李少偉， 周 梅， 張莉敏，3

(1.遼寧工程技術(shù)大學(xué) 土木工程學(xué)院， 遼寧 阜新 123000； .福建省建筑科學(xué)研究院有限責(zé)任公司 福建省綠色建筑技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 福建 福州 350108； 3.四川云能水利電力工程咨詢有限公司， 四川 成都 610000)

中國(guó)年生產(chǎn)混凝土2230億m3，每年消耗大量天然骨料，部分地區(qū)甚至出現(xiàn)砂石枯竭，對(duì)經(jīng)濟(jì)和環(huán)境造成極大威脅和破壞．2018年1季度南京市的碎石、混凝土等建筑材料價(jià)格同比上漲80%；受環(huán)保整治停產(chǎn)影響，2018年4月西安市在短短2周內(nèi)的砂石價(jià)格已經(jīng)翻了近2倍，石子價(jià)格高達(dá) 150元/t．2018年6月，珠三角地區(qū)砂石供應(yīng)緊缺，砂石價(jià)格突破290元/m3，使預(yù)拌C30混凝土的價(jià)格高達(dá)700元/m3．因此，研發(fā)一種混凝土骨料替代品的工作迫在眉睫．在中國(guó)全面推進(jìn)生態(tài)文明建設(shè)、大力發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)的大背景下，大宗工業(yè)固體廢棄物綜合利用迎來(lái)了重要發(fā)展機(jī)遇．煤炭開采產(chǎn)生的大量煤矸石，是在成煤過(guò)程中與煤層伴生的一種含碳量較低、比煤堅(jiān)硬的巖石，是排放量最大、利用率最低的7種大宗工業(yè)固廢之一．堆積量逐年增加的煤矸石，不僅占用大量寶貴的土地資源，而且嚴(yán)重污染了環(huán)境，成為中國(guó)當(dāng)前急待解決的重要問(wèn)題之一．中國(guó)開展煤矸石利用研究始于20世紀(jì)50年代中期，主要應(yīng)用在路基和煤矸石制磚等方面，利用率較低．但中國(guó)有10%左右的過(guò)火煤矸石，其自燃后輕質(zhì)、高強(qiáng)，性能穩(wěn)定，而且質(zhì)量好、儲(chǔ)量大、易開采、價(jià)格低廉，只需經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單的破碎篩分即可直接制得輕骨料或次輕級(jí)骨料，部分或全部取代天然骨料配制混凝土，是混凝土傳統(tǒng)天然骨料很好的替代產(chǎn)品．煤矸石骨料混凝土新技術(shù)不僅可以緩解現(xiàn)階段天然砂石的短缺問(wèn)題，還可以實(shí)現(xiàn)煤矸石固廢的循環(huán)資源化利用，節(jié)約資源，保護(hù)環(huán)境，促進(jìn)建筑業(yè)的可持續(xù)發(fā)展和節(jié)能減排的實(shí)施，被看作是發(fā)展綠色混凝土的重要措施之一[1-5]．

國(guó)內(nèi)關(guān)于自燃煤矸石粗骨料及其混凝土性能的研究已取得一些研究成果[5-7]，但尚未制定出相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)程，加之自燃煤矸石粗骨料本身的隨機(jī)性和變異性，故仍需對(duì)其基本特性及其對(duì)混凝土性能的影響進(jìn)行系統(tǒng)研究．

1 自燃煤矸石粗骨料的基本性能

按照J(rèn)GJ 52—2006《普通混凝土用砂、石質(zhì)量及檢驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》，測(cè)試了自燃煤矸石粗骨料(SGCA)和天然粗骨料(NCA)的堆積密度、表觀密度、吸水率(本文涉及的吸水率、含量、水灰比等除特別指明外均為質(zhì)量分?jǐn)?shù)或質(zhì)量比)、針片狀顆粒含量、壓碎指標(biāo)和堅(jiān)固性等指標(biāo)．

1.1 級(jí)配

自燃煤矸石粗骨料采用遼寧阜新清河門礦自燃煤矸石，經(jīng)過(guò)破碎、篩分、分級(jí)和級(jí)配，得到粒徑為 5～ 20mm的連續(xù)級(jí)配粗骨料．天然粗骨料采用當(dāng)?shù)厥規(guī)r5～20mm碎石．粗骨料級(jí)配組成見表1．

表1 粗骨料的級(jí)配組成、堆積密度和表觀密度

1.2 堆積密度與表觀密度

粗骨料的堆積密度和表觀密度試驗(yàn)結(jié)果也列于表1．與天然碎石相比，自燃煤矸石粗骨料的堆積密度和表觀密度分別降低了26.9%和7.7%．主要原因是煤矸石自燃后的孔隙率增大，且破碎過(guò)程中的機(jī)械作用又使其內(nèi)部微裂縫增多．

1.3 吸水率

通過(guò)骨料吸水性試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，自燃煤矸石粗骨料的吸水率明顯高于天然碎石．主要原因是自燃煤矸石粗骨料孔隙率大、微裂縫多，在短時(shí)間內(nèi)即可吸水飽和，1h即可達(dá)到其飽和程度的85%左右，1d可達(dá)其飽和程度的95%以上．另外，為了解粗骨料最大粒徑與其吸水率的關(guān)系，分別測(cè)試了5～10mm、10～20mm和20～25mm粒徑粗骨料的3d吸水率，以及5～25mm粒徑粗骨料的10min、30min、 1h、1d和3d吸水率，結(jié)果見表2．由表2可見，自燃煤矸石粗骨料的吸水率隨粒徑的減小而增加．這是因?yàn)樽匀济喉肥止橇狭接?，其比表面積越大，骨料與水接觸的面積越大，破碎造成的微裂縫越多，從而使其吸水率越大．吸水率大對(duì)骨料的含水率和混凝土拌和物工作性影響較大，因此，在使用前應(yīng)對(duì)自燃煤矸石粗骨料進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，按照當(dāng)時(shí)含水量調(diào)整附加水用量，以滿足現(xiàn)場(chǎng)的施工要求．

表2 粗骨料的吸水率

1.4 壓碎指標(biāo)

NCA和SGCA的壓碎值分別為4.5%和25.2%．自燃煤矸石粗骨料壓碎值大于天然碎石，表明自燃煤矸石粗骨料自身強(qiáng)度較低．這是因?yàn)樽匀济喉肥止橇衔⒘芽p多、孔隙率大，結(jié)構(gòu)疏松，還有材質(zhì)自身特性使其在破碎過(guò)程中具有較高的針片狀顆粒含量．因此，應(yīng)限制自燃煤矸石粗骨料在強(qiáng)度要求較高的混凝土中使用．

1.5 針片狀顆粒含量

NCA和SGCA的針片狀顆粒含量分別為11.4%和14.4%，表明自燃煤矸石粗骨料的粒形較天然碎石差．主要原因是煤矸石在煤層中形成的片狀塊體較多，破碎時(shí)易形成針片狀．由于針片狀骨料對(duì)混凝土的工作性和強(qiáng)度均會(huì)產(chǎn)生不利影響，故實(shí)際應(yīng)用時(shí)應(yīng)注意控制其含量．

1.6 堅(jiān)固性

NCA和SGCA的堅(jiān)固性試驗(yàn)結(jié)果(質(zhì)量損失率)分別為1.3%和8.3%，表明自燃煤矸石粗骨料的堅(jiān)固性遠(yuǎn)低于天然碎石，耐久性稍差．因此，工程使用時(shí)需特別注意其耐久性問(wèn)題．

1.7 微觀形貌

通過(guò)壓汞和掃描電鏡(SEM)試驗(yàn)，表征分析了自燃煤矸石粗骨料和天然碎石的孔徑分布及微觀形貌，見圖1和圖2．可以發(fā)現(xiàn)二者孔隙尺寸和微觀組織結(jié)構(gòu)均有明顯不同，自燃煤矸石粗骨料存在大量毛細(xì)孔隙．

圖1 天然碎石與自燃煤矸石的孔徑分布Fig.1 Pore size distribution of NCA and SGCA

圖2 天然碎石與自燃煤矸石的SEM照片F(xiàn)ig.2 SEM photos of NCA and SGCA(3000×)

綜合上述試驗(yàn)結(jié)果可知，自燃煤矸石粗骨料的基本性能與天然石灰?guī)r碎石相比存在較大差別，但仍能滿足JGJ 52—2006《普通混凝土用碎石或卵石質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)及檢驗(yàn)方法》中對(duì)粗骨料的基本要求．因此，從對(duì)骨料技術(shù)參數(shù)要求的角度來(lái)講，自燃煤矸石粗骨料用于配制C40強(qiáng)度等級(jí)以下的混凝土是可行的．

2 自燃煤矸石粗骨料混凝土(SGC)基本性能試驗(yàn)

2.1 其他試驗(yàn)原材料

膠凝材料采用阜鷹牌32.5R普通硅酸鹽水泥、Ⅰ級(jí)粉煤灰和S95礦粉；細(xì)骨料為河砂，細(xì)度模數(shù)3.07，級(jí)配合格；拌和水和附加水均為普通自來(lái)水；外加劑WRA采用聚羧酸高效減水劑，摻量1.5%，減水率20%～30%．

2.2 配合比設(shè)計(jì)

為探討自燃煤矸石粗骨料取代率φ(自燃煤矸石粗骨料占全部粗骨料的體積分?jǐn)?shù))對(duì)混凝土性能的影響，以25%為間隔，設(shè)計(jì)了φ=0%(基準(zhǔn)組NC)、25%、50%、75%和100%，水灰比mW/mC均為0.46的5組配合比試件．考慮自燃煤矸石粗骨料吸水特性，提前對(duì)其進(jìn)行預(yù)濕處理[8]，即根據(jù)實(shí)測(cè)的有效吸水率，以吸水率的80%計(jì)算出預(yù)濕自燃煤矸石粗骨料的附加用水量，并提前1h摻入以便均勻吸收．具體配合比見表3．

表3 混凝土配合比

Note：The values in the brackets are additional water.

2.3 試件制備與試驗(yàn)

試件制作與養(yǎng)護(hù)在遼寧工程技術(shù)大學(xué)土木工程實(shí)驗(yàn)中心進(jìn)行．混凝土采用機(jī)器強(qiáng)制攪拌，投料順序?yàn)椋捍旨?xì)骨料攪拌均勻后加入膠凝材料→繼續(xù)攪拌均勻后加入摻有外加劑的拌和水→再攪拌3～5min→進(jìn)行拌和物稠度試驗(yàn)并成型試件→24h拆模后標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)至規(guī)定齡期(7、28、56d)→按照GB/T 50081—2002《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》，進(jìn)行尺寸為100mm×100mm×100mm的立方體試件、尺寸為100mm×100mm×300mm的棱柱體試件的力學(xué)性能試驗(yàn)．

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 拌和物和易性

自燃煤矸石粗骨料混凝土的稠度試驗(yàn)結(jié)果見圖3和表4．由表4可見，通過(guò)附加水和配合比設(shè)計(jì)的調(diào)整，即通過(guò)自燃煤矸石粗骨料提前加入附加水預(yù)濕，可減少拌和物坍落度和擴(kuò)展度的經(jīng)時(shí)損失，其中φ=25%的自燃煤矸石粗骨料混凝土拌和物SGC-25的和易性與普通混凝土拌和物NC相近．但隨著取代率遞增，自燃煤矸石粗骨料的吸水量增大，加上骨料表面積的增大，使實(shí)際拌和用水減少，故拌和物坍落度變小，如圖3所示．因此，在改善自燃煤矸石粗骨料混凝土和易性的同時(shí)，還應(yīng)注意自燃煤矸石粗骨料取代率的影響．

圖3 自燃煤矸石粗骨料混凝土的坍落度試驗(yàn)Fig.3 Slump test of SGC

表4 混凝土拌和物和易性

3.2 混凝土表觀密度

參照標(biāo)準(zhǔn)ASTM C642-90《Test method for specific gravity, absorption and voids in hardened concrete》，對(duì)混凝土的表觀密度進(jìn)行檢測(cè)．自燃煤矸石粗骨料混凝土的表觀密度較普通混凝土低，且隨取代率遞增，其表觀密度遞減．當(dāng)取代率為100%時(shí)，自燃煤矸石粗骨料混凝土的表觀密度約為普通混凝土的94%．骨料等體積取代使得混凝土表觀密度下降，說(shuō)明自燃煤矸石粗骨料具有輕質(zhì)的優(yōu)勢(shì)．

3.3 試件破壞形態(tài)

由于混凝土是多相復(fù)合材料，自燃煤矸石粗骨料混凝土試件的受力破壞過(guò)程及其形態(tài)與普通混凝土試件相似，都經(jīng)歷了彈塑性、裂縫產(chǎn)生、裂縫發(fā)展和破碎4個(gè)階段．除了試件抗壓破壞符合環(huán)箍效應(yīng)外，在試件接近劈拉破壞前，首先在其中部出現(xiàn)豎向裂縫，最后延伸至夾具兩端并斷裂破壞．從破壞斷面來(lái)看，試件NC中的骨料相對(duì)完整，僅有少部分粗骨料沿破壞面發(fā)生斷裂，破壞面凸凹不平，基本上是骨料和水泥砂漿膠結(jié)界面的斷裂；在試件SGC中發(fā)現(xiàn)了大部分粗骨料斷裂的現(xiàn)象，破壞面穿過(guò)粗骨料且較為平整，隨著取代率和養(yǎng)護(hù)齡期的增加，試件破壞斷面的平整形態(tài)越發(fā)明顯，如圖4所示．

圖4 不同取代率下混凝土的劈裂破壞斷面形貌Fig.4 Section view of concretes in different replacement rates of SGCA

圖5是不同養(yǎng)護(hù)齡期和取代率下自燃煤矸石粗骨料混凝土的軸壓破壞特征．由圖5可見：(1)在加載接近峰值應(yīng)力時(shí)，沿棱柱體試件對(duì)角線外表面上分布著稀疏、短小的豎向裂縫；達(dá)到峰值應(yīng)力時(shí)，裂縫持續(xù)變大、變長(zhǎng)，最終形成貫穿試件內(nèi)部的斜向裂縫． (2)試 件NC的軸壓破壞具有斜截面剪切破壞特征，而試件SGC的軸壓破壞呈現(xiàn)明顯的縱向劈裂破壞特征，且隨著取代率和養(yǎng)護(hù)齡期的增加，縱向劈裂破壞趨勢(shì)越發(fā)明顯．原因是存在初始微裂縫的自燃煤矸石粗骨料使混凝土中的缺陷分布相對(duì)均勻，破壞裂縫出現(xiàn)頻率升高，破壞斷裂面較多，骨料利用相對(duì)充分．

圖5 不同養(yǎng)護(hù)齡期和取代率下混凝土的軸壓破壞形貌Fig.5 Concrete failure appearance in different curing ages and replacement rates of SGCA

3.4 應(yīng)力-應(yīng)變曲線

混凝土應(yīng)力-應(yīng)變曲線的上升段不僅反映了試件在破壞前的彈塑性性能，還在一定程度上反映了試件的吸能儲(chǔ)能能力．通過(guò)應(yīng)變片和壓力傳感器對(duì)混凝土軸心抗壓試驗(yàn)的應(yīng)力與應(yīng)變進(jìn)行同步采集，經(jīng)計(jì)算繪制出其應(yīng)力-應(yīng)變(σ-ε)曲線的上升段，如圖6所示．由圖6可見：不同養(yǎng)護(hù)齡期下混凝土應(yīng) 力- 應(yīng)變曲線的上升段位置有所區(qū)別，養(yǎng)護(hù)齡期越長(zhǎng)其位置越高，說(shuō)明混凝土的峰值應(yīng)力和強(qiáng)度隨齡期增長(zhǎng)而增大；隨著取代率的增加，混凝土應(yīng)力-應(yīng)變曲線上升段的斜率減小，表明混凝土彈性模量隨取代率的增加而降低；養(yǎng)護(hù)齡期越長(zhǎng)，各條應(yīng)力-應(yīng)變曲線之間越分散，說(shuō)明骨料對(duì)混凝土彈性模量的影響隨齡期增長(zhǎng)而越發(fā)顯著．

圖6 不同養(yǎng)護(hù)齡期和取代率下混凝土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.6 Stress-strain curves of concrete in different curing ages and replacement rates of SGCA

圖7、8分別為取代率和養(yǎng)護(hù)齡期對(duì)混凝土彈性模量E、峰值應(yīng)變?chǔ)舖ax的影響．從骨料特性可知，自燃煤矸石粗骨料的孔隙率較大，微裂縫較多，彈性模量較低，故用其配制的混凝土彈性模量較低，并隨著取代率的增加而不斷降低，如試件SGC-100的彈性模量只有試件NC的67%左右(見圖7)．養(yǎng)護(hù)齡期對(duì)混凝土彈性模量的影響較小，這是因?yàn)楣橇蠈?duì)約束混凝土應(yīng)變起主導(dǎo)作用，骨料越疏松、取代率越大，對(duì)混凝土變形影響越顯著．

由圖8可知：隨著取代率的增加，自燃煤矸石粗骨料混凝土的峰值應(yīng)變逐漸增加，表明其塑性有所改善；另外，養(yǎng)護(hù)齡期對(duì)混凝土峰值應(yīng)變的影響較?。欢ㄈ〈实淖匀济喉肥约梆B(yǎng)護(hù)齡期較長(zhǎng)的混凝土應(yīng)力-應(yīng)變曲線與橫坐標(biāo)所圍面積較大，表明自燃煤矸石粗骨料和養(yǎng)護(hù)齡期對(duì)混凝土吸能儲(chǔ)能的能力有提升作用．

圖7 取代率和養(yǎng)護(hù)齡期對(duì)混凝土彈性模量影響Fig.7 Effect of replacement rate of SGCA and curing age on elastic modulus of concretes

圖8 取代率和養(yǎng)護(hù)齡期對(duì)混凝土峰值應(yīng)變影響Fig.8 Effect of replacement rate of SGCA and curing age on peak-strain of concretes

3.5 混凝土強(qiáng)度

自燃煤矸石粗骨料混凝土7、28、56d抗壓強(qiáng)度和劈拉強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果見圖9．由圖9可知：(1)自燃煤矸石粗骨料混凝土的7、28d立方體抗壓強(qiáng)度與普通混凝土差別不大，說(shuō)明用自燃煤矸石粗骨料部分或全部取代天然碎石來(lái)配制C40以下混凝土可行；隨著齡期的增長(zhǎng)，取代率越高的混凝土其立方體抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)速率越低，說(shuō)明用自燃煤矸石粗骨料所制備的混凝土強(qiáng)度有限．這是由混凝土中起骨架作用的自燃煤矸石粗骨料自身強(qiáng)度低造成的．(2)當(dāng)取代率較低(≤50%)時(shí)，自燃煤矸石粗骨料混凝土的7、28d軸心抗壓強(qiáng)度略高于普通混凝土，但之后軸心抗壓強(qiáng)度的降低程度隨取代率的增加而增加．這主要是由于自燃煤矸石粗骨料的吸水保濕性較強(qiáng)，拌和時(shí)因吸水而能在混凝土養(yǎng)護(hù)過(guò)程中對(duì)其形成內(nèi)養(yǎng)護(hù)作用[6-7]，從而使混凝土內(nèi)部膠結(jié)界面強(qiáng)度增高．當(dāng)取代率較小時(shí)，自燃煤矸石粗骨料的內(nèi)養(yǎng)護(hù)作用顯著，使得混凝土軸心抗壓強(qiáng)度有所上升；但當(dāng)取代率大于50%后，由于其自身強(qiáng)度低，自燃煤矸石粗骨料對(duì)混凝土內(nèi)養(yǎng)護(hù)作用減小，最終導(dǎo)致混凝土的軸心抗壓強(qiáng)度下降．(3)自燃煤矸石粗骨料混凝土的劈拉強(qiáng)度受養(yǎng)護(hù)齡期影響較小，隨著取代率的遞增，混凝土劈拉強(qiáng)度在取代率為50%時(shí)達(dá)到最高值，然后基本呈下降趨勢(shì)，這可能與試件SGC-50的骨料級(jí)配程度較高有關(guān)．

圖9 自燃煤矸石粗骨料混凝土的各項(xiàng)強(qiáng)度Fig.9 Different strengths of SGC

圖10為采用掃描電鏡觀測(cè)到的試件NC、SGC-25、SGC-100中骨料與水泥膠砂CM的界面過(guò)渡區(qū)(ITZ)微觀形貌．

圖10 混凝土中的ITZ微觀形貌Fig.10 Microscope of interfacial transition zone in concretes

界面過(guò)渡區(qū)是混凝土三相復(fù)合物中相對(duì)薄弱的細(xì)觀組分，對(duì)混凝土的宏觀力學(xué)性能有著顯著影響．由圖10(a)、(b)可以看出：自燃煤矸石粗骨料的界面過(guò)渡區(qū)與天然骨料不同，水泥膠砂CM通過(guò)骨料表面的孔隙滲入其中，并緊密包裹表面粗糙多孔的骨料，使其界面過(guò)渡區(qū)厚度較小，結(jié)構(gòu)更為密實(shí)，且界面黏結(jié)力和膠結(jié)強(qiáng)度更高；天然骨料的界面過(guò)渡區(qū)雖然較為密實(shí)，但過(guò)渡區(qū)厚度和水灰比相對(duì)較大，導(dǎo)致其膠結(jié)強(qiáng)度較低.另一方面，大取代率自燃煤矸石粗骨料混凝土(試件SGC-100)的吸水量顯著增大，雖水灰比較小，但界面因水泥膠砂相對(duì)干稠而不密實(shí)，產(chǎn)生微裂縫，導(dǎo)致其強(qiáng)度降低，如圖10(c)所示．

綜上分析，自燃煤矸石粗骨料用于制備混凝土是可行的，并在一定條件下具有特定優(yōu)勢(shì)．

4 結(jié)論

(1)自燃煤矸石粗骨料的堆積密度、表觀密度和堅(jiān)固性低于天然粗骨料，而吸水率、針片狀顆粒含量和壓碎指標(biāo)高于天然粗骨料，但仍能滿足《普通混凝土用碎石或卵石質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)及檢驗(yàn)方法》中對(duì)粗骨料的基本要求，自燃煤矸石粗骨料用于配制C40強(qiáng)度等級(jí)以下的混凝土是可行的．

(2)自燃煤矸石粗骨料取代率越大，混凝土拌和物的坍落度、混凝土的表觀密度和彈性模量降低越多，而塑性越高．當(dāng)自燃煤矸石粗骨料取代率為100%時(shí)，混凝土的表觀密度約為普通混凝土的94%，而彈性模量約為67%．

(3)將自燃煤矸石用作粗骨料所制備的混凝土強(qiáng)度有限，但對(duì)C40以下混凝土的強(qiáng)度影響較?。?dāng)自燃煤矸石粗骨料取代率較低(φ<50%)時(shí)，內(nèi)養(yǎng)護(hù)作用顯著而使ITZ更為密實(shí)，抗壓強(qiáng)度略有上升；隨著自燃煤矸石粗骨料取代率和養(yǎng)護(hù)齡期增長(zhǎng)，試件破壞形式由斜面剪切破壞向縱向劈裂破壞發(fā)展，骨料利用較為充分．自燃煤矸石粗骨料用于制備混凝土具有一定優(yōu)勢(shì)．