礦用煤矸石混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)研究

張道平

(國(guó)家能源集團(tuán) 神東煤炭經(jīng)銷(xiāo)中心,陜西 神木 719315)

煤矸石是煤炭資源開(kāi)采和洗選過(guò)程中的一種必然產(chǎn)物。相關(guān)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明,我國(guó)煤矸石的產(chǎn)出率占到原煤產(chǎn)量的15%～20%[1-3]。按照2021年原煤產(chǎn)量41億噸計(jì)算,全國(guó)煤矸石產(chǎn)出率約為6億噸,已經(jīng)成為我國(guó)大宗固體廢棄物之一[4-7]。在全面推進(jìn)大宗固體廢棄物綜合利用和發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)的背景下,我國(guó)煤矸石的綜合利用率得到穩(wěn)步提升,形成了以生產(chǎn)建筑材料、采煤塌陷區(qū)的環(huán)境治理、礦井煤矸石固體充填和鹽堿地、沙漠化土地的生態(tài)修復(fù)為代表的煤矸石綜合利用技術(shù)體系。

考慮到煤矸石的主要成分為Al2O3和SiO2,與天然骨料混凝土中使用的砂石資源具有相似的礦物組成,國(guó)內(nèi)外相關(guān)學(xué)者提出采用煤矸石作為混凝土骨料制備綠色混凝土的思路,并開(kāi)展了大量研究。段曉牧等[8-9]通過(guò)實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)的方法研究了產(chǎn)自不同地區(qū)的煤矸石在不同顆粒分布特征和預(yù)處理?xiàng)l件下的物理力學(xué)特性,驗(yàn)證了煤矸石作為混凝土骨料的可行性;李永靖等[10]研究了采用煤矸石和普通碎石制備的混凝土試件的耐久性問(wèn)題,驗(yàn)證了煤矸石骨料制備混凝土的可行性;朱愿愿等[11]使用煅燒過(guò)的煤矸石細(xì)骨料制備水泥砂漿,結(jié)果表明砂漿的早期強(qiáng)度提升較為明顯;顧云等[12]的研究結(jié)果表明煤矸石骨料摻量與混凝土單軸抗壓強(qiáng)度之間具有負(fù)相關(guān)性。白國(guó)梁等[13]研究發(fā)現(xiàn)采用煤矸石混凝土和天然骨料混凝土制作的梁結(jié)構(gòu)的變形破壞模式差異不大。上述研究結(jié)果表明:采用煤矸石骨料部分替代天然骨料制備綠色混凝土構(gòu)件從理論和技術(shù)方面上是可行的。

考慮到建筑結(jié)構(gòu)對(duì)材料力學(xué)性能和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的雙重要求,為確保煤矸石混凝土具備良好的力學(xué)性能和結(jié)構(gòu)耐久性,國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究人員在理論方面進(jìn)行研究,但在實(shí)際工程領(lǐng)域的應(yīng)用相對(duì)較少[14-15]。然而,對(duì)于煤礦井下工程(如巷道底板硬化、噴射涂層、巷旁充填等)而言,通常對(duì)混凝土強(qiáng)度和變形能力的要求相對(duì)較低,為大摻量煤矸石混凝土的制備提供了可能[16-18]。尤其隨著井下煤矸智能分選技術(shù)的成熟,在煤礦井下就地制備大摻量煤矸石混凝土的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益將更加明顯。

為此,本研究項(xiàng)目選取國(guó)家能源集團(tuán)烏蘭木倫礦煤矸石為研究對(duì)象,以煤矸石骨料類(lèi)型(粗骨料和細(xì)骨料)和骨料替代率為變量,開(kāi)展面向礦山工程應(yīng)用背景的煤矸石混凝土物理力學(xué)性能試驗(yàn)研究。取得的相關(guān)研究成果對(duì)于進(jìn)一步促進(jìn)“碳中和、碳達(dá)峰”目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)和推動(dòng)綠色經(jīng)濟(jì)社會(huì)轉(zhuǎn)型方面具有重要的作用。

1 實(shí)驗(yàn)方案

1.1 試件概述

本試驗(yàn)研究總共測(cè)試了21個(gè)標(biāo)準(zhǔn)圓柱試樣(直徑150 mm,高度300 mm)。如表1所示,按照混凝土的類(lèi)型,可以將上述試件劃分為天然骨料混凝土(Natural Aggregate Concrete,NAC)和煤矸石混凝土(Coal Gangue Concrete,CGC)2個(gè)類(lèi)型。其中,天然骨料混凝土包括3個(gè)配比完全相同的未使用煤矸石骨料的標(biāo)準(zhǔn)試件。對(duì)于煤矸石混凝土,根據(jù)粗骨料和細(xì)骨料的體積替代率的不同,將其劃分為6個(gè)小組。其中,粗骨料的替代率分別設(shè)定為25%,50%和100%,細(xì)骨料的替代率分為2種。一種為0%(即沒(méi)有細(xì)骨料替代),另一種設(shè)定為相應(yīng)組別中粗骨料替代率取值的一半。

表1 試件情況一覽

為便于后續(xù)比較說(shuō)明,給具有相同配比的煤矸石混凝土給予一個(gè)組名,其中組別中最前面的CGC代表煤矸石混凝土,后續(xù)的兩個(gè)阿拉伯?dāng)?shù)字分別代表粗骨料和細(xì)骨料的替代率。以CGC-25-12.5為例,該組所有的試件均為煤矸石混凝土試件,其中粗骨料和細(xì)骨料的替代率分別為25%和12.5%(細(xì)骨料的取代率為該組試件粗骨料替代率取值的一半)。

1.2 材料性能

試驗(yàn)所用的用于制備煤矸石混凝土的矸石選自國(guó)家能源集團(tuán)烏蘭木倫煤礦,天然骨料、水泥和其他的相關(guān)材料采購(gòu)于廣州市本地建材市場(chǎng)。為保證煤矸石混凝土和天然骨料混凝土物理力學(xué)性能和工作性能的可比性,在開(kāi)始試驗(yàn)前,對(duì)煤矸石骨料進(jìn)行了篩分與清洗。對(duì)去除明顯雜質(zhì)的煤矸石骨料進(jìn)行自然晾曬風(fēng)干,具體流程如圖1所示。

圖1 煤矸石骨料預(yù)處理

從圖2可以看出,煤矸石骨料和天然砂石骨料在外觀形態(tài)方面的區(qū)別主要體現(xiàn)在顏色和形狀方面。其中,煤矸石骨料的顏色相對(duì)偏深且顆粒以片狀為主。為進(jìn)一步比較煤矸石骨料和天然骨料的區(qū)別,通過(guò)實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)的方法測(cè)定了兩種骨料的密度、吸水率和巖石破碎系數(shù)。

圖2 煤矸石骨料和天然砂石骨料外觀形態(tài)對(duì)比分析

試驗(yàn)結(jié)果表明:煤矸石粗細(xì)骨料的密度(2 380 kg/m3和2 440 kg/m3)與天然骨料(2 660 kg/m3和2 630 kg/m3)的差別不是很大,這與前人研究的結(jié)果基本保持一致。然而,煤矸石粗細(xì)骨料的飽和吸水率(8.4%和11.65%)明顯高于天然粗細(xì)骨料(1.8%和2.3%)?？紤]到煤矸石骨料的破碎系數(shù)約為天然骨料的2倍,側(cè)面反映出煤矸石骨料具有較小的自身強(qiáng)度。

1.3 煤矸石混凝土配比設(shè)計(jì)

參照天然骨料混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)范,按照水灰比為0.5的標(biāo)準(zhǔn),結(jié)合煤矸石骨料和天然砂石骨料密度、吸水率等參數(shù),確定表2所示的配比方案。表2中所述的組成混凝土的材料重量為理論計(jì)算得到的單位體積(每立方米)混凝土所需要的原材料的使用量?？紤]到煤矸石骨料和天然砂石骨料密度方面的差異性,本文選取體積替代率作為研究變量,研究不同煤矸石骨料摻量條件下的煤矸石混凝土力學(xué)性能的差異性。表2中煤矸石骨料取代天然骨料的比例為體積替代率。

表2 煤矸石混凝土配比設(shè)計(jì)

1.4 試驗(yàn)裝置及加載方式

如圖3(a)所示,所有混凝土試件均在MATEST微機(jī)控制電液伺服萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上完成。試驗(yàn)采用位移加載的方式,設(shè)定平均加載速率0.18 mm/min.在測(cè)試開(kāi)始之前采用高強(qiáng)石膏對(duì)所有混凝土試件的上下端頭進(jìn)行處理,以保證混凝土試件在加載過(guò)程中的良好受力狀態(tài)。為了更好地記錄試件的變形情況,分別采用應(yīng)變片和位移計(jì)測(cè)定試件在軸壓作用下的位移和應(yīng)變情況。包括壓力、位移和應(yīng)變?cè)趦?nèi)的數(shù)據(jù)通過(guò)TDS-530靜態(tài)數(shù)據(jù)采集儀自動(dòng)完成。

圖3 主要儀器設(shè)備

采用圖3(b)所示的混凝土塌落度測(cè)試儀器對(duì)不同配比條件下混凝土的工作性能進(jìn)行測(cè)試,結(jié)果表明:煤矸石混凝土的整體工作性能優(yōu)于普通混凝土。

2 試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果分析

2.1 典型試件破壞模式

圖4為典型煤矸石混凝土試件的破壞模式。

圖4 典型試件破壞模式示意

從圖4可以看出:煤矸石混凝土的破壞模式與天然砂石骨料混凝土試件并沒(méi)有本質(zhì)的區(qū)別,兩者均以剪切破壞模式為主。隨著煤矸石摻量的增加,對(duì)于煤矸石混凝土的剪切破壞的程度有所降低,具體表現(xiàn)為沿著剪切破壞面周?chē)霈F(xiàn)一定程度的分布不規(guī)律的裂紋。造成這種破壞模式的主要原因在于煤矸石骨料的低強(qiáng)度,導(dǎo)致了變形破壞過(guò)程中骨料自身的不規(guī)律性破壞。

2.2 骨料替代率對(duì)混凝土單軸抗壓強(qiáng)度的影響

圖5為不同煤矸石骨料替代率對(duì)應(yīng)的煤矸石混凝土強(qiáng)度參數(shù)?？梢钥闯?

圖5 煤矸石骨料替代率對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響

1) 與天然骨料混凝土相比,煤矸石混凝土試件的單軸抗壓強(qiáng)度普遍較低,且隨著骨料替代率的增加呈顯著下降的趨勢(shì)。當(dāng)煤矸石粗細(xì)骨料替代率分別為100%和50%時(shí),試件的單軸抗壓強(qiáng)度僅為天然骨料混凝土的20%.

2) 對(duì)于具有相同煤矸石粗骨料替代率的試件而言,其抗壓強(qiáng)度的差異性不是十分明顯,表明煤矸石細(xì)骨料的替代率對(duì)其單軸抗壓強(qiáng)度的影響不是十分明顯。造成上述現(xiàn)象的主要原因在于煤矸石粗骨料自身較低的強(qiáng)度和其內(nèi)部的多孔結(jié)構(gòu)。不同于天然砂石骨料混凝土,煤矸石混凝土的破壞主要集中在骨料的破壞而非水泥-骨料膠結(jié)面的破壞。盡管如此,煤矸石混凝土的強(qiáng)度依然可以滿足井下充填和沿空留巷構(gòu)筑物對(duì)強(qiáng)度的基本要求。

2.3 骨料替代率對(duì)混凝土軸向峰值應(yīng)變的影響

圖6為不同煤矸石骨料替代率條件下混凝土的峰值應(yīng)變。從圖中可以看出:對(duì)于煤矸石骨料替代率較大的煤矸石混凝土試件而言,其軸向峰值應(yīng)變相對(duì)較大。尤其當(dāng)煤矸石粗骨料替代率為100%,細(xì)骨料替代率為50%時(shí),煤矸石混凝土的縱向應(yīng)變比天然砂石骨料混凝土增加了50%以上。上述現(xiàn)象表明,通過(guò)增加煤矸石混凝土中煤矸石骨料的含量可以有效地改善混凝土的脆性特征,進(jìn)一步提高了混凝土的變形能力。

圖6 煤矸石骨料替代率對(duì)軸向應(yīng)變影響

2.4 煤矸石骨料替代率對(duì)混凝土彈性模量的影響

圖7為不同煤矸石骨料替代率條件下混凝土彈性模量的變化規(guī)律?？梢钥闯?與天然砂石骨料混凝土相比,煤矸石混凝土的彈性模量普遍較低。隨著煤矸石骨料摻量的增加,煤矸石混凝土的彈性模量呈現(xiàn)出顯著降低的趨勢(shì)。當(dāng)煤矸石粗骨料替代率分別為25%、50%和100%時(shí),混凝土彈性模量分別減少了47.7%、65.8%和88.6%.主要原因在于:①煤矸石骨料(特別是粗骨料)的多孔結(jié)構(gòu),使得制備的煤矸石混凝土內(nèi)部存在一定的空洞,軸向荷載作用下容易出現(xiàn)變形;②煤矸石骨料特殊的片狀結(jié)構(gòu)和較低的強(qiáng)度,導(dǎo)致其在混凝土制備過(guò)程中發(fā)生破壞。破壞后的煤矸石骨料級(jí)配比變差,骨料較大地比表面積使其無(wú)法有效地聚集足夠的砂漿,影響到混凝土的致密性。

圖7 煤矸石骨料替代率對(duì)彈性模量的影響

3 結(jié) 語(yǔ)

本文介紹了一種面向礦山工程應(yīng)用領(lǐng)域的大體積摻量煤矸石混凝土。在系統(tǒng)測(cè)試煤矸石骨料物理力學(xué)性能的基礎(chǔ)上,通過(guò)對(duì)21個(gè)標(biāo)準(zhǔn)圓柱試樣軸壓力學(xué)性能的試驗(yàn)研究,對(duì)不同煤矸石摻量條件下的破壞模式、抗壓強(qiáng)度、極限應(yīng)變和彈性模量等參數(shù)進(jìn)行分析,得到以下結(jié)論:

1) 煤矸石骨料和天然砂石骨料由類(lèi)似的礦物組成,但其吸水率和破碎系數(shù)相對(duì)偏大;

2) 軸向荷載作用下煤矸石混凝土的破壞模式以剪切破壞為主,伴隨著不同程度的劈裂破壞;

3) 煤矸石混凝土的強(qiáng)度和彈性模量與煤矸石骨料摻量具有顯著的呈負(fù)相關(guān)特性;

4) 煤矸石混凝土的變形能力與煤矸石骨料摻量具有一定的正相關(guān)特性。