李九陽,羅靖煒,范辛美,朱岳鵬,陳 立,胡廣朝

(1.長春工程學(xué)院 土木工程學(xué)院, 吉林 長春 130012;2.吉林省建筑一體化集成技術(shù)科技協(xié)同創(chuàng)新中心, 吉林 長春 130012)

煤炭是我國最主要的能源之一,其資源豐富,儲量巨大,而煤矸石是煤礦開采過程中產(chǎn)生的固體廢棄物。截至2022年我國煤矸石累計堆積量已突破60億t,占用土地1.3萬公頃[1]. 露天堆放的煤矸石不但侵占大量的土地,而且會污染大氣,同時雨水會溶解煤矸石中的有害物質(zhì)并滲透到土壤里面,改變土壤的酸堿性[2],治理過程會消耗大量的人力、物力、財力等。此外,在國家“雙碳”政策的趨勢下,為了實現(xiàn)經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展和資源多元化應(yīng)用,綠色建筑材料將會成為重要的研究方向。因此,如何將煤矸石及其產(chǎn)物應(yīng)用到建筑工程中成為了當(dāng)前的研究熱點。

早在20世紀70年代,我國就開始了對煤矸石的研究[3-5],但是早期對煤矸石的利用率并不高,直到近10年對煤矸石的利用才逐漸多樣化[6],例如制陶、制磚、生產(chǎn)化工產(chǎn)品、農(nóng)業(yè)肥料等,但這些處理方式利用率低、耗能高且不能大規(guī)模地利用,而把煤矸石作為混凝土中的骨料,是處理煤矸石最經(jīng)濟、最高效的利用方式[7]. 但摻入煤矸石會導(dǎo)致混凝土的力學(xué)性能降低,因此研究分析煤矸石對混凝土力學(xué)性能的影響是研究煤矸石應(yīng)用的首要問題?；诖?對國內(nèi)外學(xué)者有關(guān)煤矸石混凝土力學(xué)性能的研究進行了總結(jié),分析了煤矸石的摻入對立方體抗壓強度、劈裂抗拉強度、抗折強度的影響。

1 煤矸石混凝土的力學(xué)性能

1.1 抗壓強度

抗壓強度是混凝土最基本的力學(xué)性能之一,作為各種力學(xué)指標(biāo)的基礎(chǔ),研究煤矸石混凝土抗壓強度是分析煤矸石混凝土力學(xué)性能的第一步。

陳本沛[8]的研究表明,未篩分的天然級配煤矸石所制成的混凝土,抗壓強度明顯低于普通混凝土。煤矸石混凝土的破壞機理與普通混凝土不同,當(dāng)采用低強度的水泥基體時,其破壞的薄弱面主要出現(xiàn)在骨料與水泥基體接觸界面,見圖1(a). 當(dāng)采用高強度的水泥基體時,破壞界面轉(zhuǎn)為了煤矸石骨料的破壞,見圖1(b).

圖1 普通混凝土和煤矸石混凝土破壞形式對比圖[8]

朱澤忠[9]對淮南地區(qū)煤矸石強度的研究表明,煤矸石的強度只有普通石子的52.04%,并從材料自身強度、壓碎指標(biāo)與實驗結(jié)果等方面,綜合確定了煤矸石作為粗骨料的適配強度是C30.

張金喜[10]和顧云[11]等通過煤矸石不同摻量下的抗壓強度試驗得出,煤矸石的摻入能略微提高早期強度,隨著摻量的增加軸心抗壓強度逐漸增大。

白朝能等[12]通過煤矸石在C30混凝土骨料不同取代率的試驗得出,隨煤矸石粗骨料取代率的增加,混凝土的抗壓強度呈線性降低的關(guān)系,在粗骨料取代率低于45%時,降低的不明顯。

煤矸石由于自身強度指標(biāo)低于普通碎石,多數(shù)早期研究的煤矸石骨料未經(jīng)過篩分處理,導(dǎo)致針、片狀含量較高,存在大量節(jié)理,在大多數(shù)情況下只適用于C30及以下的混凝土。早期研究并未對煤矸石進行更細致的分類及研究,因此對不同礦區(qū)的煤矸石進行種類、尺寸的歸類是十分必要的。

王艷等[13]對不同礦區(qū)的煤矸石進行宏觀指標(biāo)和細觀指標(biāo)的分析,提出了用煤矸石粗骨料的形狀統(tǒng)計指標(biāo)(球度、角數(shù)、紋理)來分析工作性和強度。研究表明,壓碎指標(biāo)和吸水率越小的煤矸石粗骨料配制的混凝土強度越好;壓碎指標(biāo)相同時,球度越高且紋理和角數(shù)越小,粗骨料與水泥砂漿界面結(jié)合越差,抗壓強度越低。

段曉牧等[14-15]通過對自燃與非自燃煤矸石與不同級配、預(yù)處理方式對煤矸石集料力學(xué)性能的影響研究表明：非自燃煤矸石混凝土的抗壓強度在不同齡期下均高于自燃煤矸石混凝土。因為自燃煤矸石活性較高,使用自燃煤矸石作細集料的混凝土擁有較好的早期抗壓強度。此外,自燃煤矸石粗骨料在經(jīng)過24 h濕潤處理后,抗壓強度有明顯提高。

Yu Linli等[16]使用煤矸石細骨料制備砂漿和混凝土并進行了微觀分析,結(jié)果表明,使用煤矸石作細骨料后,對混凝土力學(xué)性能的影響主要表現(xiàn)在二次水化反應(yīng)和改善微觀結(jié)構(gòu),其中,與普通混凝土不同的是在水化過程中產(chǎn)生了一種新的水化產(chǎn)物“斜方鈣沸石”。當(dāng)煤矸石細骨料對天然河沙取代率為25%時,煤矸石砂漿和煤矸石混凝土能到達最佳抗壓強度。

綜上所述：煤矸石混凝土的早期強度增長較快。由于煤矸石自身的強度較低,煤矸石混凝土的抗壓強度隨著煤矸石摻量的增加而降低,只有當(dāng)水泥砂漿的強度與煤矸石的強度相近時,才能充分利用煤矸石材料的強度;采用煤矸石作為粗骨料時,由于煤矸石疏松多孔的特性,混凝土的適配強度為C30,并且摻量在40%～45%時,強度降低最少。采用煤矸石作為細骨料時活性較高,水化時能使混凝土孔隙趨于密實,特別是在 20%～25%摻量的煤矸石細骨料能達到最佳的抗壓強度。

1.2 劈裂抗拉強度

劈裂抗拉強度是影響煤矸石混凝土抗裂性能的重要指標(biāo),試驗中大多使用劈裂試驗法測試煤矸石混凝土的抗拉強度。

郝亮等[17]的研究表明：煤矸石混凝土抗拉破壞形式與普通混凝土不同,劈裂面單一,多數(shù)貫穿粒徑較大的煤矸石,這是由于煤矸石表面粗糙且吸水率強,導(dǎo)致黏接界面的水灰比較小,使得水泥基體與骨料的黏接強度高,而煤矸石細骨料的強度要低于普通碎石骨料,所以煤矸石混凝土抗拉強度受煤矸石細骨料的影響較大。

牛曉燕等[18]對煤矸石進行預(yù)處理后發(fā)現(xiàn),當(dāng)非自燃煤矸石混凝土的取代率為50%時抗拉強度較大,飽和面干狀態(tài)下的非自燃混凝土骨料會導(dǎo)致抗拉強度的降低,并且間斷級配的抗拉強度高于連續(xù)級配。

李文龍[19]通過摻入玻璃纖維、粉煤灰來改善煤矸石力學(xué)性能。研究表明,玻璃纖維的摻入能夠產(chǎn)生復(fù)合效應(yīng),使得混凝土成為致密的均勻整體,減少薄弱界面,此外,混凝土的抗裂性能由于粉煤灰的摻入得到提高,從而綜合提升煤矸石混凝土的劈裂抗拉強度。

楊秋寧等[20]研究了聚丙烯纖維、聚乙烯醇纖維以及鋼纖維煤矸石混凝土的力學(xué)性能。研究表明,適量的纖維摻入利于提高煤矸石混凝土的抗拉強度,強度增幅與齡期呈正相關(guān),28 d抗拉強度提升101.7%,其中2%摻量的鋼纖維性能最佳,由于纖維端頭錨固作用能抑制裂縫開展從而增強抗拉強度。

綜上所述：煤矸石由于其疏松多孔的特點,導(dǎo)致以它為骨料的煤矸石混凝土抗拉強度比普通混凝土要低,并且煤矸石無論煅燒與否,其自身強度均小于普通碎石,纖維的摻入有助于提高煤矸石混凝土的抗拉性能,其中鋼纖維的提升作用最高。

此外不同學(xué)者在研究煤矸石混凝土的抗拉強度過程中,基于不同的煤矸石取代率試驗參數(shù),建立了劈裂抗拉強度與抗壓強度的換算公式,并具有較高的擬合精度,見表1.

表1 煤矸石混凝土抗拉強度計算式表

1.3 抗折強度

抗折強度是梁在彎曲應(yīng)力下,單位面積所能承擔(dān)的最大荷載,也是煤矸石應(yīng)用于建筑結(jié)構(gòu)中的一項重要控制指標(biāo)。

張斌斌等[24]對煤矸石對混凝土力學(xué)性能的影響進行了總結(jié),研究表明,煤矸石取代率的增加會導(dǎo)致混凝土基體內(nèi)部的應(yīng)力集中現(xiàn)象增加,從而導(dǎo)致抗折強度降低。

蘇煜翔[21]對煤矸石混凝土水灰比對抗折強度的影響進行研究,結(jié)果表明,隨著水灰比的增大,抗折強度不斷降低,當(dāng)水灰比為0.15提高到0.35時,抗折強度降低42.3%.

劉瀚卿等[25]于2022年對不同礦源煤矸石混凝土的抗折強度進行了分析,研究表明煤矸石的含碳率影響混凝土的抗折強度,煤矸石含碳率越大,混凝土抗折強度越低,并得出了更為精確的不同礦源煤矸石混凝土的抗折強度擬合公式,見表2.

由于煤矸石疏松多孔的特性,導(dǎo)致增加煤矸石摻入將會降低混凝土基體的抗折強度,改善煤矸石的自身性能與增強煤矸石與水泥的界面黏接力逐漸成為研究的熱點。

周梅等[26]通過在自燃煤矸石混凝土中摻入剪切型鋼纖維從而增強其力學(xué)性能,結(jié)果表明,鋼纖維能夠改善混凝土的脆性特征,并且隨著鋼纖維摻入增加,能夠產(chǎn)生更強的“邊壁效應(yīng)”提高抗折強度。當(dāng)鋼纖維的摻量升高到2%時到達峰值,抗折強度較未摻入增加72.27%.

楊秋寧等[20]的研究表明,抗拉強度高的纖維在混凝土開裂時橋接作用明顯,另外,纖維長徑對抗折強度提高作用比纖維本體抗壓強度的提升作用明顯。在鋼纖維摻量為2%,28 d齡期下抗折強度能達5.6 MPa.

李佳鑫等[27]使用物理活化和化學(xué)活化復(fù)合,激發(fā)煤矸石骨料的活性,使得試件在不降低早期強度的同時提高中、后期強度,其中抗折強度能夠提升5.97 MPa.

綜上所述：由于煤矸石內(nèi)部的孔隙較多,導(dǎo)致其抗折強度相對較低,并且影響煤矸石混凝土的主要因素為孔隙率、含碳量和水泥基體強度。摻入纖維材料后產(chǎn)生的橋接效應(yīng)能夠明顯提高基體的抗折強度與韌性,煤矸石在通過激發(fā)劑活化、研磨或煅燒處理后都能對混凝土的抗折強度有較大幅度的提升。

不同學(xué)者在研究煤矸石混凝土的抗拉強度過程中,基于不同的煤矸石取代率試驗參數(shù),建立了抗折強度與抗壓強度的換算公式,并具有較高的擬合精度,見表2.

2 結(jié)論與展望

2.1 結(jié) 論

1) 煤矸石質(zhì)地疏松多孔,且自身強度比普通碎石低,摻入后會導(dǎo)致混凝土抗壓強度降低,破壞時界面主要為煤矸石骨料的貫穿破壞,只有在水泥砂漿的強度與煤矸石的強度相近時,才能充分發(fā)揮煤矸石材料的強度。由于煤矸石孔隙率、吸水率較大,使其易吸收拌合時的水分,導(dǎo)致界面水灰比降低,從而提高混凝土的早期強度。

2) 不同地區(qū)產(chǎn)出的煤矸石的成分有較大差異,其強度指標(biāo)也不相同。自燃煤矸石相較于非自燃煤矸石孔隙更大,強度更低,但自燃煤矸石有著更優(yōu)的火山灰活性與更強的界面黏結(jié)力。巖質(zhì)煤矸石在做粗骨料時要比自燃煤矸石擁有更好的抗壓強度。

3) 煤矸石骨料預(yù)濕后能夠較大提高混凝土的力學(xué)性能,且自燃煤矸石在預(yù)濕后強度擁有更明顯的增幅,在澆筑后采用高溫水養(yǎng)護能夠激發(fā)火山灰活性從而提高基體強度。

2.2 展 望

1) 我國不同地區(qū)產(chǎn)出的煤矸石化學(xué)成分、力學(xué)性能等指標(biāo)有較大差異,即使是同一礦區(qū)產(chǎn)出的煤矸石也反映出不同的性能。因此,對于煤矸石骨料進行分類和歸納,并進行針對性研究是未來研究的趨勢。

2) 由于煤矸石自身的性能,通常只能應(yīng)用于強度等級不高的混凝土中,如何通過處理將煤矸石應(yīng)用于高性能混凝土是當(dāng)前未攻克的一大難題。

3) 目前對煤矸石混凝土的研究大多停留在材料的基礎(chǔ)物、化性能上,如何通過合適的預(yù)處理或活化技術(shù)高效地將煤矸石應(yīng)用于建筑結(jié)構(gòu)、路基路面中是提高煤矸石利用率的關(guān)鍵。