煤矸石混凝土受压性能研究

2023-11-27马腾飞岑祖妹高利军

科技创新与应用 2023年33期

关键词：抗压煤矸石骨料

李建，马腾飞*，岑祖妹，高利军，高亮

（1.六盘水师范学院，贵州六盘水 553000；2.陕煤集团神木柠条塔矿业有限公司，陕西神木 719300）

煤矸石是煤矿生产中的非煤产物，目前我国煤矸石存量约为80 亿t，大量的煤矸石堆积不仅占用耕地面积，而且会对周围环境造成危害[1]。

当前土建用砂石资源紧张，如能够将处理后的煤矸石用于工程结构中，不仅能消纳大量的废弃煤矸石，减少煤矸石对环境的污染；同时也拓宽了工程用混凝土的砂石来源途径，减小了开山挖石、破坏环境的危害。

1 试验

1.1 试验原料与配合比设计

1.1.1 试验原料

1）水泥。本试验采用的水泥为六盘水地区生产的乌蒙山水泥。该水泥为PO.42.5 普通硅酸盐水泥，其28 d 抗压强度为42.9 MPa。

2）矿物掺合料。矿物掺合料是指在制备混凝土时，加入后可以改善混凝土性能的一种矿物材料，本次试验中所备制的混凝土试件均未添加矿物掺合料。

3）煤矸石。本次试验所用的煤矸石均由六盘水市虹桥新区某洗煤厂生产。将煤矸石作为混凝土粗骨料的取代物。煤矸石的化学成分见表1。

表1 煤矸石的化学成分%

4）水。本试验所用水为六盘水居民用自来水。

1.1.2 配合比的设计

依据段晓牧[2]、陈炜林[3]、冯飞胜[4]和王志龙[5]等研究设计试验，此外煤矸石混凝土的配合比计算根据JGJ 55—2011《普通混凝土配合比设计规程》[6]进行设计计算，使用煤矸石和天然碎石作为煤矸石的粗骨料，设计混凝土强度等级为C20、C30、C40 三个等级。采用煤矸石粗骨料替代混凝土中天然石料的0%、30%、50%、70%、100%制备煤矸石混凝土。浇筑制备煤矸石混凝土试件，对煤矸石混凝土的抗压强度进行试验研究，煤矸石混凝土的配合比见表2。

表2 煤矸石混凝土的配合比kg

1.2 试件设计和试验步骤

1.2.1 煤矸石混凝土试件的设计

本次试验设计浇筑的煤矸石混凝土试件的规格为100 mm×100 mm×100 mm 共计90 个，根据表2 所设计的混凝土配合比来浇筑本次试验所用的试件。

按计算的比例准备原料，将原料倒入搅拌机中进行拌合，将充分搅拌后的原料倒入模具，制作煤矸石混凝土试件。把煤矸石混凝土试件放入标准养护室中进行养护，养护室的温度保持在20 ℃，相对湿度保持在95%以上。

1.2.2 煤矸石混凝土试件的抗压试验

煤矸石混凝土抗压试验，所用加载仪器为DYE-2000 型电液式压力试验机，试验应该符合GB/T 50081—2019《混凝土物理力学性能试验方法标准》[7]中的规定要求。

2 试验结果与分析

2.1 煤矸石的掺加量对混凝土抗压强度的影响

试验将煤矸石根据0%、30%、50%、70%、100%的替代率来替代混凝土中的碎石骨料来制备煤矸石混凝土，通过试验研究分析煤矸石的替代率对混凝土强度的影响，混凝土抗压强度的计算要精确至0.1 MPa。不同煤矸石替代率下混凝土抗压强度见表3。

表3 煤矸石混凝土28 d 测试强度MPa

根据表3 中的数据绘制C20、C30、C40 煤矸石混凝土的抗压强度点线图如图1—图3 所示。

图1 C20 混凝土抗压强度点线图

根据图1 分析得出，在C20 煤矸石混凝土中，当煤矸石的替代率为30%时，此时煤矸石混凝土的抗压强度最高，较未掺加煤矸石时的抗压强度提高5%。煤矸石的替代率在30%~70%时，煤矸石混凝土的抗压强度较煤矸石替代率为30%时的强度低，但都高于未掺加煤矸石时。煤矸石的替代率高于70%，煤矸石混凝土的抗压强度就会低于未掺加煤矸石时的混凝土抗压强度。

根据图2 分析可得出，C30 煤矸石混凝土中只要掺加煤矸石后都会使混凝土的抗压强度降低，当掺加煤矸石的替代率大于50%后，煤矸石混凝土的抗压强度会大幅度降低，且降低幅度约为10%。

图2 C30 混凝土抗压强度点线图

根据图3 分析可得出，将煤矸石掺加到混凝土中后，会使煤矸石混凝土的抗压强度降低，当煤矸石的替代率为30%时，混凝土的抗压强度下降约为3%。当煤矸石的替代率为30%~70%时，煤矸石混凝土的抗压强度会发生一个较小上下波动。煤矸石的替代率超过70%时，会使混凝土的抗压强度约下降15%。

图3 C40 混凝土抗压强度点线图

为了可以更加直观分析出煤矸石的掺加量对混凝土抗压强度的影响，依据表3 中数据绘制成相应的点线图（图4）。

图4 煤矸石掺量与混凝土抗压强度的折线图

根据表3 和图4 进行分析可知，因为C20 混凝土等级强度较低，所以混凝土对所组成的原料的性能要求较低，当将煤矸石替代混凝土中的碎石骨料后，混凝土的强度并不会受到较大的影响，且所制备的混凝土的性能也满足国家规范要求，所以当混凝土的强度等级为C20 时，在混凝土中掺入煤矸石后不会影响到混凝土的抗压强度。C20 混凝土中富含大量的水泥净浆，在振荡时可以填充混凝土中集料所产生的空隙，使得煤矸石在混凝土中变得更加的密集，提高坚固性。在混凝土进行养护硬化的过程，煤矸石由于吸水率较高而吸收的水分就会不断地慢慢释放出来，使得混凝土的内部有较好的湿润环境，为混凝土中胶凝材料水化提供水分，使水化反应不断地进行，从而使混凝土的强度不断地增加。对于C30 混凝土，当用煤矸石替代混凝土中碎石骨料的替代率小于50%时，混凝土的强度虽然会有所降低，但是所降低的幅度不大。但是当煤矸石的替代率大于50%时，混凝土的强度会发生大幅度的降低，因为此时混凝土中一半的骨料为煤矸石，而煤矸石自身的强度与天然碎石强度相比较低，所以导致了混凝土中骨料的强度与胶凝材料的强度不协调，当对混凝土进行施压时，混凝土中水泥浆与骨料相连接部分还未发生破坏时，混凝土中煤矸石就已经发生破坏，从而导致混凝土试件发生破坏。故当使用煤矸石作为粗骨料来生产煤矸石混凝土时，应注意所生产的混凝土强度等级。当混凝土的强度等级高于C30 时，掺加的煤矸石的替代率应控制在50%以下，混凝土强度等级低于C30 时，则不需考虑煤矸石的替代率；对于C40 混凝土，当煤矸石的替代率为100%时，煤矸石混凝土的抗压强度会发生大幅度的降低，且降低的幅度约为10%。

2.2 煤矸石掺量对混凝土抗压破坏形态的分析

2.2.1 不同掺量的煤矸石对C20 混凝土抗压形态的影响

对图5 所示的试件裂纹进行分析，在混凝土中掺加煤矸石后，会使混凝土试件的抗压破坏形态发生改变；混凝土中还未掺加煤矸石前，混凝土试件经过抗压破坏所出现的裂纹主要为规整的纵向裂纹，且此时试件较为完整（图5（a））。煤矸石混凝土中煤矸石的替代率为30%时，煤矸石混凝土试件经过抗压破坏后所出现的裂纹为纵向与横向相交错，煤矸石混凝土试件表面也较为完整（图5（b））。煤矸石混凝土中煤矸石的替代率为50%时，试件经过抗压破坏后所产生的裂纹为纵向裂纹与横向裂纹，且此时试件内部的煤矸石骨料开始破坏，使试件的表面因受到煤矸石破坏而产生剥落（图5（c））。煤矸石混凝土中煤矸石的替代率为70%时，凝土试件经过抗压破坏所出现的裂纹主要为规整的横向裂纹，且此时试件的表面发生大面积的剥落（图5（d））。煤矸石混凝土中煤矸石的替代率为100%时，试件表面发生大面积的骨料剥落，且不能较好地观察出试件的裂纹（图5（e））。

图5 煤矸石混凝土抗压破坏形态

2.2.2 煤矸石替代率为50%时，C20、C30、C40 混凝土抗压形态分析

对图6 的试件抗压裂纹进行分析，当煤矸石的替代率为50%时，C20 煤矸石混凝土试件经过抗压破坏后所产生的裂纹为纵向裂纹为主、少许横向裂纹，且此时试件内部的煤矸石骨料开始破坏，使试件的表面因受到煤矸石破坏造成的挤压而产生剥落（图6（a））。C30 煤矸石混凝土试件经过抗压破坏后产生的裂纹为纵向裂纹，且试件的边角线上出现骨料剥落（图6（b））。C40 煤矸石混凝土试件经过抗压破坏后，所出现的裂纹主要为弯曲的纵向裂纹，且此时试件较为完整（图6（c））。