矿用煤矸石混凝土力学性能试验研究

张道平

(国家能源集团 神东煤炭经销中心,陕西 神木 719315)

煤矸石是煤炭资源开采和洗选过程中的一种必然产物。相关统计数据表明,我国煤矸石的产出率占到原煤产量的15%～20%[1-3]。按照2021年原煤产量41亿吨计算,全国煤矸石产出率约为6亿吨,已经成为我国大宗固体废弃物之一[4-7]。在全面推进大宗固体废弃物综合利用和发展循环经济的背景下,我国煤矸石的综合利用率得到稳步提升,形成了以生产建筑材料、采煤塌陷区的环境治理、矿井煤矸石固体充填和盐碱地、沙漠化土地的生态修复为代表的煤矸石综合利用技术体系。

考虑到煤矸石的主要成分为Al2O3和SiO2,与天然骨料混凝土中使用的砂石资源具有相似的矿物组成,国内外相关学者提出采用煤矸石作为混凝土骨料制备绿色混凝土的思路,并开展了大量研究。段晓牧等[8-9]通过实验室试验的方法研究了产自不同地区的煤矸石在不同颗粒分布特征和预处理条件下的物理力学特性,验证了煤矸石作为混凝土骨料的可行性;李永靖等[10]研究了采用煤矸石和普通碎石制备的混凝土试件的耐久性问题,验证了煤矸石骨料制备混凝土的可行性;朱愿愿等[11]使用煅烧过的煤矸石细骨料制备水泥砂浆,结果表明砂浆的早期强度提升较为明显;顾云等[12]的研究结果表明煤矸石骨料掺量与混凝土单轴抗压强度之间具有负相关性。白国梁等[13]研究发现采用煤矸石混凝土和天然骨料混凝土制作的梁结构的变形破坏模式差异不大。上述研究结果表明:采用煤矸石骨料部分替代天然骨料制备绿色混凝土构件从理论和技术方面上是可行的。

考虑到建筑结构对材料力学性能和结构稳定的双重要求,为确保煤矸石混凝土具备良好的力学性能和结构耐久性,国内外相关研究人员在理论方面进行研究,但在实际工程领域的应用相对较少[14-15]。然而,对于煤矿井下工程(如巷道底板硬化、喷射涂层、巷旁充填等)而言,通常对混凝土强度和变形能力的要求相对较低,为大掺量煤矸石混凝土的制备提供了可能[16-18]。尤其随着井下煤矸智能分选技术的成熟,在煤矿井下就地制备大掺量煤矸石混凝土的技术经济效益将更加明显。

为此,本研究项目选取国家能源集团乌兰木伦矿煤矸石为研究对象,以煤矸石骨料类型(粗骨料和细骨料)和骨料替代率为变量,开展面向矿山工程应用背景的煤矸石混凝土物理力学性能试验研究。取得的相关研究成果对于进一步促进“碳中和、碳达峰”目标的实现和推动绿色经济社会转型方面具有重要的作用。

1 实验方案

1.1 试件概述

本试验研究总共测试了21个标准圆柱试样(直径150 mm,高度300 mm)。如表1所示,按照混凝土的类型,可以将上述试件划分为天然骨料混凝土(Natural Aggregate Concrete,NAC)和煤矸石混凝土(Coal Gangue Concrete,CGC)2个类型。其中,天然骨料混凝土包括3个配比完全相同的未使用煤矸石骨料的标准试件。对于煤矸石混凝土,根据粗骨料和细骨料的体积替代率的不同,将其划分为6个小组。其中,粗骨料的替代率分别设定为25%,50%和100%,细骨料的替代率分为2种。一种为0%(即没有细骨料替代),另一种设定为相应组别中粗骨料替代率取值的一半。

表1 试件情况一览

为便于后续比较说明,给具有相同配比的煤矸石混凝土给予一个组名,其中组别中最前面的CGC代表煤矸石混凝土,后续的两个阿拉伯数字分别代表粗骨料和细骨料的替代率。以CGC-25-12.5为例,该组所有的试件均为煤矸石混凝土试件,其中粗骨料和细骨料的替代率分别为25%和12.5%(细骨料的取代率为该组试件粗骨料替代率取值的一半)。

1.2 材料性能

试验所用的用于制备煤矸石混凝土的矸石选自国家能源集团乌兰木伦煤矿,天然骨料、水泥和其他的相关材料采购于广州市本地建材市场。为保证煤矸石混凝土和天然骨料混凝土物理力学性能和工作性能的可比性,在开始试验前,对煤矸石骨料进行了筛分与清洗。对去除明显杂质的煤矸石骨料进行自然晾晒风干,具体流程如图1所示。

图1 煤矸石骨料预处理

从图2可以看出,煤矸石骨料和天然砂石骨料在外观形态方面的区别主要体现在颜色和形状方面。其中,煤矸石骨料的颜色相对偏深且颗粒以片状为主。为进一步比较煤矸石骨料和天然骨料的区别,通过实验室试验的方法测定了两种骨料的密度、吸水率和岩石破碎系数。

图2 煤矸石骨料和天然砂石骨料外观形态对比分析

试验结果表明:煤矸石粗细骨料的密度(2 380 kg/m3和2 440 kg/m3)与天然骨料(2 660 kg/m3和2 630 kg/m3)的差别不是很大,这与前人研究的结果基本保持一致。然而,煤矸石粗细骨料的饱和吸水率(8.4%和11.65%)明显高于天然粗细骨料(1.8%和2.3%)。考虑到煤矸石骨料的破碎系数约为天然骨料的2倍,侧面反映出煤矸石骨料具有较小的自身强度。

1.3 煤矸石混凝土配比设计

参照天然骨料混凝土配合比设计规范,按照水灰比为0.5的标准,结合煤矸石骨料和天然砂石骨料密度、吸水率等参数,确定表2所示的配比方案。表2中所述的组成混凝土的材料重量为理论计算得到的单位体积(每立方米)混凝土所需要的原材料的使用量。考虑到煤矸石骨料和天然砂石骨料密度方面的差异性,本文选取体积替代率作为研究变量,研究不同煤矸石骨料掺量条件下的煤矸石混凝土力学性能的差异性。表2中煤矸石骨料取代天然骨料的比例为体积替代率。

表2 煤矸石混凝土配比设计

1.4 试验装置及加载方式

如图3(a)所示,所有混凝土试件均在MATEST微机控制电液伺服万能试验机上完成。试验采用位移加载的方式,设定平均加载速率0.18 mm/min.在测试开始之前采用高强石膏对所有混凝土试件的上下端头进行处理,以保证混凝土试件在加载过程中的良好受力状态。为了更好地记录试件的变形情况,分别采用应变片和位移计测定试件在轴压作用下的位移和应变情况。包括压力、位移和应变在内的数据通过TDS-530静态数据采集仪自动完成。

图3 主要仪器设备

采用图3(b)所示的混凝土塌落度测试仪器对不同配比条件下混凝土的工作性能进行测试,结果表明:煤矸石混凝土的整体工作性能优于普通混凝土。

2 试验测试结果分析

2.1 典型试件破坏模式

图4为典型煤矸石混凝土试件的破坏模式。

图4 典型试件破坏模式示意

从图4可以看出:煤矸石混凝土的破坏模式与天然砂石骨料混凝土试件并没有本质的区别,两者均以剪切破坏模式为主。随着煤矸石掺量的增加,对于煤矸石混凝土的剪切破坏的程度有所降低,具体表现为沿着剪切破坏面周围出现一定程度的分布不规律的裂纹。造成这种破坏模式的主要原因在于煤矸石骨料的低强度,导致了变形破坏过程中骨料自身的不规律性破坏。

2.2 骨料替代率对混凝土单轴抗压强度的影响

图5为不同煤矸石骨料替代率对应的煤矸石混凝土强度参数。可以看出:

图5 煤矸石骨料替代率对抗压强度的影响

1) 与天然骨料混凝土相比,煤矸石混凝土试件的单轴抗压强度普遍较低,且随着骨料替代率的增加呈显著下降的趋势。当煤矸石粗细骨料替代率分别为100%和50%时,试件的单轴抗压强度仅为天然骨料混凝土的20%.

2) 对于具有相同煤矸石粗骨料替代率的试件而言,其抗压强度的差异性不是十分明显,表明煤矸石细骨料的替代率对其单轴抗压强度的影响不是十分明显。造成上述现象的主要原因在于煤矸石粗骨料自身较低的强度和其内部的多孔结构。不同于天然砂石骨料混凝土,煤矸石混凝土的破坏主要集中在骨料的破坏而非水泥-骨料胶结面的破坏。尽管如此,煤矸石混凝土的强度依然可以满足井下充填和沿空留巷构筑物对强度的基本要求。

2.3 骨料替代率对混凝土轴向峰值应变的影响

图6为不同煤矸石骨料替代率条件下混凝土的峰值应变。从图中可以看出:对于煤矸石骨料替代率较大的煤矸石混凝土试件而言,其轴向峰值应变相对较大。尤其当煤矸石粗骨料替代率为100%,细骨料替代率为50%时,煤矸石混凝土的纵向应变比天然砂石骨料混凝土增加了50%以上。上述现象表明,通过增加煤矸石混凝土中煤矸石骨料的含量可以有效地改善混凝土的脆性特征,进一步提高了混凝土的变形能力。

图6 煤矸石骨料替代率对轴向应变影响

2.4 煤矸石骨料替代率对混凝土弹性模量的影响

图7为不同煤矸石骨料替代率条件下混凝土弹性模量的变化规律。可以看出:与天然砂石骨料混凝土相比,煤矸石混凝土的弹性模量普遍较低。随着煤矸石骨料掺量的增加,煤矸石混凝土的弹性模量呈现出显著降低的趋势。当煤矸石粗骨料替代率分别为25%、50%和100%时,混凝土弹性模量分别减少了47.7%、65.8%和88.6%.主要原因在于:①煤矸石骨料(特别是粗骨料)的多孔结构,使得制备的煤矸石混凝土内部存在一定的空洞,轴向荷载作用下容易出现变形;②煤矸石骨料特殊的片状结构和较低的强度,导致其在混凝土制备过程中发生破坏。破坏后的煤矸石骨料级配比变差,骨料较大地比表面积使其无法有效地聚集足够的砂浆,影响到混凝土的致密性。

图7 煤矸石骨料替代率对弹性模量的影响

3 结 语

本文介绍了一种面向矿山工程应用领域的大体积掺量煤矸石混凝土。在系统测试煤矸石骨料物理力学性能的基础上,通过对21个标准圆柱试样轴压力学性能的试验研究,对不同煤矸石掺量条件下的破坏模式、抗压强度、极限应变和弹性模量等参数进行分析,得到以下结论:

1) 煤矸石骨料和天然砂石骨料由类似的矿物组成,但其吸水率和破碎系数相对偏大;

2) 轴向荷载作用下煤矸石混凝土的破坏模式以剪切破坏为主,伴随着不同程度的劈裂破坏;

3) 煤矸石混凝土的强度和弹性模量与煤矸石骨料掺量具有显著的呈负相关特性;

4) 煤矸石混凝土的变形能力与煤矸石骨料掺量具有一定的正相关特性。