)混凝土試件強(qiáng)度等級(jí)大于C35,混凝土試件強(qiáng)度上升慢,28 d抗壓強(qiáng)度不符合標(biāo)準(zhǔn)要求,這是由于煤矸石砂高需水量和粗砂的物理性質(zhì)決定的,需水量的增加和密實(shí)度的降低影響了中高標(biāo)號(hào)混凝土試件早期強(qiáng)度的發(fā)展,最終導(dǎo)致28d強(qiáng)度不合格。

選用C30混凝土配合比,以表4中7種方式替代機(jī)制砂石料制備混凝土試件,分析7 d和28d抗壓強(qiáng)度,結(jié)果如圖7所示。

圖7 不同骨料類(lèi)別及處理方式對(duì)C30混凝土力學(xué)性能的影響Fig.7 The influence of different aggregate types and treatment methods on mechanical properties of C30 concrete

由圖7可知,在掘進(jìn)煤矸石只替代機(jī)制石的情況下,試件28 d的強(qiáng)度均較機(jī)制砂石骨料混凝土有所提高,而未經(jīng)過(guò)水洗的掘進(jìn)煤矸石骨料制備的混凝土7 d強(qiáng)度較低,這是由于掘進(jìn)煤矸石加工后,石料表面會(huì)被大量石粉和部分煤灰包裹,水泥和礦物摻合料與骨料間的粘結(jié)力降低,進(jìn)而影響早期強(qiáng)度,同樣的結(jié)果在矸石砂+矸石子替代機(jī)制砂石中也體現(xiàn)出來(lái),而經(jīng)過(guò)水洗后的矸石子+矸石砂制備的混凝土早期強(qiáng)度明顯高于未水洗處理石料制備的混凝土。在G組中通過(guò)添加當(dāng)?shù)財(cái)嚢枵镜拿嫔皝?lái)改善掘進(jìn)煤矸石砂的顆粒級(jí)配,使混凝土的早期強(qiáng)度較B組未加面砂有所提高?？梢缘贸?掘進(jìn)煤矸石加工后需增加水洗工藝,矸石砂需要改善顆粒級(jí)配方可替代混凝土骨料使用。

2.2.2 掘進(jìn)煤矸石對(duì)混凝土微觀形貌的影響

選用煤矸石砂全替代機(jī)制砂制備28 d齡期的C10、C30和C50混凝土試件進(jìn)行微觀形貌研究,分析煤矸石砂的替代對(duì)不同標(biāo)號(hào)下混凝土試件微觀形貌的影響;選用不同方式處理的煤矸石骨料全替代機(jī)制砂石制備28 d齡期的C30混凝土試件進(jìn)行微觀形貌研究,分析煤矸石子和煤矸石砂與機(jī)制砂石制備的混凝土微觀形貌的區(qū)別以及水洗工藝對(duì)煤矸石混凝土微觀結(jié)構(gòu)的影響,結(jié)果如圖8所示。

由圖8可知,C10混凝土試件的絮凝體結(jié)構(gòu)較多,水化產(chǎn)物結(jié)構(gòu)較為疏松,孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)雜,整體水化程度低,而C50整體結(jié)構(gòu)致密,水化產(chǎn)物互相連接鑲嵌,孔隙存在變少。在水泥水化過(guò)程中,集料表面、界面過(guò)渡區(qū)區(qū)域會(huì)提供晶核成型點(diǎn),晶核為C—S—H凝膠與CH連接提供落點(diǎn)。相較于未水洗處理掘進(jìn)煤矸石制備的混凝土試件,掘進(jìn)煤矸石骨料經(jīng)過(guò)水洗處理后制備的混凝土試件和機(jī)制砂石制備的混凝土微觀形貌相近,SEM圖中出現(xiàn)六方板狀的CH相互搭接,與鈣礬石形成較為穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。粉體粘附在未水洗的掘進(jìn)煤矸石骨料表面,為水泥提供C—S—H凝膠的成核點(diǎn),由于后期形成的水化產(chǎn)物未與骨料形成緊密的界面過(guò)渡區(qū)以及粉體與骨料間的粘附力比較低,造成早期強(qiáng)度降低。

圖8 混凝土試件SEM圖Fig.8 SEM images of concrete specimen

3 結(jié) 論

(1)掘進(jìn)煤矸石主要礦相成分為石英和高嶺石,富含SiO2和Al2O3及少量的Fe2O3和CaO;掘進(jìn)煤矸石粗集料壓碎值為24%,細(xì)集料壓碎值為10.6%;由于加工后集料中粉體過(guò)多造成吸水率遠(yuǎn)高于機(jī)制砂,從整體上看掘進(jìn)煤矸石砂的細(xì)度要大于機(jī)制砂。

(2)采用緊密堆積理論,31.5～19 mm、19～9.5 mm、9.5～4.75 mm以及-4.75 mm粒級(jí)樣適宜的配合比為9∶29∶22∶40(質(zhì)量比),水泥最宜摻量4%～6%,所制備的水穩(wěn)層混合料7 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度均可滿(mǎn)足中高等級(jí)公路要求。

(3)采用掘進(jìn)煤矸石砂制備C10～C35混凝土具有良好的強(qiáng)度發(fā)展;掘進(jìn)煤矸石加工破碎后砂級(jí)配較差,導(dǎo)致C35以上標(biāo)號(hào)的混凝土強(qiáng)度發(fā)展不夠;采用水洗減少掘進(jìn)煤矸石石料表面粉體含量和添加面砂改善掘進(jìn)煤矸石粗砂級(jí)配的方法,可以有效提升C30混凝土的早期強(qiáng)度。