煤矸石粗骨料混凝土力学及耐久性能的研究进展*

杨 彪 姚贤华,2 何双华 管俊峰 李列列 李 月

(1. 华北水利水电大学土木与交通学院, 郑州 450045; 2. 省部共建西北旱区生态水利国家重点实验室(西安理工大学), 西安 710048)

煤炭是我国的主要能源,占我国能源支出的70%以上,[1-2]2020年我国煤炭产量为39.0亿t,同比增长1.4%,预计未来几年煤炭需求将略有增长。[3-4]煤矸石是煤矿建设、生产过程中排出的固体废弃物的总称,[5-6]我国煤矸石累计堆积量超过50亿t,且每年以约3.5亿t的速度增长。[7]煤矸石的大量堆放,不仅占压土地、污染土壤和地下水,还会威胁人类生命健康,影响社会可持续发展。[8-9]因此,必须加快煤矸石大宗化资源利用。[10-12]

早在20世纪60年代,国外就开始对煤矸石进行研究利用,但当时人们忽略了煤矸石对环境的危害,没有对煤矸石进行“减量化”与“无害化”的研究。[13]20 a后,人们才对煤矸石“无害化”进行研究,并取得不错的成果。[14]目前,煤矸石主要用于生产水泥、制备烧结砖、筑路等,[15]但其利用率较低。后经许多学者研究发现,将煤矸石应用到混凝土中比较合理。[15]将煤矸石粗骨料替代碎石制备混凝土,不仅解决了煤矸石堆积造成的环境问题,而且在质量、温度裂缝等方面均优于一般混凝土。[16]将煤矸石作为混凝土粗骨料不仅缓解了天然砂石短缺的问题,同时促进了建筑业的能源减排和可持续发展,是绿色混凝土发展的重要方式之一。[17-18]

通过对煤矸石粗骨料混凝土研究进展的总结,介绍了我国不同地区煤矸石的化学和物理特性,综述了煤矸石粗骨料掺量对混凝土的力学性能、耐久性能和微观结构影响的研究现状,以期为煤矸石大宗化、低能耗的利用提供参考。

1 煤矸石的化学及物理特性

1.1 化学成分及烧失量

煤矸石的化学组成是评价其性质和工业综合利用途径的一项重要的指标。由表1可知:煤矸石中SiO2含量在26.94%～89.20%,Al2O3含量在1.54%～38.69%,Fe2O3含量在0.28%～11.41%,CaO含量在0.09%～8.79%,可见煤矸石是硅铝化合物。

表1 中国不同地区煤矸石化学成分及含量Table 1 The chemical composition and content of coal gangue in different zones of China %

不同地区煤矸石的SiO2、Al2O3、Fe2O3、CaO等化学成分的含量存在较大差异,应选SiO2、CaO、Al2O3含量较多,Fe2O3含量相对少的煤矸石作为混凝土粗骨料,[19]这是因为煤矸石中SiO2和Al2O3可以与水泥的水化产物Ca(OH)2发生火山灰效应,[20]产生的网络硅酸钙凝胶填补骨料自身及骨料之间的缝隙,使煤矸石粗骨料混凝土更密实。[21]

1.2 物理性质

煤矸石按照颜色主要分为原状煤矸石和自燃煤矸石(图1)。原状煤矸石呈黑灰色,与煤炭颜色差异不大,质地紧密。自燃煤矸石多呈现陶黄色、红褐色,内部含有黑色碳质,纹理清晰,结构疏松。

a—原状煤矸石; b—自燃煤矸石。图1 煤矸石的类型[34]Fig.1 Types of coal gangue[34]

经过对大量文献的汇总发现,各个地区煤矸石的物理特性存在较大差异。采用其均值来探讨各地区原状煤矸石粗骨料和自燃煤矸石粗骨料的统一性规律和差别。由表2可知:原状煤矸石的表观密度、吸水率、压碎值均小于自燃煤矸石,而堆积密度则大于自燃煤矸石。原状煤矸石粗骨料的表观密度均值比自燃煤矸石粗骨料均值小132 kg/cm3;原状煤矸石粗骨料的吸水率比自燃煤矸石粗骨料的吸水率小35.9%;原状煤矸石粗骨料的压碎值均值为15.6%,而自燃煤矸石粗骨料的压碎值均值为20.6%。压碎值指标是评价煤矸石粗骨料是否适合作为混凝土骨料的重要参数,煤矸石粗骨料压碎值指标越大,其制备的混凝土强度越低,[19]因此建议使用原状煤矸石制备煤矸石粗骨料混凝土。

表2 原状煤矸石及自燃煤矸石的物理特性Table 2 Physical properties of intact coal gangue and spontaneous combustion coal gangue

2 煤矸石粗骨料掺量对混凝土坍落度的影响

表3针对煤矸石粗骨料掺量,以拌和物的坍落度为依据,总结了在不同强度等级和不同水灰比条件下,煤矸石的掺入对混凝土坍落度的影响。

表3 不同强度等级(水灰比)下煤矸石掺量对混凝土坍落度的影响Table 3 Effects of the coal gangue content on concrete slump in different strength grades (water-cement ratios)

由表3可知:在不同混凝土强度等级和不同水灰比下,随着煤矸石粗骨料的掺入,混凝土的坍落度均降低,煤矸石掺量100%时,坍落度接近零。产生这种现象的原因主要是煤矸石骨料的吸水率(4.4%)大于普通碎石(1.1%),且随着煤矸石掺量的增加,骨料表面积的增大,使得实际拌和水减少,导致拌和物坍落度减小。而白朝能的研究发现:随着煤矸石的掺入,坍落度未出现下降,反而有增大情况。[54]这是因为选用的煤矸石(1.74%)仅比石灰石(1.65%)吸水率大0.09%,骨料吸水率差别不大。

李少伟等将煤矸石粗骨料经提前预湿处理,可降低混凝土拌和物的坍落度损失,反而在煤矸石掺量为25%时,坍落度提高20 mm。[53]赵振清将经水洗后的原状煤矸石粗骨料混凝土与未水洗原状煤矸石粗骨料混凝土比较,在煤矸石粗骨料掺量为10%、30%、50%时,较未水洗煤矸石混凝土的坍落度分别增大了9%、20.7%、120%。[49]这是因为煤矸石经水洗后,含泥量和比表面积均较小,减少了骨料表面水的黏结,且水泥浆体对骨料的包裹影响较小,这就导致了水洗煤矸石粗骨料混凝土的坍落度小于未水洗煤矸石粗骨料混凝土。煤矸石经预先饱和面干处理后,与煤矸石附加水量75%(煤矸石吸水率的75%)相比,其坍落度提高5 mm。[35]

综上所述,建议采用水洗处理、预湿(饱和面干)处理,可提高煤矸石粗骨料混凝土的坍落度。

3 煤矸石粗骨料掺量对混凝土力学性能的影响

3.1 立方体抗压强度

不同煤矸石粗骨料种类的掺入对同一强度等级混凝土的早期抗压强度和后期抗压强度是不同的。表4针对混凝土强度等级和水灰比,总结了不同煤矸石掺量对经7,28 d养护的混凝土抗压强度的影响及满足第28天强度等级下煤矸石粗骨料的掺量范围。

表4 不同强度等级(水灰比)下煤矸石掺量对混凝土抗压强度的影响Table 4 Effects of coal gangue content on concrete compressive strength in different strength grades (water-cement ratios)

由表4可知:C30、C40原状煤矸石粗骨料混凝土早期强度降低幅度较大,而后期强度降低幅度较小。然而,自燃煤矸石粗骨料混凝土正好相反,其早期强度降低幅度较小,而后期强度降低幅度较大。

其中C30自燃煤矸石混凝土第7、28天的抗压强度降低幅度最大值为14.02%和16.07%,[57]C30原状煤矸石混凝土第7、28天抗压强度降低幅度最大值为11.21%和3.17%;[21]C40自燃煤矸石混凝土第7、28天抗压强度降低幅度最大值为10.04%和19.55%,C40原状煤矸石混凝土第7、28天抗压强度降低幅度最大值为39.6%和33.7%。[49]这是因为原状煤矸石吸水率比碎石大,造成混凝土早期失水,水化速度降低,故随着煤矸石掺量的增加,混凝土早期强度降低幅度大,而后期随着煤矸石吸收水分的释放,促进水化反应,所以后期强度降低幅度小。而自燃煤矸石里含有活性SiO2、Al2O3可以发生二次水化反应,水化产物能够填充水泥石的孔隙,形成紧密结构,自燃煤矸石粗骨料强度低,在早期与基体协调性好,这就造成随着煤矸石掺量增加,其早期强度下降缓慢。

随着煤矸石粗骨料掺量的增加,混凝土第7、28天抗压强度呈现出递减趋势。然而,程文环采用泥质页岩煤矸石粗骨料制备混凝土,随着煤矸石掺量的增加,混凝土的抗压强度呈现出递增趋势。[46]这是因为煤矸石较大的孔洞结构能够提高其吸水率,造成煤矸石骨料周围水化程度更高,从而提高混凝土的强度,且煤矸石破碎时表面粘有的煤矸石粉能够增加细料的成分,增大与水的接触面积,从而促进水化作用的进行,煤矸石掺量最佳范围为0%～40%。C20煤矸石粗骨料混凝土强度最大可提升14.5%,所以不同掺量的煤矸石粗骨料均能满足C20混凝土的强度要求。C30、C40煤矸石粗骨料的掺量范围分别为0%～40%及0%～20%,可满足混凝土强度等级要求。对比煤矸石水洗前后配制的混凝土,可以发现水洗煤矸石混凝土强度优于未水洗煤矸石混凝土,[49]且经水洗后,在满足强度等级要求情况下,可使煤矸石最大掺量提高10%。煤矸石骨料粒径范围在5～25 mm时比5～20 mm时抗压强度增加15%,且煤矸石粗骨料经预湿(饱和面干)比附加用水75%强度增加26.6%。[35]当水灰比为0.3、0.35、0.4时,煤矸石掺量在0%～100%,随着煤矸石粗骨料的掺入,混凝土的第28天抗压强度均降低,降低幅度在34.0%～0.71%。而水灰比为0.5时,煤矸石掺量在40%以内,混凝土第7、28天抗压强度均增大。

综上所述,原状煤矸石粗骨料混凝土早期强度降低幅度较大,而后期强度降低幅度较小,自燃煤矸石混凝土则相反。C20、 C30、C40煤矸石粗骨料的掺量范围分别为0%～100%、0%～40%及0%～20%,可满足混凝土强度等级要求。为提高混凝土的抗压强度,可采用水洗处理、调整煤矸石粗骨料的颗粒级配(适当增加大粒径骨料)、预湿处理(将骨料提前浸泡,使处于饱和面干状态)。

3.2 弹性模量、抗劈拉强度

煤矸石粗骨料混凝土的弹性模量、抗劈拉强度与其掺量有着密切关系,煤矸石与碎石自身强度存在较大差异,因此会对混凝土弹性模量、抗劈拉强度造成一定的影响。[62]

众多学者研究发现煤矸石粗骨料在配制低强度(C20)混凝土时,随着煤矸石掺量的增加,其弹性模量和抗劈拉强度无明显变化,而配制高强度(C30、C40、C50)混凝土时,随着煤矸石掺量的增加,混凝土的弹性模量和抗劈拉强度明显呈现出递减趋势,[47,54,58,62-64]其相对弹性模量变化趋势如图2所示。在相同条件下,原状煤矸石混凝土的弹性模量、抗劈拉强度均优于自燃煤矸石混凝土。[20]不同掺量的煤矸石粗骨料混凝土,其早期(7 d)弹性模量、劈裂抗拉强度与普通混凝土无明显差别,而后期(28,60 d)随着煤矸石掺量增加,弹性模量、劈裂抗拉强度呈现出明显递减,[52]其抗劈拉强度变化趋势如图3所示。随着其掺量的增加,混凝土内部空隙率增大,密实度下降,混凝土抵抗变形能力降低,抗劈拉强度及弹性模量逐渐减小。

图2 煤矸石掺量对混凝土弹性模量的影响[63]Fig.2 Influence of the coal gangue content on elastic moduli of concrete

图3 龄期对煤矸石混凝土劈裂抗拉强度的影响[52]Fig.3 Effects of ages on splitting tensile strength of coal gangue concrete

对目前煤矸石粗骨料混凝土力学性能方面研究现状进行总结分析,由于煤矸石粗骨料自身具有压碎值大、强度低的特性,其对长龄期下混凝土的力学性能是否会造成不利影响尚未可知。而目前学者主要针对短龄期(7,28 d等)下煤矸石粗骨料混凝土的力学性能研究,未探索长期服役条件下煤矸石粗骨料混凝土的力学性能发展规律,建议加强这方面研究,为煤矸石粗骨料混凝土的实际工程应用提供指导。

4 煤矸石粗骨料掺量对混凝土耐久性能的影响

4.1 抗冻性能

煤矸石粗骨料的吸水率普遍大于碎石骨料,[60]粗骨料吸水率的大小直接影响混凝土实际用水量和配合比的计算,从而影响混凝土的抗冻性能。[65-67]因此煤矸石粗骨料混凝土抗冻性能,备受众多学者关注。

顾云等的研究[39]发现:原状煤矸石粗骨料混凝土的质量损失率随着煤矸石掺量的增加而增大;当煤矸石掺量为60%时,经过150次冻融循环后,混凝土的质量损失率已经超过5%,而普通混凝土经过300次冻融循环后,仍未破坏。张金喜等的研究[60]发现:随着原状煤矸石粗骨料掺量的增加,抗冻性能大幅下降;当煤矸石粗骨料替代率为40%时,相对耐久性指数降低率范围在40.01%～50.24%之间。Huang等的研究[68]发现:煤矸石粗骨料混凝土经过125次冻融循环后,原状煤矸石粗骨料掺量为40%、70%和100%时,混凝土抗压强度分别降低了32.45%、41.60%和50.45%,而此时普通混凝土抗压强度仅下降26.78%(图4)。

图4 煤矸石粗骨料混凝土冻融结果[68]Fig.4 Results of coal gangue coarse aggregate concrete after being subjected to freeze-thaw cycles

宋洋等的研究[61]发现:随着自燃煤矸石粗骨料掺量的增加,混凝土的相对耐久性出现下降趋势,自燃煤矸石粗骨料掺量分别在0、20%、40%时,混凝土相对耐久性的相对降低率分别为0、14.11%、38.26%。陈彦文等的研究[48]发现:随着自燃煤矸石粗骨料掺量的增大,混凝土的质量损失率和相对弹性模量损失率均增大;配制的C30自燃煤矸石粗骨料混凝土,当煤矸石粗骨料掺量在0%、40%、100%时质量损失率分别下降2.27%、3.55%、5.49%,弹性模量损失率分别下降14.29%、28.07%、42.67%;配制的C40自然煤矸石粗骨料混凝土,当自然煤矸石粗骨料掺量在0%、40%、100%时,质量损失率分别下降2.79%、4.33%、5.73%,弹性模量损失率分别下降18.91%、28.75%、38.26%。

据文献[39,69]的报道,随着原状煤矸石粗骨料掺量的增大,混凝土的抗冻性能降低,煤矸石粗骨料掺量在60%以内,可冻融循环150次。而邱继生等发现在原状煤矸石掺量为60%时,经过25次冻融循环就发生破坏。[70]产生这种现象的原因是前者水灰比小于后者,水的含量越多,其冻胀引发的膨胀压力对煤矸石骨料的内部结构造成破坏就越严重。据文献[69]的报道,粉煤灰掺量为10%时,抗冻性能最佳,聚羧酸减水剂和引气剂的掺量为0.4%和0.02%时,混凝土抗冻次数可达350 次。

综上所述,在相同条件下,随着原状(自燃)煤矸石掺量的增大,混凝土的抗冻性能均呈现出递减趋势。为提高煤矸石粗骨料混凝土的抗冻性,可以适当降低水灰比,还可掺入粉煤灰、聚羧酸减水剂和引气剂。

4.2 收缩性能

程文环的研究[46]发现:自燃煤矸石粗骨料混凝土早期收缩率较大,煤矸石掺量为20%、40%时,混凝土第14天的收缩率分别达到第90天收缩率的77%、88%,而普通混凝土第14天的收缩率则为第90天收缩率的72%,养护至45 d后干燥收缩已经趋于稳定(图5)。崔正龙等通过制备不同吸水率的粗骨料混凝土,发现[71]早期(7 d)吸水率最大的自燃煤矸石混凝土收缩率反而最小,而后期(7 d后)自燃煤矸石混凝土的收缩变化率却最大;而原状煤矸石粗骨料混凝土收缩性能则与自燃煤矸石混凝土结论相反。顾云等发现[39]:随着原状煤矸石粗骨料掺量的增加,混凝土的收缩应变逐渐减小;煤矸石粗骨料掺量为30%、60%,经14 d养护时,较普通混凝土收缩应变分别降低了13.04%、35.57%;龄期为120 d时,较普通混凝土收缩应变分别降低了7.20%、30.87%。造成这种现象的原因是煤矸石的堆积密度较大,骨料对混凝土的收缩起抑制作用,因此,随着煤矸石掺量增加,混凝土收缩值降低。[72]还可发现混凝土干燥收缩早期(0～14 d),煤矸石的掺量对混凝土收缩无明显影响,龄期14 d之后,混凝土的收缩应变增幅较大,这与文献[49]结论一致(图6)。

图5 自燃煤矸石掺量对混凝土收缩率的影响[46]Fig.5 Effects of the spontaneous combustion coal gangue content on concrete shrinkage

综上所述,煤矸石掺量变化对原状煤矸石粗骨料混凝土早期(0～14 d)收缩量影响较小,后期(14 d之后)影响较大;而煤矸石掺量变化对自燃粗骨料混凝土早期(0～60 d)收缩量影响较大,后期(60 d后)收缩量趋近一致。导致原状煤矸石粗骨料混凝土与自燃煤矸石粗骨料混凝土随煤矸石掺量变化的收缩变化趋势不一的内在原因尚不明确。

4.3 抗碳化性能

碳化是影响混凝土耐久性的关键因素,长期暴露于空气中的混凝土会发生碳化反应,CO2在混凝土中的传输主要受孔隙率和连通孔道的影响,煤矸石骨料普遍较天然碎石孔隙多,含有CO2的空气更容易进入混凝土内部,从而造成混凝土抗碳化性能不良。[73]

陈彦文等指出[57]:随着自燃煤矸石骨料掺量的增大,C30、C40混凝土第7天碳化深度变化均不大(范围在2～4 mm),第28天后碳化深度增加明显;对于配制的C30混凝土,当煤矸石粗骨料掺量为40%、100%时,较普通混凝土碳化深度分别增加了9,18 mm;对于配制的C40混凝土,当煤矸石掺量为40%、100%时,较普通混凝土碳化深度分别增加了5,14 mm(图7)。其原因为混凝土表层砂浆抑制了CO2侵入,当CO2透过保护层后,因煤矸石骨料掺量的增大而产生的孔隙使得碳化反应速度加快。李明泽的研究[21]发现:随着煤矸石掺量的增加,C50混凝土的第14,28天碳化深度均呈现出缓慢上升的趋势。其原因为煤矸石碳含量较高,且煤矸石掺量增加对混凝土的粗骨料级配产生不良影响,最终导致水化产物与骨料之间存在较大孔隙和裂纹,混凝土的密实度下降。

图7 煤矸石粗骨料混凝土碳化深度[57]Fig.7 Carbonization depths of coal gangue coarse aggregate concrete

综上所述,煤矸石粗骨料混凝土碳化早期与普通混凝土碳化深度相差不大,而后期随着掺量的增大,碳化深度明显增大。相同煤矸石掺量下,C30、C40混凝土第7天碳化深度差别不大,但C40煤矸石混凝土第28天碳化深度小于C30煤矸石混凝土。

4.4 抗渗透性能

混凝土的抗氯离子渗透性是耐久性的重要指标之一,通常用电通量判断混凝土抗氯离子渗透性能。[74]

陈彦文等的研究[48]发现:随着自燃煤矸石掺量的增大,C30混凝土电通量及氯离子扩散系数呈现增大趋势;煤矸石掺量为50%、100%时,较普通混凝土的电通量增加了79.9,213.8 N·m2/C,氯离子扩散系数分别增加了0.385 9×10-9,0.899 6×10-9cm2/s。程文环的研究[48]发现:随着自燃煤矸石掺量增加,电通量呈现出缓慢递增趋势;煤矸石掺量为20%、40%的混凝土,与普通混凝土相比,电通量分别增大3%、10%。这是因为煤矸石含泥量大、结构疏松、孔隙率大,增加了氯离子的传送通道,但自燃煤矸石可参与水化反应,生成网络硅酸钙凝胶,对骨料及骨料之间孔隙进行填充,使得混凝土结构更加密实,从而降低氯离子的传输速度,所以电通量上升趋势缓慢。然而,顾云等的研究[39]发现:当煤矸石掺量在45%以内时,随着原状煤矸石粗骨料掺量的增大,电通量呈现出下降的趋势;而煤矸石掺量大于45%时,电通量呈现出增加的趋势,当煤矸石掺量在45%时,此时混凝土抗氯离子渗透性最强。这是因为多种骨料共同作用下,混凝土的密实性达到最优。王晴等发现[75]:水胶比对煤矸石粗骨料混凝土的抗氯离子渗透性最大,其次是砂率及集灰比,骨料级配对抗氯离子渗透性影响最小,当水胶比为0.39、砂率为43%、集灰比为4.2、骨料级配为1.2时,煤矸石混凝土的电通量为985.36 N·m2/C,表明其抗氯离子渗透能力较强。

煤矸石粗骨料针片状含量高、孔隙率大、密实度低等特性,不利于抵抗水分子的渗透。[60]黄成洋的研究[76]发现:随着原状-自燃煤矸石混和料掺量的增大,混凝土的抗渗性呈现出递减趋势,煤矸石粗骨料掺量为30%、60%时,较普通混凝土的透水压力分别减小了0.2,0.4 MPa,透水压力越小表明混凝土抗渗性越差。陈彦文等通过1.2 MPa水压力渗透试验发现[57]:自燃煤矸石掺量为40%、100%时,其较C30普通混凝土的渗水高度分别增加了17,25 cm,较C40普通混凝土的渗水高度分别增加了11,34 cm(图8)。宋洋等研究[61]发现:当自燃煤矸石粗骨料混凝土中煤矸石掺量不大于10%时,其与普通混凝土抗渗性能接近,当煤矸石掺量达到30%时,煤矸石混凝土抗渗性能明显降低。何文波研究发现[52]:水灰比为0.4的原状煤矸石粗骨料混凝土抗渗性能优于水灰比为0.45的;煤矸石掺量在20%时,两种水灰比的抗渗性能相差最大;当煤矸石掺量在60%,两种水灰比的抗渗性能相差最小。造成这种现象的原因为水灰比越大,用水量越多,造成煤矸石粗骨料混凝土的毛细孔道增加,不利于抵抗水分子的渗透。

图8 煤矸石掺量对混凝土抗渗性能的影响[57]Fig.8 Effects of the coal gangue content on impermeability of concrete

综上所述,原状煤矸石掺量在45%以下,可提高煤矸石混凝土的抗氯离子渗透性能,而自燃煤矸石粗骨料混凝土,则是随着煤矸石掺量的增大,抗氯离子渗透性能呈现出递减趋势。C40自燃煤矸石混凝土抗渗性能优于C30煤矸石混凝土。建议水中或半水环境下,应适当减小煤矸石粗骨料混凝土中的煤矸石掺量。

由于煤矸石粗骨料自身具有孔隙率高、吸水率大的特性,会对混凝土的耐久性造成不利影响。通过阻断煤矸石骨料及混凝土内部的连通孔隙、减少连通孔及大孔隙的占比,可提高其耐久性,通过掺入如纳米SiO2、聚丙烯纤维等来改善煤矸石粗骨料混凝土的耐久性,从而得到科学合理的耐久性提升方案。

5 煤矸石粗骨料掺量对混凝土微观结构的影响

5.1 煤矸石粗骨料-水泥石界面结构特征分析

新拌混凝土混和料时,粗骨料表面会形成一层水化膜,随着水泥水化的发展,水化膜所在区域即为过渡区。水泥石和骨料之间界面过渡区具有多孔、水化结晶(钙钒石Ca(OH)2)富集和择优取向等特点,是混凝土结构中薄弱区域,水泥石-骨料界面结构分析是混凝土微观结构的重要组成。[77-80]

李少伟等发现[53]:当自燃煤矸石粗骨料掺量为0%、25%、100%时,界面结构分别表现为密实、较密实、疏松(图9);大掺量下的自燃煤矸石混凝土因水泥胶砂相对干稠而界面结构不密实,而煤矸石掺量为零的普通混凝土界面过渡区则较为致密。而天然碎石骨料界面过渡区虽较为密实,但过渡区厚度和水灰比较大,导致其胶结强度降低。白朝能等发现[54]:普通混凝土的界面过渡区的孔隙被较多水化物填充,而原状煤矸石骨料混凝土的界面过渡区还有较大的毛细孔洞,孔洞内含有大量针状结晶钙矾石。煤矸石骨料混凝土界面过渡区Ca(OH)2晶体数量多于普通混凝土,这是因为煤矸石表面附着的水膜较厚,不能被水泥水化消耗完,从而形成毛细孔隙,使得Ca(OH)2晶体和钙矾石大量被析出。王晴等发现[81]:相比于普通混凝土,自燃煤矸石粗骨料混凝土整体显微硬度较低。这是因为大量孔隙被水泥二次水化的胶凝和晶体物进行了一定程度的填充,同时由于二次水化产物消耗了部分水,避免骨料由于水分集中而形成的“水囊”效应[20],但是由于水化反应的进行,自然煤矸石中的碱金属离子会部分迁移,从而造成自燃煤矸石混凝土整体显微硬度较低。段晓牧研究发现[20]:原状煤矸石嵌固在水泥石基体中,其内部只有较少的微裂缝,在界面过渡区处,原状煤矸石骨料与水泥石紧密黏结,未有明显裂纹;而自燃煤矸石骨料不能紧密结合水泥石集体,裂纹明显存在,界面结构较疏松。

a—煤矸石粗骨料掺量0%; b—煤矸石粗骨料掺量25%; c—煤矸石粗骨料掺量100%。图9 煤矸石掺量对混凝土界面过渡区的影响[53]Fig.9 Influence of the coal gangue content on transition zones of concrete interfaces

综上所述,随着煤矸石粗骨料掺量增大,混凝土的界面结构随之疏松。由于原状煤矸石嵌固在水泥石基体中,而自燃煤矸石骨料不能紧密结合水泥石集体的原因,原状煤矸石的界面过渡区优于自燃煤矸石。

5.2 孔结构分析

煤矸石粗骨料自身孔结构复杂,将其作为混凝土骨料,会对混凝土产生不利的影响。李少伟等对比自燃煤矸石粗骨料及碎石的孔结构的发现[53]:自燃煤矸石比碎石有更多的毛细孔隙。陈彦文等发现[48]:随着自燃煤矸石掺量的增大,煤矸石混凝土的孔径增大;煤矸石掺量为50%、100%时,是普通混凝土的平均孔径2.2倍、2.6倍,孔的体积是普通混凝土的1.65倍、2.09倍(图10、11)。段晓牧的研究[20]发现:自燃煤矸石混凝土的孔结构分布特征为孔大且疏松,而非自燃煤矸石的孔结构表现为孔小且密集;原状煤矸石混凝土的平均孔径、临界孔径和最可几孔径分别为自燃煤矸石的68.9%、33.3%和39.5%;自燃煤矸石混凝土无害孔级(孔径<20 mm)分布比例为68.48%,小于非自燃煤矸石混凝土无害孔级分布比例为94.56%。

图10 煤矸石掺量变化对混凝土累计孔体积的影响[48]Fig.10 Effect of the coal gangue content on cumulative pore volumes of concrete

图11 煤矸石掺量变化对混凝土逐级孔体积的影响[48]Fig.11 Effect of the coal gangue content on pore volumes of concrete

综上所述,随着煤矸石掺量增大,混凝土的孔隙增大。由于自燃煤矸石粗骨料自身孔大且疏松的原因,用其制备混凝土的孔结构劣于原状煤矸石粗骨料混凝土。

对目前煤矸石粗骨料混凝土微观结构方面研究现状进行总结分析,得出:煤矸石骨料表面含碳量较多,其是否对煤矸石混凝土微观结构造成影响尚未可知,而目前学者的研究方向均在骨料与水泥胶砂界面过渡区微观形貌及孔结构分布方面,建议加强煤矸石表层碳与水泥胶砂界面结合情况及对孔分布的研究。

6 结束语

在固废利用、绿色混凝土的建设工程中,煤矸石粗骨料混凝土是一种非常有应用前景的新材料,根据近些年众多学者对煤矸石粗骨料混凝土的研究,得到主要结论与展望如下:

1)由于煤矸石中SiO2和Al2O3可以与水泥的水化产物Ca(OH)2发生火山灰效应,因此建议选用SiO2、Al2O3含量较多的煤矸石作为混凝土粗骨料。

2)制备C20、C30、C40煤矸石粗骨料混凝土,在满足强度等级要求的情况下,煤矸石粗骨料的掺量范围分别为0%～100%、0%～40%和0%～20%。采取水洗及预湿处理均可明显改善混凝土的坍落度及力学性能。

3)煤矸石的掺入会降低混凝土的耐久性(抗冻性、碳化性能、抗渗透性),而原状及自燃煤矸石掺量变化对混凝土的干缩性能影响规律不一,尚需进一步研究。

4)微观结构表明,原状煤矸石粗骨料混凝土的界面结构及孔结构均优于自燃煤矸石粗骨料混凝土。

5)目前对煤矸石粗骨料混凝土单一作用(冻融循环、渗透、碳化等)下的研究较多,而在工程应用中,混凝土常受到两种或以上环境作用的影响,同时还会遭受各种荷载作用。因此建议加强多种耦合作用下的研究。

6)不同地区煤矸石物理、化学性质差异较大,在工程应用中,应根据不同地区煤矸石理化性质来进行区分选用。