非自燃煤矸石粗骨料對混凝土力學性能的影響

牛曉燕，高琦翔，李深圳，王桂香，趙暉

(1.河北大學 建筑工程學院，河北 保定 071002；2.太原理工大學 土木工程學院，山西 太原 030024)

煤炭作為中國的常規(guī)能源之一，在中國能源結(jié)構(gòu)中占據(jù)主導地位.非自燃煤矸石是煤炭開挖和分選等過程中產(chǎn)生的固體廢棄物.目前煤矸石堆存已有3×109t以上[1]，中國用簡單堆存的方式處理了大部分煤矸石，但這樣不僅浪費資源，造成環(huán)境污染，還威脅了當?shù)厝嗣竦纳眢w健康和生命安全[2].與此同時，中國大規(guī)模建設(shè)使得天然砂石的開采速率遠大于其自然生成的速率[3]，在此形勢下，將廢棄的非自燃煤矸石破碎篩分得到粗骨料，用于部分或全部取代混凝土中的天然粗骨料，以此來緩解對天然砂石資源需求壓力，降低煤矸石排放對環(huán)境的影響，不僅可以使煤矸石變廢為寶，而且可以有效解決環(huán)境污染問題[4].

國內(nèi)外學者對煤矸石混凝土進行了大量的實驗研究，在力學性能方面，有關(guān)自燃煤矸石混凝土研究較多，學者們對自燃煤矸石混凝土的基本物理性能、抗壓強度和抗凍性進行了較為系統(tǒng)的研究，探究了自燃煤矸石粗骨料置換率及粒徑分布對混凝土抗壓強度、抗拉劈裂強度和彈性模量的影響，煤矸石和粉煤灰的摻量對混凝土的滲透性和抗壓強度的影響[5-8]，借此建立了含非自燃煤矸石骨料和自燃煤矸石骨料的粗骨料混凝土彈性模量預測模型，并用建立的預測模型對150組測試數(shù)據(jù)進行了驗證[9]，對自燃煤矸石混凝土做了較為全面的研究.而非自燃煤矸石混凝土的力學性能研究較少，其中王志龍[10]通過研究發(fā)現(xiàn)：在拌合物中加入適量的石灰石粉末并增加中等粒徑的非自燃煤矸石骨料用量對混凝土的工作性能和強度有利，而且降低混凝土的成本.周梅等[11]通過研究發(fā)現(xiàn)：經(jīng)過熱活化和機械處理過的煤矸石粉末具備微集料和活性效應，在摻入膠凝材料質(zhì)量5%的750 ℃高溫下煅燒3 h后的煤矸石(細度為1 150 m2/kg)而配置的煤矸石混凝土，其工作性能得到較大改善，強度增加，而且降低了發(fā)生混凝土堿-骨料反應的概率；混凝土強度隨著熱活化煤矸石粉末摻量的增加而增加.Xiao等[12]對不同比例煤矸石混凝土的坍落度、凝結(jié)時間、含氣量、抗壓強度和劈裂抗拉強度進行了研究，發(fā)現(xiàn)粗骨料的最大粒徑不斷增大，混凝土的抗壓強度也會不斷增大；全粒徑級配的煤矸石混凝土抗壓強度優(yōu)于其他級配類型；改變級配砂率對煤矸石混凝土抗壓強度的影響不大.

非自燃煤矸石由于化學成分、礦物組成成分以及物理性能指標不盡相同，具有明顯地域差異性，而山西省作為產(chǎn)煤大省，非自燃煤矸石堆積嚴重，嚴重危害環(huán)境及人民身心健康，山西省非自燃煤矸石的研究甚少，因此有必要對其非自燃煤矸石的骨料特性進行系統(tǒng)研究.本文利用山西大同洗煤廠排出的非自燃煤矸石作為粗骨料，制備10種不同配合比的非自燃煤矸石混凝土，分別對非自燃煤矸石骨料性能及非自燃煤矸石混凝土的工作性能和力學性能進行研究，并對非自燃煤矸石在混凝土粗骨料上應用的可行性進行探討.

1 實驗材料

實驗所用水泥為靈壽冀東水泥有限公司生產(chǎn)的P.S.A42.5礦渣硅酸鹽水泥，細骨料為天然河砂，粗骨料分為非自燃煤矸石和普通碎石，非自燃煤矸石粗骨料是大同洗煤廠選洗出來的非自燃煤矸石，攪拌水和附加水為保定市內(nèi)自來水，減水劑為山東省萊陽市宏祥建筑外加劑廠生產(chǎn)的高效減水劑，減水率為18%～25%.普通碎石及非自燃煤矸石的基本物理性能如表1所示.由于不同地區(qū)的非自燃煤矸石具有明顯的差異性，而要想深入了解非自燃煤矸石，必須對其化學成分和礦物組成進行分析.利用X線熒光光譜分析(XRF)對非自燃煤矸石進行化學成分分析，得到其化學組成如表2所示.利用X線衍射儀，通過軟件對其衍射圖譜分析[13]，得到非自燃煤矸石的XRD圖譜如圖1所示.

由表1可以看出，非自燃煤矸石的堆積密度、表觀密度、吸水率和壓碎值等物理性能指標與普通碎石相差不大，總體來看，非自燃煤矸石滿足作為混凝土粗骨料的要求.從表2可以看出，非自燃煤矸石中占比最多的是SiO2，達到總質(zhì)量的61.44%，其次是Al2O3，質(zhì)量占比達到26.91%，其它元素的物質(zhì)質(zhì)量只占10%.所以，本試驗的非自燃煤矸石主要由含Si和Al的物質(zhì)組成.從圖1中可知非自燃煤矸石的礦物成分主要是石英，石英質(zhì)地堅硬耐磨，對提高非自燃煤矸石的強度有利.除了石英以外，還有高嶺石和地開石等.高嶺石呈土狀或塊狀，硬度小，地開石晶體結(jié)構(gòu)呈層狀，穩(wěn)定性較差，這是造成非自燃煤矸石易破碎、強度低的原因之一.

表1 骨料主要性能

表2 非自燃煤矸石主要化學成分

圖1 非自燃煤矸石XRD圖譜Fig.1 XRD pattern of non-spontaneous combustion coal gangue

2 實驗概況

2.1 配合比設(shè)計

為全面研究水灰比(質(zhì)量比)、非自燃煤矸石取代率(非自燃煤矸石粗骨料占全部粗骨料的體積分數(shù))、附加用水量及骨料級配對非自燃煤矸石混凝土力學性能的影響，本次試驗嚴格按照規(guī)范JGJ 55—2011《普通混凝土配合比設(shè)計規(guī)程》，1 m3混凝土用水量為180 kg,水灰質(zhì)量比設(shè)為0.35、0.40、0.45共3種；取代率為0、30%、50%、70%和100%；附加用水量為骨料吸水率的75%和飽和面干共2種；骨料級配為5～25 mm、5～20 mm、10～25 mm共3種.共配制10種不同配合比非自燃煤矸石混凝土，配合比見表3.

表3 1 m3混凝土配合比

W0.4H50 BH為0.4的水灰質(zhì)量比，飽和面干狀態(tài)下取代率為50%.未注明BH組別為附加水75%.W0.4H50 5～25為0.4的水灰質(zhì)量比，取代率為50%,骨料粒徑5～25 mm.

2.2 試驗及測定內(nèi)容

混凝土拌合物采用北京航建華業(yè)公司生產(chǎn)的HJW-60型單臥軸混凝土攪拌機攪拌.投料順序：先把減水劑加入攪拌用水中并搖勻，把砂、普通碎石和已潤濕的非自燃煤矸石倒入攪拌機內(nèi)攪拌均勻，加入1/3質(zhì)量的攪拌用水，繼續(xù)攪拌至40 s時，同時倒入全部水泥和剩余的水，攪拌總時控制為240 s.攪拌完成后裝入試模，24 h后進行拆模和編號，然后放進恒溫恒濕養(yǎng)護箱中，控制相對濕度不小于95%，溫度在20 ℃左右，養(yǎng)護28 d.養(yǎng)護完成后嚴格按照GB/T 50081-2002《普通混凝土力學性能試驗方法標準》，每次試驗取3個試塊進行測定并取平均值，本次試驗制作100 mm×100 mm×100 mm的立方體試塊共60個，Φ150 mm×300 mm的圓柱體試塊30個.

1)測定不同配合比下的非自燃煤矸石混凝土坍落度.2)采用WAW-1000型萬能試驗機，測定28 d非自燃煤矸石混凝土的抗壓強度.3)采用WDW-300型萬能機，測定28 d非自燃煤矸石混凝土的劈裂抗拉強度.4)采用WAW-1000型萬能試驗機和微變形測量儀，測定非自燃煤矸石混凝土的彈性模量.

3 試驗結(jié)果與分析

按照GB/T 50081—2002《普通混凝土力學性能試驗方法標準》測得主要試驗結(jié)果見表4.

表4 主要試驗結(jié)果

3.1 坍落度及抗壓強度

圖2為非自燃煤矸石混凝土的坍落度及抗壓強度在不同非自燃煤矸石取代率、水灰質(zhì)量比、附加用水量和骨料級配下的變化規(guī)律，同時給出了同一組立方體試件強度的標準差(見誤差棒)，誤差棒的長短代表了試塊抗壓強度的離散性.

3.1.1 坍落度

通常情況下混凝土坍落度與混凝土拌合物的流動性正相關(guān).試驗測得非自燃煤矸石混凝土的坍落度見表4.

由圖2可見，混凝土的坍落度隨著非自燃煤矸石取代率的增大而逐漸減小，這是因為非自燃煤矸石骨料孔隙多，吸水率高，導致混凝土中自由水減少，坍落度減小；水灰比從0.35到0.45，坍落度明顯增大，幾乎呈直線型增加；隨著附加用水量的增加，坍落度增大，這主要是因為提前加入附加水潤濕非自燃煤矸石骨料，減少了骨料對攪拌水的吸收，從而使坍落度增大；不同骨料級配的混凝土坍落度有所不同，但差距不大，可能因為級配粒徑較大，不利于混凝土的流動，和易性差，導致混凝土坍落度變小.

a.取代率；b.水灰比；c.附加用水量；d.骨料級配.圖2 立方體抗壓強度及坍落度Fig.2 Cube compressive strength and slump

3.1.2 抗壓強度

通過抗壓強度試驗，獲得了不同配合比下的非自燃煤矸石混凝土的立方體及圓柱體試件的抗壓強度，試驗過程中，隨著荷載的增大，在立方體的8個角開始出現(xiàn)裂縫，然后不斷發(fā)展形成多條豎向裂縫，裂縫寬度逐漸變大，且由表向里發(fā)展，試塊中間部位橫向變形逐漸增大，呈明顯的鼓脹現(xiàn)象，且豎向裂縫沿斜向向上、斜向向下不斷發(fā)展，當試塊完全破壞后，取出非自燃煤矸石混凝土立方體試塊，去除表面己破壞疏松的部分，基本都呈現(xiàn)出正倒相接的“八”字破壞形態(tài)[14-15]，類似正倒相連的四棱臺，與普通混凝土的破壞形態(tài)基本一致，圓柱體試件的破壞首先是頂部開始出現(xiàn)裂縫，并隨著荷載的增加，發(fā)展成多條豎向裂縫，裂縫逐漸向下延伸且裂縫寬度逐漸變大，最終試件破壞，其破壞形態(tài)與普通混凝土圓柱體破壞形態(tài)基本相同，最終試件破壞形態(tài)如圖3所示，實驗結(jié)果見表4.

由圖2a 可以看出混凝土的抗壓強度與取代率呈負相關(guān)，這主要是因為非自燃煤矸石本身的礦物組成導致其強度低于普通碎石，且非自燃煤矸石骨料孔隙率大，吸水率高，結(jié)構(gòu)呈層狀，破碎過程導致其針片狀含量過高，微裂紋較多.由圖2b 中可以看出，在非自燃煤矸石取代率為50%的情況下，水灰比較小時，抗壓強度較大，而且變化幅度也較大，這是因為用水量增多，水泥石中的游離水和氣孔增多[16]，從而降低了混凝土的抗壓強度.由圖2c 中可以明顯看出，非自燃煤矸石取代率為50%的情況下，附加用水量對混凝土的抗壓強度的影響很大，這主要因為非自燃煤矸石骨料比普通碎石骨料吸水率高，需要消耗更多的水來完成水泥的水化反應，而且達到飽和面干狀態(tài)的非自燃煤矸石骨料在后期混凝土中的自由水消耗殆盡的時候，可以起到“內(nèi)養(yǎng)護”作用，保證水化反應的持續(xù)進行[17]，從而增加了混凝土的強度.由圖2d 中可以看出，間斷級配的抗壓強度低于連續(xù)級配，主要是間斷級配含有的大粒徑骨料較多，沒有小粒徑骨料作為填充，骨料空隙率較高，導致混凝土強度降低.混凝土粗骨料直徑偏小，強度會有所提高，這主要是因為混凝土中煤矸石的強度低于水泥石，形成“強包弱”的結(jié)構(gòu)[18]，而當非自燃煤矸石骨料粒徑較小時，同一截面上石灰石所占的比例較大，形成石灰石的高強度框架，從而提高混凝土的抗壓強度.

a.立方體外部破壞形態(tài);b.立方體內(nèi)部破壞形態(tài)；c.圓柱體外部破壞形態(tài).圖3 試件抗壓破壞形態(tài)Fig.3 Compressive failure mode of specimen

3.2 抗拉強度及彈性模量

圖4為非自燃煤矸石混凝土的劈裂抗拉強度及彈性模量在不同非自燃煤矸石取代率、水灰比、附加水和骨料級配下的變化規(guī)律，同時給出了同一組立方體試件劈裂抗拉強度和彈性模量的標準差(見誤差棒)，誤差棒的長短代表了試塊抗拉強度和彈性模量的離散性.

a.取代率;b.水灰比;c.附加用水量;d.骨料級配.圖4 立方體抗拉強度及彈性模量Fig.4 Cube tensile strength and elastic modulus

3.2.1 抗拉強度

試驗過程中，隨著荷載的不斷增大，試塊的左右2個側(cè)面與圓弧形墊塊的部分開始出現(xiàn)微裂紋，并隨著荷載的進一步增大，微裂紋迅速向中部發(fā)展，非自燃煤矸石試塊被劈成兩半，劈裂后的試件截面如圖5所示.由圖5可以看出，與普通碎石粗骨料相比，非自燃煤矸石骨料由于針片狀較多且強度不足導致自身被拉斷.非自燃煤矸石混凝土立方體試塊的劈裂抗拉強度試驗結(jié)果見表4.

圖5 立方體抗拉破壞形態(tài)Fig.5 Cube tensile failure form

從圖4a 中可以看出，隨著非自燃煤矸石取代率的增加，混凝土的抗拉強度逐漸減小，相對來說非自燃煤矸石取代率為50%時，抗拉強度較大.抗拉強度隨非自燃矸石取代率的增加而降低的主要原因是非自燃煤矸石本身的強度低于普通碎石，而且非自燃煤矸石骨料孔隙率大，吸水率高，結(jié)構(gòu)呈層狀，破碎過程導致其針片狀含量過高，微裂紋較多.從圖4b 中可以明顯看出，非自燃煤矸石取代率為50%的情況下，抗拉強度隨著水灰比的增大，呈直線型下降.水灰比是影響混凝土抗拉強度的主要因素之一，這是因為水泥和水化反應導致混凝土抗拉強度增大，而用水量增多，硬化后的水泥石中游離水和氣孔就會增多，從而降低了混凝土的抗拉強度.從圖4c 中可以看出，非自燃煤矸石取代率為50%的情況下，當附加用水量為非自燃煤矸石骨料吸水率的75%以及骨料達到飽和面干狀態(tài)時的混凝土，抗拉強度有所降低，但變化幅度不大，這可能是因為提前浸泡非自燃煤矸石骨料使其飽和，導致非自燃煤矸石混凝土拌合物自由水分多，試塊內(nèi)部空隙多，內(nèi)部不密實，導致抗拉強度降低.從圖4d 中可以看出，間斷級配的抗拉強度高于連續(xù)級配，分析其原因，可能是間斷級配含有的大粒徑骨料較多，大粒徑非自燃煤矸石骨料的抗拉強度較大，對混凝土抗拉強度有一定的增強作用.

3.2.2 彈性模量

利用WAW-1000型萬能機測定非自燃煤矸石混凝土圓柱體試塊的彈性模量試驗結(jié)果見表4.從圖4a 中可以看出，隨著非自燃煤矸石取代率的增加，混凝土的彈性模量總體逐漸減小，從非自燃煤矸石取代率為0時的30.6 GPa減小到取代率為100%的14.9 GPa，減小了近50%.這主要是因為非自燃煤矸石自身結(jié)構(gòu)組成導致的，其強度低于普通碎石，而且非自燃煤矸石骨料表面不密實，吸水率高，結(jié)構(gòu)呈層狀，破碎過程導致其針片狀含量過高，微裂紋較多.從圖4b 中可以明顯看出，非自燃煤矸石取代率為50%的情況下，隨著水灰比的增大，混凝土的彈性模量呈線性逐漸減小，這主要受骨料、界面過渡區(qū)和水泥石彈性模量的影響，當非自燃煤矸石取代率不變，水灰比變大，導致水泥石基體及界面過渡區(qū)的彈性模量降低，從而引起非自燃煤矸石混凝土彈性模量的降低.從圖4c 中可以看出，非自燃煤矸石取代率為50%的情況下，當附加用水量為非自燃煤矸石骨料吸水率的75%以及骨料達到飽和面干狀態(tài)時的混凝土彈性模量有所增加.這主要是因為非自燃煤矸石骨料比普通碎石骨料吸水率高，需要消耗更多的水來完成水泥的水化反應.而且達到飽和面干的非自燃煤矸石骨料，在后期混凝土中的自由水消耗殆盡的時候，可以起到“內(nèi)養(yǎng)護”作用，保證水化反應的持續(xù)進行，從而增加了水泥石基體和界面過渡區(qū)的彈性模量，形成高彈性模量骨架，進而增大了混凝土整體的彈性模量.從圖4d 中可以看出，10～25 mm的間斷級配的彈性模量低于連續(xù)級配，分析其原因，主要是間斷級配含有的大粒徑骨料較多，非自燃煤矸石粗骨料的彈性模量直接決定了混凝土的彈性模量，從而導致混凝土彈性模量的降低.

4 結(jié)論

1)隨著非自燃煤矸石取代率的增大，混凝土的抗拉強度、抗壓強度與彈性模量3項基本力學性能指標均減小，表現(xiàn)出一致的規(guī)律性，而且變化幅度很大，說明非自燃煤矸石取代率對混凝土的影響較大，應重點控制，實際工程中，建議取代率采用50%以下.

2)水灰比對混凝土的強度和彈性模量有著直接的影響，非自燃煤矸石取代率為50%，水灰比為0.35時，混凝土強度可以滿足C40的設(shè)計要求，但水灰比為0.40或0.45時，混凝土強度低于C30，可用于非承重構(gòu)件.

3)附加用水量對混凝土的抗壓強度、抗拉強度和彈性模量有一定的影響，飽和面干狀態(tài)下的非自燃煤矸石有助于提高混凝土的抗壓強度和彈性模量，但會導致抗拉強度的降低.骨料級配對混凝土的3項基本力學性能影響較小，間斷級配與連續(xù)級配相比，連續(xù)級配對混凝土強度和彈性模量更有利.