膠粉煤矸石混凝土力學(xué)特性及微觀結(jié)構(gòu)試驗(yàn)研究

李溫，王海龍，張佳豪，楊虹,馮帥

(內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木建筑工程學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特010018)

煤矸石是在煤炭開(kāi)采和洗選過(guò)程中被分離出來(lái)的含碳巖石和其他巖石的混合物，是一種具有污染性的固體廢料[1].中國(guó)大多數(shù)礦區(qū)生產(chǎn)出的煤矸石采用堆積處理，矸石山自然堆積坡度大，占用大量用地，還會(huì)燃燒，發(fā)生火災(zāi)，并釋放大量的硫化物污染大氣、農(nóng)田和水體.將煤矸石用于制備混凝土，替換混凝土中的集料，能夠大量利用煤矸石這一固體廢料，降低混凝土的生產(chǎn)成本[2].關(guān)于煤矸石混凝土的性能，國(guó)內(nèi)學(xué)者已經(jīng)開(kāi)展了一些研究工作.周梅等[3]對(duì)煤矸石粗細(xì)集料混凝土強(qiáng)度進(jìn)行了研究,結(jié)果表明其強(qiáng)度值較之普通集料混凝土并未下降；關(guān)虓等[2]對(duì)煤矸石粗集料取代率分別為0，20%，40%，60%的4組煤矸石混凝土進(jìn)行了軸心受壓試驗(yàn)，隨著煤矸石粗集料取代率的增大,煤矸石混凝土的峰值應(yīng)力略有下降.文中提出煤矸石山護(hù)坡混凝土的研究方向，設(shè)計(jì)用于護(hù)坡工程的煤矸石粗骨料混凝土，在提高煤矸石堆積坡度，減少土地用量的基礎(chǔ)上可以就地取材制備混凝土，從而降低經(jīng)濟(jì)成本，促進(jìn)資源綠色發(fā)展.

將廢舊輪胎進(jìn)行綠色化處理，解決廢舊輪胎的污染成為當(dāng)前國(guó)際社會(huì)比較關(guān)注的問(wèn)題.于利剛等[4]提出將廢舊輪胎磨成橡膠粉，加入到混凝土中，解決廢舊輪胎的污染問(wèn)題；張寧等[5]對(duì)摻入橡膠粉的巖石做了相應(yīng)的研究,并指出摻入橡膠粉后會(huì)提高材料的力學(xué)性能的穩(wěn)定性,減少外界條件的影響；王海龍等[6]研究發(fā)現(xiàn)膠粉的摻入可以增強(qiáng)輕骨料混凝土的塑性特征，但橡膠粒徑越小強(qiáng)度損失越大.在保證強(qiáng)度范圍的基礎(chǔ)上，文中選用粒徑較大的20目膠粉外摻制備煤矸石混凝土，探究橡膠煤矸石混凝土的可行性，研究20目膠粉不同摻量下煤矸石混凝土力學(xué)性能的變化規(guī)律，為礦區(qū)煤矸石山護(hù)坡材料提供一種可就地取材制備混凝土的工程材料方案.該方案可大大降低經(jīng)濟(jì)成本，提高廢舊材料利用率，促進(jìn)生態(tài)資源可持續(xù)發(fā)展.

1 試驗(yàn)

1.1 原材料

水泥：冀東P.042.5普通硅酸鹽水泥.粗骨料：鄂爾多斯市準(zhǔn)格爾旗神華準(zhǔn)能露天采煤場(chǎng)生產(chǎn)的煤矸石.煤矸石采用鄂式破碎機(jī)破碎后篩選26.50～4.75 mm粒徑大小用做混凝土粗骨料.室內(nèi)養(yǎng)護(hù)1 d后脫模，放入標(biāo)準(zhǔn)恒溫養(yǎng)護(hù)箱養(yǎng)護(hù)，具體物理性能:堆積密度為1 250 kg/m3，表觀密度為2 140 kg/m3,吸水率為每小時(shí)3.24%，壓碎指標(biāo)為24%.細(xì)骨料：天然河砂，表觀密度2 600 kg/m3，堆積密度1 465 kg/m3，細(xì)度模數(shù)2.5，顆粒級(jí)配良好.減水劑：聚羧酸高效減水劑，白色粉末，易溶于水，摻量為膠凝材料的1%，減水率20%.水：普通自來(lái)水.

1.2 配合比

依據(jù)JGJ51—2019《輕骨料混凝土技術(shù)規(guī)程》配制煤矸石混凝土(rubber coal flint concrete,RCFC)水灰比0.4，外摻20目廢舊橡膠粉，摻量分別為膠凝材料0,3%,6%,9%,12%.表1為橡膠煤矸石混凝土配合比.

表1 橡膠煤矸石混凝土配合比

1.3 試驗(yàn)方法

依據(jù)JGJ51—2019《輕骨料混凝土技術(shù)規(guī)程》制備混凝土[7].根據(jù)GB/T50081—2016《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》對(duì)尺寸為100 mm×100 mm×100 mm試件進(jìn)行立方體抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)和劈裂抗拉試驗(yàn).按照規(guī)范，對(duì)非標(biāo)準(zhǔn)試塊計(jì)算得出的抗壓強(qiáng)度結(jié)果乘以折減系數(shù)0.95，劈裂抗拉強(qiáng)度結(jié)果乘以折減系數(shù)0.85.根據(jù)膠粉摻量定義試驗(yàn)組，以未摻膠粉組為基準(zhǔn)組，外摻3%膠粉記為RCFC-3%，以此類(lèi)推.

核磁共振試驗(yàn)是對(duì)完全飽水試件進(jìn)行CPMG脈沖序列測(cè)試，得到自旋回波串衰減信號(hào)，經(jīng)傅立葉變化得到T2譜，從核磁共振弛豫測(cè)量可得到混凝土的孔隙度、孔隙分布、流體飽和度及滲透率.文中采用MesoMR-60低場(chǎng)核磁共振對(duì)矸石混合骨料混凝土孔隙結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，磁場(chǎng)強(qiáng)度0.55 T，磁場(chǎng)溫度32 ℃，工作頻率23.32 MHz.試驗(yàn)前使用金剛鉆取芯機(jī)將混凝土取芯，試件尺寸為直徑48 mm,高度50 mm.將圓柱體混凝土試樣置于清水中使用真空飽和裝置真空飽水24 h后進(jìn)行核磁試驗(yàn).

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 立方體抗壓強(qiáng)度

圖1為RCFC-3%組28 d抗壓試驗(yàn)破壞后形態(tài)，開(kāi)始加載時(shí)，混凝土試塊表面未發(fā)生開(kāi)裂，試塊內(nèi)的應(yīng)力隨著荷載的增加不斷增大，試塊立面靠近邊緣的位置開(kāi)始出現(xiàn)裂縫，裂縫方向與加載臺(tái)垂直，隨著荷載增加，裂縫沿試塊斜向上發(fā)展，形成斜裂縫，斜裂縫向內(nèi)發(fā)展，試塊表面開(kāi)始出現(xiàn)外鼓甚至剝落現(xiàn)象[8]，裂縫不斷加大直至破壞.加載臺(tái)回位后試塊破壞程度嚴(yán)重，可輕易剝離四周脫落的混凝土，呈現(xiàn)沙漏狀形態(tài)，這樣的現(xiàn)象稱(chēng)為環(huán)箍效應(yīng).其他組破壞形態(tài)與RCFC-3%組相同，分析原因是由于煤矸石粗骨料自身材料性質(zhì)引起的，煤矸石具有吸水率高、強(qiáng)度低等特點(diǎn)，在破碎過(guò)程中針片狀含量較多，短時(shí)間拌和過(guò)程中容易形成針片狀堆積從而形成孔隙現(xiàn)象，致使孔隙率有一定的提高.

圖1 RCFC-3%煤矸石混凝土破壞后形態(tài)

圖2為不同養(yǎng)護(hù)齡期T對(duì)橡膠煤矸石混凝土抗壓強(qiáng)度Fcu的影響及誤差棒圖.由圖可知，摻膠粉組與基準(zhǔn)組強(qiáng)度發(fā)展規(guī)律有較大差異.相較于基準(zhǔn)組，膠粉的摻入提高了煤矸石混凝土早期抗壓強(qiáng)度，這是因?yàn)槟z粉的摻入填充了煤矸石混凝土內(nèi)部較大孔隙，提高了煤矸石混凝土早期的力學(xué)性能；但是經(jīng)過(guò)28 d養(yǎng)護(hù)后，基準(zhǔn)組混凝土抗壓強(qiáng)度高于所有摻膠粉組混凝土，說(shuō)明膠粉的摻入降低了煤矸石混凝土的抗壓強(qiáng)度，原因是橡膠粉具有憎水性，橡膠粉與水泥和石界面黏結(jié)性較差,容易在混凝土內(nèi)部產(chǎn)生薄弱界面,膠粉摻量的增多加大了薄弱界面產(chǎn)生的概率和數(shù)量[9].因此膠粉的加入使煤矸石混凝土中出現(xiàn)了橡膠粉水泥薄弱界面，導(dǎo)致其抗壓強(qiáng)度降低；隨著膠粉摻量的增加，抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，RCFC-3%組相較于基準(zhǔn)組強(qiáng)度變化不明顯，RCFC-12%組相較于基準(zhǔn)組抗壓強(qiáng)度下降了14.6%.隨養(yǎng)護(hù)時(shí)間的增加，各組混泥土強(qiáng)度發(fā)育逐漸變緩，混泥土養(yǎng)護(hù)早期的增長(zhǎng)幅度明顯大于后期，分析原因是混凝土養(yǎng)護(hù)不同時(shí)期砂漿水化程度不同，早期混凝土砂漿水化程度較高，其強(qiáng)度增長(zhǎng)較快，進(jìn)入后期水化作用基本完成，砂漿強(qiáng)度保持穩(wěn)定，混凝土整體強(qiáng)度受骨料強(qiáng)度的限制，后期強(qiáng)度增長(zhǎng)較慢.

圖2 膠粉煤矸石混凝土立方體抗壓強(qiáng)度及誤差棒圖

根據(jù)誤差棒圖可以看出，試件養(yǎng)護(hù)早期試驗(yàn)誤差明顯較大，原因是早期混凝土水化較快，單件內(nèi)水化程度不均衡，試塊之間差異較大，后期水化反應(yīng)相對(duì)較慢且逐漸趨于平穩(wěn)，誤差明顯減少.

2.2 劈裂抗拉強(qiáng)度

圖3為煤矸石混凝土RCFC-3%組劈裂抗拉試驗(yàn)破壞后形態(tài)，可以清楚地看到劈開(kāi)的煤矸石混凝土試塊大部分的粗骨料發(fā)生斷裂，很少一部分粗骨料與水泥砂漿分離.產(chǎn)生這種差距的原因是煤矸石混凝土在受到拉應(yīng)力的作用下，主要依靠煤矸石骨料提供能量損耗，使得大部分粗骨料被拉斷，較少的骨料從水泥砂漿體中脫落.

圖3 RCFC-3%組劈裂抗拉破壞后形態(tài)

圖4為膠粉煤矸石28 d劈裂抗拉強(qiáng)度Fts，由圖可以看出，膠粉的摻入使煤矸石混凝土的抗拉強(qiáng)度明顯降低，RCFC-12%組抗拉強(qiáng)度降低最為明顯，為基準(zhǔn)組抗拉強(qiáng)度的61%.劈裂抗拉強(qiáng)度下降最小的為RCFC-3%組，降低了14%.結(jié)果表明，劈裂抗拉強(qiáng)度的變化趨勢(shì)與抗壓強(qiáng)度相似，即膠粉的摻入降低了煤矸石混凝土的抗拉強(qiáng)度，分析原因是產(chǎn)生的膠粉水泥薄弱界面降低了骨料與砂漿的黏結(jié)力，使得整體力學(xué)性能降低.但摻量不同影響程度各有不同，RCFC-3%組劈裂抗拉強(qiáng)度影響最小.

圖4 膠粉煤矸石混凝土28 d劈裂抗拉強(qiáng)度

2.3 混凝土抗壓與劈裂抗拉強(qiáng)度的換算

文中制備的膠粉煤矸石混凝土抗壓強(qiáng)度與劈裂抗拉強(qiáng)度變化規(guī)律相似，依據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50010—2010)，將抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度換算關(guān)系定義為冪函數(shù)[10]，即

(1)

式中：Fts為劈裂抗拉強(qiáng)度，MPa;Fcu為立方體抗壓強(qiáng)度，MPa;a,b為冪函數(shù)系數(shù).

擬合得到抗壓與劈裂抗拉強(qiáng)度之間的關(guān)系.如圖5所示，隨著抗壓強(qiáng)度的降低，劈裂抗拉強(qiáng)度呈下降趨勢(shì)，R2=0.826，擬合精度較好.擬合關(guān)系式見(jiàn)式(2).

(2)

圖5 膠粉煤矸石混凝土抗壓與劈裂抗拉強(qiáng)度的換算關(guān)系

2.4 膠粉煤矸石混凝土孔隙分析

為探究不同摻量20目膠粉對(duì)煤矸石混凝土內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)的影響，采用核磁共振(NMR)技術(shù)對(duì)煤矸石混凝土進(jìn)行內(nèi)部結(jié)構(gòu)分析.

2.4.1T2譜

T2譜為混凝土內(nèi)部孔隙水的橫向弛豫時(shí)間與信號(hào)強(qiáng)度A之間的關(guān)系，橫向弛豫時(shí)間越長(zhǎng)，則表示混凝土內(nèi)部孔隙半徑越大，孔隙水自由度越大，受束縛力越小.信號(hào)強(qiáng)度表示該孔徑尺寸下孔隙數(shù)量的多少，峰面積與孔隙體積有關(guān)，與混凝土內(nèi)部所含流體及孔隙多少成正比.T2譜分布積分面積的變化反映了混凝土孔隙體積的變化.

煤矸石混凝土養(yǎng)護(hù)28 d后T2譜分布狀況如圖6所示，T2譜圖均為3個(gè)波峰，且以第一峰(按從左到右的順序)為主，膠粉摻量的增加使得各個(gè)峰值增大，同時(shí)第一峰向右移動(dòng)，這表明隨著膠粉摻量的增加，混凝土內(nèi)部孔隙體積增大，雖然膠粉對(duì)較大孔隙具有填充作用，但膠粉與水泥產(chǎn)生的薄弱界面依舊增加了混凝土內(nèi)部的總體積，這也進(jìn)一步驗(yàn)證了隨著膠粉摻量增加煤矸石混凝土力學(xué)性能降低的原因.

圖6 養(yǎng)護(hù)28 d不同膠粉摻量T2譜

2.4.2 核磁共振譜面積

T2譜面積SA的大小可反映混凝土內(nèi)部流體體積的大小，即孔隙體積的大小，二者的大小成正比.各組試件28 d核磁共振譜面積如圖7所示，由圖可知，膠粉的摻入使孔隙體積增加，第二峰與第三峰也高于基準(zhǔn)組，原因是煤矸石粗骨料針片狀堆積，而膠粉使得骨料與水泥砂漿黏結(jié)性較差，出現(xiàn)震蕩不均勻，同時(shí)薄弱界面隨橡膠粉摻量的增加而增多，使得各種孔隙增多的情況.通過(guò)T2譜與譜面積綜合分析，隨膠粉摻量增多，煤矸石混凝土力學(xué)性能劣化的原因很大一部分是因?yàn)榛炷羶?nèi)部總孔隙體積的增多以及膠粉與水泥產(chǎn)生的薄弱界面引起的.

圖7 28 d核磁共振譜面積

2.4.3 孔隙度

圖8為混凝土核磁共振飽和度與孔隙度.為分析其孔隙結(jié)構(gòu)特征隨養(yǎng)護(hù)齡期的發(fā)育變化，引入束縛流體飽和度Swi和自由流體飽和度Swf概念.兩者以T2截止值作為分界線，當(dāng)孔隙中流體的橫向弛豫時(shí)間小于T2截止值時(shí)，流體主要以束縛流體形式存在，賦存于尺寸較小的孔隙之中，混凝土試件內(nèi)部主要表現(xiàn)為微小孔隙，反之當(dāng)孔隙中流體的橫向弛豫時(shí)間大于T2截止值時(shí)，流體主要以自由流體形式存在，賦存于尺寸較大的孔洞中，混凝土試件內(nèi)部主要表現(xiàn)為大、中孔隙[11].

圖8 混凝土核磁共振飽和度與孔隙度

煤矸石混凝土隨膠粉摻量變化的孔隙度P與飽和度S關(guān)系如圖8a所示,混凝土孔隙度呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)，RCFC-3%組束縛流體飽和度占比最大，表明微小孔隙占比最大，說(shuō)明3%膠粉的摻入對(duì)煤矸石混凝土大、中孔隙有填充作用，增加了混凝土內(nèi)部的密實(shí)程度.RCFC-9%組相比其他組自由流體飽和度占比最大，說(shuō)明9%膠粉摻量增加了混凝土內(nèi)部中、大孔隙的形成，劣化了混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu).

圖8b反映了RCFC-6%組隨養(yǎng)護(hù)齡期變化孔隙度與飽和度關(guān)系.齡期增加與束縛流體飽和度呈現(xiàn)正相關(guān)，混凝土內(nèi)部中、大孔隙向微小孔隙演變，這是由于隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增加，煤矸石混凝土水化過(guò)程中水化產(chǎn)物優(yōu)先填充大孔隙.

2.4.4 孔隙半徑分布

將膠粉煤矸石混凝土的孔隙尺寸θ分布劃分為無(wú)害孔(θ≤0.02 μm)、少害孔(0.02 μm<θ≤0.05 μm)、有害孔(0.05 μm<θ≤0.20 μm)、多害孔(θ>0.20 μm)共計(jì)4個(gè)區(qū)間，并分別統(tǒng)計(jì)4個(gè)尺寸區(qū)間孔隙范圍體積所占的百分比δ，如圖9所示.相較于基準(zhǔn)組，隨著膠粉摻量增加，無(wú)害孔與多害孔占比逐漸減少；數(shù)據(jù)表明，膠粉顆粒對(duì)混凝土內(nèi)部較大孔隙具有填充作用，減少了多害孔的產(chǎn)生，使得較大孔徑向中、小孔徑演化.

圖9 煤矸石混凝土孔徑分布

2.5 抗壓強(qiáng)度與孔隙結(jié)構(gòu)灰色關(guān)聯(lián)分析

1) 確定系統(tǒng)的主序列和子序列；設(shè)孔隙參數(shù)(孔隙度P，束縛流體飽和度Swi，自由流體飽和度Swf，滲透率Sp，總峰面積Sa)和孔徑分類(lèi)：無(wú)害孔(θ≤0.02 μm)、少害孔(0.02 μm<θ≤0.05 μm)、有害孔(0.05 μm<θ≤0.20 μm)、多害孔(θ>0.20 μm)為子序列,膠粉煤矸石混凝土的28 d抗壓強(qiáng)度為主序列.原始數(shù)據(jù)如表2所示.表中δ1，δ2,δ3，δ4分別為無(wú)害孔、少害孔、有害孔、多害孔孔隙范圍體積所占百分比.

2) 主序列和子序列的量綱一化；對(duì)主序列和子序列進(jìn)行量綱一化處理，得到各序列初像值.

3) 計(jì)算主序列與子序列的絕對(duì)差.

4) 計(jì)算序列絕對(duì)值的最大值與最小值.

由混凝土的主序列與子序列之差可知，最大值Max=1.588 710 278,最小值Min=0.000 587 965.

5) 計(jì)算關(guān)聯(lián)系數(shù).

(3)

式中：ζ為分辨系數(shù)，一般為0～1，通常取ζ=0.5.

表2 孔隙參數(shù)與抗壓強(qiáng)度原始數(shù)據(jù)

6) 計(jì)算關(guān)聯(lián)度

運(yùn)用灰色關(guān)聯(lián)度分析方法：

(4)

其中，Ri為主序列與子序列的灰關(guān)聯(lián)度，其值越接近1，說(shuō)明二者關(guān)聯(lián)性越好.

得出的關(guān)聯(lián)度C如表3所示，即

表3 關(guān)聯(lián)度

7) 關(guān)聯(lián)度排序.由表3的結(jié)果可知，在孔隙特征參數(shù)中，束縛流體飽和度與煤矸石混凝土抗壓強(qiáng)度關(guān)聯(lián)度最高；在孔徑分類(lèi)中，θ>0.20 μm孔徑與煤矸石混凝土抗壓強(qiáng)度關(guān)聯(lián)度最高；選用關(guān)聯(lián)度最高的參數(shù)建立模型.

(5)

式中：a和bj構(gòu)成系數(shù)矢量a=[ab2b3]T,根據(jù)最小二乘法可得模型系數(shù)矢量方程a=(BTB)-1BTY,其中

(6)

該模型即為束縛流體飽和度和θ>0.20 μm孔隙半徑占比與抗壓強(qiáng)度的函數(shù)關(guān)系，參考文獻(xiàn)[10-11],將束縛流體飽和度、θ>0.20 μm孔隙半徑占比和抗壓強(qiáng)度數(shù)據(jù)作為建模集，將試驗(yàn)所得束縛流體飽和度、θ>0.20 μm孔隙半徑占比和抗壓強(qiáng)度數(shù)據(jù)作為驗(yàn)證集.將試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)代入GM(1.3)模型中，得到膠粉煤矸石混凝土預(yù)測(cè)模型為

(7)

GM(1,3)模型預(yù)測(cè)結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的比較如表4所示.由表可以得出，膠粉煤矸石混凝土抗壓強(qiáng)度的模型預(yù)測(cè)值xa與實(shí)際值x的相對(duì)誤差σ均值為2.56%，具有足夠的精度，可以通過(guò)混凝土孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)和孔隙半徑區(qū)間占比對(duì)其抗壓強(qiáng)度p進(jìn)行預(yù)測(cè).

表4 GM(1，3)模型預(yù)測(cè)結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果比較

3 結(jié) 論

1) 從工程用途技術(shù)參數(shù)角度而言，煤矸石骨料用于制備滿足護(hù)坡混凝土材料或中低強(qiáng)度混凝土是可行的.混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)表明，20目膠粉的摻入降低了煤矸石混凝土的抗壓和劈裂抗拉強(qiáng)度.摻量為3%的膠粉煤矸石混凝土影響顯微，這為廢舊橡膠的再生利用提供了可靠的途徑.

3) 膠粉煤矸石混凝土主要呈現(xiàn)“三峰”結(jié)構(gòu)，隨著膠粉摻量的增加，T2譜面積與膠粉摻量呈現(xiàn)正相關(guān).膠粉的摻入降低了多害孔的孔隙占比，數(shù)據(jù)表明，膠粉顆粒具有填充孔隙的作用，減少大孔徑的產(chǎn)生，優(yōu)化孔隙結(jié)構(gòu).

4) 膠粉煤矸石混凝土的抗壓強(qiáng)度與束縛流體飽和度(關(guān)聯(lián)度0.951 06)和θ>0.20 μm孔隙半徑占比(關(guān)聯(lián)度0.963 86)灰熵關(guān)聯(lián)度最大，建立膠粉煤矸石混凝土抗壓強(qiáng)度與束縛流體飽和度和θ>0.20 μm孔隙半徑占比的灰色模型GM(1，3)，模型預(yù)測(cè)值與試驗(yàn)值的評(píng)價(jià)相對(duì)誤差為2.56%，可以通過(guò)混凝土孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)和孔隙半徑區(qū)間占比對(duì)其抗壓強(qiáng)度進(jìn)行預(yù)測(cè).