煤矸石作混凝土粗集料發(fā)展現(xiàn)狀

高揚(yáng)

(西安科技大學(xué) 建筑與土木工程學(xué)院，陜西 西安 710054)

我國經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展，一方面，能源與資源短缺、生態(tài)環(huán)境惡化等問題日漸突出；另一方面，工業(yè)發(fā)展中所產(chǎn)生的固廢物與日俱增，嚴(yán)重制約了經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展，而大力發(fā)展工業(yè)固廢物綜合利用的循環(huán)經(jīng)濟(jì)是解決該類問題的重要措施。國家“十三五”規(guī)劃中明確指出：“要做好工業(yè)固廢等大宗廢棄物資源化利用；探索固廢物資源化利用的新方法、新技術(shù)和新工藝”。由此可見，工業(yè)固廢物的綜合利用已成為國家發(fā)展的戰(zhàn)略方針，是當(dāng)今社會與經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要課題。

煤矸石是煤炭開采過程中產(chǎn)生的工業(yè)固廢物，主要分布在我國北方地區(qū)。據(jù)統(tǒng)計，2016年，煤矸石年產(chǎn)量約為6.8億t，預(yù)計到2020年年產(chǎn)量可達(dá)7.3億t，累計堆存量達(dá)50億t以上，占地約15000公頃左右。大量堆存的煤矸石不僅占用土地資源，還會發(fā)生物理化學(xué)反應(yīng)引起各種生態(tài)環(huán)境問題。因此，有效地資源化利用煤矸石已成為迫在眉睫的社會問題。

近幾年，我國煤矸石資源化利用研究已取得顯著成效，但相對于巨大的煤矸石存量，其綜合利用水平和效率仍然不高?；炷磷鳛樽钪饕慕ㄖ牧希瑧?yīng)用廣泛，其制備原材料中的天然石是不可再生資源，過度使用會引起環(huán)境、社會及經(jīng)濟(jì)問題?，F(xiàn)階段，在國家環(huán)保政策的影響下，天然集料價格快速上漲且來源日趨緊張，已無法滿足正常的混凝土生產(chǎn)需求。因此，將煤矸石取代天然石用于制備混凝土，不僅可降低天然石的使用，還可解決煤矸石大量堆存帶來的問題，是未來混凝土發(fā)展的一個重要方向，同時與我國環(huán)境保護(hù)和可持續(xù)化發(fā)展戰(zhàn)略緊密結(jié)合。

1 煤矸石物理化學(xué)性質(zhì)

煤矸石是一種煤炭選洗和掘進(jìn)過程中伴煤共生的一種巖石，含碳量大約在20%～30%之間，同時還附著部分未洗凈的煤炭和煤泥，因此原狀煤矸石多呈灰色或灰黑色。在表觀密度方面煤矸石與天然石接近，但由于煤矸石內(nèi)部結(jié)構(gòu)更為多孔疏松，這也導(dǎo)致煤矸石較天然石壓碎指標(biāo)大、強(qiáng)度低。

煤矸石長期堆放后，矸石山內(nèi)部的熱量累積到一定會使煤矸石自燃，自燃后的煤矸石含碳量降低而吸水性增強(qiáng)，且內(nèi)部礦物組成與化學(xué)成分發(fā)生了變化使其具備一定的火山灰活性，自然煤矸石多呈黃色或紅褐色。

在礦物組成方面，煤矸以高嶺石、鈣長石、石英、方解石等為主，其化學(xué)成分多以AlO和SiO為主，不同礦區(qū)產(chǎn)出的煤矸石成分波動較大，且各組分的含量也存在差異，這也直接導(dǎo)致了不同地區(qū)煤矸石物理性質(zhì)方面的差異。

有研究表明煅燒處理可有效降低煤矸石的碳質(zhì)含量，同時也可提高煤矸石的表面活性，但也使得煤矸石內(nèi)部結(jié)構(gòu)更為疏松。

2 煤矸石資源化利用現(xiàn)狀

將煤矸石用于混凝土的制備，取代不可再生的天然石，具有明顯的經(jīng)濟(jì)與生態(tài)價值。上世紀(jì)六十年代，煤矸石的資源化利用逐漸受到世界各國的重視，煤矸石被廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)水泥、磚、輕集料等建筑材料。

美國從上世紀(jì)七十年代開始嘗試將煤矸石應(yīng)用于泡沫混凝土。隨后幾年，歐洲許多國家也逐漸開始重視煤矸石在建材領(lǐng)域的資源化利用。德國、波蘭、法國等國家在煤矸石制作水泥技術(shù)方面進(jìn)行了有針對性的研究；英國將煤矸石用作筑路、回填材料及混凝土集料，尤其是低強(qiáng)度標(biāo)號混凝土的集料；在亞洲，日本也進(jìn)行了大量關(guān)于煤矸石資源化利用的研究，例如將煤矸石用于水泥的制作及生產(chǎn)耐火材料等方面。

我國于上世紀(jì)七十年代末期開始對煤矸石的資源化利用進(jìn)行系統(tǒng)研究，并做了大量的相關(guān)工作，使得煤矸石綜合利用率不斷提高，但仍遠(yuǎn)低于西方發(fā)達(dá)國家的綜合利用率?？紤]到利用煤矸石生產(chǎn)混凝土，具有用量大、成本低的特點(diǎn)，同時，對于保護(hù)環(huán)境、促進(jìn)可持續(xù)發(fā)展也具有重要意義，前景可觀，煤矸石逐漸被應(yīng)用于水泥生料、熟料及混凝土集料的研發(fā)與生產(chǎn)，取得了顯著的成果。盡管通過多年的研究工作，煤矸石資源化利用率已有了顯著提高，但我國煤矸石綜合利用仍面臨利用率偏低、技術(shù)水平不高、區(qū)域發(fā)展不平衡等問題。因此，大力推動煤矸石的資源化利用，尤其是煤矸石在建筑材料中的應(yīng)用，對煤矸石的綜合利用、綠色建筑材料與城市城鎮(zhèn)化的可持續(xù)化發(fā)展具有重要意義。

3 煤矸石混凝土研究現(xiàn)狀

按煤矸石粒徑大小的差異可分為粗集料與細(xì)集料，分別取代混凝土中的天然石與天然砂，制備成煤矸石粗或細(xì)集料混凝土，可滿足不同的工程需求。由于煤矸石粗集料具有易制備、用量大的特點(diǎn)，因此，現(xiàn)階段，關(guān)于煤矸石粗集料混凝土的相關(guān)研究工作開展的較多。

3.1 煤矸石混凝土工作性能

在煤矸石集料混凝土工作性能方面，周梅分析了砂率、顆粒級配與附加用水量對煤矸石粗集料混凝土流動性的影響，發(fā)現(xiàn)隨著附加用水量對煤矸石混凝土的工作性能影響較大；周梅、孫家瑛、汪振雙等用煤矸石分別取代天然砂、天然石制備煤矸石粗集料混凝土，研究了取代率、附加水用量及集料粒徑對拌合物坍落度的影響，發(fā)現(xiàn)增加附加用水量，煤矸石混凝土的和易性得到改善，但其抗壓強(qiáng)度略微降低，而當(dāng)附加用水量增大到一定程度時，混凝土拌合物的粘聚性明顯變差，存在泌水現(xiàn)象；崔正龍對不同環(huán)境、不同煤矸石粗集料取代率的煤矸石粗集料混凝土的早期抗干縮裂縫性能進(jìn)行了研究，結(jié)果表明：齡期在7d以內(nèi)時，煤矸石混凝土吸水率最大，干燥收縮變化率最小，齡期大于7d時，煤矸石混凝土的干燥收縮變化率逐漸增大。

由此可見，煤矸石由于多孔、吸水率大的特性，導(dǎo)致用其作粗集料所配制的煤矸石混凝土工作性能不良，現(xiàn)有研究發(fā)現(xiàn)骨料預(yù)濕的方法可較好的改善煤矸石混凝土新拌合物流動性差、難振搗以及凝結(jié)迅速等特點(diǎn)，但同時對煤矸石粗集料進(jìn)行預(yù)濕也會使其強(qiáng)度變低從而導(dǎo)致所配制的混凝土強(qiáng)度無法達(dá)到預(yù)期值，如何對煤矸石集料進(jìn)行預(yù)處理是實(shí)現(xiàn)其在混凝土工程中應(yīng)用的一大難題。

3.2 煤矸石混凝土物理力學(xué)性能

在煤矸石混凝土物理力學(xué)性能方面，周梅、詹鵬等人分別從煤矸石取代細(xì)集料、粗集料、取代率及集料粒徑等方面對所制備的煤矸石混凝土抗壓強(qiáng)度進(jìn)行了研究，結(jié)果表明強(qiáng)度較普通集料混凝土并未下降；劉鴿、陳彥文等人重點(diǎn)對不同矸石種類、顆粒級配及集料取代率的煤矸石混凝土彈性模量進(jìn)行了研究，并建立相應(yīng)的彈性模量計算公式；高紅江對摻聚丙烯纖維的煤矸石混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度與抗折強(qiáng)度進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，煤矸石粗集料混凝土劈拉、抗折強(qiáng)度與普通混凝土無明顯差異。

從目前研究現(xiàn)狀來看，煤矸石可作為集料用于混凝土制備已形成共識，對于煤矸石混凝土工作性能、物理力學(xué)性能也有了初步研究，且存在最佳集料取代率使得配制的煤矸石混凝土力學(xué)性能與相同設(shè)計等級的普通混凝土相接近，但煤矸石粗集料混凝土軸心受力特點(diǎn)、損傷發(fā)展規(guī)律與機(jī)理等方面研究尤其是煤矸石理化性質(zhì)差異性對所制備混凝土性能影響規(guī)律研究，尤其是煤矸石理化性質(zhì)差異性對所制備混凝土性能影響規(guī)律研究仍未見到。

3.3 煤矸石混凝土抗凍性研究

我國60%的國土位于嚴(yán)寒地區(qū)，處于這些地區(qū)的混凝土結(jié)構(gòu)極易發(fā)生凍融破壞，最終導(dǎo)致整體結(jié)構(gòu)失效，而我國的煤炭資源多分布于華北、東北和西北地區(qū)，要實(shí)現(xiàn)煤矸石的資源化利用并實(shí)現(xiàn)其在混凝土工程的推廣，系統(tǒng)研究煤矸石混凝土的抗凍性能對于煤矸石的工程實(shí)踐應(yīng)用意義非凡。

關(guān)于普通混凝土抗凍性的研究大都圍繞著凍融破壞機(jī)理、力學(xué)性能退化規(guī)律、凍融損傷模型及凍損混凝土構(gòu)件承載性能四個方面開展相關(guān)工作，并取得了大量有價值的研究成果，尤其是混凝土凍融破壞機(jī)理方面的研究成果已得到普遍認(rèn)可。而對于煤矸石粗集料混凝土抗凍性能的研究工作仍處在初步探索階段。

邱繼生等人對凍融環(huán)境下煤矸石混凝土毛細(xì)吸水性能進(jìn)行了系統(tǒng)研究，結(jié)果表明：凍融次數(shù)相同時，煤矸石取代率越大，混凝土累積吸水量越大，毛細(xì)吸水率越快，混凝土吸水性能越強(qiáng)；取代率相同，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增大，累積吸水量越大，初始的毛細(xì)吸水率越快其吸水性能隨循環(huán)次數(shù)的增多而增強(qiáng)。張金喜、李永靖分別從微觀與宏觀層面對不同取代率的煤矸石混凝土抗凍性進(jìn)行了研究，建立了相應(yīng)的質(zhì)量損失率模型；潘杜、邱繼生等對凍融環(huán)境下煤矸石混凝土損傷規(guī)律及軸心受壓時的聲發(fā)射特性進(jìn)行了研究，并建立了相應(yīng)的凍融損傷模型，結(jié)果表明聲發(fā)射技術(shù)可較好的描述煤矸石混凝土損傷情況。

在凍融與其他因素耦合作用方面，李慶文、張向東分別對凍融-碳化與凍融-酸雨耦合環(huán)境下煤矸石混凝土各性能開展了研究，探究質(zhì)量損失、強(qiáng)度損失、相對動彈性模量、碳化深度的演化規(guī)律，分析了多種環(huán)境因素相互作用機(jī)理。但荷載與凍融耦合作用方面，煤矸石混凝土耐久性的相關(guān)研究尚未涉及，現(xiàn)有研究主要集中在普通混凝土方面，結(jié)果表明：荷載越大，損傷劣化速度越快；荷載及環(huán)境因素加速了損傷演化且各因素間相互促進(jìn)；雙因素作用下混凝土損傷速度遠(yuǎn)大于兩種因素單獨(dú)作用效應(yīng)的疊加；當(dāng)荷載較大時，混凝土甚至出現(xiàn)脆斷現(xiàn)象。從目前研究現(xiàn)狀來看，凍融環(huán)境下煤矸石混凝土耐久性已有初步研究，但都集中在宏觀層面的現(xiàn)象描述，缺乏微觀層面系統(tǒng)深入的劣化機(jī)理研究；而荷載與凍融耦合作用下煤矸石混凝土耐久性能研究仍處于空白階段。

4 煤矸石作粗集料存在的問題

1）煤矸石自身理化性質(zhì)與天然石存在一定差異，其吸水多、強(qiáng)度低等性質(zhì)使其難以制作成高強(qiáng)混凝土；2）不同地區(qū)、不同地層所產(chǎn)的煤矸石理化性質(zhì)差異較大，這也導(dǎo)致所配制的煤矸石混凝土的性能差異明顯，即固定的配合比設(shè)計或取代率無法滿足不同地區(qū)煤矸石推廣應(yīng)用的需求；3）煤矸石含碳量對其自身強(qiáng)度以及與水泥石黏結(jié)的影響一直是阻礙其作為混凝土粗集料的難題之一，有研究表明煅燒可降低煤矸石內(nèi)部碳質(zhì)含量，同時改變煤矸石的礦物組成，促進(jìn)二次水化反應(yīng)以期增強(qiáng)煤矸石與水泥基質(zhì)之間的黏結(jié)作用，但煅燒后的煤矸石存在吸水性增強(qiáng)、強(qiáng)度降低等問題，煅燒是否是對煤矸石作混凝土粗集料進(jìn)行預(yù)處理的最佳手段仍需要更深入的研究。

5 結(jié)語

綜上所述，現(xiàn)階段，關(guān)于煤矸石混凝土力學(xué)性能及耐久性能已開展了一些研究，但所取得成果仍停留在宏觀現(xiàn)象或規(guī)律的描述，缺乏微觀層面上的機(jī)理分析；其次，關(guān)于煤矸石混凝土的相關(guān)研究均未考慮煤矸石理化性質(zhì)差異性對所制備混凝土性能的影響，而這種影響往往對研究結(jié)果起決定性作用，同時由于煤矸石吸水多等特性也給其推廣應(yīng)用帶來阻礙；此外，目前的研究大都針對單一因素作用下，但對于服役的混凝土結(jié)構(gòu)而言，除受到環(huán)境因素作用外，還要遭受各種各樣荷載的作用，多種因素共同作用下，混凝土材料的力學(xué)性能、耐久性能及結(jié)構(gòu)承載性能的退化速率進(jìn)一步加快。因此系統(tǒng)開展荷載與凍融耦合作用下煤矸石混凝土耐久性損傷機(jī)理與性能退化規(guī)律研究，可為煤矸石資源化利用與煤矸石混凝土的工程應(yīng)用提供理論依據(jù)和技術(shù)支撐。