【摘要】以煤矸石取代天然集料制備混凝土，以廢治廢，變廢為寶，是我國(guó)建筑材料行業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要途徑；文中總結(jié)分析了當(dāng)前煤矸石混凝土的研究現(xiàn)狀，并提出了現(xiàn)階段研究的不足，最后明確了煤矸石混凝土的發(fā)展方向，以期為煤矸石混凝土相關(guān)研究及資源化利用提供思路和參考。

【關(guān)鍵詞】煤矸石混凝土；資源化利用；工作性能；物理力學(xué)性能

【中圖分類號(hào)】TU528" " " "【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A" " " "【文章編號(hào)】1673-6028（2023）23-0028-03

煤矸石來(lái)源于煤炭地下/露天開采、洗選以及加工過(guò)程中，據(jù)統(tǒng)計(jì)，煤矸石的產(chǎn)量高達(dá)煤炭出產(chǎn)量的10%～30%[1]，2022年我國(guó)原煤產(chǎn)量為45.6億噸，則煤矸石的產(chǎn)生量高達(dá)4.56億～13.68億噸，加之歷史遺留量，我國(guó)煤矸石累計(jì)堆存量已經(jīng)高達(dá)55億噸以上，占用土地資源量達(dá)15000公頃[2]。這不僅會(huì)造成煤礦開采與土地資源日益尖銳的矛盾，還會(huì)使得矸石中含有的SiO2、Al2O3等元素污染公共資源。因此，煤矸石這類工業(yè)固廢的資源化利用已成為亟需解決的社會(huì)問(wèn)題。

從2010年至今，煤矸石的資源化利用率不斷提升，目前已經(jīng)從2010年的37%提高到72.2%[3]，但對(duì)于龐大歷史存量來(lái)說(shuō)，利用率依舊不足。在建筑行業(yè)中，混凝土作為其重要材料而廣泛應(yīng)用，混凝土主要由水、水泥以及砂石按比例混合而成，其中砂石屬于消耗型資源，無(wú)法再生。在經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展下，砂石等天然集料價(jià)格飛速上漲，存量日漸緊張，已無(wú)法滿足社會(huì)發(fā)展的需求。因此，采用煤矸石來(lái)代替天然集料制備煤矸石混凝土是一條可持續(xù)發(fā)展的重要思路，以廢治廢，變廢為寶，不僅大大降低了天然集料的使用量，節(jié)約了石料資源，還可以解決煤矸石留存帶來(lái)的各種影響，這是混凝土材料未來(lái)的一個(gè)發(fā)展方向，亦是環(huán)境維護(hù)與可持續(xù)發(fā)展的密切結(jié)合。

1 煤矸石物理化學(xué)性質(zhì)

煤矸石是一種伴煤生巖石，多以灰色、灰黑色的沉積巖為主，其外部通常粘連著煤泥。表面密度與天然骨料性質(zhì)相似，堆積密度（物體隨機(jī)堆放時(shí)候的密度）在900～1300kg/m3，內(nèi)部結(jié)構(gòu)較為疏松，因此其碎脹指數(shù)、吸水性均較大，抗壓強(qiáng)度較低。煤矸石根據(jù)其含碳量可分為自燃煤矸石與非自燃煤矸石，而自燃煤矸石外觀較非自燃煤矸石有所差異，通常呈現(xiàn)陶紅色或者陶黃色，整體來(lái)說(shuō)煤矸石含碳量都較高，大部分含碳量在20%-30%之間。因此，煤矸石在長(zhǎng)期堆放下，其內(nèi)部放熱產(chǎn)生一種現(xiàn)象——矸石山自燃，該現(xiàn)象在我國(guó)時(shí)有發(fā)生，不及時(shí)處理則會(huì)造成較大的災(zāi)害，給煤礦企業(yè)帶來(lái)較大的社會(huì)影響和經(jīng)濟(jì)損失。

煤矸石的物相組成一般以：石英、方解石、高嶺土等為主，在化學(xué)成分方面，主要以二氧化硅（SiO2）、三氧化二鐵（Fe2O3）、三氧化二鋁（Al2O3）組成。同時(shí)，不同區(qū)域產(chǎn)生的煤矸石在物理力學(xué)性質(zhì)、化學(xué)成分方面差異都較大，因此，在開展煤矸石集料的研究工作時(shí)，其物理化學(xué)性質(zhì)、化學(xué)成分等需要現(xiàn)場(chǎng)取樣，以實(shí)際試驗(yàn)結(jié)果為依據(jù)。

2 煤矸石混凝土發(fā)展現(xiàn)狀

根據(jù)工程需求不同，混凝土分為粗集料和細(xì)集料混凝土，由于細(xì)集料破碎成本高，同時(shí)粗集料具有用量較大、制備容易等特點(diǎn)，現(xiàn)階段對(duì)煤矸石粗集料混凝土的研究展開較多，研究工作主要集中在煤矸石混凝土的物理力學(xué)性質(zhì)、應(yīng)用性能等方面，以下將從這幾方面詳細(xì)敘述。

2.1 煤矸石混凝土物理力學(xué)性能研究現(xiàn)狀

在煤矸石混凝土物理力學(xué)性能方面，白國(guó)良、劉瀚卿等[4，5]以不同地區(qū)煤矸石為研究對(duì)象，對(duì)煤矸石的物化性質(zhì)、煤矸石混凝土的力學(xué)性能開展了試驗(yàn)研究，得出煤矸石含碳量、破碎性、吸水性以及密度均會(huì)對(duì)煤矸石混凝土的抗壓強(qiáng)度產(chǎn)生影響，其中以含碳量因素影響最大，同時(shí)，研究結(jié)果表明煤矸石混凝土受粗骨料吸返水的影響，存在滯后的干燥收縮現(xiàn)象；陳炫[6]對(duì)煤矸石摻量與混凝土強(qiáng)度間的影響規(guī)律開展了研究，發(fā)現(xiàn)煤矸石混凝土整體強(qiáng)度弱于普通混凝土，同時(shí)隨著煤矸石摻量的加大，其抗拉與抗壓強(qiáng)度降低，但當(dāng)水灰比超過(guò)一定值時(shí)，此種現(xiàn)象逐漸減弱。牛曉燕等[7]則針對(duì)煤矸石粗骨料的摻量與其力學(xué)性能的變化關(guān)系進(jìn)行了研究，研究結(jié)果表明，當(dāng)固定水灰比時(shí)，煤矸石混凝土抗壓強(qiáng)度隨著煤矸石摻量的增加存在“先增―后減”的現(xiàn)象，當(dāng)保持煤矸石摻量不變時(shí)，抗壓強(qiáng)度亦隨著水灰比的增加呈現(xiàn)“先增―后減”的現(xiàn)象，因此在工程實(shí)際應(yīng)用中需根據(jù)具體情況考慮煤矸石的摻量，在保證工程能夠應(yīng)用的基礎(chǔ)上，盡可能地提高煤矸石用量，最大限度地消耗煤矸石固廢。馮鶴等[8]對(duì)煤矸石混凝土的配比以及水化機(jī)理開展了研究，得出了料漿質(zhì)量濃度、細(xì)矸率摻量的適宜區(qū)間，同時(shí)發(fā)現(xiàn)煤矸石混凝土的水化產(chǎn)物隨著期齡的增長(zhǎng)而發(fā)生改變，形成致密網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)其強(qiáng)度提高。

在混凝土損傷劣化性能方面，邱繼生等[9]對(duì)煤矸石混凝土開展了循環(huán)荷載下的單軸壓縮試驗(yàn)，采用宏―微觀結(jié)合的方法探究了該條件下煤矸石混凝土的損傷劣化特性，研究結(jié)果表明煤矸石混凝土內(nèi)部的多孔結(jié)構(gòu)的劣化是整體強(qiáng)度損失的主要因素。滿晨等[10]對(duì)煤矸石混凝土試塊開展了循環(huán)凍融試驗(yàn)，考察其抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉以及抗折強(qiáng)度等方面的損傷演化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)其各種強(qiáng)度與凍融次數(shù)呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)，且隨著水灰比的增加，其劣化幅度亦不斷增大。宋會(huì)濤等[11]在鹽凍循環(huán)條件下，對(duì)煤矸石混凝土開展了研究，結(jié)果表明在此環(huán)境中煤矸石混凝土的損壞以表面剝蝕為主，且隨著矸石摻量的增加，剝蝕幅度明顯提升，強(qiáng)度也不斷降低。

綜上所述，在煤矸石混凝土的物理力學(xué)性能方面，我國(guó)學(xué)者開展了大量研究，取得了許多成果?，F(xiàn)有研究大多表明煤矸石摻量對(duì)煤矸石混凝土抗壓強(qiáng)度占主要影響，其次是受水灰比的影響亦較大，因此在實(shí)際的工程應(yīng)用中，需要考慮煤矸石摻量以及水灰比的影響，了解其強(qiáng)度演化規(guī)律，進(jìn)一步合理地對(duì)煤矸石進(jìn)行資源化利用。

2.2 煤矸石混凝土應(yīng)用性能研究現(xiàn)狀

在煤矸石混凝土的應(yīng)用性能方面，田博宇等[12]以粗集料砂率、顆粒級(jí)配以及用水量為影響因素，采用正交試驗(yàn)分析了以上三因素對(duì)混凝土拌合物的工作性能、強(qiáng)度、抗凍性、重金屬滲透性等方面的影響，研究結(jié)果得出了砂率以及粒徑的最優(yōu)配比，為同類煤矸石的配合比提供了參考價(jià)值。汪振雙、崔正龍[13，14]等采用不同吸水率的煤矸石粗集料制備了C20和C30混凝土，并對(duì)不同吸水率的混凝土強(qiáng)度以及收縮性能開展了研究，發(fā)現(xiàn)吸水率不同，其抗壓強(qiáng)度、收縮性能亦不同，抗壓強(qiáng)度與吸水率呈相反的關(guān)系，但是影響不顯著，而吸水率對(duì)收縮性能影響較為顯著，吸水率越大，其收縮變化率反而最小。周梅[15]以自燃煤矸石代替天然骨料制備預(yù)拌混凝土，探討了附加水和預(yù)濕時(shí)間對(duì)混凝土工作性能與抗壓強(qiáng)度的影響關(guān)系，研究結(jié)果表明，在一定外加劑的配合下，把握好加水量與預(yù)濕時(shí)間，能夠使得煤矸石混凝土接近普通混凝土的性能，滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求。

為了使得煤矸石混凝土在工程中更好地應(yīng)用，大量學(xué)者對(duì)煤矸石混凝土進(jìn)行了改性試驗(yàn)，邱繼生等[16]將粉煤灰摻入到煤矸石混凝土中，根據(jù)不同的粉煤灰摻量（0%～40%），探究了粉煤灰對(duì)煤矸石混凝土的結(jié)構(gòu)影響，發(fā)現(xiàn)當(dāng)粉煤灰摻量為30.0%的時(shí)候，能夠提高煤矸石混凝土試塊的抗劈裂強(qiáng)度，從微觀上分析，粉煤灰30.0%的摻量能改變其界面過(guò)渡區(qū)的硬度值，同時(shí)，由于粉煤灰的存在，起到了類似滾珠效應(yīng)，提高了煤矸石混凝土的流動(dòng)性。楊秋寧等[17]則針對(duì)煤矸石混凝土分別摻入纖維（聚乙烯醇纖維、聚丙烯纖維以及鋼纖維）與摻入粉煤灰對(duì)其抗壓強(qiáng)度的影響展開了對(duì)比試驗(yàn)，研究表明，聚乙烯醇纖維和聚丙烯纖維過(guò)量摻入會(huì)抑制煤矸石混凝土的水化反應(yīng)，從而導(dǎo)致其后期強(qiáng)度降低，因此存在一個(gè)最佳摻量，而鋼纖維在2.0%的摻量下，對(duì)其強(qiáng)度的提升幅度最大，而隨著粉煤灰摻量的增加，煤矸石混凝土強(qiáng)度出現(xiàn)“先增―后減”的現(xiàn)象。趙旭東等[18]通過(guò)對(duì)煤矸石進(jìn)行煅燒后制備煤矸石混凝土并與普通混凝土進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，以力學(xué)性能、濕脹性、收縮性以及抗硫酸鹽侵蝕能力為評(píng)價(jià)指標(biāo)，研究發(fā)現(xiàn)經(jīng)過(guò)煅燒活化后的矸石基混凝土能夠與普通混凝土達(dá)到同一水平，雖對(duì)收縮性能有一定影響，但提高了抗侵蝕能力。同時(shí)，莫金川等[19]對(duì)煅燒活化后的煤矸石摻入混凝土中，開展了煤矸石混凝土抗氯離子的滲透性能研究，首先對(duì)煤矸石進(jìn)行機(jī)械破碎，其次進(jìn)行煅燒，采用“破碎―煅燒”法，以強(qiáng)度為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)探究其活性，最后進(jìn)行氯離子的測(cè)試，得出了最佳配合比。

由此可知，煤矸石混凝土能夠較好地替代普通混凝土進(jìn)行工程應(yīng)用，在控制好加水量、預(yù)濕時(shí)間的前提下，能夠使得煤矸石混凝土擁有較好的流動(dòng)性以及凝結(jié)性；同時(shí)，在采取一定改性手段后，能夠使得煤矸石混凝土達(dá)到普通硅酸鹽混凝土的水平，例如將煤矸石進(jìn)行破碎―煅燒后能夠提升煤矸石混凝土的活性，適量的聚合物摻入能夠提升煤矸石混凝土的抗壓以及抗折強(qiáng)度，適量的粉煤灰摻量能夠提高混凝土的流動(dòng)度，延緩其凝結(jié)時(shí)間。以上研究成果均表明煤矸石混凝土擁有非常大的取代優(yōu)勢(shì)。

3 煤矸石混凝土問(wèn)題

雖然煤矸石取代天然集料生產(chǎn)混凝土有著十分顯著的優(yōu)勢(shì)，但目前煤矸石混凝土仍然存在以下問(wèn)題。

（1）其物理化學(xué)性質(zhì)與天然集料存在一定差異，由于吸水性較強(qiáng)等特點(diǎn)，很難制備高強(qiáng)度的混凝土。

（2）影響煤矸石強(qiáng)度的主要因素是其高含碳量，目前大多采用煅燒法進(jìn)行預(yù)處理，但是煅燒后的煤矸石又會(huì)出現(xiàn)其余缺陷，因此在制備混凝土前如何更好地降低含碳量是亟需解決的問(wèn)題。

（3）煤矸石因產(chǎn)地不同而差異明顯，不管是其物理力學(xué)性質(zhì)還是其化學(xué)組分都相差較大，因此無(wú)法固定煤矸石混凝土的配比，使得其推廣應(yīng)用較差，成為煤矸石混凝土發(fā)展的較大阻礙。

4 結(jié)語(yǔ)

目前，在煤矸石混凝土方面的研究取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，尤其是在煤矸石混凝土的力學(xué)性能以及工業(yè)應(yīng)用方面，但研究基本集中在宏觀現(xiàn)象中，缺乏細(xì)觀乃至微觀層次上面的思考，下一步應(yīng)該加大細(xì)觀至微觀層次的研究，探究煤矸石混凝土的各類機(jī)理；其次，現(xiàn)階段大量研究表明，煤矸石混凝土抗壓強(qiáng)度能夠滿足大多數(shù)工程，但抗折強(qiáng)度較多時(shí)候不能滿足標(biāo)準(zhǔn)，故進(jìn)一步明晰煤矸石混凝土抗折強(qiáng)度的影響規(guī)律，通過(guò)適宜的手段加大其抗折強(qiáng)度是下一步應(yīng)該考慮的問(wèn)題；此外，目前我國(guó)針對(duì)煤矸石混凝土的研究主要集中在非自燃煤矸石，而我國(guó)產(chǎn)出的自燃煤矸石存量較大，因此下一步應(yīng)加大對(duì)自燃煤矸石制備混凝土的研究工作，整體全面共同推進(jìn)煤矸石混凝土的應(yīng)用前景。

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[作者簡(jiǎn)介]李曉勤（1989 —），女，貴州興義人，學(xué)士，研究方向：水文地質(zhì)、工程地質(zhì)以及環(huán)境地質(zhì)。