煤矸石混凝土受壓性能研究

李 建，馬騰飛*，岑祖妹，高利軍，高 亮

（1.六盤水師范學(xué)院，貴州六盤水 553000；2.陜煤集團(tuán)神木檸條塔礦業(yè)有限公司，陜西神木 719300）

煤矸石是煤礦生產(chǎn)中的非煤產(chǎn)物，目前我國煤矸石存量約為80 億t，大量的煤矸石堆積不僅占用耕地面積，而且會對周圍環(huán)境造成危害[1]。

當(dāng)前土建用砂石資源緊張，如能夠?qū)⑻幚砗蟮拿喉肥糜诠こ探Y(jié)構(gòu)中，不僅能消納大量的廢棄煤矸石，減少煤矸石對環(huán)境的污染；同時也拓寬了工程用混凝土的砂石來源途徑，減小了開山挖石、破壞環(huán)境的危害。

1 試驗

1.1 試驗原料與配合比設(shè)計

1.1.1 試驗原料

1）水泥。本試驗采用的水泥為六盤水地區(qū)生產(chǎn)的烏蒙山水泥。該水泥為PO.42.5 普通硅酸鹽水泥，其28 d 抗壓強(qiáng)度為42.9 MPa。

2）礦物摻合料。礦物摻合料是指在制備混凝土?xí)r，加入后可以改善混凝土性能的一種礦物材料，本次試驗中所備制的混凝土試件均未添加礦物摻合料。

3）煤矸石。本次試驗所用的煤矸石均由六盤水市虹橋新區(qū)某洗煤廠生產(chǎn)。將煤矸石作為混凝土粗骨料的取代物。煤矸石的化學(xué)成分見表1。

表1 煤矸石的化學(xué)成分%

4）水。本試驗所用水為六盤水居民用自來水。

1.1.2 配合比的設(shè)計

依據(jù)段曉牧[2]、陳煒林[3]、馮飛勝[4]和王志龍[5]等研究設(shè)計試驗，此外煤矸石混凝土的配合比計算根據(jù)JGJ 55—2011《普通混凝土配合比設(shè)計規(guī)程》[6]進(jìn)行設(shè)計計算，使用煤矸石和天然碎石作為煤矸石的粗骨料，設(shè)計混凝土強(qiáng)度等級為C20、C30、C40 三個等級。采用煤矸石粗骨料替代混凝土中天然石料的0%、30%、50%、70%、100%制備煤矸石混凝土。澆筑制備煤矸石混凝土試件，對煤矸石混凝土的抗壓強(qiáng)度進(jìn)行試驗研究，煤矸石混凝土的配合比見表2。

表2 煤矸石混凝土的配合比kg

1.2 試件設(shè)計和試驗步驟

1.2.1 煤矸石混凝土試件的設(shè)計

本次試驗設(shè)計澆筑的煤矸石混凝土試件的規(guī)格為100 mm×100 mm×100 mm 共計90 個，根據(jù)表2 所設(shè)計的混凝土配合比來澆筑本次試驗所用的試件。

按計算的比例準(zhǔn)備原料，將原料倒入攪拌機(jī)中進(jìn)行拌合，將充分?jǐn)嚢韬蟮脑系谷肽＞?，制作煤矸石混凝土試件。把煤矸石混凝土試件放入?biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室中進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)室的溫度保持在20 ℃，相對濕度保持在95%以上。

1.2.2 煤矸石混凝土試件的抗壓試驗

煤矸石混凝土抗壓試驗，所用加載儀器為DYE-2000 型電液式壓力試驗機(jī)，試驗應(yīng)該符合GB/T 50081—2019《混凝土物理力學(xué)性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》[7]中的規(guī)定要求。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 煤矸石的摻加量對混凝土抗壓強(qiáng)度的影響

試驗將煤矸石根據(jù)0%、30%、50%、70%、100%的替代率來替代混凝土中的碎石骨料來制備煤矸石混凝土，通過試驗研究分析煤矸石的替代率對混凝土強(qiáng)度的影響，混凝土抗壓強(qiáng)度的計算要精確至0.1 MPa。不同煤矸石替代率下混凝土抗壓強(qiáng)度見表3。

表3 煤矸石混凝土28 d 測試強(qiáng)度MPa

根據(jù)表3 中的數(shù)據(jù)繪制C20、C30、C40 煤矸石混凝土的抗壓強(qiáng)度點線圖如圖1—圖3 所示。

圖1 C20 混凝土抗壓強(qiáng)度點線圖

根據(jù)圖1 分析得出，在C20 煤矸石混凝土中，當(dāng)煤矸石的替代率為30%時，此時煤矸石混凝土的抗壓強(qiáng)度最高，較未摻加煤矸石時的抗壓強(qiáng)度提高5%。煤矸石的替代率在30%~70%時，煤矸石混凝土的抗壓強(qiáng)度較煤矸石替代率為30%時的強(qiáng)度低，但都高于未摻加煤矸石時。煤矸石的替代率高于70%，煤矸石混凝土的抗壓強(qiáng)度就會低于未摻加煤矸石時的混凝土抗壓強(qiáng)度。

根據(jù)圖2 分析可得出，C30 煤矸石混凝土中只要摻加煤矸石后都會使混凝土的抗壓強(qiáng)度降低，當(dāng)摻加煤矸石的替代率大于50%后，煤矸石混凝土的抗壓強(qiáng)度會大幅度降低，且降低幅度約為10%。

圖2 C30 混凝土抗壓強(qiáng)度點線圖

根據(jù)圖3 分析可得出，將煤矸石摻加到混凝土中后，會使煤矸石混凝土的抗壓強(qiáng)度降低，當(dāng)煤矸石的替代率為30%時，混凝土的抗壓強(qiáng)度下降約為3%。當(dāng)煤矸石的替代率為30%~70%時，煤矸石混凝土的抗壓強(qiáng)度會發(fā)生一個較小上下波動。煤矸石的替代率超過70%時，會使混凝土的抗壓強(qiáng)度約下降15%。

圖3 C40 混凝土抗壓強(qiáng)度點線圖

為了可以更加直觀分析出煤矸石的摻加量對混凝土抗壓強(qiáng)度的影響，依據(jù)表3 中數(shù)據(jù)繪制成相應(yīng)的點線圖（圖4）。

圖4 煤矸石摻量與混凝土抗壓強(qiáng)度的折線圖

根據(jù)表3 和圖4 進(jìn)行分析可知，因為C20 混凝土等級強(qiáng)度較低，所以混凝土對所組成的原料的性能要求較低，當(dāng)將煤矸石替代混凝土中的碎石骨料后，混凝土的強(qiáng)度并不會受到較大的影響，且所制備的混凝土的性能也滿足國家規(guī)范要求，所以當(dāng)混凝土的強(qiáng)度等級為C20 時，在混凝土中摻入煤矸石后不會影響到混凝土的抗壓強(qiáng)度。C20 混凝土中富含大量的水泥凈漿，在振蕩時可以填充混凝土中集料所產(chǎn)生的空隙，使得煤矸石在混凝土中變得更加的密集，提高堅固性。在混凝土進(jìn)行養(yǎng)護(hù)硬化的過程，煤矸石由于吸水率較高而吸收的水分就會不斷地慢慢釋放出來，使得混凝土的內(nèi)部有較好的濕潤環(huán)境，為混凝土中膠凝材料水化提供水分，使水化反應(yīng)不斷地進(jìn)行，從而使混凝土的強(qiáng)度不斷地增加。對于C30 混凝土，當(dāng)用煤矸石替代混凝土中碎石骨料的替代率小于50%時，混凝土的強(qiáng)度雖然會有所降低，但是所降低的幅度不大。但是當(dāng)煤矸石的替代率大于50%時，混凝土的強(qiáng)度會發(fā)生大幅度的降低，因為此時混凝土中一半的骨料為煤矸石，而煤矸石自身的強(qiáng)度與天然碎石強(qiáng)度相比較低，所以導(dǎo)致了混凝土中骨料的強(qiáng)度與膠凝材料的強(qiáng)度不協(xié)調(diào)，當(dāng)對混凝土進(jìn)行施壓時，混凝土中水泥漿與骨料相連接部分還未發(fā)生破壞時，混凝土中煤矸石就已經(jīng)發(fā)生破壞，從而導(dǎo)致混凝土試件發(fā)生破壞。故當(dāng)使用煤矸石作為粗骨料來生產(chǎn)煤矸石混凝土?xí)r，應(yīng)注意所生產(chǎn)的混凝土強(qiáng)度等級。當(dāng)混凝土的強(qiáng)度等級高于C30 時，摻加的煤矸石的替代率應(yīng)控制在50%以下，混凝土強(qiáng)度等級低于C30 時，則不需考慮煤矸石的替代率；對于C40 混凝土，當(dāng)煤矸石的替代率為100%時，煤矸石混凝土的抗壓強(qiáng)度會發(fā)生大幅度的降低，且降低的幅度約為10%。

2.2 煤矸石摻量對混凝土抗壓破壞形態(tài)的分析

2.2.1 不同摻量的煤矸石對C20 混凝土抗壓形態(tài)的影響

對圖5 所示的試件裂紋進(jìn)行分析，在混凝土中摻加煤矸石后，會使混凝土試件的抗壓破壞形態(tài)發(fā)生改變；混凝土中還未摻加煤矸石前，混凝土試件經(jīng)過抗壓破壞所出現(xiàn)的裂紋主要為規(guī)整的縱向裂紋，且此時試件較為完整（圖5（a））。煤矸石混凝土中煤矸石的替代率為30%時，煤矸石混凝土試件經(jīng)過抗壓破壞后所出現(xiàn)的裂紋為縱向與橫向相交錯，煤矸石混凝土試件表面也較為完整（圖5（b））。煤矸石混凝土中煤矸石的替代率為50%時，試件經(jīng)過抗壓破壞后所產(chǎn)生的裂紋為縱向裂紋與橫向裂紋，且此時試件內(nèi)部的煤矸石骨料開始破壞，使試件的表面因受到煤矸石破壞而產(chǎn)生剝落（圖5（c））。煤矸石混凝土中煤矸石的替代率為70%時，凝土試件經(jīng)過抗壓破壞所出現(xiàn)的裂紋主要為規(guī)整的橫向裂紋，且此時試件的表面發(fā)生大面積的剝落（圖5（d））。煤矸石混凝土中煤矸石的替代率為100%時，試件表面發(fā)生大面積的骨料剝落，且不能較好地觀察出試件的裂紋（圖5（e））。

圖5 煤矸石混凝土抗壓破壞形態(tài)

2.2.2 煤矸石替代率為50%時，C20、C30、C40 混凝土抗壓形態(tài)分析

對圖6 的試件抗壓裂紋進(jìn)行分析，當(dāng)煤矸石的替代率為50%時，C20 煤矸石混凝土試件經(jīng)過抗壓破壞后所產(chǎn)生的裂紋為縱向裂紋為主、少許橫向裂紋，且此時試件內(nèi)部的煤矸石骨料開始破壞，使試件的表面因受到煤矸石破壞造成的擠壓而產(chǎn)生剝落（圖6（a））。C30 煤矸石混凝土試件經(jīng)過抗壓破壞后產(chǎn)生的裂紋為縱向裂紋，且試件的邊角線上出現(xiàn)骨料剝落（圖6（b））。C40 煤矸石混凝土試件經(jīng)過抗壓破壞后，所出現(xiàn)的裂紋主要為彎曲的縱向裂紋，且此時試件較為完整（圖6（c））。

圖6 C20、C30、C40 煤矸石混凝土抗壓破壞形態(tài)

3 結(jié)論

1）煤矸石的替代對C20 混凝土的抗壓強(qiáng)度的影響較小，故可以使用煤矸石來生產(chǎn)C20 混凝土。

2）對于C30 和C40 混凝土，當(dāng)煤矸石的替代率小于50%時，煤矸石混凝土的抗壓強(qiáng)度會有所降低，但是降低的降幅并不大，但當(dāng)煤矸石的替代率大于50%后，混凝土的抗壓強(qiáng)度就會發(fā)生大幅度的下降，甚至于可能會低于設(shè)計的等級強(qiáng)度。因此，在摻加煤矸石時，煤矸石的替代率最好為30%且不能超過50%。

3）分析煤矸石摻量對混凝土抗壓破壞形態(tài)的影響發(fā)現(xiàn)，隨著煤矸石摻量的增加，混凝土表面由較為完整逐漸變得較為破碎，因此煤矸石替代骨料時，不宜摻雜過多。