煤矸石混凝土力學(xué)性能研究進(jìn)展

李九陽(yáng),羅靖煒,范辛美,朱岳鵬,陳 立,胡廣朝

(1.長(zhǎng)春工程學(xué)院 土木工程學(xué)院, 吉林 長(zhǎng)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(zhǎng)春 130012)

煤炭是我國(guó)最主要的能源之一,其資源豐富,儲(chǔ)量巨大,而煤矸石是煤礦開(kāi)采過(guò)程中產(chǎn)生的固體廢棄物。截至2022年我國(guó)煤矸石累計(jì)堆積量已突破60億t,占用土地1.3萬(wàn)公頃[1]. 露天堆放的煤矸石不但侵占大量的土地,而且會(huì)污染大氣,同時(shí)雨水會(huì)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(guò)程會(huì)消耗大量的人力、物力、財(cái)力等。此外,在國(guó)家“雙碳”政策的趨勢(shì)下,為了實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)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(huì)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(diǎn)。

早在20世紀(jì)70年代,我國(guó)就開(kāi)始了對(duì)煤矸石的研究[3-5],但是早期對(duì)煤矸石的利用率并不高,直到近10年對(duì)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(jì)、最高效的利用方式[7]. 但摻入煤矸石會(huì)導(dǎo)致混凝土的力學(xué)性能降低,因此研究分析煤矸石對(duì)混凝土力學(xué)性能的影響是研究煤矸石應(yīng)用的首要問(wèn)題?；诖?對(duì)國(guó)內(nèi)外學(xué)者有關(guān)煤矸石混凝土力學(xué)性能的研究進(jìn)行了總結(jié),分析了煤矸石的摻入對(duì)立方體抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度的影響。

1 煤矸石混凝土的力學(xué)性能

1.1 抗壓強(qiáng)度

抗壓強(qiáng)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(qiáng)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(jí)配煤矸石所制成的混凝土,抗壓強(qiáng)度明顯低于普通混凝土。煤矸石混凝土的破壞機(jī)理與普通混凝土不同,當(dāng)采用低強(qiáng)度的水泥基體時(shí),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(jiàn)圖1(a). 當(dāng)采用高強(qiáng)度的水泥基體時(shí),破壞界面轉(zhuǎn)為了煤矸石骨料的破壞,見(jiàn)圖1(b).

圖1 普通混凝土和煤矸石混凝土破壞形式對(duì)比圖[8]

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

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

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

煤矸石由于自身強(qiáng)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(guò)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(duì)煤矸石進(jìn)行更細(xì)致的分類(lèi)及研究,因此對(duì)不同礦區(qū)的煤矸石進(jìn)行種類(lèi)、尺寸的歸類(lèi)是十分必要的。

王艷等[13]對(duì)不同礦區(qū)的煤矸石進(jìn)行宏觀指標(biāo)和細(xì)觀指標(biāo)的分析,提出了用煤矸石粗骨料的形狀統(tǒng)計(jì)指標(biāo)(球度、角數(shù)、紋理)來(lái)分析工作性和強(qiáng)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(qiáng)度越好;壓碎指標(biāo)相同時(shí),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(qiáng)度越低。

段曉牧等[14-15]通過(guò)對(duì)自燃與非自燃煤矸石與不同級(jí)配、預(yù)處理方式對(duì)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(qiáng)度在不同齡期下均高于自燃煤矸石混凝土。因?yàn)樽匀济喉肥钚暂^高,使用自燃煤矸石作細(xì)集料的混凝土擁有較好的早期抗壓強(qiáng)度。此外,自燃煤矸石粗骨料在經(jīng)過(guò)24 h濕潤(rùn)處理后,抗壓強(qiáng)度有明顯提高。

Yu Linli等[16]使用煤矸石細(xì)骨料制備砂漿和混凝土并進(jìn)行了微觀分析,結(jié)果表明,使用煤矸石作細(xì)骨料后,對(duì)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(guò)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(xì)骨料對(duì)天然河沙取代率為25%時(shí),煤矸石砂漿和煤矸石混凝土能到達(dá)最佳抗壓強(qiáng)度。

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

1.2 劈裂抗拉強(qiáng)度

劈裂抗拉強(qiáng)度是影響煤矸石混凝土抗裂性能的重要指標(biāo),試驗(yàn)中大多使用劈裂試驗(yàn)法測(cè)試煤矸石混凝土的抗拉強(qiáng)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(qiáng),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(qiáng)度高,而煤矸石細(xì)骨料的強(qiáng)度要低于普通碎石骨料,所以煤矸石混凝土抗拉強(qiáng)度受煤矸石細(xì)骨料的影響較大。

牛曉燕等[18]對(duì)煤矸石進(jìn)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(shí)抗拉強(qiáng)度較大,飽和面干狀態(tài)下的非自燃混凝土骨料會(huì)導(dǎo)致抗拉強(qiáng)度的降低,并且間斷級(jí)配的抗拉強(qiáng)度高于連續(xù)級(jí)配。

李文龍[19]通過(guò)摻入玻璃纖維、粉煤灰來(lái)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(qiáng)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(qiáng)度,強(qiáng)度增幅與齡期呈正相關(guān),28 d抗拉強(qiáng)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(kāi)展從而增強(qiáng)抗拉強(qiáng)度。

綜上所述：煤矸石由于其疏松多孔的特點(diǎn),導(dǎo)致以它為骨料的煤矸石混凝土抗拉強(qiáng)度比普通混凝土要低,并且煤矸石無(wú)論煅燒與否,其自身強(qiáng)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(qiáng)度過(guò)程中,基于不同的煤矸石取代率試驗(yàn)參數(shù),建立了劈裂抗拉強(qiáng)度與抗壓強(qiáng)度的換算公式,并具有較高的擬合精度,見(jiàn)表1.

表1 煤矸石混凝土抗拉強(qiáng)度計(jì)算式表

1.3 抗折強(qiáng)度

抗折強(qiáng)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(xiàng)重要控制指標(biāo)。

張斌斌等[24]對(duì)煤矸石對(duì)混凝土力學(xué)性能的影響進(jìn)行了總結(jié),研究表明,煤矸石取代率的增加會(huì)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(qiáng)度降低。

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

劉瀚卿等[25]于2022年對(duì)不同礦源煤矸石混凝土的抗折強(qiáng)度進(jìn)行了分析,研究表明煤矸石的含碳率影響混凝土的抗折強(qiáng)度,煤矸石含碳率越大,混凝土抗折強(qiáng)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(qiáng)度擬合公式,見(jiàn)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(huì)降低混凝土基體的抗折強(qiáng)度,改善煤矸石的自身性能與增強(qiáng)煤矸石與水泥的界面黏接力逐漸成為研究的熱點(diǎn)。

周梅等[26]通過(guò)在自燃煤矸石混凝土中摻入剪切型鋼纖維從而增強(qiáng)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(qiáng)的“邊壁效應(yīng)”提高抗折強(qiáng)度。當(dāng)鋼纖維的摻量升高到2%時(shí)到達(dá)峰值,抗折強(qiáng)度較未摻入增加72.27%.

楊秋寧等[20]的研究表明,抗拉強(qiáng)度高的纖維在混凝土開(kāi)裂時(shí)橋接作用明顯,另外,纖維長(zhǎng)徑對(duì)抗折強(qiáng)度提高作用比纖維本體抗壓強(qiáng)度的提升作用明顯。在鋼纖維摻量為2%,28 d齡期下抗折強(qiáng)度能達(dá)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(qiáng)度的同時(shí)提高中、后期強(qiáng)度,其中抗折強(qiáng)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(qiáng)度相對(duì)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(qiáng)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(qiáng)度與韌性,煤矸石在通過(guò)激發(fā)劑活化、研磨或煅燒處理后都能對(duì)混凝土的抗折強(qiáng)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(qiáng)度過(guò)程中,基于不同的煤矸石取代率試驗(yàn)參數(shù),建立了抗折強(qiáng)度與抗壓強(qiáng)度的換算公式,并具有較高的擬合精度,見(jiàn)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(qiáng)度比普通碎石低,摻入后會(huì)導(dǎo)致混凝土抗壓強(qiáng)度降低,破壞時(shí)界面主要為煤矸石骨料的貫穿破壞,只有在水泥砂漿的強(qiáng)度與煤矸石的強(qiáng)度相近時(shí),才能充分發(fā)揮煤矸石材料的強(qiáng)度。由于煤矸石孔隙率、吸水率較大,使其易吸收拌合時(shí)的水分,導(dǎo)致界面水灰比降低,從而提高混凝土的早期強(qiáng)度。

2) 不同地區(qū)產(chǎn)出的煤矸石的成分有較大差異,其強(qiáng)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(qiáng)度更低,但自燃煤矸石有著更優(yōu)的火山灰活性與更強(qiáng)的界面黏結(jié)力。巖質(zhì)煤矸石在做粗骨料時(shí)要比自燃煤矸石擁有更好的抗壓強(qiáng)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(qiáng)度擁有更明顯的增幅,在澆筑后采用高溫水養(yǎng)護(hù)能夠激發(fā)火山灰活性從而提高基體強(qiáng)度。

2.2 展 望

1) 我國(guó)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(duì)于煤矸石骨料進(jìn)行分類(lèi)和歸納,并進(jìn)行針對(duì)性研究是未來(lái)研究的趨勢(shì)。

2) 由于煤矸石自身的性能,通常只能應(yīng)用于強(qiáng)度等級(jí)不高的混凝土中,如何通過(guò)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(duì)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(guò)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。