自燃煤矸石骨料在预拌混凝土中的应用研究

周 梅，李高年，张 倩，崔翰博

（辽宁工程技术大学 建筑工程学院，辽宁 阜新 123000）

中国有10%（质量分数）左右的过火煤矸石经破碎、筛分，可直接制成骨料，即自燃煤矸石骨料，这种骨料以其质量较好、储量较大、易开采、价格低廉等特点，在轻骨料家族中占有一席之地［1－4］.20世纪80年代用自燃煤矸石骨料配制的混凝土构件在阜新地区被广泛应用，但随着预拌混凝土的出现，自燃煤矸石骨料混凝土在阜新地区销声匿迹了.究其原因主要有：（1）自燃后的煤矸石孔隙率大、吸水率高，搅拌过程中会吸收大量的混凝土拌和水，使拌和物干稠，坍落度经时损失严重，不能满足预拌混凝土大流动性的施工要求；（2）自燃煤矸石骨料在粒形、级配、表面质构、强度等方面与天然砂、石存在明显差别，其许多性能指标介于轻骨料与天然骨料之间，没有可遵循的配合比设计方法；（3）自燃煤矸石骨料混凝土的耐久性受到工程界质疑［5－7］.

本文以自燃煤矸石粗、细骨料的附加水及预湿时间为研究对象，通过混凝土稠度和强度试验，揭示二者对混凝土拌和物工作性、硬化强度的影响，并以此修正配合比设计中的单位用水量.同时，研究了预拌自燃煤矸石骨料混凝土的抗氯离子渗透性能和抗冻性能，以期为这种混凝土的应用提供技术支撑.

1 试验概况

试验用自燃煤矸石取自阜新清河门矿，经破碎、筛分和组配，将粒径＜5 mm 和5 mm＜粒径≤20mm的自燃煤矸石分别作细、粗骨料.自燃煤矸石骨料和天然骨料的技术性能指标见表1，孔隙结构特征见图1，2.试验用水泥为P·O 42.5普通硅酸盐水泥，掺合料为Ⅱ级粉煤灰和S95矿粉，减水剂为萘系高效减水剂.自燃煤矸石细骨料或粗骨料的置换率均为100%（质量分数）.预拌自燃煤矸石骨料混凝土稠度和强度试验配合比见表2，抗氯离子渗透及抗冻试验配合比见表3.

表1 自燃煤矸石骨料和天然骨料的性能指标Table 1 Performance of spontaneous combustion coal gangue aggregate and natural aggregate

图1 自燃煤矸石与天然骨料的孔径分布Fig.1 Pore size distribution of spontaneous combustion coal gangue and natural aggregate

图2 自燃煤矸石与天然骨料累计孔径面积分布Fig.2 Accumulated pore area distribution of spontaneous combustion coal gangue and natural aggregate

表2 预拌自燃煤矸石骨料混凝土稠度和强度试验的配合比Table 2 Mix proportion for consistency，strength test of ready－mixed spontaneous combustion coal gangue aggregate concrete

表3 预拌自燃煤矸石骨料混凝土耐久性试验配合比及试验结果Table 3 Mix proportion for durability test and test result of ready－mixed spontaneous combustion coal gangue aggregate concrete

2 试验结果及分析

2.1 工作性和强度

2.1.1 附加水对预拌自燃煤矸石骨料混凝土工作性和抗压强度的影响

图3 附加水对预拌自燃煤矸石骨料混凝土坍落度的影响Fig.3 Effect of additional water on slump of ready－mixed spontaneous combustion coal gangue aggregate concrete

图4 附加水对预拌自燃煤矸石骨料混凝土抗压强度的影响Fig.4 Effect of additional water on compressive strength of ready－mixed spontaneous combustion coal gangue aggregate concrete

附加水对预拌自燃煤矸石骨料混凝土坍落度和抗压强度的影响见图3，4.由图3可见，随着附加水量的增加，2个系列预拌自燃煤矸石骨料混凝土的坍落度明显增大，当S系列自燃煤矸砂细骨料的附加水小于其吸水率（质量分数）40%，G 系列自燃煤矸石粗骨料的附加水小于其吸水率80%时，混凝土坍落度的增幅较大，之后变缓；当S系列自燃煤矸砂细骨料附加水为其吸水率的60%，G 系列自燃煤矸石粗骨料附加水为其吸水率的80%时，混凝土坍落度均可达到预拌混凝土的配制要求（坍落度＞160mm），且黏聚性和保水性良好；由图4 可见，随着附加水的增加，2个系列预拌自燃煤矸石骨料混凝土的抗压强度逐渐降低，而且S系列预拌自燃煤矸砂细骨料混凝土抗压强度的下降幅度明显大于G系列预拌自燃煤矸石粗骨料混凝土.这主要是因为自燃煤矸石骨料随着附加水的增加，吸附的水量增加，从而使拌和物水灰比增大，导致混凝土抗压强度降低.由于煤矸砂细骨料的比表面积比煤矸石粗骨料大，因此煤矸砂细骨料与水接触的面积大，吸水速率快，吸水率大（见表1），使S系列预拌自燃煤矸砂细骨料混凝土的坍落度增幅及抗压强度降幅增大.另外，自燃煤矸石粗骨料由于粒径较大，吸水速率相对较慢，且一部分水会留在毛细孔内，直至混凝土硬化后才释放出来，起到“内养护”作用，使混凝土坍落度经时损失减小，后期强度发展较好.

2.1.2 预湿时间对预拌自燃煤矸石骨料混凝土工作性和抗压强度的影响

在预拌自燃煤矸石骨料混凝土中，S系列的自燃煤矸砂细骨料附加水按其吸水率的60%加入，G系列的自燃煤矸石粗骨料附加水按其吸水率的80%加入.预湿时间对预拌自燃煤矸石骨料混凝土坍落度和抗压强度的影响见图5，6.由图5可见，自燃煤矸石无论是细骨料，还是粗骨料，随预湿时间的增加，预拌自燃煤矸石骨料混凝土坍落度增大.这是因为附加水一旦固定，自燃煤矸石骨料随着预湿时间的增加，吸附的水量增大，拌和时抢拌和水减小，从而使拌和物水灰比变大，坍落度增大.

图5 预湿时间对预拌自燃煤矸石骨料混凝土坍落度的影响Fig.5 Effect of pre－wetting time on slump of ready－mixed spontaneous combustion coal gangue aggregate concrete

图6 预湿时间对预拌自燃煤矸石骨料混凝土抗压强度的影响Fig.6 Effect of pre－wetting time on compressive strength of ready－mixed spontaneous combustion coal gangue aggregate concrete

由图6可见，2 个系列的预拌自燃煤矸石骨料混凝土，随着自燃煤矸石骨料预湿时间的增加，抗压强度的发展态势截然不同.G 系列预拌自燃煤矸石骨料混凝土随预湿时间的增加，其抗压强度增大，当附加水控制在自燃煤矸石骨料吸水率的30%～60%时，抗压强度增幅最大；而S系列预拌自燃煤矸砂细骨料混凝土随预湿时间的增加，抗压强度降低.这可从自燃煤矸石骨料粒径大小及孔隙特征来进行解释.从图1，2可以看出，自燃煤矸石粗骨料的总孔隙量约为天然骨料的100倍，其平均孔径和中值孔径均小于天然石材.对于G 系列预拌自燃煤矸石粗骨料混凝土，当预湿时间为10～30min时，自燃煤矸石的吸附水量变化很小，混凝土的水灰比基本保持不变，因此强度变化不大.当预湿时间为30～60min时，虽然自燃煤矸石粗骨料吸附水量没有太大变化，但吸附水在自燃煤矸石粗骨料孔径中的位置却发生了很大变化.自燃煤矸石粒径较大，随着预湿时间延长，渗入到自燃煤矸石微孔中的水越多，而这部分水在混凝土硬化后缓慢释放，起“内养护”作用，因此有利于混凝土后期强度的发展.当自燃煤矸石预湿时间大于60min时，渗入到自燃煤矸石微孔中的水基本释放出来，因此再延长预湿时间也无任何作用，故建议自燃煤矸石粗骨料的预润湿时间应控制在60min内；对于S系列预拌自燃煤矸砂细骨料混凝土，由于自燃煤矸砂细骨料粒径较小、比表面积较大，其吸附水和释放水的速率均较快，虽然预湿时间越长，释放的水就越多，导致混凝土拌和物水灰比增大，强度下降，但下降幅度不大.

综合考虑预拌混凝土施工的流动性、黏聚性、保水性及结构设计强度等级的要求，将自燃煤矸砂细骨料附加水控制在其吸水率的60%，预湿时间控制在10min，自燃煤矸石粗骨料附加水控制在其吸水率的80%，预湿时间控制在60min比较合理.

2.1.3 预拌自燃煤矸石骨料混凝土坍落度经时损失

从表3可见，预拌自燃煤矸石骨料混凝土坍落度经时损失的发展趋势与普通混凝土相同，即随着拌和物存放时间的延长，坍落度经时损失逐渐减小.但上述2个系列预拌自燃煤矸石骨料混凝土坍落度经时损失均小于普通混凝土.这是因为自燃煤矸石骨料在搅拌之前已浸水润湿，水饱和程度较大，而且随着拌和物存放时间的延长，自燃煤矸石骨料还会释放吸附水，故预拌自燃煤矸石骨料混凝土坍落度经时损失小于普通混凝土.至于S系列预拌自燃煤矸砂细骨料混凝土坍落度经时损失较G 系列预拌自燃煤矸石粗骨料混凝土大，则是因为煤矸砂细骨料的吸水速率和释放水速率较快所致.

2.2 抗氯离子渗透和抗冻融性能

预拌自燃煤矸石骨料混凝土抗氯离子渗透及抗冻融试验结果见表3，4，冻融后表面形貌见图7.

表4 预拌自燃煤矸石骨料混凝土抗冻融试验结果Table 4 Freeze－thaw resistance test result of ready－mixed spontaneous combustion coal gangue aggregate concrete %

图7 预拌自燃煤矸石骨料混凝土冻融后的表面形貌Fig.7 Surface state of ready－mixed spontaneous combustion coal gangue aggregate concrete after freeze－thaw cycle

从表3，4可以看出，2个系列预拌自燃煤矸石骨料混凝土6h的电通量为1 000～2 000C，属于氯离子渗透等级低的范畴，经受300次冻融循环后，质量损失率＜5%，动弹性模量损失率＜40%，抗冻等级达到F300.从图7（a）可以看出，S系列预拌自燃煤矸砂细骨料混凝土即使达到冻融破坏极限，试件仍较完好，只是表面有水泥浆剥蚀.由图7（b）可见，G 系列预拌自燃煤矸石粗骨料混凝土达到冻融破坏极限时，试件已明显破损.这是因为在S系列预拌自燃煤矸砂细骨料混凝土中，自燃煤矸砂细骨料主要填充天然粗骨料之间的空隙，与水泥浆一起包裹石子成为粗骨料之间的润滑层，而在G 系列预拌自燃煤矸石粗骨料混凝土中，煤矸石粗骨料起骨架作用，随着冻融次数的增加，其自身裂缝增多，当达到冻融极限时，自燃煤矸石粗集料自身已经冻融破坏，所以混凝土出现疏松状况.

由表3可见，2 个系列预拌自燃煤矸石骨料混凝土均复掺了矿物掺合料和高效减水剂.高效减水剂可降低混凝土的孔隙率，矿物掺合料可细化混凝土的孔隙结构，自燃煤矸石骨料提前润湿有利于改善骨料与水泥基体的界面黏结状态，这些措施复合作用，改善了预拌自燃煤矸石骨料混凝土的流变性能，提高了抗冻、抗渗等耐久性能.

3 结论

（1）自燃煤矸石经破碎、筛分及搅拌之前浸水润湿处理后，可替代天然砂、石作预拌混凝土的骨料.

（2）自燃煤矸砂细骨料的附加水最好控制在其吸水率的60%，预湿时间宜控制在10min，而自燃煤矸石粗骨料的附加水控制在其吸水率的80%，预湿时间控制在60min较合适.

（3）复掺矿物掺合料和高效减水剂可改善预拌自燃煤矸石骨料混凝土的孔隙结构，提高其抗氯离子渗透能力和抗冻融能力.

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