基金項(xiàng)目：2023年度廣西高校中青年教師科研基礎(chǔ)能力提升項(xiàng)目“礦物摻合料對(duì)活性粉末混凝土性能影響研究”（編號(hào)：2023KY1162）

作者簡(jiǎn)介：鄧 君（1982—），工程師，研究方向：公路試驗(yàn)檢測(cè)。

摘要：文章以煤矸石粉摻量為變量，測(cè)試煤矸石粉混凝土的路用性能指標(biāo)，探究煤矸石粉對(duì)不同強(qiáng)度等級(jí)混凝土路用性能的影響規(guī)律及影響機(jī)理。結(jié)果表明：當(dāng)煤矸石粉的摻量＜9%，煤矸石粉的摻入可以改善路用混凝土的坍落度、凝結(jié)時(shí)間、含氣量和初凝時(shí)間，摻量過(guò)高則反之；路用混凝土的強(qiáng)度隨煤矸石粉摻量的增加呈現(xiàn)出遞減的規(guī)律，當(dāng)煤矸石粉摻量較高時(shí)，混凝土的強(qiáng)度衰減幅度較大；當(dāng)煤矸石粉的摻量＜9%時(shí)，煤矸石粉的摻入對(duì)路用混凝土的抗?jié)B性、抗碳化性等耐久性能具有積極的影響，而當(dāng)摻量＞12%時(shí)，混凝土的滲透高度和碳化深度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于不摻煤矸石粉的混凝土；煤矸石粉可替代部分水泥在路用混凝土中進(jìn)行應(yīng)用，建議煤矸石粉的摻量在9%以下。

關(guān)鍵詞：煤矸石粉；混凝土；強(qiáng)度等級(jí)；路用性能指標(biāo)

中圖分類(lèi)號(hào)：U416.216

0 引言

我國(guó)是世界上最大的煤炭生產(chǎn)國(guó)，煤炭生產(chǎn)量占世界產(chǎn)量的50%以上^［1］。煤矸石是采煤過(guò)程中排放的固體廢物，煤矸石含碳量較低，且硬度比煤大，目前煤矸石集料已經(jīng)在路基填料、混凝土骨料等領(lǐng)域已有較多應(yīng)用^［2-3］。煤矸石粉是從煤矸石集料破碎過(guò)程中分離出的固體顆粒，其粒徑＜0.075 mm。煤矸石粉直接排放后會(huì)造成嚴(yán)重的環(huán)境問(wèn)題，因此，如何對(duì)煤矸石粉進(jìn)行再利用是亟須解決的工程問(wèn)題和環(huán)境問(wèn)題。

張亞婕等研究了煤矸石粉對(duì)瀝青混凝土路用性能的影響，結(jié)果表明：一定摻量的煤矸石粉可以改善瀝青混凝土的馬歇爾穩(wěn)定度等性能^［4-5］。Zhennan Su等研究了煤矸石粉對(duì)水泥混凝土界面過(guò)渡區(qū)的影響，結(jié)果表明：適量的煤矸石粉可以改善混凝土微觀(guān)孔隙和界面過(guò)渡區(qū)的結(jié)構(gòu)^［6］。關(guān)虓等研究了煤矸石粉對(duì)凍融環(huán)境下的混凝土的毛細(xì)吸水性能的影響規(guī)律，結(jié)果表明：煤矸石粉對(duì)優(yōu)化混凝土的孔隙結(jié)構(gòu)具有積極意義，其中摻量為20%時(shí)最為適宜^［7-8］。Jiesheng Qiu等的研究表明：活化煤矸石粉起到火山灰效應(yīng)，對(duì)混凝土耐久性有積極影響^［9］。

綜上所述，國(guó)內(nèi)外學(xué)者已對(duì)煤矸石粉在瀝青混合料、路基填料等領(lǐng)域有較多研究，目前煤矸石粉在路用混凝土的應(yīng)用和研究較少，因此探索煤矸石粉對(duì)混凝土的流動(dòng)性、強(qiáng)度和耐久性等路用性能的影響規(guī)律，對(duì)煤矸石粉在路用混凝土中的推廣應(yīng)用具有重要意義。

1 原材料及試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)原材料

水：自來(lái)水，符合路用混凝土拌和用水的要求；水泥：P·Ⅰ 52.5級(jí)硅酸鹽水泥，比表面積為334 m²/kg，表觀(guān)密度為3 147 kg/m³；減水劑：聚羧酸高性能減水劑，減水率為26%，摻量為1.0%；煤矸石粉：煤矸石破碎過(guò)程中篩分得到，黑色粉狀，粒徑＜0.075 mm，比表面積為416 m²/kg，表觀(guān)密度為2 456 kg/m³；細(xì)集料：精品機(jī)制砂，母巖為石灰?guī)r，細(xì)度模數(shù)為2.83，石粉含量為2.1%，表觀(guān)密度為2 688 kg/m³，亞甲藍(lán)值為0.5%；粗集料 ：母巖為石灰?guī)r，分為5～10 mm和10～20 mm兩檔，表觀(guān)密度分別為2 695 kg/m³和2 701 kg/m³。

1.2 配合比設(shè)計(jì)

共設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)分別為C20、C30和C40三組強(qiáng)度等級(jí)的混凝土配合比，每組中以煤矸石粉摻量為控制變量，煤矸石粉摻量分別控制為0、3%、6%、9%、12%、15%和18%，配合比參數(shù)如下頁(yè)表1所示。

1.3 試驗(yàn)方法

按照表1所示的配合比對(duì)混凝土混合料進(jìn)行稱(chēng)料、拌和、標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)，依據(jù)《公路工程水泥及水泥混凝土試驗(yàn)規(guī)程》（JTG 3420-2020）（以下簡(jiǎn)稱(chēng)《試驗(yàn)規(guī)程》）中規(guī)定的方法對(duì)混凝土拌和物的坍落度、稠度（維勃稠度法），含氣量和凝結(jié)時(shí)間（初凝）進(jìn)行測(cè)試，同時(shí)根據(jù)《試驗(yàn)規(guī)程》中規(guī)定的方法對(duì)硬化混凝土的28 d抗壓強(qiáng)度、28 d抗彎拉強(qiáng)度、28 d劈裂抗拉強(qiáng)度、滲透高度、抗碳化性、耐磨性等力學(xué)性能和耐久性能進(jìn)行測(cè)試。

2 結(jié)果與討論

2.1 混凝土拌和物性能分析（圖1）

如下頁(yè)圖1（a）所示，當(dāng)煤矸石粉的摻量＜9%時(shí)，混凝土的坍落度隨煤矸石粉摻量增加呈現(xiàn)出小幅度增大的趨勢(shì)，當(dāng)煤矸石粉摻量＞9%時(shí)，坍落度隨煤矸石粉摻量增加呈現(xiàn)出遞減的趨勢(shì)，當(dāng)煤矸石粉摻量達(dá)到18%時(shí)，混凝土的坍落度遠(yuǎn)低于不摻煤矸石粉的混凝土，混凝土的流動(dòng)性出現(xiàn)較大程度的損失。煤矸石粉在混凝土中主要起滾珠作用、填充作用、吸附作用。當(dāng)煤矸石粉含量較低時(shí)，煤矸石粉可以?xún)?yōu)化混合料的級(jí)配，釋放出原本用于填充這些混合料空隙的水，從而使混凝土混合料體系的富余水含量增加，且煤矸石粉的摻入可降低集料間的摩擦阻力，此現(xiàn)象稱(chēng)為“滾珠效應(yīng)”，因此低摻量的煤矸石粉可以改善混凝土的流動(dòng)性^［10］。煤矸石粉的比表面積為416 m²/kg，大于水泥的比表面面積，因此在混凝土拌和物中，相同質(zhì)量的煤矸石粉表面吸附的水膜質(zhì)量大于水泥，故當(dāng)煤矸石粉摻量較高時(shí)，混凝土的坍落度隨煤矸石粉摻量的增加呈現(xiàn)出遞減的規(guī)律。填充作用可以增加混凝土的流動(dòng)性，而吸附作用會(huì)降低混凝土的流動(dòng)性，因此可以得出：當(dāng)煤矸石粉摻量較低時(shí)，煤矸石粉的填充作用較為顯著；當(dāng)煤矸石粉摻量較高時(shí)，煤矸石粉的吸附作用更為顯著。

如圖1（b）所示，當(dāng)煤矸石粉摻量＜12%時(shí)，煤矸石粉摻量對(duì)混凝土的稠度幾乎沒(méi)有影響，當(dāng)煤矸石粉摻量＞12%時(shí)，混凝土的稠度隨煤矸石粉摻量的增加呈現(xiàn)出遞增的趨勢(shì)，其中C20混凝土尤為明顯。當(dāng)煤矸石粉摻量較高時(shí)，煤矸石粉吸附較多水分，混凝土混合料體系的自由水含量降低，因此混凝土的稠度也隨之增大。

如圖1（c）所示，當(dāng)煤矸石粉的摻量＜12%時(shí)，煤矸石粉摻量對(duì)混凝土的含氣量影響較小，當(dāng)煤矸石粉摻量＞12%時(shí)，混凝土的含氣量隨煤矸石粉摻量的增加呈現(xiàn)出遞減的規(guī)律。當(dāng)煤矸石粉的摻量較高時(shí)，煤矸石粉表面吸附了較多自由水，導(dǎo)致混凝土的流動(dòng)性較差，稠度較高，呈現(xiàn)出低塑性狀態(tài)，因此混凝土拌和物的密實(shí)性較差，含氣量較高。

如圖1（d）所示，混凝土的初凝時(shí)間隨煤矸石粉摻量的增加呈現(xiàn)出先增加后減小的規(guī)律。當(dāng)煤矸石粉摻量達(dá)18%時(shí)，混凝土的初凝時(shí)間遠(yuǎn)低于不摻煤矸石粉的混凝土。水泥顆粒遇水后，表面的礦物立即發(fā)生水化反應(yīng)生成水化物凝膠，使混凝土混合料體系的自由水含量減少，且水化物凝膠之間有鍵能作用，所以隨著水泥水化反應(yīng)的進(jìn)行，混凝土逐漸失去塑性^［11-13］。煤矸石粉具備一定的活性但活性較差，當(dāng)混凝土拌和物中摻入較低劑量的煤矸石粉后，短時(shí)間內(nèi)水泥水化反應(yīng)產(chǎn)生的水化物較少，因此失去塑性的時(shí)間較長(zhǎng)，凝結(jié)時(shí)間增加。當(dāng)混凝土中摻入較高劑量的煤矸石粉后，體系自由水含量減小，因此水泥、骨料以及水泥水化物的濃度較高，固體顆粒之間的相互作用力增強(qiáng)，混凝土失去塑性的時(shí)間較長(zhǎng)，因此高劑量的煤矸石粉會(huì)降低混凝土的凝結(jié)時(shí)間。

2.2 混凝土力學(xué)性能分析（圖2）

如圖2所示，隨著煤矸石粉摻量的增加，混凝土的28 d抗壓強(qiáng)度、28 d劈裂抗拉強(qiáng)度和28 d抗彎拉強(qiáng)度均大致呈現(xiàn)出遞減的規(guī)律。隨著煤矸石粉摻量增加，混合料體系內(nèi)的水泥含量增加，28 d時(shí)水化反應(yīng)產(chǎn)生的水化物隨之減少，加之煤矸石本身的水穩(wěn)定性較差，煤矸石吸水后強(qiáng)度會(huì)出現(xiàn)較大幅度的降低，因此混凝土的強(qiáng)度隨煤矸石粉摻量的增加呈現(xiàn)出遞減的趨勢(shì)^［14］。雖然低劑量的煤矸石粉可以改善混合料顆粒的級(jí)配，增加混合料體系的密實(shí)性，但對(duì)混凝土強(qiáng)度的影響效果并不明顯。除此之外，煤矸石的強(qiáng)度低于石灰?guī)r，水泥水化后，水泥水化物與煤矸石之間產(chǎn)生的范德華力較小，煤矸石粉和水泥水化共同形成的界面過(guò)渡區(qū)性能較弱，摻煤矸石粉的混凝土強(qiáng)度較低^［3］。當(dāng)煤矸石粉摻量較低時(shí)，混凝土仍然滿(mǎn)足路用混凝土的強(qiáng)度設(shè)

計(jì)要求，當(dāng)煤矸石粉的摻量＞12%，煤矸石粉的摻入會(huì)較大程度地折損混凝土的強(qiáng)度。

2.3 混凝土耐久性能分析（圖3）

混凝土的抗?jié)B性能是混凝土耐久性能的關(guān)鍵指標(biāo)，混凝土的抗?jié)B性可以間接反映內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)的優(yōu)劣。如下頁(yè)圖3（a）所示，當(dāng)煤矸石粉的摻量＜12%時(shí)，煤矸石粉摻量對(duì)混凝土的滲透高度影響不大，大致呈減小的規(guī)律，C20混凝土的滲透高度維持在＜40 mm，C30和C40混凝土的滲透高度維持在＜30 mm。當(dāng)煤矸石粉摻量＞12%時(shí)，混凝土試塊的滲透高度隨煤矸石粉摻量的增加呈現(xiàn)出大幅遞增的趨勢(shì)。雖然煤矸石粉活性較差，導(dǎo)致混凝土最終反應(yīng)生成的水化物少于不摻煤矸石粉的混凝土，但煤矸石粉對(duì)水泥的空隙可以起到很好的填充作用，所以低摻量的煤矸石粉對(duì)混凝土的抗?jié)B性能沒(méi)有明顯的影響。當(dāng)煤矸石粉的摻量較高時(shí)，一方面因煤矸石粉的顆粒粒徑較小，且吸水率高，造成混合料整體的自由水含量較少，混合料的流動(dòng)性較差，密實(shí)性較差，孔隙率較高；另一方面當(dāng)煤矸石粉摻量較高時(shí)，水泥水化產(chǎn)生的水化物少于不摻煤矸石粉的混凝土，因此混凝土內(nèi)部存在較多的連通孔隙，這些連通孔隙就是水和其它侵蝕物體流通的通道，在煤矸石粉摻量較高時(shí)，混凝土的水滲透高度較大，抗?jié)B能力小于不摻煤矸石粉的混凝土。

如下頁(yè)圖3（b）所示，強(qiáng)度越高的混凝土相同條件下的碳化深度越小，抗碳化能力越強(qiáng)，C20混凝土的28 d碳化深度＞10 mm，當(dāng)煤矸石粉摻量較高時(shí)，碳化深度可達(dá)20 mm以上。當(dāng)煤矸石粉摻量＜9%時(shí)，混凝土在28 d的碳化齡期內(nèi)的碳化深度為0，當(dāng)煤矸石粉摻量小于＜9%時(shí)，C20和C30混凝土的碳化深度隨煤矸石粉摻量的增加呈現(xiàn)出減小的規(guī)律，說(shuō)明低摻量的煤矸石粉對(duì)混凝土的碳化起到抑制作用。當(dāng)煤矸石粉的摻量＞9%時(shí)，混凝土的碳化深度隨煤矸石粉摻量的增加呈現(xiàn)出遞減的規(guī)律。如圖4所示分別為不摻煤矸石粉的混凝土SEM掃描圖片，可以發(fā)現(xiàn)，隨著混凝土強(qiáng)度等級(jí)的提高，混凝土的孔隙尺寸和孔隙數(shù)量均越少，而這些孔隙是CO₂侵蝕混凝土的通道，CO₂進(jìn)入混凝土后溶于孔隙溶液，溶液呈酸性，會(huì)與混凝土中的Ca（OH）₂、C-S-H等堿性物質(zhì)發(fā)生碳化反應(yīng)，嚴(yán)重威脅混凝土的耐久性能。當(dāng)混凝土中摻入較低含量的煤矸石粉時(shí)，煤矸石粉與水泥顆粒之間可以共同形成較好的級(jí)配，改善混凝土拌和物的流動(dòng)性，增加混凝土的密實(shí)性能，使混凝土內(nèi)部的大孔隙數(shù)量減少。同時(shí)，煤矸石粉摻入后與水泥水化生成的水泥石的界面過(guò)渡區(qū)排列更加更加緊密，小孔隙和連通孔隙較少，因此較低摻量的煤矸石粉可以改善混凝土的碳化耐久性。當(dāng)煤矸石粉摻量較高時(shí)，混凝土的流動(dòng)性較差，且因煤矸石粉的吸水量較高導(dǎo)致混凝土的有效含水量減少，導(dǎo)致混凝土的大孔隙和小孔隙的數(shù)量均較多，所以混凝土的碳化深度隨之增大。

3 結(jié)語(yǔ)

（1）當(dāng)煤矸石粉的摻量＜9%時(shí)，煤矸石粉的摻入可以改善路用混凝土的坍落度、凝結(jié)時(shí)間、含氣量和初凝時(shí)間，摻量過(guò)高則反之。

（2）路用混凝土的強(qiáng)度隨煤矸石粉摻量的增加呈現(xiàn)出遞減的規(guī)律，且當(dāng)煤矸石粉摻量＜12%時(shí)，混凝土仍然滿(mǎn)足強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求。當(dāng)煤矸石粉摻量較高時(shí)，混凝土的強(qiáng)度衰減幅度較大。

（3）當(dāng)煤矸石粉的摻量＜9%時(shí)，煤矸石粉的摻入對(duì)路用混凝土的抗?jié)B性、抗碳化性等耐久性能具有積極的影響；當(dāng)摻量大于12%時(shí)，混凝土的滲透高度和碳化深度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于不摻煤矸石粉的混凝土。

（4）綜上所述，煤矸石粉可替代部分水泥在路用混凝土中進(jìn)行應(yīng)用，建議煤矸石粉的摻量在9%以下。

參考文獻(xiàn)

［1］劉文革，徐 鑫，韓甲業(yè)，等.碳中和目標(biāo)下煤礦甲烷減排趨勢(shì)模型及關(guān)鍵技術(shù)［J］.煤炭學(xué)報(bào)，2022，47（1）：470-479.

［2］張清峰，王東權(quán)，于廣云，等.開(kāi)采擾動(dòng)對(duì)鐵路煤矸石路堤穩(wěn)定性的影響［J］.工業(yè)建筑，2021，51（1）：118-124，130.

［3］邱繼生，朱夢(mèng)宇，周云仙，等.粉煤灰對(duì)煤矸石混凝土界面過(guò)渡區(qū)的改性效應(yīng)［J］.材料導(dǎo)報(bào)，2023，37（2）：75-81.

［4］張亞婕，白領(lǐng)群，呂海將，等.煤矸石粉瀝青混凝土路用性能試驗(yàn)［J］.長(zhǎng)安大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2022，42（5）：33-42.

［5］趙夢(mèng)龍，馮新軍，唐 雄，等.煤矸石粉填料在瀝青混凝土中的應(yīng)用［J］.中外公路，2017，37（6）：251-257.

［6］Su Z，Li X，Zhang Q.Influence of thermally activated coal gangue powder on the structure of the interfacial transition zone in concrete［J］.Journal of Cleaner Production，2022（363）：132408.

［7］關(guān) 虓，龍 行，丁 莎，等.凍融作用下活化煤矸石粉混凝土損傷劣化規(guī)律［J］.硅酸鹽通報(bào)，2023，42（1）：144-150，169.

［8］關(guān) 虓，張鵬鑫，丁 莎，等.凍融環(huán)境下活化煤矸石粉混凝土毛細(xì)吸水性能［J］.建筑材料學(xué)報(bào)，2023，26（5）：483-491.

［9］Qiu J，Cheng K，Zhang R，et al.Study on the influence mechanism of activated coal gangue powder on the properties of filling body［J］.Construction and Building Materials，2022（345）：128071.

［10］焦登武，安曉鵬，史才軍，等.骨料裹漿厚度對(duì)混凝土流變性能的影響［J］.硅酸鹽學(xué)報(bào)，2017，45（9）：1 360-1 366.

［11］Huang F，Li H，Yi Z，et al.The rheological properties of self-compacting concrete containing superplasticizer and air-entraining agent［J］.Construction and Building Materials，2018（166）：833-838.

［12］Li Z，Cao G，Tan Y.Prediction of time-dependent flow behaviors of fresh concrete［J］.Construction and Building Materials，2016（125）：510-519.

［13］Varshney A，Gohil S，Chalke B A，et al.Rheology of hydrating cement paste： Crossover between two aging processes［J］.Cement and Concrete Research，2017（95）：226-231.

［14］張清峰，王東權(quán)，于廣云，等.煤矸石風(fēng)化對(duì)其物理力學(xué)性能影響的研究［J］.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2019，48（4）：768-774.

收稿日期：2023-03-28