基于裹漿工藝的煤矸石混凝土性能研究

姚志鑫，穆川川，單俊鴻，劉 捷，王 奎，高 鵬

(1.河北工程大學(xué)土木工程學(xué)院，邯鄲 056000；2.山西路橋集團(tuán)忻州國道項(xiàng)目建設(shè)管理有限公司，忻州 034000； 3.山西卓越水泥有限公司，長治 046000；4.武漢理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，武漢 430070)

0 引 言

煤矸石(coal gangue)是在煤炭開采和加工過程中產(chǎn)生的黑色硬質(zhì)巖石[1]，是我國最大的工業(yè)固體廢棄物之一，并以每年7億噸的速度增長。目前煤矸石主要用于發(fā)電、制磚等領(lǐng)域[2]，在《煤矸石綜合利用管理辦法》中要求用于發(fā)電的煤矸石熱值不小于5 020 kJ·kg-1[3]，而大多數(shù)煤矸石熱值較低，亟需資源化利用。

低熱值煤矸石含碳量低，含石量高，可以用作混凝土骨料，但是煤矸石中的碳和有機(jī)質(zhì)導(dǎo)致煤矸石硬度低，阻礙了其與水泥漿體間的膠結(jié)。為解決上述問題，有學(xué)者采用煅燒方式除碳和有機(jī)質(zhì)來改性煤矸石骨料，但煅燒工藝復(fù)雜且成本高[4]，市場(chǎng)接受度較低。還有學(xué)者[5]提出破碎分選工藝，將煤矸石中的碳富集到細(xì)骨料，得到穩(wěn)定性好的粗骨料，但配制的煤矸石粗骨料混凝土仍存在強(qiáng)度低、耐久性能差的問題。有學(xué)者[6-8]認(rèn)為混凝土強(qiáng)度低主要是煤矸石骨料壓碎值大和界面強(qiáng)度低造成的，耐久性能差是煤矸石吸水率大、孔隙多和性能弱[9-11]所致。煤矸石骨料的硬度、耐久性能與混凝土強(qiáng)度、耐久性能的相關(guān)性有待進(jìn)一步研究。再生骨料是將混凝土廢料通過破碎、篩分等方法制備成的骨料，具有與煤矸石骨料相似的特性，再生骨料制備的混凝土也存在強(qiáng)度低、耐久性能差的問題；經(jīng)裹漿處理后，再生骨料的壓碎值、吸水率等性能大幅提升，制備的混凝土強(qiáng)度和耐久性能增強(qiáng)[12-13]，裹漿處理是否適用于煤矸石以及該工藝對(duì)煤矸石骨料和煤矸石骨料混凝土性能的影響尚未有相關(guān)研究。

基于此，本文選用經(jīng)破碎分選后的低熱值煤矸石為研究對(duì)象，用裹漿工藝對(duì)煤矸石粗骨料進(jìn)行預(yù)處理，研究裹漿對(duì)煤矸石骨料硬度與抗干濕、抗凍融性能的影響規(guī)律，分析煤矸石骨料性能與煤矸石混凝土性能的相關(guān)性，并結(jié)合XRD、SEM等微觀檢測(cè)手段，揭示煤矸石骨料劣化以及煤矸石骨料和混凝土性能強(qiáng)化的機(jī)理。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 原材料

裹漿漿體配制所用膠凝材料為42.5級(jí)普通硅酸鹽水泥和超細(xì)粉，性能指標(biāo)見表1、表2。煤矸石粗骨料由長治市某煤礦掘進(jìn)過程產(chǎn)生的煤矸石直接破碎篩分而得，粒徑為9.5～19 mm，石灰石粗骨料粒徑為9.5～19 mm，二者的主要化學(xué)成分和礦物組成分別見表3、圖1，煤矸石的工業(yè)分析指標(biāo)見表4。細(xì)骨料采用表觀密度為2 720 kg/m3、細(xì)度模數(shù)為2.5的機(jī)制砂。減水劑采用固含量為7%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的聚羧酸高效減水劑。

表1 水泥性能指標(biāo)Table 1 Performance index of cement

表2 超細(xì)粉性能指標(biāo)Table 2 Performance index of ultrafine powder

表3 煤矸石、石灰石的主要化學(xué)組成Table 3 Main chemical composition of coal gangue and limestone

圖1 煤矸石、石灰石的XRD譜Fig.1 XRD patterns of coal gangue and limestone

表4 煤矸石的工業(yè)分析指標(biāo)Table 4 Industrial analysis index of coal gangue

由表3和圖1可知:煤矸石主要以SiO2、Al2O3等組成的石英、高嶺石礦物為主；煤矸石含碳量很低，質(zhì)量分?jǐn)?shù)僅為5.06%，因而熱值僅有404.58 kJ·kg-1，揮發(fā)分(一般是有機(jī)質(zhì))質(zhì)量分?jǐn)?shù)也較低，為6.71%，灰分即巖石相質(zhì)量占比最高，達(dá)86.62%，硬度較高，具有作混凝土骨料的潛質(zhì)，但是煤矸石中含有細(xì)小的碳顆粒和高嶺石等黏土礦物，可能對(duì)煤矸石骨料及混凝土的強(qiáng)度、耐久性能產(chǎn)生影響。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1)制備煤矸石裹漿漿體。強(qiáng)化漿體的流動(dòng)性和黏聚性對(duì)煤矸石粗骨料強(qiáng)化效果有重要的影響，若水膠比太大，則漿體流動(dòng)度大，對(duì)集料包裹較差，從而達(dá)不到強(qiáng)化效果；若水膠比太小，則漿體黏度大，對(duì)集料的包裹不均勻，裹漿厚度差異增大，強(qiáng)化作用較差。通過試驗(yàn)確定最優(yōu)水膠比，分別選取質(zhì)量相似的煤矸石骨料各50顆，烘干后采用0.44、0.47、0.50水膠比按照相同試驗(yàn)方法對(duì)其進(jìn)行裹漿試驗(yàn)，硬化后烘干測(cè)試平均裹漿質(zhì)量，并計(jì)算裹漿質(zhì)量變異系數(shù)(裹漿質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)差與裹漿質(zhì)量平均值之比)來表征裹漿的均勻性。煤矸石骨料平均裹漿質(zhì)量與變異系數(shù)見表5。經(jīng)試驗(yàn)，當(dāng)水膠比為0.47、水泥與超細(xì)粉質(zhì)量比為8 ∶2、減水劑摻量占膠凝材料質(zhì)量的1.1%時(shí)，變異系數(shù)最小，均勻性好。

表5 煤矸石骨料平均裹漿質(zhì)量與變異系數(shù)Table 5 Average slurry wrapping mass and variation coefficient of coal gangue aggregate

2)按照煤矸石粗骨料裹漿流程圖(見圖2)對(duì)煤矸石進(jìn)行裹漿預(yù)處理。以煤矸石骨料的棱角剛好全部被漿體包裹的最小漿體質(zhì)量為單位裹漿質(zhì)量，經(jīng)模擬試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)此狀態(tài)下對(duì)應(yīng)的漿體與煤矸石的質(zhì)量比為1 ∶1。假設(shè)骨料為球體模型[14]，計(jì)算單位質(zhì)量煤矸石的比表面積和裹漿厚度(約為0.7 mm)。按照上述比例，將煤矸石粗骨料放入漿體中邊浸泡邊攪拌30 min，撈出晾干1 d，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)至28 d烘干備用，從而制備出水泥-超細(xì)礦粉裹漿煤矸石(記為US)、水泥-超細(xì)粉煤灰裹漿煤矸石(記為UF)和水泥-超細(xì)石灰石粉裹漿煤矸石(記為UL)。

3)對(duì)比研究石灰石(記為LS)粗骨料、原狀煤矸石(記為OC)骨料與不同漿體裹漿煤矸石粗骨料的吸水率、壓碎值以及在干濕、凍融環(huán)境下的劣化行為差異，得出裹漿煤矸石粗骨料性能變化規(guī)律；同時(shí)研究裹漿與未裹漿煤矸石粗骨料制備的混凝土強(qiáng)度及其在干濕、凍融環(huán)境下的劣化行為，并分析骨料性能強(qiáng)化與混凝土性能提升的相關(guān)性?；炷恋呐浜媳纫姳?。

50名患者在麻醉之前，進(jìn)行常規(guī)的穿刺準(zhǔn)備措施?；颊咴谶@個(gè)時(shí)間段會(huì)佩戴濕化瓶開放式面罩進(jìn)行吸氧。在麻醉之后，根據(jù)相關(guān)檢查核對(duì)確定之后，要對(duì)患者的血氧飽和度以及心電圖進(jìn)行檢測(cè)。相關(guān)護(hù)理人員要密切觀察患者的生命體征狀況和相關(guān)指標(biāo)的變化，及時(shí)報(bào)告醫(yī)師。如果患者的血氧飽和度小于百分之九十六，并且排除患者為肺部疾病等相關(guān)自身原因，要在一定時(shí)間內(nèi)尋找明確的病因。普遍的病因是沒有開啟樣器開關(guān)，患者手指和脈氧探頭接觸不佳，患者出現(xiàn)舌后墜等情況。在施行相關(guān)有效的措施之后，患者的血氧飽和度會(huì)恢復(fù)正常。

4)采用XRD、SEM檢測(cè)手段，測(cè)試干濕、凍融循環(huán)前后的粗骨料礦物組成、微觀形貌及混凝土界面過渡區(qū)(interface transition zone, ITZ)形貌，揭示煤矸石劣化過程及裹漿煤矸石骨料和混凝土強(qiáng)化機(jī)理。

圖2 煤矸石粗骨料裹漿流程圖Fig.2 Flow chart of coal gangue coarse aggregate wrapped slurry

表6 混凝土配合比Table 6 Mix proportion of concrete

1.3 試驗(yàn)方法

1)煤矸石粗骨料化學(xué)成分與物理性能

按照GB/T 212—2008《煤的工業(yè)分析方法》測(cè)定煤矸石粗骨料的固定碳、灰分和揮發(fā)分，按照GB/T 213—2008《煤的發(fā)熱量測(cè)定方法》測(cè)定煤矸石發(fā)熱量，采用X射線熒光光譜儀、X射線衍射儀檢測(cè)化學(xué)成分與礦物組成，按照GB/T 14685—2022《建設(shè)用卵石、碎石》測(cè)定煤矸石骨料與石灰石骨料基本物理性能。

2)裹漿煤矸石粗骨料性能檢測(cè)

按照GB/T 14685—2022《建設(shè)用卵石、碎石》測(cè)定裹漿粗骨料吸水率，同時(shí)按照J(rèn)GJ/T 70—2009《建筑砂漿基本性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》測(cè)試28 d齡期硬化裹漿材料的吸水率和強(qiáng)度，兩個(gè)吸水率之差即為裹漿煤矸石的有效吸水率。

以粗骨料浸水24 h后再60 ℃烘干24 h為1次干濕循環(huán)，測(cè)試5次干濕循環(huán)后的質(zhì)量損失率(干濕循環(huán)后粒徑小于9.5 mm占比)，計(jì)算抗干濕循環(huán)系數(shù)(干濕循環(huán)前后壓碎值之比)來表征骨料抗干濕性能。

參考DZ/T 0276.8—2015《巖石物理力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)規(guī)程 第8部分：巖石抗凍試驗(yàn)》進(jìn)行骨料抗凍性試驗(yàn),凍融循環(huán)次數(shù)為5、10、15、20、25次(標(biāo)準(zhǔn)中嚴(yán)寒地區(qū)要求25次)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)前5次凍融循環(huán)的質(zhì)量損失率、壓碎值變化幅度大，而再繼續(xù)進(jìn)行凍融循環(huán)試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)煤矸石骨料的性能趨于穩(wěn)定，變化較小，因此測(cè)試5次凍融循環(huán)后的質(zhì)量損失率，計(jì)算抗凍融循環(huán)系數(shù)來表征骨料抗凍性能。

3)混凝土性能檢測(cè)

以養(yǎng)護(hù)28 d的試件浸水24 h后再60 ℃烘干48 h為1次干濕循環(huán)，每5次循環(huán)根據(jù)GB/T 50081—2019《混凝土物理力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》測(cè)試混凝土抗壓強(qiáng)度，總共測(cè)試30次循環(huán)。根據(jù)GB/T 50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》測(cè)試混凝土抗凍性能。

2 裹漿煤矸石粗骨料性能分析

2.1 物理性能分析

粗骨料的有效吸水率與壓碎值如圖3所示。由圖3可知，與吸水率僅為0.6%的LS相比，OC的吸水率高達(dá)2.6%，超過GB/T 14685—2022《建設(shè)用卵石、碎石》粗骨料吸水率≤2%的標(biāo)準(zhǔn)。裹漿后不同裹漿粗骨料吸水率有所降低，呈US

表7 硬化漿體吸水率和28 d抗壓強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果Table 7 Test results of water absorption and 28 d compressive strength of hardened paste

圖3 不同骨料的吸水率與壓碎值Fig.3 Water absorption and crushing value of different aggregates

2.2 耐久性能分析

骨料在5次干濕循環(huán)下的質(zhì)量損失率、抗干濕循環(huán)系數(shù)如圖4所示，在5次凍融循環(huán)下的質(zhì)量損失率、抗凍融循環(huán)系數(shù)圖5所示。由圖4、圖5可知，LS飽水后在干濕循環(huán)和凍融循環(huán)條件下變化較小，而OC的劣化程度較大，宏觀表現(xiàn)為崩解脫落，硬度降低。OC經(jīng)過5次干濕循環(huán)后，質(zhì)量損失率高達(dá)21.2%，抗干濕循環(huán)系數(shù)僅為0.81；經(jīng)過5次凍融循環(huán)后，質(zhì)量損失率達(dá)23.3%，抗凍融循環(huán)系數(shù)為0.78。這是由于OC硬度低，吸水率大，內(nèi)部存在裂隙，結(jié)構(gòu)疏松[15]，浸水后抵抗破壞能力較弱，因此OC出現(xiàn)崩解剝落、軟化現(xiàn)象。

圖4 不同骨料在干濕循環(huán)下的質(zhì)量損失率和抗干濕循環(huán)系數(shù)Fig.4 Mass loss rate and dry-wet cycle resistance coefficient of different aggregates under dry-wet cycle

裹漿后煤矸石粗骨料的抗干濕性能和抗凍融性能明顯提升，主要表現(xiàn)為質(zhì)量損失率降低和抗干濕、凍融循環(huán)系數(shù)增大，其中US效果最優(yōu)，干濕循環(huán)后的質(zhì)量損失率降至10.1%，抗干濕循環(huán)系數(shù)提高至0.88，凍融循環(huán)后的質(zhì)量損失率降低至12.3%，抗凍融循環(huán)系數(shù)提高至0.87。裹漿后在表面形成的硬化漿體層密實(shí)度好，能夠有效阻止水分滲透，弱化水分對(duì)內(nèi)部煤矸石的損傷，且硬化漿體吸水率越低和強(qiáng)度越高，骨料的抗干濕性能和抗凍融性能越好。

圖5 不同骨料在凍融循環(huán)下的質(zhì)量損失率和抗凍融循環(huán)系數(shù)Fig.5 Mass loss rate and freeze-thaw cycle resistance coefficient of different aggregates under freeze-thaw cycle

3 裹漿煤矸石混凝土性能分析

3.1 裹漿煤矸石混凝土抗壓強(qiáng)度分析

圖6 不同混凝土在不同齡期的抗壓強(qiáng)度Fig.6 Compressive strength of different concrete at different curing ages

圖6為不同混凝土在不同齡期的抗壓強(qiáng)度。由圖6可知，石灰石混凝土28 d強(qiáng)度最高，達(dá)50.7 MPa，原狀煤矸石混凝土抗壓強(qiáng)度最低，為43.1 MPa，裹漿后煤矸石混凝土抗壓強(qiáng)度均增強(qiáng)，其中US混凝土提升最大，28 d強(qiáng)度從43.1 MPa增至48.3 MPa，提高率為12.1%，這與骨料壓碎值呈現(xiàn)的規(guī)律一致。粗骨料硬度是影響混凝土強(qiáng)度的重要因素[16]，原狀煤矸石粗骨料硬度低導(dǎo)致混凝土強(qiáng)度低，而裹漿后煤矸石粗骨料壓碎值較小，硬度高，能夠有效阻止水泥砂漿中裂縫的擴(kuò)展[17]，因此裹漿煤矸石混凝土強(qiáng)度提高。

3.2 裹漿煤矸石混凝土耐久性能分析

圖7為不同混凝土在干濕、凍融循環(huán)作用下的強(qiáng)度損失率、質(zhì)量損失率和相對(duì)動(dòng)彈性模量。由圖7(a)可知，在干濕循環(huán)作用下，混凝土強(qiáng)度損失率出現(xiàn)先負(fù)后正的現(xiàn)象，其中LS混凝土30次干濕循環(huán)后的強(qiáng)度損失率幾乎為零，而OC混凝土的強(qiáng)度損失率高達(dá)12.0%。裹漿后煤矸石混凝土抗干濕循環(huán)性能提高，US、UF、UL混凝土的強(qiáng)度損失率分別降至3.0%、6.2%、8.1%。在前10次干濕循環(huán)下混凝土強(qiáng)度有所提升的主要原因是:干燥溫度為60 ℃時(shí)，加速了水泥的水化[18]，而水分對(duì)骨料的侵蝕作用較小；隨著干濕循環(huán)次數(shù)增加，水分侵蝕加劇，骨料的劣化程度加深，導(dǎo)致煤矸石混凝土強(qiáng)度損失率增大，而裹漿后煤矸石混凝土相對(duì)強(qiáng)度高，骨料受干濕交替的侵蝕小，所以強(qiáng)度損失率變小。

由圖7(b)、(c)可知，隨著凍融循環(huán)次數(shù)增加，混凝土的質(zhì)量損失率整體逐漸增大，相對(duì)動(dòng)彈性模量逐漸降低。OC混凝土經(jīng)過150次凍融循環(huán)后，相對(duì)動(dòng)彈性模量僅為56.1%，質(zhì)量損失率達(dá)3.7%；LS混凝土經(jīng)過250次凍融循環(huán)后，相對(duì)動(dòng)彈性模量為53.1%，質(zhì)量損失率為3.1%；而裹漿后的煤矸石混凝土質(zhì)量損失率均減小，相對(duì)動(dòng)彈性模量衰減速度變慢，其中US混凝土抗凍性能最優(yōu)，抗凍等級(jí)為F175，質(zhì)量損失率為3.1%。這是由于煤矸石混凝土強(qiáng)度低，軟弱界面為水分遷移提供了通道[12]，在凍融循環(huán)作用下，水分對(duì)混凝土凍脹破壞加劇，而裹漿后煤矸石混凝土內(nèi)部缺陷少并且強(qiáng)度高，抵抗裂紋擴(kuò)展的能力增強(qiáng)，因此混凝土抗凍性能提升。

圖7 不同混凝土在干濕、凍融循環(huán)作用下的強(qiáng)度損失率、質(zhì)量損失率和相對(duì)動(dòng)彈性模量Fig.7 Strength loss rate, mass loss rate and relative dynamic elastic modulus of different concrete under dry-wet cycle and freeze-thaw cycle

4 煤矸石骨料性能與混凝土性能的相關(guān)性

圖8為骨料壓碎值、耐久性能指數(shù)與混凝土強(qiáng)度、耐久性能的相關(guān)性。由圖8可知：骨料壓碎值與混凝土28 d抗壓強(qiáng)度呈明顯的線性負(fù)相關(guān)，R2=0.987 3，即骨料壓碎值越大，制備的混凝土強(qiáng)度越低；骨料抗干濕循環(huán)系數(shù)與混凝土強(qiáng)度損失率呈負(fù)相關(guān)的二次函數(shù)關(guān)系，R2=0.971 4，即抗干濕循環(huán)系數(shù)越大，強(qiáng)度損失率越小，混凝土抗干濕性能越好；骨料抗凍融循環(huán)系數(shù)與混凝土相對(duì)動(dòng)彈性模量呈正相關(guān)的二次函數(shù)關(guān)系，R2=0.992 4，抗凍融循環(huán)系數(shù)越大，混凝土抗凍性能越好。煤矸石粗骨料因耐久性能差而成為混凝土中的薄弱結(jié)構(gòu)，在干濕循環(huán)或凍融循環(huán)作用下，煤矸石粗骨料易于砂漿基體發(fā)生劣化，導(dǎo)致煤矸石與水泥砂漿的界面黏結(jié)力受損[19]，裂縫發(fā)展，進(jìn)而造成混凝土耐久性能差。

圖8 骨料壓碎值、耐久性能指數(shù)與混凝土強(qiáng)度、耐久性能擬合Fig.8 Fitting of aggregate crushing value and durability index with concrete strength and durability

總體而言，由于煤矸石較其他材料不同，當(dāng)煤矸石作混凝土粗骨料時(shí)，除考慮壓碎值、吸水率等常規(guī)指標(biāo)外，還應(yīng)關(guān)注抗干濕循環(huán)和抗凍融循環(huán)指標(biāo)，同時(shí)還要考慮煤矸石混凝土的設(shè)計(jì)強(qiáng)度與所處環(huán)境。

5 微觀機(jī)理分析

5.1 XRD分析

對(duì)經(jīng)過干濕循環(huán)、凍融循環(huán)前后的LS、OC、US進(jìn)行XRD測(cè)試，結(jié)果如圖9所示。由圖9可知，石灰石骨料在干濕、凍融循環(huán)前后XRD的衍射峰強(qiáng)度變化較小，可見礦物結(jié)晶較好，損傷程度小。而原狀煤矸石則不同，在干濕、凍融循環(huán)后，10°～15°和25°～35°處的衍射峰強(qiáng)度變低，分析可知煤矸石中的高嶺石、綠泥石等黏土礦物發(fā)生晶格畸變[20]，結(jié)晶程度變差，導(dǎo)致衍射峰強(qiáng)度變化較大，可見黏土礦物結(jié)構(gòu)受到破壞。裹漿煤矸石表面生成的AFt、Ca(OH)2等物質(zhì)依附于煤矸石孔隙中，有利于密實(shí)度和強(qiáng)度提升。在溫度和濕度反復(fù)變化下，裹漿煤矸石表面的Ca(OH)2、AFt等水化產(chǎn)物晶體結(jié)構(gòu)受損，衍射峰強(qiáng)度變?nèi)?，但黏土礦物的衍射峰強(qiáng)度變化較小，說明水分主要侵蝕水化產(chǎn)物而弱化了對(duì)黏土礦物的破壞。

圖9 干濕、凍融循環(huán)前后LS、OC、US的XRD譜Fig.9 XRD patterns of LS, OC and US before and after dry-wet cycle and freeze-thaw cycle

5.2 SEM分析

圖10和圖11分別為LS、OC、US初始狀態(tài)、干濕循環(huán)和凍融循環(huán)前后的SEM照片和煤矸石的劣化過程。石灰石粗骨料在干濕、凍融循前后的微觀形貌變化不大，多邊形方解石依然呈密實(shí)狀態(tài)；原狀煤矸石初始未受風(fēng)化，表面有明顯疊片狀的高嶺石和鱗片狀的綠泥石[21]等黏土礦物，結(jié)構(gòu)呈面-面膠結(jié)，連續(xù)性較好[22]，但表面存在一定的孔隙，總體結(jié)構(gòu)密實(shí)；干濕循環(huán)、凍融循環(huán)后，煤矸石微觀結(jié)構(gòu)被破壞，由初始致密結(jié)構(gòu)變?yōu)槭杷傻男鯛罱Y(jié)構(gòu)[21]，浸水后黏土礦物間的膠結(jié)物溶蝕后發(fā)生軟化，導(dǎo)致層狀結(jié)構(gòu)的黏土礦物結(jié)構(gòu)失穩(wěn)破壞，微觀表面產(chǎn)生大量的裂縫和斷面，宏觀表現(xiàn)為巖石軟化崩解并且碎屑增多，這與XRD分析的結(jié)果一致，可見黏土礦物結(jié)構(gòu)破壞是造成煤矸石劣化的主要原因。裹漿后的煤矸石表面被水化硅酸鈣(C-S-H)凝膠、AFt和Ca(OH)2晶體等包裹，強(qiáng)度提升；干濕循環(huán)、凍融循環(huán)后，裹漿煤矸石表面的水化產(chǎn)物受到破壞，導(dǎo)致表面外殼脫落，致密性降低，內(nèi)部煤矸石裸露并產(chǎn)生少量的裂縫，但破壞程度遠(yuǎn)小于原狀煤矸石，裹漿煤矸石破壞主要集中于表面的水化產(chǎn)物，因此性能得到提升。

圖10 LS、OC、US干濕、凍融循環(huán)前后的SEM照片F(xiàn)ig.10 SEM images of LS, OC and US before and after dry-wet cycle and freeze-thaw cycle

圖11 煤矸石劣化過程Fig.11 Deterioration process of coal gangue

圖12為LS、OC、US混凝土骨料-砂漿基體界面過渡區(qū)的SEM照片。由圖12可以看出:石灰石混凝土的界面過渡區(qū)緊密黏結(jié)，界面致密性好,孔隙較少，這也是石灰石混凝土強(qiáng)度高、耐久性能好的微觀原因；原狀煤矸石混凝土過渡區(qū)出現(xiàn)明顯裂縫，表明煤矸石骨料-砂漿基體的結(jié)合性較差，導(dǎo)致混凝土界面強(qiáng)度降低，而且這種裂縫會(huì)使骨料與水接觸的面積增大，由于煤矸石骨料吸水率大，強(qiáng)度低，抗干濕性能、抗凍融性能差，因此原狀煤矸石混凝土的強(qiáng)度低，耐久性能較差；而裹漿煤矸石混凝土界面過渡區(qū)分層現(xiàn)象不明顯，表明裹漿煤矸石骨料-砂漿基體界面膠結(jié)程度高，受水分與干濕、凍融環(huán)境影響較小，且裹漿煤矸石粗骨料強(qiáng)度和耐久性能提升，進(jìn)而增強(qiáng)了裹漿煤矸石混凝土的性能。

圖12 LS、OC、US混凝土界面過渡區(qū)的SEM照片F(xiàn)ig.12 SEM images of interface transition zone of LS, OC and US concrete

6 結(jié) 論

1)機(jī)械破碎后的煤矸石主要由石英和黏土礦物組成，碳含量較少，巖石相含量高，但存在壓碎值大、吸水率高、耐久性能差等問題；經(jīng)裹漿處理后，水泥-超細(xì)礦粉裹漿煤矸石吸水率、壓碎值分別降低了30.7%、11.3%，耐久性能有了較大提升。

2)裹漿煤矸石混凝土較原狀煤矸石混凝土性能增強(qiáng)，其中水泥-超細(xì)礦粉裹漿煤矸石混凝土強(qiáng)化效果最佳，28 d強(qiáng)度提升12.1%，干濕循環(huán)30次強(qiáng)度損失率降至3.0%，抗凍等級(jí)達(dá)F175，抗凍性能提高。

3)對(duì)骨料的壓碎值與混凝土抗壓強(qiáng)度進(jìn)行擬合，兩者呈顯著負(fù)相關(guān)，R2=0.987 3；骨料抗干濕循環(huán)系數(shù)與混凝土強(qiáng)度損失率呈負(fù)相關(guān)的二次函數(shù)關(guān)系，R2=0.971 4；骨料抗凍融循環(huán)系數(shù)與混凝土相對(duì)動(dòng)彈性模量呈正相關(guān)的二次函數(shù)關(guān)系，R2=0.992 4；當(dāng)煤矸石作混凝土粗骨料時(shí)除考慮壓碎值、吸水率等指標(biāo)外，還應(yīng)關(guān)注煤矸石骨料的耐久性能指標(biāo)。

4)煤矸石粗骨料劣化的原因主要是高嶺石、綠泥石等黏土礦物浸水后膠結(jié)物溶蝕，結(jié)構(gòu)軟化失穩(wěn)；而裹漿后的煤矸石性能提升在于水分被硬化漿體隔絕，弱化了對(duì)黏土礦物的破壞；煤矸石混凝土性能的改善在于骨料性能和界面過渡區(qū)結(jié)合程度提升。