煤矸石粗集料理化性质和形状特征对混凝土强度的影响

王艳,左震,文波,高冠一

1. 西安建筑科技大学材料科学与工程学院,陕西西安 710000;2. 西安建筑科技大学土木工程学院,陕西西安 710000;3. 西安建筑科技大学西部绿色建筑协同创新中心重点实验室,陕西西安 710000

煤矸石是煤炭生产过程中产生的固体废弃物,综合利用率较低[1]。 2020年我国煤矸石排放量已达7.29 亿t,累计堆存量已超50 亿t[2]。 煤矸石的堆放既侵占土地又污染环境,还造成极大的资源浪费[3]。 另外,近年来我国砂石市场总体表现供不应求,部分地区出现砂石荒[4],急需寻找能够替代天然砂石的建材。

现有研究[5]已证明,煤矸石作为粗集料配制混凝土是可行的。 但因成煤条件和煤炭开采情况不同,不同地区煤矸石理化性质差异大[6],一个地区关于煤矸石的研究成果未必适用于另一地区。孔德顺等[7]与黄艳利等[8]的研究表明,贵州六盘水地区的煤矸石具有高铁、高硅、低铝特点,不适用于混凝土集料;而新疆地区煤矸石以砂岩、钙质岩为主,具有低铁、高硅、高铝特点,强度高,宜作为混凝土集料。 煤矸石除了按地区分类外,还可按岩石特性、矸石类型、有机质和硅铝元素含量分类[9]。郭彦霞等[10]认为,含碳量小于4% 的高硅煤矸石宜用于建筑集料。 段晓牧等[11]发现煤矸石强度、颗粒级配显著影响混凝土强度,煤矸石粗集料的矿物组成、压碎指标、吸水能力等是影响混凝土性能的关键因素[12]。

现有煤矸石混凝土的研究成果多是关于单个地区煤矸石集料[13-15],对不同地区煤矸石缺乏系统性研究,忽略了煤矸石性质之间的内在联系及对混凝土性能的影响。 此外,煤矸石粗集料性能评价多采用建设用砂石标准,但煤矸石粗集料与天然碎石有着极大的差异,部分煤矸石甚至可以纳入轻骨料的范畴[16],致使不能正确评价煤矸石集料特征对混凝土性能的影响。 现有研究几乎没有关注煤矸石集料的形状特征,其形状特征无统一的测试标准。 受母岩材质和破碎工艺等影响,形状特征很难准确描述,限制了煤矸石在建材领域的应用。

本文系统地对比分析了陕西省不同地区煤矸石理化性质的差异性。 采用压碎指标、吸水率、坚固性、表观密度、含泥量等宏观指标和矿物组成、化学成分、微观形貌、内部孔结构等细观指标来评价煤矸石粗集料的理化性质,并分析了两者的关联性。 针对煤矸石与天然碎石的形状差异,采用球度、角数和纹理指数等形状统计指标来量化煤矸石粗集料形状特征。 此外,还分析了煤矸石粗集料宏观指标和形状统计指标对混凝土工作性与强度的影响规律。 研究结果可为建立全国煤矸石理化性质数据库,就地就近利用煤矸石提供参考。

1 试 验

1.1 试验材料

选取陕西省5 个不同市区的煤矿厂进行现场取样,包括宝鸡麟游县(郭家河煤矿)、渭南韩城市(象山矿井)、榆林神木市(神木大柳塔矿)、咸阳彬州市(蒋家河煤矿)、延安子长市(扇咀湾煤矿),依次编号M1 ～M5;天然碎石编号P。

水泥选用P·O 42.5 普通硅酸盐水泥;砂子选用河砂,细度模数2.6,表观密度2 586 kg/m3,松散堆积密度1 478 kg/m3;天然粗集料选自陕西铜川产的天然碎石,级配良好;减水剂为聚羧酸高效减水剂,减水效率高于20% 。

1.2 混凝土配合比设计

煤矸石粗集料混凝土按C30 进行设计,水胶比为0.38。 由于煤矸石粗集料的表观密度差异较大,考虑等体积取代天然集料。 粗集料为连续级配,粒径在4.75 ～31.5 mm。 本文主要研究不同地区煤矸石对混凝土力学性能的最大影响,故煤矸石取代率为100% 。 煤矸石粗集料不作预湿润处理,通过调整减水剂的加入量来保证混凝土和易性。混凝土配合比见表1。 不同地区煤矸石粗集料混凝土依次编号CM1 ～CM5,普通混凝土作对照组,编号CP。

表1 混凝土配合比Table 1 Mix proportion of concrete kg/m3

1.3 样品制备

使用颚式破碎机进行破碎,对破碎后的煤矸石和天然碎石使用不同粒径的标准方形筛进行筛分,按照同一连续级配人工混合得到试验用煤矸石粗集料(图1)。

图1 天然碎石和不同地区煤矸石粗集料Fig.1 Nature gravel and coal gangue coarse aggregate in different areas

1.4 试验方法

煤矸石的表观密度、堆积密度、压碎指标、吸水率、含泥量和坚固性作为集料宏观评价指标。 测试方法参照《GB/T 14685—2011 建设用卵石、碎石》。混凝土立方体试块标准养护7 d、14 d、28 d 后,依据《GB/T 50081—2019 混凝土物理力学性能试验方法标准》进行抗压强度和劈裂抗拉强度试验。矿物组成通过XRD 测试,采用日本岛津XRD 6100型X 射线衍射仪;化学成分通过XRF 测试,采用赛默飞3600 型X 射线荧光光谱仪;微观形貌通过SEM 观察,采用S 4800 型场发射扫描电镜;内部孔结构通过MIP 测试,采用MicroActive AutoPore V 9600 型全自动压汞仪。

煤矸石形状特征通过以下3 个指标描述:

(1) 形状,由球度(ψ)表征。 对天然碎石和不同地区煤矸石粗集料随机各取200 个样品,在同一平面下拍摄样品照片(图2)并使用ImageJ软件计算样品的长轴和短轴,使用游标卡尺测量水平面至样品顶部的实际厚度。 球度按式(1)计算[18-19]。

图2 煤矸石粗集料椭球体平面特征长度Fig.2 Plane characteristic length of coal gangue coarse aggregate ellipsoid

式中,a、b、c 分别为集料平面椭球体长轴、短轴和实际厚度,mm。

(2) 棱角,由角数(AN)表征。 将集料分3 次装入特定容器,每次装入后,用特制捣棒距集料表面5 cm 处自由下落,记录不同掉落次数下容器中集料的质量,角数按式(2)计算[20]。

式中,m100为特定容器中特制捣棒掉落100 次时粗集料的质量,g;S 为粗集料的表观密度,g/cm3;V为特定容器的体积,mL。

(3) 粗糙度,由纹理指数(LAPST)表征。 根据标准ASTM D3398—00 (2006年修订)进行测量。纹理指数按式(3)计算[21]。

式中,m10、m50分别为特定容器中特制捣棒掉落10次、50 次时粗集料的质量,g。

2 试验结果及分析

2.1 不同地区煤矸石理化性质与形状特征

2.1.1 基本物理性质

不同地区煤矸石现场取样经颚式破碎机破碎后,通过相同标准摇筛机进行筛分,得到不同粒级煤矸石,按照相同级配比例混合得到试验用煤矸石粗骨料。 如图3 所示,粗集料粒径为4.75 ～31.5 mm,级配基本一致,为连续级配。

图3 集料粒径分布图Fig.3 Distribution of aggregate particle size

天然碎石和不同地区煤矸石粗集料基本物理性能测试结果见表2。

表2 集料基本物理性能Table 2 Coal gangue pore structure parameters

不同地区煤矸石粗集料表观密度为天然碎石的0.77 ～0.94 倍,数值最大的M2 比最小的M4 高出27.1% 。 因为煤矸石表观体积为实际体积和内部闭口孔隙体积之和,所以表观密度在一定程度上反映了其内部孔结构。 不同集料表观密度差值较大,导致采用它们配制混凝土时不可等质量取代天然碎石,需采用等体积取代。 不同地区煤矸石堆积密度都小于天然碎石,其中M4 堆积密度最小,仅为天然碎石的73.4% ;M2 堆积密度最大,接近天然碎石。

不同地区煤矸石粗集料压碎指标为天然碎石的1.8 ～2.6 倍,这表明煤矸石抵抗压碎的能力较弱,强度整体较低,无法在高强高性能混凝土中作粗集料使用。 M1、M2、M4 压碎指标小于20% ,满足Ⅱ类碎石要求。 经Na2SO4溶液侵蚀后,煤矸石质量损失较大,平均为8.26% ,约为天然碎石的5倍,表明煤矸石粗集料坚固性差,会造成实际使用时混凝土的耐久性问题。 不同地区煤矸石的坚固性不同,M2 坚固性较好,质量损失为4.8% ,M5 坚固性最差,质量损失为18.6% 。

不同地区煤矸石颜色略有差异,M1 ～M4 为黑色,M5 呈灰青色且表面被煤矸石粉包裹。 M2 ～M5 的含泥量较高,约为天然碎石的5 倍,主要是因为煤矸石表面吸附了较多矸石粉,与天然碎石的含“泥”不同。 M5 含泥量为22.9% ,是因为M5 被水多次冲洗,发生剥蚀软化和泥化崩解,其中黏土矿物含量高,矿物分子间键合力较弱,亲水能力较强,促使矿物颗粒吸水膨胀[22]。

不同地区煤矸石粗集料吸水率为天然碎石的4.8 ～13.6 倍,其中M2 吸水率最小,为2.4% ,M5吸水率最大,高达6.8% 。 粗集料的高吸水率会直接影响混凝土的工作性、力学性和耐久性[23]。 由图4(a)可看出,M2 吸水速率最小,M5 吸水速率最大,这在一定程度上反映了煤矸石内部孔隙结构,表明M2 内部开口孔隙较少,而M5 内部开口孔隙多。 所有煤矸石粗集料在60 min 后不再吸水,处于饱水状态。 M5 出现下降段是因为其中的软岩遇水发生泥化崩解,这与前面含泥量测试结果变化一致。 在同种煤矸石中,吸水速率随煤矸石粒径的增加而降低,如图4(b)所示,因为在同一质量下,煤矸石粒径越大,与水接触的相对面积越小,降低了吸水速率。

图4 煤矸石粗集料吸水特性Fig.4 Water absorption of gangue coarse aggregate

2.1.2 矿物组成与化学成分

天然碎石和煤矸石的矿物组成、化学成分见图5 和表3。 可以看出,天然碎石中主要矿物是石灰石和钙长石。 煤矸石矿物组成种类较为复杂,主要矿物是石英、高岭石、伊利石、菱铁矿,还含有钙长石、白云石和TiO2。 其中,M3 和M5 的矿物组成中没有石灰岩,而M1、M2、M4 中石灰岩的特征峰较为明显,表明不同地区煤矸石矿物组成有一定差异。

表3 集料化学成分相对含量Table 3 Relative content of chemical c omposition of aggregate %

图5 集料XRDFig.5 XRD of aggregate

煤矸石化学成分除C、O、Si、Al、Fe 外,还含有少量Ca、K、Ti 等元素,这为其进行资源化利用创造了有利条件。 煤矸石中SiO2和Al2O3总含量均高于70% ,约为天然碎石的6.7 倍,Fe 元素约为天然碎石的6 倍,说明煤矸石主要由SiO2、Al2O3、Fe2O3组成。

综合XRD 和XRF 测试结果可以发现,M1、M2、M4 中石英、高岭石、伊利石矿物多,硅铝元素相对含量高,属于砂岩矸石,物理性质表现为强度高、抗风化能力强,化学表现为不易水解、抗盐溶液侵蚀能力强;而M5 中长石类矿物多,表现为强度低、易水解[24]。 结合M1、M2、M4 宏观指标可知,煤矸石的石英、高岭石和伊利石越多,硅铝元素含量越高,其压碎指标和含泥量越低,坚固性越好,吸水率越低。

2.1.3 微观形貌与内部孔结构

图6 为集料的SEM 图谱,天然碎石微观多为立体形态;M1、M2、M4 微观形貌与天然碎石相似,形貌密实立体,颗粒交错搭接;而M3、M5 结构不紧密,多呈片状、层状,这种结构表现为易破碎,强度较低,不稳定、易发生分解。 结合M1、M2、M4 相应的宏观指标可知,煤矸石微观形貌越密实立体,其压碎指标和含泥量越小,坚固性越好。

图6 集料SEM 图谱Fig.6 SEM of aggregate

材料内部孔结构是影响自身强度的关键因素之一。 通过压汞测试(MIP)得出了不同地区煤矸石粗集料内部孔结构,结果如图7 所示。

图7 煤矸石粗集料孔径分布Fig.7 Pore size distribution of gangue coarse aggregate

M1 ～ M5 孔 隙 率 分 别 为6.57% 、3.91% 、15.55% 、16.58% 、24.73% 。 其中,M1、M2 孔隙率较低,M3、M4、M5 孔隙率较高。 对比孔径大小可以发现,M3、M5 的最大孔径高达841 μm,约为M1、M2 的2.43 倍,孔径分布曲线的最高峰均在此孔径下出现,说明该孔径下孔数量较多。

本文分析了不同地区煤矸石粗集料表观密度、压碎指标、吸水率与孔隙率的关联性,结果如图8所示。 可见,不同地区煤矸石表观密度差异较大,数值大小与孔隙率存在负相关,压碎指标和吸水率与孔隙率呈正相关性,即煤矸石孔隙率越小,表观密度越大,压碎指标和吸水率越低,且煤矸石吸水率与其孔隙率呈近似线性关系。 主要由于煤矸石孔隙率高,材料内部疏松多孔且致密性差,导致表观密度越大,整体强度低,吸水率高[13]。

图8 煤矸石粗集料宏观指标随孔隙率的变化规律Fig.8 The variation law of macro index of coal gangue coarse aggregate with porosity

2.1.4 形状特征

从天然碎石和不同地区煤矸石粗集料中各取200 个样品,球度测试结果如图9 所示。 M1 ～M5中82% 样品球度在0.5 ～0.8,球度大于0.6 的样品占66% 。 天然碎石P 中73% 样品球度在0.5 ～0.8,球度大于0.6 的样品占91% ,其球度优于煤矸石。 球度大于0.6 的M1 ～M5 样品占比分别为60% 、44% 、74% 、86% 、75% ,M4 球度最优,86% 样品球度在0.6 以上,与天然集料相似。 M1、M3、M5占比相差不大,总体低于天然碎石。 M2 占比最低,样品多呈不规则形状,较多数样品球度在0.6以下。 天然碎石球度大于0.6 的频率比M4 高5% ,较M2 高47% 。

图9 集料球度分布直方图Fig.9 Aggregate sphericity distribution histogram

集料形态特征如图10 所示。 图10(a)可见,集料平均球度呈现:P>M4>M3>M5>M1>M2。M1 ～M5 平均球度在0.58 ～0.71,P 平均球度在0.72 ～0.75,故整体来看,天然碎石平均球度优于煤矸石,表现为煤矸石中呈现不规则形状的颗粒较天然碎石多。 在不同地区煤矸石粗集料中,M3、M4、M5 平均球度较高且数值相差不大,而M1 和M2 的平均球度较低,球度低的集料在混凝土拌合物中不易发生运动,混凝土的流动性和强度在一定程度上会受到影响。 M1 和M5 在不同粒径下的平均球度仍有相似规律,故煤矸石平均球度随粒径变化的敏感度不高。

图10 集料形态特征Fig.10 Morphological feature of aggregate

从图10(b)可以看出,M1、M2、M3 角数大于天然碎石,表现为样品棱角多、集料空隙率大。 M5角数与天然碎石相差不大,M4 角数较天然碎石低。 M1 角数大且不同粒径下该数值分布广,在11.4 ～15.9 之间,是天然碎石P 的1.38 ～1.73倍。 M1、M2、M3 的棱角较多,会增大集料空隙率和比表面积,进而增大集料的吸水量,影响混凝土拌合物的流动性[25]。 M4 角数最小,比天然碎石集料小27% ,表现为棱角少,在拌合物流动性上有很大提升,但与砂浆的碰撞和摩擦较小,会降低混凝土强度。 M4 角数小与其堆积密度小的结论相互印证。 在M1、M2、M3、M4 中,4.75 ～9.5 mm 粒径的样品角数较大,9.5 ～26.5 mm 粒径样品的角数值大致相同。

由图10(c)可以看出,煤矸石粗集料中M1、M2、M3、M5 纹理指数大致相同,都比天然碎石P大,外观表现为表面较天然碎石粗糙。 M4 纹理指数最低,较天然碎石小12.7% ,表面类似卵石且相对光滑,与砂浆的黏结较低,会降低混凝土强度,但在和易性上有一定提升[26]。 M1 纹理指数最高,比M4 大44.3%。 在相同地区煤矸石中,4.75 ～9.5 mm粒径的样品纹理指数较大,9.5 ～26.5 mm 粒径样品纹理指数大致相同。

2.2 煤矸石粗集料混凝土性能

2.2.1 拌合物和易性

天然碎石和不同地区煤矸石配置的混凝土坍落度见表4。

表4 混凝土拌合物坍落度Table 4 The slump of concrete mixture mm

煤矸石粗集料混凝土与普通混凝土相比,拌合物坍落度平均下降了44% ,1 h 经时损失增大了23.2% ,这是煤矸石多孔、高吸水率导致的,小部分水被水泥水化消耗,大部分自由水被煤矸石粗集料吸收[14]。 在煤矸石混凝土中,CM4 和易性相对较好,坍落度最大为155 mm,经时损失最小为65 mm。 M4 角数和纹理指数较小,煤矸石粗集料表面越光滑,棱角越小,其拌合物内摩擦力越小,提高了拌合物的流动性。 煤矸石粗集料混凝土拌合物1 h 经时损失最大可达85 mm,影响施工性能,故建议在拌制大掺量煤矸石混凝土前预湿粗集料[14]。

2.2.2 抗压强度与劈裂抗拉强度

不同龄期下普通混凝土和不同地区煤矸石混凝土抗压强度和劈裂抗拉强度测试结果如图11所示。

图11 混凝土力学强度测试结果Fig.11 Test results of mechanical strength of concrete

相比普通混凝土,不同地区煤矸石混凝土抗压强度均降低,28 d 抗压强度平均降低了33.4%,其中CM1、CM2、CM3 达到设计强度要求。 煤矸石混凝土试块开裂处,呈现黑色集料全部破坏的现象,有部分破碎的煤矸石掉落并发出破碎声响,说明煤矸石混凝土薄弱环节在于煤矸石粗集料本身。 混凝土粗集料和水泥石的界面是普通混凝土最薄弱的相[27],然而煤矸石孔隙率大且强度低,煤矸石粗集料强度弱于砂浆,弱集料被强砂浆包裹,裂纹大多沿着煤矸石粗集料发展,煤矸石内部最先产生微裂缝,然后逐步向水泥石扩散,最后汇合成可见裂缝。

在水泥水化初期,煤矸石的高吸水性导致界面附近的砂浆水灰比降低,从而提高了水泥和煤矸石粗集料的黏结性能[11],故煤矸石混凝土早期劈裂抗拉强度与普通混凝土基本接近,但由于煤矸石粗集料强度低,28 d 煤矸石混凝土劈裂抗拉强度平均降低了38.2% 。 不同集料配制的混凝土7 d 和28 d 抗压强度和劈裂抗拉强度呈现规律为:CP>CM1>CM2>CM3>CM4>CM5。 CM1 和CM2 混凝土强度较高,主要因为M1 和M2 孔隙率低,压碎指标小,XRD、XRF、SEM 测试结果也表明这两种煤矸石的石英、高岭石含量高,微观形貌密实。 M3 和M4两种集料中,M3 微观形貌类似煤的节理特征,集料强度低,但CM3 强度高于CM4,主要是由于M4 外观形状使混凝土强度下降,测试结果显示M4 集角数和纹理指数最小,棱角较少且表面光滑,集料与砂浆之间黏结力受到影响,不利于混凝土强度发展,同时Ca(OH)2易结晶取向,劣化了界面过渡区结构[13]。

2.2.3 混凝土界面过渡区(ITZ)

由煤矸石粗集料混凝土SEM(图12)可以看出,CM1 和CM2 集料与水泥砂浆结合紧密,说明水化反应完成较好,即水泥石强度高。 CM5 抗压强度最低,28 d 抗压强度只有9.81 MPa,这是因为M5 吸水率过大影响水泥水化反应,并且M5 遇水发生泥化崩解,无法起到骨架作用。 此外还观察到M5 和水泥石上的微裂缝十分明显。 CM3 结构比较松散,表面也存在较多孔隙和微裂纹。 CM4 微观形貌中可以明显看到一条贯穿裂缝,在裂缝的两边是煤矸石粗集料和水泥石,其界面过渡区非常薄弱,这是M4 强度较高而配制混凝土强度较低的主要原因。 P、M1、M2 与水泥的黏结较好。

图12 煤矸石粗集料混凝土SEMFig.12 SEM of coal gangue coarse aggregate concrete

2.3 煤矸石粗集料对混凝土性能影响分析

2.3.1 宏观指标对混凝土性能影响分析

煤矸石的压碎值、吸水率为集料宏观指标,显著影响混凝土强度与和易性。 从图13 可以看出,随着煤矸石压碎指标的增大,混凝土28 d 抗压强度和劈裂抗拉强度下降。 因为混凝土强度与粗集料强度有直接关系,煤矸石粗集料压碎指标越高,其强度越低,抵抗压碎能力越弱,对混凝土强度发展起负增长作用,易产生应力集中而破坏[28],导致混凝土强度下降。 煤矸石吸水率越高,混凝土和易性越差,拌合物初始坍落度和1 h 坍落度越低。 M5吸水率为6.8% ,导致CM5 坍落度较普通混凝土降低了50% 。 因为在拌合过程中,煤矸石将大部分拌合水吸收并存储在内部,导致实际用水量减少,整体摩擦阻力增大,降低了拌合物流动性[14]。 因此,煤矸石压碎指标、吸水率可作为分析煤矸石用作混凝土粗集料可行性的重要宏观指标。

图13 混凝土强度随煤矸石粗集料压碎指标的变化规律Fig.13 The variation of concrete strength with crushing index of coal gangue coarse aggregate

2.3.2 形状统计指标对混凝土性能影响分析

集料的形状特征会影响混凝土抗压和抗折强度,但这种影响主要作用于高强混凝土[29-30]。 对于强度较低的煤矸石混凝土来说,强度主要受煤矸石粗集料宏观指标影响,煤矸石形状特征为次要影响因素。 煤矸石混凝土CM5 强度最低,是由于煤矸石M5 压碎指标最高,此时煤矸石M5 的球度、角数、纹理指数对混凝土强度影响较小。 当煤矸石压碎指标接近时,煤矸石形状特征继而影响混凝土强度,球度越大,角数和纹理指数越小,会劣化煤矸石粗集料和水泥石界面的结合,降低混凝土强度。 如压碎指标相对接近的M1、M2、M4,M4 球度最大、角数和纹理指数最小,形状接近于圆形卵石,劣化了界面结合,减少了其与水泥砂浆的胶结力,导致混凝土界面过渡区易产生微裂缝,故CM4 强度只有CM1 的85% ,CM2 的87% 。

3 结 论

(1) 不同地区煤矸石粗集料理化性质差异较大,其宏观指标与细观指标间存在关联性。 石英、高岭石和伊利石含量高、微观形貌密实、孔隙率小的煤矸石粗集料,具有较小的吸水率和压碎指标、较高的表观密度、较好的坚固性;长石类矿物含量高、微观形貌呈片状、孔隙率大的煤矸石粗集料,其吸水率、压碎指标和含泥量均较高,表观密度小、坚固性差。

(2) 球度、角数、纹理指数等形状统计指标可以量化煤矸石的颗粒形状。 煤矸石粗集料平均球度在0.58 ～0.71,球度大于0.6 的样品占66% ,多呈不规则形状;角数在5.44 ～8.23,纹理指数在8.93 ～22,表现为棱角锋利,表面粗糙。

(3) 煤矸石粗集料吸水率和压碎指标越小,配制的混凝土和易性越好,强度越高,能满足C30 强度等级。 煤矸石混凝土强度主要受煤矸石压碎指标影响,当煤矸石压碎指标较为接近时,其形状统计指标显著影响混凝土强度。 球度越高,角数和纹理指数越小,煤矸石粗集料与水泥结合越差,混凝土强度越低。