煤矸石作混凝土粗集料发展现状

高扬

(西安科技大学 建筑与土木工程学院，陕西 西安 710054)

我国经济飞速发展，一方面，能源与资源短缺、生态环境恶化等问题日渐突出；另一方面，工业发展中所产生的固废物与日俱增，严重制约了经济的可持续发展，而大力发展工业固废物综合利用的循环经济是解决该类问题的重要措施。国家“十三五”规划中明确指出：“要做好工业固废等大宗废弃物资源化利用；探索固废物资源化利用的新方法、新技术和新工艺”。由此可见，工业固废物的综合利用已成为国家发展的战略方针，是当今社会与经济发展的重要课题。

煤矸石是煤炭开采过程中产生的工业固废物，主要分布在我国北方地区。据统计，2016年，煤矸石年产量约为6.8亿t，预计到2020年年产量可达7.3亿t，累计堆存量达50亿t以上，占地约15000公顷左右。大量堆存的煤矸石不仅占用土地资源，还会发生物理化学反应引起各种生态环境问题。因此，有效地资源化利用煤矸石已成为迫在眉睫的社会问题。

近几年，我国煤矸石资源化利用研究已取得显著成效，但相对于巨大的煤矸石存量，其综合利用水平和效率仍然不高。混凝土作为最主要的建筑材料，应用广泛，其制备原材料中的天然石是不可再生资源，过度使用会引起环境、社会及经济问题。现阶段，在国家环保政策的影响下，天然集料价格快速上涨且来源日趋紧张，已无法满足正常的混凝土生产需求。因此，将煤矸石取代天然石用于制备混凝土，不仅可降低天然石的使用，还可解决煤矸石大量堆存带来的问题，是未来混凝土发展的一个重要方向，同时与我国环境保护和可持续化发展战略紧密结合。

1 煤矸石物理化学性质

煤矸石是一种煤炭选洗和掘进过程中伴煤共生的一种岩石，含碳量大约在20%～30%之间，同时还附着部分未洗净的煤炭和煤泥，因此原状煤矸石多呈灰色或灰黑色。在表观密度方面煤矸石与天然石接近，但由于煤矸石内部结构更为多孔疏松，这也导致煤矸石较天然石压碎指标大、强度低。

煤矸石长期堆放后，矸石山内部的热量累积到一定会使煤矸石自燃，自燃后的煤矸石含碳量降低而吸水性增强，且内部矿物组成与化学成分发生了变化使其具备一定的火山灰活性，自然煤矸石多呈黄色或红褐色。

在矿物组成方面，煤矸以高岭石、钙长石、石英、方解石等为主，其化学成分多以AlO和SiO为主，不同矿区产出的煤矸石成分波动较大，且各组分的含量也存在差异，这也直接导致了不同地区煤矸石物理性质方面的差异。

有研究表明煅烧处理可有效降低煤矸石的碳质含量，同时也可提高煤矸石的表面活性，但也使得煤矸石内部结构更为疏松。

2 煤矸石资源化利用现状

将煤矸石用于混凝土的制备，取代不可再生的天然石，具有明显的经济与生态价值。上世纪六十年代，煤矸石的资源化利用逐渐受到世界各国的重视，煤矸石被广泛应用于生产水泥、砖、轻集料等建筑材料。

美国从上世纪七十年代开始尝试将煤矸石应用于泡沫混凝土。随后几年，欧洲许多国家也逐渐开始重视煤矸石在建材领域的资源化利用。德国、波兰、法国等国家在煤矸石制作水泥技术方面进行了有针对性的研究；英国将煤矸石用作筑路、回填材料及混凝土集料，尤其是低强度标号混凝土的集料；在亚洲，日本也进行了大量关于煤矸石资源化利用的研究，例如将煤矸石用于水泥的制作及生产耐火材料等方面。

我国于上世纪七十年代末期开始对煤矸石的资源化利用进行系统研究，并做了大量的相关工作，使得煤矸石综合利用率不断提高，但仍远低于西方发达国家的综合利用率。考虑到利用煤矸石生产混凝土，具有用量大、成本低的特点，同时，对于保护环境、促进可持续发展也具有重要意义，前景可观，煤矸石逐渐被应用于水泥生料、熟料及混凝土集料的研发与生产，取得了显著的成果。尽管通过多年的研究工作，煤矸石资源化利用率已有了显著提高，但我国煤矸石综合利用仍面临利用率偏低、技术水平不高、区域发展不平衡等问题。因此，大力推动煤矸石的资源化利用，尤其是煤矸石在建筑材料中的应用，对煤矸石的综合利用、绿色建筑材料与城市城镇化的可持续化发展具有重要意义。

3 煤矸石混凝土研究现状

按煤矸石粒径大小的差异可分为粗集料与细集料，分别取代混凝土中的天然石与天然砂，制备成煤矸石粗或细集料混凝土，可满足不同的工程需求。由于煤矸石粗集料具有易制备、用量大的特点，因此，现阶段，关于煤矸石粗集料混凝土的相关研究工作开展的较多。

3.1 煤矸石混凝土工作性能

在煤矸石集料混凝土工作性能方面，周梅分析了砂率、颗粒级配与附加用水量对煤矸石粗集料混凝土流动性的影响，发现随着附加用水量对煤矸石混凝土的工作性能影响较大；周梅、孙家瑛、汪振双等用煤矸石分别取代天然砂、天然石制备煤矸石粗集料混凝土，研究了取代率、附加水用量及集料粒径对拌合物坍落度的影响，发现增加附加用水量，煤矸石混凝土的和易性得到改善，但其抗压强度略微降低，而当附加用水量增大到一定程度时，混凝土拌合物的粘聚性明显变差，存在泌水现象；崔正龙对不同环境、不同煤矸石粗集料取代率的煤矸石粗集料混凝土的早期抗干缩裂缝性能进行了研究，结果表明：龄期在7d以内时，煤矸石混凝土吸水率最大，干燥收缩变化率最小，龄期大于7d时，煤矸石混凝土的干燥收缩变化率逐渐增大。

由此可见，煤矸石由于多孔、吸水率大的特性，导致用其作粗集料所配制的煤矸石混凝土工作性能不良，现有研究发现骨料预湿的方法可较好的改善煤矸石混凝土新拌合物流动性差、难振捣以及凝结迅速等特点，但同时对煤矸石粗集料进行预湿也会使其强度变低从而导致所配制的混凝土强度无法达到预期值，如何对煤矸石集料进行预处理是实现其在混凝土工程中应用的一大难题。

3.2 煤矸石混凝土物理力学性能

在煤矸石混凝土物理力学性能方面，周梅、詹鹏等人分别从煤矸石取代细集料、粗集料、取代率及集料粒径等方面对所制备的煤矸石混凝土抗压强度进行了研究，结果表明强度较普通集料混凝土并未下降；刘鸽、陈彦文等人重点对不同矸石种类、颗粒级配及集料取代率的煤矸石混凝土弹性模量进行了研究，并建立相应的弹性模量计算公式；高红江对掺聚丙烯纤维的煤矸石混凝土劈裂抗拉强度与抗折强度进行了研究，结果表明，煤矸石粗集料混凝土劈拉、抗折强度与普通混凝土无明显差异。

从目前研究现状来看，煤矸石可作为集料用于混凝土制备已形成共识，对于煤矸石混凝土工作性能、物理力学性能也有了初步研究，且存在最佳集料取代率使得配制的煤矸石混凝土力学性能与相同设计等级的普通混凝土相接近，但煤矸石粗集料混凝土轴心受力特点、损伤发展规律与机理等方面研究尤其是煤矸石理化性质差异性对所制备混凝土性能影响规律研究，尤其是煤矸石理化性质差异性对所制备混凝土性能影响规律研究仍未见到。

3.3 煤矸石混凝土抗冻性研究

我国60%的国土位于严寒地区，处于这些地区的混凝土结构极易发生冻融破坏，最终导致整体结构失效，而我国的煤炭资源多分布于华北、东北和西北地区，要实现煤矸石的资源化利用并实现其在混凝土工程的推广，系统研究煤矸石混凝土的抗冻性能对于煤矸石的工程实践应用意义非凡。

关于普通混凝土抗冻性的研究大都围绕着冻融破坏机理、力学性能退化规律、冻融损伤模型及冻损混凝土构件承载性能四个方面开展相关工作，并取得了大量有价值的研究成果，尤其是混凝土冻融破坏机理方面的研究成果已得到普遍认可。而对于煤矸石粗集料混凝土抗冻性能的研究工作仍处在初步探索阶段。

邱继生等人对冻融环境下煤矸石混凝土毛细吸水性能进行了系统研究，结果表明：冻融次数相同时，煤矸石取代率越大，混凝土累积吸水量越大，毛细吸水率越快，混凝土吸水性能越强；取代率相同，随着冻融循环次数的增大，累积吸水量越大，初始的毛细吸水率越快其吸水性能随循环次数的增多而增强。张金喜、李永靖分别从微观与宏观层面对不同取代率的煤矸石混凝土抗冻性进行了研究，建立了相应的质量损失率模型；潘杜、邱继生等对冻融环境下煤矸石混凝土损伤规律及轴心受压时的声发射特性进行了研究，并建立了相应的冻融损伤模型，结果表明声发射技术可较好的描述煤矸石混凝土损伤情况。

在冻融与其他因素耦合作用方面，李庆文、张向东分别对冻融-碳化与冻融-酸雨耦合环境下煤矸石混凝土各性能开展了研究，探究质量损失、强度损失、相对动弹性模量、碳化深度的演化规律，分析了多种环境因素相互作用机理。但荷载与冻融耦合作用方面，煤矸石混凝土耐久性的相关研究尚未涉及，现有研究主要集中在普通混凝土方面，结果表明：荷载越大，损伤劣化速度越快；荷载及环境因素加速了损伤演化且各因素间相互促进；双因素作用下混凝土损伤速度远大于两种因素单独作用效应的叠加；当荷载较大时，混凝土甚至出现脆断现象。从目前研究现状来看，冻融环境下煤矸石混凝土耐久性已有初步研究，但都集中在宏观层面的现象描述，缺乏微观层面系统深入的劣化机理研究；而荷载与冻融耦合作用下煤矸石混凝土耐久性能研究仍处于空白阶段。

4 煤矸石作粗集料存在的问题

1）煤矸石自身理化性质与天然石存在一定差异，其吸水多、强度低等性质使其难以制作成高强混凝土；2）不同地区、不同地层所产的煤矸石理化性质差异较大，这也导致所配制的煤矸石混凝土的性能差异明显，即固定的配合比设计或取代率无法满足不同地区煤矸石推广应用的需求；3）煤矸石含碳量对其自身强度以及与水泥石黏结的影响一直是阻碍其作为混凝土粗集料的难题之一，有研究表明煅烧可降低煤矸石内部碳质含量，同时改变煤矸石的矿物组成，促进二次水化反应以期增强煤矸石与水泥基质之间的黏结作用，但煅烧后的煤矸石存在吸水性增强、强度降低等问题，煅烧是否是对煤矸石作混凝土粗集料进行预处理的最佳手段仍需要更深入的研究。

5 结语

综上所述，现阶段，关于煤矸石混凝土力学性能及耐久性能已开展了一些研究，但所取得成果仍停留在宏观现象或规律的描述，缺乏微观层面上的机理分析；其次，关于煤矸石混凝土的相关研究均未考虑煤矸石理化性质差异性对所制备混凝土性能的影响，而这种影响往往对研究结果起决定性作用，同时由于煤矸石吸水多等特性也给其推广应用带来阻碍；此外，目前的研究大都针对单一因素作用下，但对于服役的混凝土结构而言，除受到环境因素作用外，还要遭受各种各样荷载的作用，多种因素共同作用下，混凝土材料的力学性能、耐久性能及结构承载性能的退化速率进一步加快。因此系统开展荷载与冻融耦合作用下煤矸石混凝土耐久性损伤机理与性能退化规律研究，可为煤矸石资源化利用与煤矸石混凝土的工程应用提供理论依据和技术支撑。