煤矸石摻再生骨料混凝土研究綜述與展望

李佳鑫

(西華大學 應急學院，四川 成都 610039)

1 再生骨料混凝土研究現狀

1.1 再生骨料定義

我國是工程建設大國，新興建筑大量產生，老舊建筑也在大量拆除，而老舊建筑的拆除會產生大量的建筑垃圾。據測算每1 000 m2建筑施工面積平均產生55 t建筑垃圾，占城市垃圾排放量的48%[1]。處理這些建筑垃圾的方式大多為掩埋或就地堆放，由于其體量巨大，無疑會給當地帶來土地資源浪費及環(huán)境污染等問題。如何處理建筑固廢，美、德、日等國學者首先提出了再生骨料混凝土這一概念并開始了研究，闡明其定義為：再生骨料混凝土(Recycled Aggregate Concrete，RAC)簡稱再生混凝土(Recycled Concrete)，它是指將廢棄混凝土塊經過破碎、清洗與分級后，按一定的比例與級配混合形成再生混凝土骨料，部分或全部代替砂石等天然骨料配制而成新的混凝土[2]。

1.2 再生粗、骨料取代混凝土的工作性能

1.2.1 再生粗骨料取代混凝土的工作性能

混凝土工作性又稱和易性，是混凝土拌合物最重要的性能之一。用坍落度試驗法來測試混凝土工作性是比較可靠的方法。以坍落度試驗來檢測再生粗骨料取代后的混凝土工作性，根據胡敏萍[3]、孫家國等[4]的研究結果可發(fā)現，隨著再生粗骨料的取代率增加，混凝土坍落度呈下降趨勢。特別在孫家國等[4]的研究中，再生粗骨料取代率為100%時，坍落度下降了50%，但仍滿足塑性混凝土(坍落度為50～90 mm)的標準，結果如圖1所示。出現這種情況是由于再生粗骨料品質不好，表面粗糙、裂縫多、孔隙多，吸收了大量水分。

1.2.2 再生細骨料取代混凝土的工作性能

同樣以坍落度試驗法分析再生細骨料取代天然細骨料混凝土的工作性。從石瑩等[5]、卞立波等[6]的試驗數據中發(fā)現，當再生細骨料取代率在50%以內時，坍落度降低得不明顯。當取代率大于50%后，坍落度呈現明顯下降趨勢。當再生細骨料取代率為100%，甚至出現離析現象，結果如圖2所示。這是由于再生細骨料并不能與天然粗骨料級配良好，且再生細骨料自身也存在表面粗糙、孔隙多的問題。所以想要再生細骨料取代混凝土保持合格的工作性，其摻量要控制在50%以內。

圖1 再生粗骨料取代率對坍落度的影響

圖2 再生細骨料取代對坍落度的影響

1.3 再生粗、骨料取代混凝土的力學性能

1.3.1 再生粗骨料取代混凝土的力學性能

抗壓強度是最基本的力學性能指標。根據陳宗平等[7]、張波志等[8]的研究發(fā)現，隨再生粗骨料的摻量增加，混凝土抗壓強度變化幅度不大，甚至比天然骨料混凝土抗壓強度略有提升，最大增值達到約8%，結果如圖3所示。分析可能的原因有：①再生粗骨料表面粗糙增大了與水泥交界處的摩擦力；②再生骨料表面粗糙吸水率大，在混凝土內部起到了蓄水池的作用，水分隨著膠凝材料水化反應進展逐漸釋放，形成“內養(yǎng)護”作用[8]。

圖3 再生粗骨料取代率對抗壓強度的影響

1.3.2 再生細骨料取代混凝土的力學性能

同樣分析肖建莊等[9]、戴鵬[10]再生細骨料取代混凝土的研究結果，如圖4所示。當再生細骨料取代率小于30%時，曲線下降得緩慢，說明此時對混凝土抗壓強度影響不大。超過30%后，隨著取代率的增加，曲線下降速率加快，強度嚴重受到影響。在肖建莊等[9]試驗中，當取代率達到100%，其抗壓強度只有天然細骨料混凝土的61%。原因可能為：當再生細骨料取代率較小時，能與天然細骨料形成良好級配，對抗壓強度影響不大。當取代率增大到50%以上時，再生細骨料自身存在的強度低的問題逐漸暴露。

2 煤矸石骨料混凝土研究現狀

2.1 煤矸石骨料簡述

煤矸石是在建井、開拓掘徑、洗煤、產煤過程中排出的一種固體廢物，該固體廢物的大量堆積不僅會占用土地資源、

圖4 再生細骨料取代率對抗壓強度的影響

污染河流，而且煤矸石中含有一定的可燃物，在適宜條件下會發(fā)生自燃，排放二氧化硫、氮氧化物和煙塵等有害氣體污染大氣環(huán)境[11]。目前關于煤矸石固廢的綜合利用主要集中在發(fā)電、制磚、建筑材料等，其中將煤矸石作為混凝土骨料制作混凝土是實用且環(huán)保的一種利用方法，既能解決煤矸石固廢處理問題，又能解決混凝土天然骨料資源不足的問題[12]。

2.2 煤矸石粗骨料取代混凝土的工作性能

同樣以坍落度試驗來檢測煤矸石粗骨料取代后的混凝土工作性。在何文波[13]的研究中，混凝土坍落度隨煤矸石骨料取代率的增加而直線下降，最低降至天然骨料混凝土的41%，如圖5所示。而在李少偉等[14]的研究中，當煤矸石骨料替代率高于50%后，混凝土坍落度驟降，甚至在100%取代后，坍落度幾乎失去，如圖6所示。由于煤矸石性質不穩(wěn)定、孔隙率大、吸水率大，在拌制混凝土過程中會吸收大量的水分，導致坍落度大大降低，失去工作性能。所以用煤矸石制備混凝土要注意煤矸石骨料的摻量，或添加外加劑。

圖5 文獻[13]煤矸石取代率對坍落度的影響

圖6 文獻[14]煤矸石取代率對坍落度的影響

2.3 煤矸石粗、細骨料取代混凝土的力學性能

2.3.1 煤矸石粗骨料取代混凝土的力學性能

在孫強[15]、李少偉等[14]的研究中可以發(fā)現，只改變煤矸石粗骨料的取代率測定抗壓強度，隨煤矸石粗骨料取代率的增加，混凝土抗壓強度呈現先增長后下降的趨勢，如圖7～8所示。分析原因為：煤矸石混凝土拌制過程中吸收大量水分，形成“內養(yǎng)護”作用，從而短期提高混凝土強度，但這種現象僅在煤矸石摻量為30%以下時顯現。當煤矸石摻量大于30%，會顯現出其自身強度低、針片狀含量高、壓碎指標高等缺陷，對混凝土的不利影響將大于有利影響，從而導致混凝土抗壓強度下降。

圖7 文獻[15]煤矸石粗骨料取代率對抗壓強度的影響

圖8 文獻[14]煤矸石粗骨料取代率對抗壓強度的影響

2.3.2 煤矸石細骨料取代混凝土的力學性能

以破碎后煤矸石細骨料代替天然河砂研究其力學性能。在孫鋼柱等[16]、段曉牧等[17]的試驗中得出了相似的結果。煤矸石細骨料摻量為20%以下時，對混凝土抗壓強度影響較小，基本不會使其抗壓強度下降，反而會使其抗壓強度有小范圍增長。但煤矸石細骨料摻量大于20%后，混凝土抗壓強度會明顯下降。其主要原因為：煤矸石細骨料中含有SiO2和Al2O3能與膠凝材料發(fā)生反應，形成二次水化并形成水鈣沸石、水石榴石、鈣鐵榴石等新物相，可小范圍提高混凝土抗壓強度。這種現象僅存在于煤矸石細骨料摻量在20%以下時，煤矸石細骨料摻量一旦提高，由于煤矸石孔隙率大、吸水率大的特性，導致拌制過程中吸收大量水分，部分水泥水化反應開展不完全，嚴重影響混凝土強度。所以煤矸石細骨料取代混凝土需要控制摻量在20%以下，且存在一個最佳摻量，此時煤矸石表面活性物質能與膠凝材料良好反應，對混凝土力學性能有利。

3 煤矸石摻再生骨料混凝土問題與展望

將建筑固廢破碎后作為混凝土骨料，或將煤矸石單獨作為混凝土骨料的研究已有許多，但將二者結合起來共同作為混凝土粗骨料的研究還存在大量空白。煤矸石摻再生骨料制備混凝土符合廢物再生利用的發(fā)展理念，但應注意以下問題：①煤矸石粗骨料與再生粗骨料均有骨料表面粗糙、孔隙率大的特點，拌制混凝土過程中骨料會吸入大量水分并儲存，這些水分會在水化反應過程中帶來“內養(yǎng)護”效應，能在一定程度提高混凝土強度，但是也會導致混凝土失去流動性。若想保證流動性，就需要加大用水量，而水摻量過大又會導致泌水、強度不均勻等危害。因此需要在煤矸石粗骨料、再生粗骨料、用水量三者之間找到最合適的配合比，既能保證強度有一定程度的提高，又不損害其工作性能；②再生細骨料取代混凝土，其工作性能、力學性能均下降，應謹慎使用；③煤矸石骨料具有化學成分特殊性，SiO2、Al2O3這兩種氧化物的含量占70%以上，研究表明SiO2、Al2O3能與膠凝材料發(fā)生反應，形成二次水化并形成水鈣沸石、水石榴石、鈣鐵榴石等新物相，一定程度上提高混凝土強度。在煤矸石破碎成細骨料與膠凝材料混合后，此類反應更加明顯，但仍然存在煤矸石細骨料摻量大于30%后，工作性能、力學性能下降的情況；④大多煤矸石骨料與再生骨料由于受其自身缺陷限制，只能滿足國家Ⅱ類、Ⅲ類骨料標準，配置低強度等級的混凝土。

在李永靖等[18]的研究中，煤矸石摻再生骨料制備出了符合各項性能要求的C30強度等級混凝土，利用正交試驗設計找到20%的煤矸石粗骨料、20%的建筑固廢再生粗骨料代替部分碎石粗骨，并在20℃環(huán)境中養(yǎng)護，得出最優(yōu)結果。驗證了煤矸石骨料、再生骨料混合利用的可行性。在今后的研究中還可以從用水量、外加劑等方面考慮對煤矸石摻再生骨料混凝土的各項性能的影響。

4 結 論

1)混凝土工作性能基本隨再生粗骨料、再生細骨料、煤矸石骨料的摻量增加而下降。單摻再生粗骨料，摻量達到100%時，混凝土坍落度下降50%；單摻再生細骨料或單摻煤矸石骨料，摻量達到100%時，混凝土坍落度下降嚴重，甚至出現離析。從混凝土工作性能考慮，不改變用水量的前提下，應該控制再生骨料、煤矸石骨料摻量在50%以下。

2)再生粗骨料取代混凝土，其摻量對混凝土抗壓強度影響不大。再生細骨料取代混凝土，其摻量大于30%后，混凝土抗壓強度隨摻量的增加逐漸降低。當取代率達到100%，其抗壓強度只有天然細骨料混凝土的61%。煤矸石粗骨料取代混凝土，抗壓強度隨摻量增加呈現先上升后下降的趨勢，界限在煤矸石粗骨料摻量30%時。煤矸石細骨料取代混凝土，抗壓強度隨摻量增加也呈現先上升后下降的趨勢，界限在煤矸石細骨料摻量20%時。

3)從廢棄物再生利用的角度出發(fā)，將再生骨料、煤矸石骨料混合添加代替天然骨料，考慮用水量、外加劑等因素，結合正交試驗設計探尋最優(yōu)配合比，配置滿足各項性能要求的混凝土。

[ID：013755]