煤矸石粉對水泥混凝土路用性能的影響研究

基金項目：2023年度廣西高校中青年教師科研基礎(chǔ)能力提升項目“礦物摻合料對活性粉末混凝土性能影響研究”（編號：2023KY1162）

作者簡介：鄧 君（1982—），工程師，研究方向：公路試驗檢測。

摘要：文章以煤矸石粉摻量為變量，測試煤矸石粉混凝土的路用性能指標(biāo)，探究煤矸石粉對不同強(qiáng)度等級混凝土路用性能的影響規(guī)律及影響機(jī)理。結(jié)果表明：當(dāng)煤矸石粉的摻量＜9%，煤矸石粉的摻入可以改善路用混凝土的坍落度、凝結(jié)時間、含氣量和初凝時間，摻量過高則反之；路用混凝土的強(qiáng)度隨煤矸石粉摻量的增加呈現(xiàn)出遞減的規(guī)律，當(dāng)煤矸石粉摻量較高時，混凝土的強(qiáng)度衰減幅度較大；當(dāng)煤矸石粉的摻量＜9%時，煤矸石粉的摻入對路用混凝土的抗?jié)B性、抗碳化性等耐久性能具有積極的影響，而當(dāng)摻量＞12%時，混凝土的滲透高度和碳化深度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于不摻煤矸石粉的混凝土；煤矸石粉可替代部分水泥在路用混凝土中進(jìn)行應(yīng)用，建議煤矸石粉的摻量在9%以下。

關(guān)鍵詞：煤矸石粉；混凝土；強(qiáng)度等級；路用性能指標(biāo)

中圖分類號：U416.216

0 引言

我國是世界上最大的煤炭生產(chǎn)國，煤炭生產(chǎn)量占世界產(chǎn)量的50%以上^［1］。煤矸石是采煤過程中排放的固體廢物，煤矸石含碳量較低，且硬度比煤大，目前煤矸石集料已經(jīng)在路基填料、混凝土骨料等領(lǐng)域已有較多應(yīng)用^［2-3］。煤矸石粉是從煤矸石集料破碎過程中分離出的固體顆粒，其粒徑＜0.075 mm。煤矸石粉直接排放后會造成嚴(yán)重的環(huán)境問題，因此，如何對煤矸石粉進(jìn)行再利用是亟須解決的工程問題和環(huán)境問題。

張亞婕等研究了煤矸石粉對瀝青混凝土路用性能的影響，結(jié)果表明：一定摻量的煤矸石粉可以改善瀝青混凝土的馬歇爾穩(wěn)定度等性能^［4-5］。Zhennan Su等研究了煤矸石粉對水泥混凝土界面過渡區(qū)的影響，結(jié)果表明：適量的煤矸石粉可以改善混凝土微觀孔隙和界面過渡區(qū)的結(jié)構(gòu)^［6］。關(guān)虓等研究了煤矸石粉對凍融環(huán)境下的混凝土的毛細(xì)吸水性能的影響規(guī)律，結(jié)果表明：煤矸石粉對優(yōu)化混凝土的孔隙結(jié)構(gòu)具有積極意義，其中摻量為20%時最為適宜^［7-8］。Jiesheng Qiu等的研究表明：活化煤矸石粉起到火山灰效應(yīng)，對混凝土耐久性有積極影響^［9］。

綜上所述，國內(nèi)外學(xué)者已對煤矸石粉在瀝青混合料、路基填料等領(lǐng)域有較多研究，目前煤矸石粉在路用混凝土的應(yīng)用和研究較少，因此探索煤矸石粉對混凝土的流動性、強(qiáng)度和耐久性等路用性能的影響規(guī)律，對煤矸石粉在路用混凝土中的推廣應(yīng)用具有重要意義。

1 原材料及試驗

1.1 試驗原材料

水：自來水，符合路用混凝土拌和用水的要求；水泥：P·Ⅰ 52.5級硅酸鹽水泥，比表面積為334 m²/kg，表觀密度為3 147 kg/m³；減水劑：聚羧酸高性能減水劑，減水率為26%，摻量為1.0%；煤矸石粉：煤矸石破碎過程中篩分得到，黑色粉狀，粒徑＜0.075 mm，比表面積為416 m²/kg，表觀密度為2 456 kg/m³；細(xì)集料：精品機(jī)制砂，母巖為石灰?guī)r，細(xì)度模數(shù)為2.83，石粉含量為2.1%，表觀密度為2 688 kg/m³，亞甲藍(lán)值為0.5%；粗集料 ：母巖為石灰?guī)r，分為5～10 mm和10～20 mm兩檔，表觀密度分別為2 695 kg/m³和2 701 kg/m³。

1.2 配合比設(shè)計

共設(shè)計強(qiáng)度等級分別為C20、C30和C40三組強(qiáng)度等級的混凝土配合比，每組中以煤矸石粉摻量為控制變量，煤矸石粉摻量分別控制為0、3%、6%、9%、12%、15%和18%，配合比參數(shù)如下頁表1所示。

1.3 試驗方法

按照表1所示的配合比對混凝土混合料進(jìn)行稱料、拌和、標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)，依據(jù)《公路工程水泥及水泥混凝土試驗規(guī)程》（JTG 3420-2020）（以下簡稱《試驗規(guī)程》）中規(guī)定的方法對混凝土拌和物的坍落度、稠度（維勃稠度法），含氣量和凝結(jié)時間（初凝）進(jìn)行測試，同時根據(jù)《試驗規(guī)程》中規(guī)定的方法對硬化混凝土的28 d抗壓強(qiáng)度、28 d抗彎拉強(qiáng)度、28 d劈裂抗拉強(qiáng)度、滲透高度、抗碳化性、耐磨性等力學(xué)性能和耐久性能進(jìn)行測試。

2 結(jié)果與討論

2.1 混凝土拌和物性能分析（圖1）

如下頁圖1（a）所示，當(dāng)煤矸石粉的摻量＜9%時，混凝土的坍落度隨煤矸石粉摻量增加呈現(xiàn)出小幅度增大的趨勢，當(dāng)煤矸石粉摻量＞9%時，坍落度隨煤矸石粉摻量增加呈現(xiàn)出遞減的趨勢，當(dāng)煤矸石粉摻量達(dá)到18%時，混凝土的坍落度遠(yuǎn)低于不摻煤矸石粉的混凝土，混凝土的流動性出現(xiàn)較大程度的損失。煤矸石粉在混凝土中主要起滾珠作用、填充作用、吸附作用。當(dāng)煤矸石粉含量較低時，煤矸石粉可以優(yōu)化混合料的級配，釋放出原本用于填充這些混合料空隙的水，從而使混凝土混合料體系的富余水含量增加，且煤矸石粉的摻入可降低集料間的摩擦阻力，此現(xiàn)象稱為“滾珠效應(yīng)”，因此低摻量的煤矸石粉可以改善混凝土的流動性^［10］。煤矸石粉的比表面積為416 m²/kg，大于水泥的比表面面積，因此在混凝土拌和物中，相同質(zhì)量的煤矸石粉表面吸附的水膜質(zhì)量大于水泥，故當(dāng)煤矸石粉摻量較高時，混凝土的坍落度隨煤矸石粉摻量的增加呈現(xiàn)出遞減的規(guī)律。填充作用可以增加混凝土的流動性，而吸附作用會降低混凝土的流動性，因此可以得出：當(dāng)煤矸石粉摻量較低時，煤矸石粉的填充作用較為顯著；當(dāng)煤矸石粉摻量較高時，煤矸石粉的吸附作用更為顯著。

如圖1（b）所示，當(dāng)煤矸石粉摻量＜12%時，煤矸石粉摻量對混凝土的稠度幾乎沒有影響，當(dāng)煤矸石粉摻量＞12%時，混凝土的稠度隨煤矸石粉摻量的增加呈現(xiàn)出遞增的趨勢，其中C20混凝土尤為明顯。當(dāng)煤矸石粉摻量較高時，煤矸石粉吸附較多水分，混凝土混合料體系的自由水含量降低，因此混凝土的稠度也隨之增大。

如圖1（c）所示，當(dāng)煤矸石粉的摻量＜12%時，煤矸石粉摻量對混凝土的含氣量影響較小，當(dāng)煤矸石粉摻量＞12%時，混凝土的含氣量隨煤矸石粉摻量的增加呈現(xiàn)出遞減的規(guī)律。當(dāng)煤矸石粉的摻量較高時，煤矸石粉表面吸附了較多自由水，導(dǎo)致混凝土的流動性較差，稠度較高，呈現(xiàn)出低塑性狀態(tài)，因此混凝土拌和物的密實性較差，含氣量較高。

如圖1（d）所示，混凝土的初凝時間隨煤矸石粉摻量的增加呈現(xiàn)出先增加后減小的規(guī)律。當(dāng)煤矸石粉摻量達(dá)18%時，混凝土的初凝時間遠(yuǎn)低于不摻煤矸石粉的混凝土。水泥顆粒遇水后，表面的礦物立即發(fā)生水化反應(yīng)生成水化物凝膠，使混凝土混合料體系的自由水含量減少，且水化物凝膠之間有鍵能作用，所以隨著水泥水化反應(yīng)的進(jìn)行，混凝土逐漸失去塑性^［11-13］。煤矸石粉具備一定的活性但活性較差，當(dāng)混凝土拌和物中摻入較低劑量的煤矸石粉后，短時間內(nèi)水泥水化反應(yīng)產(chǎn)生的水化物較少，因此失去塑性的時間較長，凝結(jié)時間增加。當(dāng)混凝土中摻入較高劑量的煤矸石粉后，體系自由水含量減小，因此水泥、骨料以及水泥水化物的濃度較高，固體顆粒之間的相互作用力增強(qiáng)，混凝土失去塑性的時間較長，因此高劑量的煤矸石粉會降低混凝土的凝結(jié)時間。

2.2 混凝土力學(xué)性能分析（圖2）

如圖2所示，隨著煤矸石粉摻量的增加，混凝土的28 d抗壓強(qiáng)度、28 d劈裂抗拉強(qiáng)度和28 d抗彎拉強(qiáng)度均大致呈現(xiàn)出遞減的規(guī)律。隨著煤矸石粉摻量增加，混合料體系內(nèi)的水泥含量增加，28 d時水化反應(yīng)產(chǎn)生的水化物隨之減少，加之煤矸石本身的水穩(wěn)定性較差，煤矸石吸水后強(qiáng)度會出現(xiàn)較大幅度的降低，因此混凝土的強(qiáng)度隨煤矸石粉摻量的增加呈現(xiàn)出遞減的趨勢^［14］。雖然低劑量的煤矸石粉可以改善混合料顆粒的級配，增加混合料體系的密實性，但對混凝土強(qiáng)度的影響效果并不明顯。除此之外，煤矸石的強(qiáng)度低于石灰?guī)r，水泥水化后，水泥水化物與煤矸石之間產(chǎn)生的范德華力較小，煤矸石粉和水泥水化共同形成的界面過渡區(qū)性能較弱，摻煤矸石粉的混凝土強(qiáng)度較低^［3］。當(dāng)煤矸石粉摻量較低時，混凝土仍然滿足路用混凝土的強(qiáng)度設(shè)

計要求，當(dāng)煤矸石粉的摻量＞12%，煤矸石粉的摻入會較大程度地折損混凝土的強(qiáng)度。

2.3 混凝土耐久性能分析（圖3）

混凝土的抗?jié)B性能是混凝土耐久性能的關(guān)鍵指標(biāo)，混凝土的抗?jié)B性可以間接反映內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)的優(yōu)劣。如下頁圖3（a）所示，當(dāng)煤矸石粉的摻量＜12%時，煤矸石粉摻量對混凝土的滲透高度影響不大，大致呈減小的規(guī)律，C20混凝土的滲透高度維持在＜40 mm，C30和C40混凝土的滲透高度維持在＜30 mm。當(dāng)煤矸石粉摻量＞12%時，混凝土試塊的滲透高度隨煤矸石粉摻量的增加呈現(xiàn)出大幅遞增的趨勢。雖然煤矸石粉活性較差，導(dǎo)致混凝土最終反應(yīng)生成的水化物少于不摻煤矸石粉的混凝土，但煤矸石粉對水泥的空隙可以起到很好的填充作用，所以低摻量的煤矸石粉對混凝土的抗?jié)B性能沒有明顯的影響。當(dāng)煤矸石粉的摻量較高時，一方面因煤矸石粉的顆粒粒徑較小，且吸水率高，造成混合料整體的自由水含量較少，混合料的流動性較差，密實性較差，孔隙率較高；另一方面當(dāng)煤矸石粉摻量較高時，水泥水化產(chǎn)生的水化物少于不摻煤矸石粉的混凝土，因此混凝土內(nèi)部存在較多的連通孔隙，這些連通孔隙就是水和其它侵蝕物體流通的通道，在煤矸石粉摻量較高時，混凝土的水滲透高度較大，抗?jié)B能力小于不摻煤矸石粉的混凝土。

如下頁圖3（b）所示，強(qiáng)度越高的混凝土相同條件下的碳化深度越小，抗碳化能力越強(qiáng)，C20混凝土的28 d碳化深度＞10 mm，當(dāng)煤矸石粉摻量較高時，碳化深度可達(dá)20 mm以上。當(dāng)煤矸石粉摻量＜9%時，混凝土在28 d的碳化齡期內(nèi)的碳化深度為0，當(dāng)煤矸石粉摻量小于＜9%時，C20和C30混凝土的碳化深度隨煤矸石粉摻量的增加呈現(xiàn)出減小的規(guī)律，說明低摻量的煤矸石粉對混凝土的碳化起到抑制作用。當(dāng)煤矸石粉的摻量＞9%時，混凝土的碳化深度隨煤矸石粉摻量的增加呈現(xiàn)出遞減的規(guī)律。如圖4所示分別為不摻煤矸石粉的混凝土SEM掃描圖片，可以發(fā)現(xiàn)，隨著混凝土強(qiáng)度等級的提高，混凝土的孔隙尺寸和孔隙數(shù)量均越少，而這些孔隙是CO₂侵蝕混凝土的通道，CO₂進(jìn)入混凝土后溶于孔隙溶液，溶液呈酸性，會與混凝土中的Ca（OH）₂、C-S-H等堿性物質(zhì)發(fā)生碳化反應(yīng)，嚴(yán)重威脅混凝土的耐久性能。當(dāng)混凝土中摻入較低含量的煤矸石粉時，煤矸石粉與水泥顆粒之間可以共同形成較好的級配，改善混凝土拌和物的流動性，增加混凝土的密實性能，使混凝土內(nèi)部的大孔隙數(shù)量減少。同時，煤矸石粉摻入后與水泥水化生成的水泥石的界面過渡區(qū)排列更加更加緊密，小孔隙和連通孔隙較少，因此較低摻量的煤矸石粉可以改善混凝土的碳化耐久性。當(dāng)煤矸石粉摻量較高時，混凝土的流動性較差，且因煤矸石粉的吸水量較高導(dǎo)致混凝土的有效含水量減少，導(dǎo)致混凝土的大孔隙和小孔隙的數(shù)量均較多，所以混凝土的碳化深度隨之增大。

3 結(jié)語

（1）當(dāng)煤矸石粉的摻量＜9%時，煤矸石粉的摻入可以改善路用混凝土的坍落度、凝結(jié)時間、含氣量和初凝時間，摻量過高則反之。

（2）路用混凝土的強(qiáng)度隨煤矸石粉摻量的增加呈現(xiàn)出遞減的規(guī)律，且當(dāng)煤矸石粉摻量＜12%時，混凝土仍然滿足強(qiáng)度設(shè)計要求。當(dāng)煤矸石粉摻量較高時，混凝土的強(qiáng)度衰減幅度較大。

（3）當(dāng)煤矸石粉的摻量＜9%時，煤矸石粉的摻入對路用混凝土的抗?jié)B性、抗碳化性等耐久性能具有積極的影響；當(dāng)摻量大于12%時，混凝土的滲透高度和碳化深度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于不摻煤矸石粉的混凝土。

（4）綜上所述，煤矸石粉可替代部分水泥在路用混凝土中進(jìn)行應(yīng)用，建議煤矸石粉的摻量在9%以下。

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收稿日期：2023-03-28