陇东地区煤矸石细骨料混凝土的工程性能研究

张兴元 吴耿强 颜维丞 刘德安

（1 甘肃省高校黄土工程性质及工程应用省级重点实验室，甘肃 庆阳 745000；2 陇东学院土木工程学院，甘肃 庆阳 745000）

0 引言

陇东地区是甘肃省最主要的能源化工基地之一，其中庆阳地区煤炭的储存量预计约2360 亿吨左右，占甘肃省煤炭储存量的97%[1]。煤矸石是煤炭开采过程中丢弃的固体废弃物[2]，随着庆阳经济的高速发展和煤炭开采量不断增大，煤矸石的堆积量会越来越多。大量的煤矸石堆积不但会占用大量的耕地，而且煤矸石自燃容易引发火灾，同时也会引发泥石流等自然灾害。因此，将煤矸石合理利用，变废为宝，就可很大程度上减少以上问题的出现[3]。

有专家学者提出，将煤矸石作为混凝土的部分或者全部骨料，形成煤矸石混凝土，作为煤矸石回收利用的途径之一。如李庆文[4]等通过冻融和碳化交替作用，对煤矸石混凝土的耐久性进行研究；周梅[5]等对煅烧煤矸石粉对混凝土工作性和强度的影响进行了研究；李永靖[6]等通过设计试验，对煤矸石混凝土抗硫酸盐侵蚀进行研究，王长龙[7]等通过试验，对煤矸石与铁尾矿制备的加气混凝土的性能进行了研究，周梅[8]等通过选取代表自燃煤矸石粗集料特性的砂率、颗粒级配和附加用水量为影响因素，对自燃煤矸石粗集料对砂轻混凝土性能的影响进行了试验研究，周梅[9]等将自燃煤矸石作为骨料，应用在预拌混凝土中，对其性能进行研究，张向东[10]等通过试验，对自燃煤矸石轻集料混凝土碳化性能进行研究。

综上所述，现阶段，国内外的专家学者对煤矸石混凝土进行了大量研究，取得了许多有意义的成果，但针对陇东地区的煤矸石混凝土的研究还较少，而且在工程建设中没有相关规范可以参考。因此，本文通过采取陇东地区天然煤矸石，粉碎过筛后代替部分或者全部混凝土作细骨料制成煤矸石混凝土，然后和商品混凝土的对比分析，对煤矸石混凝土的工程性能进行研究，研究成果对该地区的工程建设和环境保护具有重要的意义。

1 试验材料

1.1 煤矸石

本次试验所需的煤矸石取自庆阳市宁县某小煤矿，为天然煤矸石，黑色或灰黑色，较坚硬。如图1所示。

图1 煤矸石原材料

1.2 粗骨料和砂子

配制煤矸石细骨料混凝土所需的粗骨料和砂子取自土木工程材料实验室，粗骨料的级配粒径在5-20mm 之间。杂质和含泥量满足混凝土的配制要求。

1.3 水泥

水泥采用土木工程材料实验室的P·O42.5级硅酸盐水泥。

2 试验方案

1）采用从某商混站购买的商品混凝土（煤矸石掺和率为0%），按照C30,C35 和C40 三个强度等级制成150mm×150mm×150mm 的标准试块，然后在标准条件下在养护箱中养护28d 备用；

2）将从煤矿采集回来的新鲜煤矸石粉碎，然后过筛，取粉碎后粒径在2-5mm 范围内的煤矸石备用（图2）；

图2 粉碎后的煤矸石颗粒

3）基于一定配合比，采用上述⑵中的煤矸石，以10%、20%、30%、40%和50%的替代率代替砂子配制C30,C35 和C40 三个强度等级的煤矸石混凝土标准试块，试块尺寸为150 mm×150mm×150mm，然后在标准条件下在养护箱中养护28d 备用；

4）参照《普通混凝土力学性能试验方法标准》和《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》分别对上述试块进行抗压强度试验、抗拉强度试验和碳化深度测试。

3 试验结果分析

3.1 抗压强度

图3表示的是不同混凝土强度等级下，商品混凝土（煤矸石掺和率为0%）和不同掺和率的煤矸石混凝土的抗压强度性能。

图3 不同掺和率的煤矸石混凝土抗压强度性能

从图3可以看出，随着煤矸石的掺和率不断增大，混凝土的抗压强度先增大后减小。

从图3中可得出，煤矸石细骨料的掺和率小于30%时，煤矸石混凝土的抗压强度高于同等级商品混凝土的抗压强度，当煤矸石的掺和率大于30%时，煤矸石混凝土的抗压强度逐渐小于同等级商品混凝土的抗压强度。

3.2 抗拉强度

图4表示的是不同混凝土强度等级下，商品混凝土（煤矸石掺和率为0%）和不同掺和率的煤矸石混凝土的抗拉强度性能。

图4 不同掺和率的煤矸石混凝土抗拉强度性能

从图4可以看出，随着煤矸石的掺和率不断增大，混凝土的抗拉强度整体上先增大后减小。

从图4中可得出，煤矸石细骨料的掺和率小于28%时，煤矸石混凝土的抗拉强度高于同等级商品混凝土的抗拉强度，当煤矸石的掺和率大于28%时，煤矸石混凝土的抗拉强度逐渐小于同等级商品混凝土的抗拉强度。

3.3 碳化深度

图5表示的是不同混凝土强度等级下，商品混凝土（煤矸石掺和率为0%）和不同掺和率的煤矸石混凝土的碳化性能。

图5 不同掺和率的煤矸石混凝土的碳化性能

从图5可以看出，随着煤矸石的掺和率不断增大，混凝土的碳化深度逐渐增大，但煤矸石细骨料的掺和率小于20%时，碳化深度增长的速率较小，掺和率超过20%时，混凝土碳化深度增长的速率较大。

从图5中还可以得出，在煤矸石掺和率相同的条件下，随着混凝土强度等级的增大，碳化深度逐渐减小，这说明混凝土强度等级越高，煤矸石混凝土的耐久性越好。

4 结论

1）当煤矸石的掺和率小于30%时，煤矸石混凝土的抗压强度高于同等级商品混凝土的抗压强度，当煤矸石的掺和率大于30%时，煤矸石混凝土的抗压强度逐渐小于同等级商品混凝土的抗压强度；

2）煤矸石细骨料的掺和率小于28%时，煤矸石混凝土的抗拉强度高于同等级商品混凝土的抗拉强度；

3）煤矸石细骨料的掺和率小于20%时，煤矸石混凝土碳化深度增长的速率较小；

4）混凝土强度等级越高，煤矸石混凝土的耐久性越好；

5）在控制一定掺和率的情况下，煤矸石可以作为混凝土的骨料应用，这将为煤矸石的回收利用提供一种新的途径，对于陇东地区矿区的环境保护具有重要的现实意义。