煤矸石粗集料混凝土的工程可行性研究

戚 鹏

(中铁十九局集团第三工程有限公司， 辽宁 沈阳 110136)

煤矸石是采矿过程中的附带固体废弃物。目前，我国的主要能源依然是煤炭，占年均能源消耗量的80%左右，因此，由煤炭开采所带来的煤矸石数量庞大。据不完全统计，截至2018年底，我国煤矸石累计堆存量已达52亿吨，而且以每年7亿吨的产量不断增长，占地面积约2 000公顷。煤矸石不仅占据大片土地，而且在长时间的风化、水作用下还会对环境造成严重污染。因此，对煤矸石资源的回收再利用已成为国内外的重点研究课题。

近年来，以煤矸石作为粗骨料制备混凝土得到广泛关注。建筑、交通等基础设施对混凝土需求量逐渐增大，因此采用煤矸石制备混凝土不仅能够有效减少煤矸石堆存量，而且能够节约成本、保护环境。近年来国内外学者展开了一系列关于煤矸石混凝土力学性能的研究。关虓等[1]通过声发射技术对煤矸石粗集料混凝土的轴心抗压强度进行了研究，并以声发射试验数据为基础，建立了煤矸石混凝土的损伤本构模型，同时邱继生等[2]还对冻融循环后的煤矸石混凝土力学特性进行了研究。周梅等[3-4]对不同温度环境下煤矸石粗骨料混凝土进行了抗压性能试验，认为自燃煤矸石高温处理后的抗压强度、劈裂强度的损失率皆小于普通混凝土。马宏强等[5-6]借助X射线衍射仪(XRD)和扫描电镜技术(SEM)，探究煤矸石混凝土700 ℃高温煅烧对其氯离子渗透、抗碳化性和硫酸盐侵蚀性能的影响，认为最大程度激发煤矸石集料的活性对混凝土的力学性能起到促进作用。董作超等[7-8]采用XRD、SEM及MIP(压泵法)等技术方法，对煤矸石细集料在不同温度下的活性进行了研究，对不同活性的煤矸石细集料水泥硬化砂浆的孔隙结构进行了探讨，并进一步分析了孔隙结构与砂浆强度之间的关系，认为不同活性的煤矸石细集料，在水化反应初期能够与水泥水化反应产物产生二次水化反应，会对水泥砂浆的孔径分布与孔隙率产生影响。王长龙等[9]采用煤矸石与铁尾矿制备加气混凝土，通过XRD、FE-SEM和EDX技术研究分析了加气混凝土水化产物和微观孔隙形貌。李永靖等[10]以煤矸石作为粗骨料，研究分析了煤矸石混凝土的干缩性和冻胀性，结果表明，采用煤矸石作为混凝土粗骨料是可行的，其干缩性和冻胀性均能满足规范设计要求。李永靖等[11]还对煤矸石加筋混凝土的抗震性进行了研究。

综上所述，煤矸石混凝土在工程中能够满足混凝土规范设计要求。本文结合前人研究结论，对煤矸石粗集料混凝土进行抗压强度试验，分析其各力学参数随煤矸石置换率和水灰比的变化规律，为工程实践提供可靠的试验依据。

1 试验部分

1.1 原材料

胶凝材料：阜新鹰牌(P·O)普通硅酸盐水泥、普通自来水、减水剂、细集料为标准砂、粗集料为阜新艾友煤矿煤矸石。其中，煤矸石的化学成分为：CaO(2.76%)、SiO2(64.21%)、Al2O3(20.98%)、Fe2O3(4.54%)、MgO(3.21%)、Na2O(2.16%)、K2O(2.06%)。

1.2 煤矸石粗集料混凝土配合比设计

根据《普通混凝土配合比设计规程》(JGJ 55—2011)，并结合工程经验，本文选取水灰比分别为0.50、0.40、0.35和0.30，对应混凝土强度等级分别为C25、C30、C40和C50。混凝土配合比按普通硅酸盐混凝土进行设计，如表1所示，试件尺寸为100 mm×100 mm×100 mm。

表1 煤矸石粗集料混凝土配合比

1.3 煤矸石粗集料混凝土试验方法

根据《普通混凝土力学性能试验方法标准》(GB/T 50081—2002)进行煤矸石混凝土抗压强度试验，浇筑24 h后拆模，根据试验方法，养护至不同龄期，养护龄期分为3、7、14、28、60、90、180 d。考虑煤矸石作为粗集料置换普通碎石对混凝土力学性能的影响，文中选取的替换率r分别为0(粗集料全为普通碎石)、0.25、0.50、0.75和1(粗集料全为煤矸石)。混凝土粗集料总量保持不变，仅以相应置换率计算煤矸石粗集料的用量。煤矸石混凝土抗压强度试验均在YAW-300型万能试验机上进行，将养护好的粗集料煤矸石混凝土试件置于试验机的下承压板中心位置，并确保试件顶面与压力方向保持垂直。试验加载方式采用力控制模式，加载速率为0.3 MPa/s，直至试件失稳破坏。

2 试验结果分析

2.1 应力—应变曲线分析

通过煤矸石粗集料混凝土抗压强度试验得到养护龄期为28 d的煤矸石混凝土应力—应变曲线，如图1所示。以水灰比0.50为例，不同置换率的煤矸石粗集料混凝土与普通混凝土应力—应变曲线变化趋势大体相似。对于应力上升阶段，不同置换率下煤矸石混凝土峰值强度均小于普通混凝土，且随置换率逐渐增大，峰值强度逐渐减小；对于应力下降阶段，不同置换率下煤矸石混凝土峰后曲线迅速下降，但曲线逐渐变缓，最终趋于稳定。根据现有研究结论可知，经过高温处理的煤矸石粗集料混凝土的抗压强度与室温处理后的煤矸石混凝土的抗压强度差别不大，且高温处理较为复杂繁琐，因此在进行煤矸石置换普通级配碎石时可不进行高温处理。

图1 水灰比0.5、不同置换率下煤矸石混凝土

限于篇幅，本文仅列出当水灰比为0.5、养护龄期为28 d时，不同置换率的煤矸石混凝土抗压强度及弹性模量试验结果和当置换率为r=0.25、养护龄期为28 d时，不同水灰比的煤矸石混凝土抗压强度及弹性模量试验结果，如表2所示。

表2 煤矸石混凝土力学参数(28 d)

2.2 抗压强度分析

图2为煤矸石混凝土抗压强度与水灰比、置换率的分布曲线。从图2(a)可以看出，煤矸石混凝土抗压强度随水灰比逐渐减小，二者之间满足线性函数分布规律。根据表2可知，以置换率r=0.25时为例，当水灰比为0.3时，煤矸石混凝土抗压强度为47.06 MPa。与水灰比0.3时煤矸石混凝土抗压强度相比，水灰比0.35、0.4、0.5时抗压强度分别减小了8.9、13.81、23.24 MPa，减幅分别为18.91%、29.35%和49.38%。由图2(b)可以看出，煤矸石混凝土抗压强度随置换率逐渐减小，二者之间满足指数函数分布规律。根据表2可知，以水灰比0.5为例，当置换率为0时，即混凝土为普通级配碎石混凝土时，抗压强度为25.7 MPa。与置换率为0时相比，置换率为0.25、0.5、0.75、1时抗压强度分别减小了1.88、3.79、5.27、6.17 MPa，减幅分别为7.3%、14.75%、20.51%和24.01%。由此可以看出，水灰比和置换率均对煤矸石混凝土抗压强度产生较明显的影响，且水灰比对煤矸石混凝土的抗压强度影响较为显著。

图2 抗压强度与水灰比、置换率关系

2.3 弹性模量分析

图3为煤矸石混凝土弹性模量随水灰比、置换率分布曲线。从图3(a)可以看出，煤矸石混凝土弹性模量随水灰比逐渐减小，二者之间满足线性函数分布规律。根据表2可知，以置换率r=0.25时为例，当水灰比为0.3时，煤矸石混凝土弹性模量为23.82 GPa，与水灰比0.3时煤矸石混凝土弹性模量相比，水灰比0.35、0.4、0.5时弹性模量分别减小了5.29、7.63、11.57 GPa，减幅分别为22.21%、32.03%和48.57%。由图3(b)可以看出，煤矸石混凝土弹性模量随置换率逐渐减小，二者之间满足指数函数分布规律。根据表2可知，以水灰比0.5为例，当置换率为0时，弹性模量为13.67 GPa，与置换率为0时相比，置换率为0.25、0.5、0.75、1时抗压强度分别减小了1.42、2.71、3.38、3.91 GPa，减幅分别为10.39%、19.82%、24.73%和28.60%。由此可以看出，水灰比和煤矸石置换率均对煤矸石混凝土弹性模量产生较明显的影响，且水灰比对煤矸石混凝土的弹性影响更加显著。

2.4 养护龄期分析

图4为不同试验条件下煤矸石混凝土抗压强度随养护龄期分布曲线，其中图4(a)为置换率0.25时、不同水灰比下抗压强度随养护龄期分布曲线，图4(b)为水灰比0.5时、不同置换率下抗压强度随养护龄期分布曲线。

图3 弹性模量与水灰比、置换率关系

图4 抗压强度与养护龄期之间关系

可以看出，不同试验条件下煤矸石混凝土抗压强度随养护龄期的变化规律基本相同，大体分为三个阶段，即迅速发展阶段、缓慢发展阶段和平台稳定阶段。其中煤矸石混凝土抗压强度迅速发展阶段一般发生在3～14 d，缓慢发展阶段为14～28 d，28 d之后煤矸石混凝土抗压强度随时间逐渐趋于稳定，即平台稳定阶段。对抗压强度随时间的变化规律进行非线性最小二乘拟合，拟合曲线如图4所示，可见不同试验条件下煤矸石混凝土抗压强度均随掩护龄期呈指数函数分布，拟合相关系数均大于0.95。

2.5 水灰比、置换率耦合作用分析

图5为煤矸石混凝土抗压强度和弹性模量与水灰比、置换率之间的三维拟合分布关系。

图5 煤矸石力学参数随置换率、水灰比三维分布规律

由图可知，煤矸石混凝土抗压强度和弹性模量在置换率和水灰比耦合作用下逐渐减小，抗压强度、弹性模量与置换率、水灰比四者之间满足曲面指数函数关系，拟合函数表达式为：

式中：z为因变量，表示煤矸石混凝土抗压强度或弹性模量，MPa(GPa)；x为水灰比；y为置换率；z0、B、C、D为拟合参数。

3 煤矸石混凝土破坏过程分析

煤矸石粗集料混凝土试件与普通混凝土试件的破坏过程类似。加载初期，试件表面并未出现明显裂缝，随着荷载继续增大，试件表面开始出现裂缝，裂缝宽度不断增大，且由试件侧面开始向四周端角处延伸，试件开始产生扩容，表面混凝土开始脱落，最终破坏。观察煤矸石粗集料混凝土试件的破坏形态可知，产生试件破坏的主要原因是煤矸石粗集料与水泥胶凝材料之间粘结面的破坏，少部分试件破坏为煤矸石粗集料自身的破断，其原因可能是筛选粗集料时漏选了较大粒径针片状煤矸石，致使破裂面在煤矸石粗集料处形成贯穿裂缝。

4 煤矸石混凝土强度主要影响因素

(1)煤矸石混凝土抗压强度和弹性模量均随水灰比呈线性递减分布规律，随置换率呈指数函数递减分布规律。同一置换率(0.25)下，水灰比从0.3增至0.5时，抗压强度减小了49.38%，弹性模量减小了48.57%；同一水灰比(0.5)下，置换率从0增至1时，抗压强度减小了24.1%，弹性模量减小了24.01%，表明水灰比对煤矸石抗压强度影响较大。

(2)煤矸石混凝土抗压强度随养护龄期变化大体分为三个阶段，即迅速发展阶段、缓慢发展阶段和平台稳定阶段。其中，迅速发展阶段一般发生在3～14 d，缓慢发展阶段为14～28 d，28 d之后煤矸石混凝土抗压强度随时间逐渐趋于稳定，与普通级配碎石混凝土变化规律基本相同。

(3)煤矸石混凝土产生破坏的主要原因是煤矸石粗集料与水泥胶凝材料之间粘结面的破坏，少部分由于筛选粗集料时漏选了较大粒径针片状煤矸石致使煤矸石粗集料自身的断裂，最终导致混凝土失稳破坏。

5 结论

通过对煤矸石混凝土抗压强度试验研究表明，煤矸石粗集料混凝土可以大范围应用在道路基层混凝土施工中，既解决了大量煤矸石放置污染土地的问题，又节约了工程中大量使用的碎石量；既有利于环保，又创造了巨大的经济效益。