煤矸石混凝土力学性能研究进展

李九阳,罗靖炜,范辛美,朱岳鹏,陈 立,胡广朝

(1.长春工程学院 土木工程学院, 吉林 长春 130012;2.吉林省建筑一体化集成技术科技协同创新中心, 吉林 长春 130012)

煤炭是我国最主要的能源之一,其资源丰富,储量巨大,而煤矸石是煤矿开采过程中产生的固体废弃物。截至2022年我国煤矸石累计堆积量已突破60亿t,占用土地1.3万公顷[1]. 露天堆放的煤矸石不但侵占大量的土地,而且会污染大气,同时雨水会溶解煤矸石中的有害物质并渗透到土壤里面,改变土壤的酸碱性[2],治理过程会消耗大量的人力、物力、财力等。此外,在国家“双碳”政策的趋势下,为了实现经济的可持续发展和资源多元化应用,绿色建筑材料将会成为重要的研究方向。因此,如何将煤矸石及其产物应用到建筑工程中成为了当前的研究热点。

早在20世纪70年代,我国就开始了对煤矸石的研究[3-5],但是早期对煤矸石的利用率并不高,直到近10年对煤矸石的利用才逐渐多样化[6],例如制陶、制砖、生产化工产品、农业肥料等,但这些处理方式利用率低、耗能高且不能大规模地利用,而把煤矸石作为混凝土中的骨料,是处理煤矸石最经济、最高效的利用方式[7]. 但掺入煤矸石会导致混凝土的力学性能降低,因此研究分析煤矸石对混凝土力学性能的影响是研究煤矸石应用的首要问题。基于此,对国内外学者有关煤矸石混凝土力学性能的研究进行了总结,分析了煤矸石的掺入对立方体抗压强度、劈裂抗拉强度、抗折强度的影响。

1 煤矸石混凝土的力学性能

1.1 抗压强度

抗压强度是混凝土最基本的力学性能之一,作为各种力学指标的基础,研究煤矸石混凝土抗压强度是分析煤矸石混凝土力学性能的第一步。

陈本沛[8]的研究表明,未筛分的天然级配煤矸石所制成的混凝土,抗压强度明显低于普通混凝土。煤矸石混凝土的破坏机理与普通混凝土不同,当采用低强度的水泥基体时,其破坏的薄弱面主要出现在骨料与水泥基体接触界面,见图1(a). 当采用高强度的水泥基体时,破坏界面转为了煤矸石骨料的破坏,见图1(b).

图1 普通混凝土和煤矸石混凝土破坏形式对比图[8]

朱泽忠[9]对淮南地区煤矸石强度的研究表明,煤矸石的强度只有普通石子的52.04%,并从材料自身强度、压碎指标与实验结果等方面,综合确定了煤矸石作为粗骨料的适配强度是C30.

张金喜[10]和顾云[11]等通过煤矸石不同掺量下的抗压强度试验得出,煤矸石的掺入能略微提高早期强度,随着掺量的增加轴心抗压强度逐渐增大。

白朝能等[12]通过煤矸石在C30混凝土骨料不同取代率的试验得出,随煤矸石粗骨料取代率的增加,混凝土的抗压强度呈线性降低的关系,在粗骨料取代率低于45%时,降低的不明显。

煤矸石由于自身强度指标低于普通碎石,多数早期研究的煤矸石骨料未经过筛分处理,导致针、片状含量较高,存在大量节理,在大多数情况下只适用于C30及以下的混凝土。早期研究并未对煤矸石进行更细致的分类及研究,因此对不同矿区的煤矸石进行种类、尺寸的归类是十分必要的。

王艳等[13]对不同矿区的煤矸石进行宏观指标和细观指标的分析,提出了用煤矸石粗骨料的形状统计指标(球度、角数、纹理)来分析工作性和强度。研究表明,压碎指标和吸水率越小的煤矸石粗骨料配制的混凝土强度越好;压碎指标相同时,球度越高且纹理和角数越小,粗骨料与水泥砂浆界面结合越差,抗压强度越低。

段晓牧等[14-15]通过对自燃与非自燃煤矸石与不同级配、预处理方式对煤矸石集料力学性能的影响研究表明：非自燃煤矸石混凝土的抗压强度在不同龄期下均高于自燃煤矸石混凝土。因为自燃煤矸石活性较高,使用自燃煤矸石作细集料的混凝土拥有较好的早期抗压强度。此外,自燃煤矸石粗骨料在经过24 h湿润处理后,抗压强度有明显提高。

Yu Linli等[16]使用煤矸石细骨料制备砂浆和混凝土并进行了微观分析,结果表明,使用煤矸石作细骨料后,对混凝土力学性能的影响主要表现在二次水化反应和改善微观结构,其中,与普通混凝土不同的是在水化过程中产生了一种新的水化产物“斜方钙沸石”。当煤矸石细骨料对天然河沙取代率为25%时,煤矸石砂浆和煤矸石混凝土能到达最佳抗压强度。

综上所述：煤矸石混凝土的早期强度增长较快。由于煤矸石自身的强度较低,煤矸石混凝土的抗压强度随着煤矸石掺量的增加而降低,只有当水泥砂浆的强度与煤矸石的强度相近时,才能充分利用煤矸石材料的强度;采用煤矸石作为粗骨料时,由于煤矸石疏松多孔的特性,混凝土的适配强度为C30,并且掺量在40%～45%时,强度降低最少。采用煤矸石作为细骨料时活性较高,水化时能使混凝土孔隙趋于密实,特别是在 20%～25%掺量的煤矸石细骨料能达到最佳的抗压强度。

1.2 劈裂抗拉强度

劈裂抗拉强度是影响煤矸石混凝土抗裂性能的重要指标,试验中大多使用劈裂试验法测试煤矸石混凝土的抗拉强度。

郝亮等[17]的研究表明：煤矸石混凝土抗拉破坏形式与普通混凝土不同,劈裂面单一,多数贯穿粒径较大的煤矸石,这是由于煤矸石表面粗糙且吸水率强,导致黏接界面的水灰比较小,使得水泥基体与骨料的黏接强度高,而煤矸石细骨料的强度要低于普通碎石骨料,所以煤矸石混凝土抗拉强度受煤矸石细骨料的影响较大。

牛晓燕等[18]对煤矸石进行预处理后发现,当非自燃煤矸石混凝土的取代率为50%时抗拉强度较大,饱和面干状态下的非自燃混凝土骨料会导致抗拉强度的降低,并且间断级配的抗拉强度高于连续级配。

李文龙[19]通过掺入玻璃纤维、粉煤灰来改善煤矸石力学性能。研究表明,玻璃纤维的掺入能够产生复合效应,使得混凝土成为致密的均匀整体,减少薄弱界面,此外,混凝土的抗裂性能由于粉煤灰的掺入得到提高,从而综合提升煤矸石混凝土的劈裂抗拉强度。

杨秋宁等[20]研究了聚丙烯纤维、聚乙烯醇纤维以及钢纤维煤矸石混凝土的力学性能。研究表明,适量的纤维掺入利于提高煤矸石混凝土的抗拉强度,强度增幅与龄期呈正相关,28 d抗拉强度提升101.7%,其中2%掺量的钢纤维性能最佳,由于纤维端头锚固作用能抑制裂缝开展从而增强抗拉强度。

综上所述：煤矸石由于其疏松多孔的特点,导致以它为骨料的煤矸石混凝土抗拉强度比普通混凝土要低,并且煤矸石无论煅烧与否,其自身强度均小于普通碎石,纤维的掺入有助于提高煤矸石混凝土的抗拉性能,其中钢纤维的提升作用最高。

此外不同学者在研究煤矸石混凝土的抗拉强度过程中,基于不同的煤矸石取代率试验参数,建立了劈裂抗拉强度与抗压强度的换算公式,并具有较高的拟合精度,见表1.

表1 煤矸石混凝土抗拉强度计算式表

1.3 抗折强度

抗折强度是梁在弯曲应力下,单位面积所能承担的最大荷载,也是煤矸石应用于建筑结构中的一项重要控制指标。

张斌斌等[24]对煤矸石对混凝土力学性能的影响进行了总结,研究表明,煤矸石取代率的增加会导致混凝土基体内部的应力集中现象增加,从而导致抗折强度降低。

苏煜翔[21]对煤矸石混凝土水灰比对抗折强度的影响进行研究,结果表明,随着水灰比的增大,抗折强度不断降低,当水灰比为0.15提高到0.35时,抗折强度降低42.3%.

刘瀚卿等[25]于2022年对不同矿源煤矸石混凝土的抗折强度进行了分析,研究表明煤矸石的含碳率影响混凝土的抗折强度,煤矸石含碳率越大,混凝土抗折强度越低,并得出了更为精确的不同矿源煤矸石混凝土的抗折强度拟合公式,见表2.

由于煤矸石疏松多孔的特性,导致增加煤矸石掺入将会降低混凝土基体的抗折强度,改善煤矸石的自身性能与增强煤矸石与水泥的界面黏接力逐渐成为研究的热点。

周梅等[26]通过在自燃煤矸石混凝土中掺入剪切型钢纤维从而增强其力学性能,结果表明,钢纤维能够改善混凝土的脆性特征,并且随着钢纤维掺入增加,能够产生更强的“边壁效应”提高抗折强度。当钢纤维的掺量升高到2%时到达峰值,抗折强度较未掺入增加72.27%.

杨秋宁等[20]的研究表明,抗拉强度高的纤维在混凝土开裂时桥接作用明显,另外,纤维长径对抗折强度提高作用比纤维本体抗压强度的提升作用明显。在钢纤维掺量为2%,28 d龄期下抗折强度能达5.6 MPa.

李佳鑫等[27]使用物理活化和化学活化复合,激发煤矸石骨料的活性,使得试件在不降低早期强度的同时提高中、后期强度,其中抗折强度能够提升5.97 MPa.

综上所述：由于煤矸石内部的孔隙较多,导致其抗折强度相对较低,并且影响煤矸石混凝土的主要因素为孔隙率、含碳量和水泥基体强度。掺入纤维材料后产生的桥接效应能够明显提高基体的抗折强度与韧性,煤矸石在通过激发剂活化、研磨或煅烧处理后都能对混凝土的抗折强度有较大幅度的提升。

不同学者在研究煤矸石混凝土的抗拉强度过程中,基于不同的煤矸石取代率试验参数,建立了抗折强度与抗压强度的换算公式,并具有较高的拟合精度,见表2.

2 结论与展望

2.1 结 论

1) 煤矸石质地疏松多孔,且自身强度比普通碎石低,掺入后会导致混凝土抗压强度降低,破坏时界面主要为煤矸石骨料的贯穿破坏,只有在水泥砂浆的强度与煤矸石的强度相近时,才能充分发挥煤矸石材料的强度。由于煤矸石孔隙率、吸水率较大,使其易吸收拌合时的水分,导致界面水灰比降低,从而提高混凝土的早期强度。

2) 不同地区产出的煤矸石的成分有较大差异,其强度指标也不相同。自燃煤矸石相较于非自燃煤矸石孔隙更大,强度更低,但自燃煤矸石有着更优的火山灰活性与更强的界面黏结力。岩质煤矸石在做粗骨料时要比自燃煤矸石拥有更好的抗压强度。

3) 煤矸石骨料预湿后能够较大提高混凝土的力学性能,且自燃煤矸石在预湿后强度拥有更明显的增幅,在浇筑后采用高温水养护能够激发火山灰活性从而提高基体强度。

2.2 展 望

1) 我国不同地区产出的煤矸石化学成分、力学性能等指标有较大差异,即使是同一矿区产出的煤矸石也反映出不同的性能。因此,对于煤矸石骨料进行分类和归纳,并进行针对性研究是未来研究的趋势。

2) 由于煤矸石自身的性能,通常只能应用于强度等级不高的混凝土中,如何通过处理将煤矸石应用于高性能混凝土是当前未攻克的一大难题。

3) 目前对煤矸石混凝土的研究大多停留在材料的基础物、化性能上,如何通过合适的预处理或活化技术高效地将煤矸石应用于建筑结构、路基路面中是提高煤矸石利用率的关键。