非自燃煤矸石粗骨料对混凝土力学性能的影响

牛晓燕，高琦翔，李深圳，王桂香，赵晖

(1.河北大学 建筑工程学院，河北 保定 071002；2.太原理工大学 土木工程学院，山西 太原 030024)

煤炭作为中国的常规能源之一，在中国能源结构中占据主导地位.非自燃煤矸石是煤炭开挖和分选等过程中产生的固体废弃物.目前煤矸石堆存已有3×109t以上[1]，中国用简单堆存的方式处理了大部分煤矸石，但这样不仅浪费资源，造成环境污染，还威胁了当地人民的身体健康和生命安全[2].与此同时，中国大规模建设使得天然砂石的开采速率远大于其自然生成的速率[3]，在此形势下，将废弃的非自燃煤矸石破碎筛分得到粗骨料，用于部分或全部取代混凝土中的天然粗骨料，以此来缓解对天然砂石资源需求压力，降低煤矸石排放对环境的影响，不仅可以使煤矸石变废为宝，而且可以有效解决环境污染问题[4].

国内外学者对煤矸石混凝土进行了大量的实验研究，在力学性能方面，有关自燃煤矸石混凝土研究较多，学者们对自燃煤矸石混凝土的基本物理性能、抗压强度和抗冻性进行了较为系统的研究，探究了自燃煤矸石粗骨料置换率及粒径分布对混凝土抗压强度、抗拉劈裂强度和弹性模量的影响，煤矸石和粉煤灰的掺量对混凝土的渗透性和抗压强度的影响[5-8]，借此建立了含非自燃煤矸石骨料和自燃煤矸石骨料的粗骨料混凝土弹性模量预测模型，并用建立的预测模型对150组测试数据进行了验证[9]，对自燃煤矸石混凝土做了较为全面的研究.而非自燃煤矸石混凝土的力学性能研究较少，其中王志龙[10]通过研究发现：在拌合物中加入适量的石灰石粉末并增加中等粒径的非自燃煤矸石骨料用量对混凝土的工作性能和强度有利，而且降低混凝土的成本.周梅等[11]通过研究发现：经过热活化和机械处理过的煤矸石粉末具备微集料和活性效应，在掺入胶凝材料质量5%的750 ℃高温下煅烧3 h后的煤矸石(细度为1 150 m2/kg)而配置的煤矸石混凝土，其工作性能得到较大改善，强度增加，而且降低了发生混凝土碱-骨料反应的概率；混凝土强度随着热活化煤矸石粉末掺量的增加而增加.Xiao等[12]对不同比例煤矸石混凝土的坍落度、凝结时间、含气量、抗压强度和劈裂抗拉强度进行了研究，发现粗骨料的最大粒径不断增大，混凝土的抗压强度也会不断增大；全粒径级配的煤矸石混凝土抗压强度优于其他级配类型；改变级配砂率对煤矸石混凝土抗压强度的影响不大.

非自燃煤矸石由于化学成分、矿物组成成分以及物理性能指标不尽相同，具有明显地域差异性，而山西省作为产煤大省，非自燃煤矸石堆积严重，严重危害环境及人民身心健康，山西省非自燃煤矸石的研究甚少，因此有必要对其非自燃煤矸石的骨料特性进行系统研究.本文利用山西大同洗煤厂排出的非自燃煤矸石作为粗骨料，制备10种不同配合比的非自燃煤矸石混凝土，分别对非自燃煤矸石骨料性能及非自燃煤矸石混凝土的工作性能和力学性能进行研究，并对非自燃煤矸石在混凝土粗骨料上应用的可行性进行探讨.

1 实验材料

实验所用水泥为灵寿冀东水泥有限公司生产的P.S.A42.5矿渣硅酸盐水泥，细骨料为天然河砂，粗骨料分为非自燃煤矸石和普通碎石，非自燃煤矸石粗骨料是大同洗煤厂选洗出来的非自燃煤矸石，搅拌水和附加水为保定市内自来水，减水剂为山东省莱阳市宏祥建筑外加剂厂生产的高效减水剂，减水率为18%～25%.普通碎石及非自燃煤矸石的基本物理性能如表1所示.由于不同地区的非自燃煤矸石具有明显的差异性，而要想深入了解非自燃煤矸石，必须对其化学成分和矿物组成进行分析.利用X线荧光光谱分析(XRF)对非自燃煤矸石进行化学成分分析，得到其化学组成如表2所示.利用X线衍射仪，通过软件对其衍射图谱分析[13]，得到非自燃煤矸石的XRD图谱如图1所示.

由表1可以看出，非自燃煤矸石的堆积密度、表观密度、吸水率和压碎值等物理性能指标与普通碎石相差不大，总体来看，非自燃煤矸石满足作为混凝土粗骨料的要求.从表2可以看出，非自燃煤矸石中占比最多的是SiO2，达到总质量的61.44%，其次是Al2O3，质量占比达到26.91%，其它元素的物质质量只占10%.所以，本试验的非自燃煤矸石主要由含Si和Al的物质组成.从图1中可知非自燃煤矸石的矿物成分主要是石英，石英质地坚硬耐磨，对提高非自燃煤矸石的强度有利.除了石英以外，还有高岭石和地开石等.高岭石呈土状或块状，硬度小，地开石晶体结构呈层状，稳定性较差，这是造成非自燃煤矸石易破碎、强度低的原因之一.

表1 骨料主要性能

表2 非自燃煤矸石主要化学成分

图1 非自燃煤矸石XRD图谱Fig.1 XRD pattern of non-spontaneous combustion coal gangue

2 实验概况

2.1 配合比设计

为全面研究水灰比(质量比)、非自燃煤矸石取代率(非自燃煤矸石粗骨料占全部粗骨料的体积分数)、附加用水量及骨料级配对非自燃煤矸石混凝土力学性能的影响，本次试验严格按照规范JGJ 55—2011《普通混凝土配合比设计规程》，1 m3混凝土用水量为180 kg,水灰质量比设为0.35、0.40、0.45共3种；取代率为0、30%、50%、70%和100%；附加用水量为骨料吸水率的75%和饱和面干共2种；骨料级配为5～25 mm、5～20 mm、10～25 mm共3种.共配制10种不同配合比非自燃煤矸石混凝土，配合比见表3.

表3 1 m3混凝土配合比

W0.4H50 BH为0.4的水灰质量比，饱和面干状态下取代率为50%.未注明BH组别为附加水75%.W0.4H50 5～25为0.4的水灰质量比，取代率为50%,骨料粒径5～25 mm.

2.2 试验及测定内容

混凝土拌合物采用北京航建华业公司生产的HJW-60型单卧轴混凝土搅拌机搅拌.投料顺序：先把减水剂加入搅拌用水中并摇匀，把砂、普通碎石和已润湿的非自燃煤矸石倒入搅拌机内搅拌均匀，加入1/3质量的搅拌用水，继续搅拌至40 s时，同时倒入全部水泥和剩余的水，搅拌总时控制为240 s.搅拌完成后装入试模，24 h后进行拆模和编号，然后放进恒温恒湿养护箱中，控制相对湿度不小于95%，温度在20 ℃左右，养护28 d.养护完成后严格按照GB/T 50081-2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》，每次试验取3个试块进行测定并取平均值，本次试验制作100 mm×100 mm×100 mm的立方体试块共60个，Φ150 mm×300 mm的圆柱体试块30个.

1)测定不同配合比下的非自燃煤矸石混凝土坍落度.2)采用WAW-1000型万能试验机，测定28 d非自燃煤矸石混凝土的抗压强度.3)采用WDW-300型万能机，测定28 d非自燃煤矸石混凝土的劈裂抗拉强度.4)采用WAW-1000型万能试验机和微变形测量仪，测定非自燃煤矸石混凝土的弹性模量.

3 试验结果与分析

按照GB/T 50081—2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》测得主要试验结果见表4.

表4 主要试验结果

3.1 坍落度及抗压强度

图2为非自燃煤矸石混凝土的坍落度及抗压强度在不同非自燃煤矸石取代率、水灰质量比、附加用水量和骨料级配下的变化规律，同时给出了同一组立方体试件强度的标准差(见误差棒)，误差棒的长短代表了试块抗压强度的离散性.

3.1.1 坍落度

通常情况下混凝土坍落度与混凝土拌合物的流动性正相关.试验测得非自燃煤矸石混凝土的坍落度见表4.

由图2可见，混凝土的坍落度随着非自燃煤矸石取代率的增大而逐渐减小，这是因为非自燃煤矸石骨料孔隙多，吸水率高，导致混凝土中自由水减少，坍落度减小；水灰比从0.35到0.45，坍落度明显增大，几乎呈直线型增加；随着附加用水量的增加，坍落度增大，这主要是因为提前加入附加水润湿非自燃煤矸石骨料，减少了骨料对搅拌水的吸收，从而使坍落度增大；不同骨料级配的混凝土坍落度有所不同，但差距不大，可能因为级配粒径较大，不利于混凝土的流动，和易性差，导致混凝土坍落度变小.

a.取代率；b.水灰比；c.附加用水量；d.骨料级配.图2 立方体抗压强度及坍落度Fig.2 Cube compressive strength and slump

3.1.2 抗压强度

通过抗压强度试验，获得了不同配合比下的非自燃煤矸石混凝土的立方体及圆柱体试件的抗压强度，试验过程中，随着荷载的增大，在立方体的8个角开始出现裂缝，然后不断发展形成多条竖向裂缝，裂缝宽度逐渐变大，且由表向里发展，试块中间部位横向变形逐渐增大，呈明显的鼓胀现象，且竖向裂缝沿斜向向上、斜向向下不断发展，当试块完全破坏后，取出非自燃煤矸石混凝土立方体试块，去除表面己破坏疏松的部分，基本都呈现出正倒相接的“八”字破坏形态[14-15]，类似正倒相连的四棱台，与普通混凝土的破坏形态基本一致，圆柱体试件的破坏首先是顶部开始出现裂缝，并随着荷载的增加，发展成多条竖向裂缝，裂缝逐渐向下延伸且裂缝宽度逐渐变大，最终试件破坏，其破坏形态与普通混凝土圆柱体破坏形态基本相同，最终试件破坏形态如图3所示，实验结果见表4.

由图2a 可以看出混凝土的抗压强度与取代率呈负相关，这主要是因为非自燃煤矸石本身的矿物组成导致其强度低于普通碎石，且非自燃煤矸石骨料孔隙率大，吸水率高，结构呈层状，破碎过程导致其针片状含量过高，微裂纹较多.由图2b 中可以看出，在非自燃煤矸石取代率为50%的情况下，水灰比较小时，抗压强度较大，而且变化幅度也较大，这是因为用水量增多，水泥石中的游离水和气孔增多[16]，从而降低了混凝土的抗压强度.由图2c 中可以明显看出，非自燃煤矸石取代率为50%的情况下，附加用水量对混凝土的抗压强度的影响很大，这主要因为非自燃煤矸石骨料比普通碎石骨料吸水率高，需要消耗更多的水来完成水泥的水化反应，而且达到饱和面干状态的非自燃煤矸石骨料在后期混凝土中的自由水消耗殆尽的时候，可以起到“内养护”作用，保证水化反应的持续进行[17]，从而增加了混凝土的强度.由图2d 中可以看出，间断级配的抗压强度低于连续级配，主要是间断级配含有的大粒径骨料较多，没有小粒径骨料作为填充，骨料空隙率较高，导致混凝土强度降低.混凝土粗骨料直径偏小，强度会有所提高，这主要是因为混凝土中煤矸石的强度低于水泥石，形成“强包弱”的结构[18]，而当非自燃煤矸石骨料粒径较小时，同一截面上石灰石所占的比例较大，形成石灰石的高强度框架，从而提高混凝土的抗压强度.

a.立方体外部破坏形态;b.立方体内部破坏形态；c.圆柱体外部破坏形态.图3 试件抗压破坏形态Fig.3 Compressive failure mode of specimen

3.2 抗拉强度及弹性模量

图4为非自燃煤矸石混凝土的劈裂抗拉强度及弹性模量在不同非自燃煤矸石取代率、水灰比、附加水和骨料级配下的变化规律，同时给出了同一组立方体试件劈裂抗拉强度和弹性模量的标准差(见误差棒)，误差棒的长短代表了试块抗拉强度和弹性模量的离散性.

a.取代率;b.水灰比;c.附加用水量;d.骨料级配.图4 立方体抗拉强度及弹性模量Fig.4 Cube tensile strength and elastic modulus

3.2.1 抗拉强度

试验过程中，随着荷载的不断增大，试块的左右2个侧面与圆弧形垫块的部分开始出现微裂纹，并随着荷载的进一步增大，微裂纹迅速向中部发展，非自燃煤矸石试块被劈成两半，劈裂后的试件截面如图5所示.由图5可以看出，与普通碎石粗骨料相比，非自燃煤矸石骨料由于针片状较多且强度不足导致自身被拉断.非自燃煤矸石混凝土立方体试块的劈裂抗拉强度试验结果见表4.

图5 立方体抗拉破坏形态Fig.5 Cube tensile failure form

从图4a 中可以看出，随着非自燃煤矸石取代率的增加，混凝土的抗拉强度逐渐减小，相对来说非自燃煤矸石取代率为50%时，抗拉强度较大.抗拉强度随非自燃矸石取代率的增加而降低的主要原因是非自燃煤矸石本身的强度低于普通碎石，而且非自燃煤矸石骨料孔隙率大，吸水率高，结构呈层状，破碎过程导致其针片状含量过高，微裂纹较多.从图4b 中可以明显看出，非自燃煤矸石取代率为50%的情况下，抗拉强度随着水灰比的增大，呈直线型下降.水灰比是影响混凝土抗拉强度的主要因素之一，这是因为水泥和水化反应导致混凝土抗拉强度增大，而用水量增多，硬化后的水泥石中游离水和气孔就会增多，从而降低了混凝土的抗拉强度.从图4c 中可以看出，非自燃煤矸石取代率为50%的情况下，当附加用水量为非自燃煤矸石骨料吸水率的75%以及骨料达到饱和面干状态时的混凝土，抗拉强度有所降低，但变化幅度不大，这可能是因为提前浸泡非自燃煤矸石骨料使其饱和，导致非自燃煤矸石混凝土拌合物自由水分多，试块内部空隙多，内部不密实，导致抗拉强度降低.从图4d 中可以看出，间断级配的抗拉强度高于连续级配，分析其原因，可能是间断级配含有的大粒径骨料较多，大粒径非自燃煤矸石骨料的抗拉强度较大，对混凝土抗拉强度有一定的增强作用.

3.2.2 弹性模量

利用WAW-1000型万能机测定非自燃煤矸石混凝土圆柱体试块的弹性模量试验结果见表4.从图4a 中可以看出，随着非自燃煤矸石取代率的增加，混凝土的弹性模量总体逐渐减小，从非自燃煤矸石取代率为0时的30.6 GPa减小到取代率为100%的14.9 GPa，减小了近50%.这主要是因为非自燃煤矸石自身结构组成导致的，其强度低于普通碎石，而且非自燃煤矸石骨料表面不密实，吸水率高，结构呈层状，破碎过程导致其针片状含量过高，微裂纹较多.从图4b 中可以明显看出，非自燃煤矸石取代率为50%的情况下，随着水灰比的增大，混凝土的弹性模量呈线性逐渐减小，这主要受骨料、界面过渡区和水泥石弹性模量的影响，当非自燃煤矸石取代率不变，水灰比变大，导致水泥石基体及界面过渡区的弹性模量降低，从而引起非自燃煤矸石混凝土弹性模量的降低.从图4c 中可以看出，非自燃煤矸石取代率为50%的情况下，当附加用水量为非自燃煤矸石骨料吸水率的75%以及骨料达到饱和面干状态时的混凝土弹性模量有所增加.这主要是因为非自燃煤矸石骨料比普通碎石骨料吸水率高，需要消耗更多的水来完成水泥的水化反应.而且达到饱和面干的非自燃煤矸石骨料，在后期混凝土中的自由水消耗殆尽的时候，可以起到“内养护”作用，保证水化反应的持续进行，从而增加了水泥石基体和界面过渡区的弹性模量，形成高弹性模量骨架，进而增大了混凝土整体的弹性模量.从图4d 中可以看出，10～25 mm的间断级配的弹性模量低于连续级配，分析其原因，主要是间断级配含有的大粒径骨料较多，非自燃煤矸石粗骨料的弹性模量直接决定了混凝土的弹性模量，从而导致混凝土弹性模量的降低.

4 结论

1)随着非自燃煤矸石取代率的增大，混凝土的抗拉强度、抗压强度与弹性模量3项基本力学性能指标均减小，表现出一致的规律性，而且变化幅度很大，说明非自燃煤矸石取代率对混凝土的影响较大，应重点控制，实际工程中，建议取代率采用50%以下.

2)水灰比对混凝土的强度和弹性模量有着直接的影响，非自燃煤矸石取代率为50%，水灰比为0.35时，混凝土强度可以满足C40的设计要求，但水灰比为0.40或0.45时，混凝土强度低于C30，可用于非承重构件.

3)附加用水量对混凝土的抗压强度、抗拉强度和弹性模量有一定的影响，饱和面干状态下的非自燃煤矸石有助于提高混凝土的抗压强度和弹性模量，但会导致抗拉强度的降低.骨料级配对混凝土的3项基本力学性能影响较小，间断级配与连续级配相比，连续级配对混凝土强度和弹性模量更有利.