不同品种煤矸石粗骨料特性及其对混凝土性能影响

李少伟

（福建省建筑科学研究院有限责任公司 福建省绿色建筑技术重点实验室，福建 福州，350108）

 

摘 要：为了缓解我国部分地区砂石资源匮乏而煤矸石固废污染严重等问题，在系统比较了两种煤矸石粗骨料与天然碎石的表观密度、吸水率、压碎指标和坚固性等基本特性的基础上，研究了不同取代率下两种煤矸石粗骨料对混凝土拌合物和易性和混凝土强度的影响规律.结果表明, 煤矸石粗骨料与天然碎石相比, 表观密度小、吸水率高、压碎值和坚固性指标大，其中自燃煤矸石的表观密度最小而吸水率、压碎指标最高；未燃煤矸石的表观密度与天然碎石相近而坚固性指标最大.随着自燃煤矸石粗骨料取代率递增, 混凝土拌合物的坍落度，混凝土的表观密度递减.煤矸石用作粗骨料制备混凝土的强度有限，但对C40以下混凝土的强度影响较小.自燃煤矸石粗骨料对混凝土具有内养护作用，取代率小于50%使得ITZ更密实且受骨料强度低的削弱作用小，抗压强度略有提高.总体看来，煤矸石粗骨料制备混凝土是可行的，并具一定优势.

关键词：未燃煤矸石；自燃煤矸石；粗骨料；混凝土；和易性；力学性能；微观结构

Properties of Different Coal Gangue Coarse Aggregates and Its Influence on Concrete

Lishaowei

(Fujian Building Research Institute Co., Ltd., Fujian Provincial Key Laboratory of Green Building Technology, Fuzhou, China)

Abstract: In order to alleviate the contradiction between the shortage of sandstone resources and the serious pollution of coal gangue solid waste in some areas of China, and based on systematically comparing of the apparent density, water absorption, crushing index and firmness of two kinds of coal gangue coarse aggregates(GCAs) before and after spontaneous combustion and ordinary gravel, the influence of two kinds of GCA with different substitution rate on the workability and strength of concrete was studied. The results show that compared with ordinary gravel, GCA has low apparent density, high water absorption, large crushing value and robustness index, among which spontaneous combustion coal coarse gangue(SGCA) has the lowest apparent density and the highest water absorption and crushing index. The apparent density of unburned coal gangue(UGCA) is similar to that of ordinary gravel, but the robustness index is the largest. With the increase of the replacement rate of GCA, the slump and apparent density of the concrete mixture decrease continuously. The stress-strain curve, elastic modulus and peak strain of unburned coal gangue coarse aggregate concrete(UGC) are similar to those of spontaneous combustion gangue(SGC). GCA has an internal curing effect on concrete. When the replacement rate of GCAs before and after spontaneous combustion is less than 75% or 50%, the ITZ in concrete is denser and?gradually disappears, making its compressive strength slightly improved. In general, it is feasible to produce C40 concrete, which has some advantages, with two kinds of GCAs before and after spontaneous combustion.

Key words: spontaneous combustion coal gangue coarse aggregate; spontaneous combustion gangue concrete; workability; mechanical properties; microstructure

1．引言

我国年生产混凝土2230亿立方米，每年消耗大量的天然骨料，部分地区甚至出现砂石枯竭，对经济和环境造成极大威胁和破坏.因此，研发一种混凝土骨料替代品的工作迫在眉睫.

在我国全面推进生态文明建设、大力发展循环经济的大背景下，大宗工业固体废物综合利用迎来了重要发展机遇.煤炭开采产生的大量煤矸石，是在成煤过程中与煤层伴生的一种含碳量较低、比煤坚硬的黑灰色岩石，是排放量最大、利用率最低的七种大宗工业固废之一.煤矸石可分为未燃或自燃煤矸石.堆积量逐年增加的煤矸石，不仅占用大量宝贵的土地资源，而且严重污染了环境，成为我国当前急待解决的重要问题之一.我国开展煤矸石利用研究起于20世纪50年代中期，主要应用在路基以及煤矸石砖块等方面，使用率较低；但作为骨料，是混凝土传统骨料很好的替代产品.煤矸石骨料混凝土新技术不仅可以缓解现阶段天然砂石的短缺问题，还可以实现煤矸石固体废弃物的循环综合利用，节约资源，保护环境，促进建筑业的可持续发展和节能减排的实施，被看作是发展绿色混凝土的重要措施之一[1-5].

国内玩滚球的十大平台：煤矸石粗骨料及其混凝土性能的研究已取得些研究成果[4-6]，但尚未制定出相应的标准或规程，加之煤矸石粗骨料本身的多样性和复杂性，故仍需要对其基本特性及其对混凝土性能的影响进行系统的研究.

2. 煤矸石粗骨料的基本性能

未燃煤矸石（UGCA）和自燃煤矸石（SGCA）两种粗骨料均取自当地某露天矿堆积的煤矸石；天然粗骨料（NCA）采用当地石灰岩5～20mm碎石.按照《普通混凝土用砂、石质量及检验方法标准》（JGJ52-2006），主要测试了两种煤矸石粗骨料和天然碎石的颗粒级配、堆积密度、表观密度、吸水率、针片状颗粒含量、压碎指标和坚固性等指标.

2.1 颗粒级配

煤矸石经由颚式破碎机破碎、标准筛筛分和连续粒级级配得到粒径为5～20mm的连续级配煤矸石粗骨料（GCA），粗骨料级配组成详见表1.

2.2 堆积密度与表观密度

密度试验结果见表2.自燃煤矸石粗骨料与天然碎石相比，堆积密度与表观密度分别降低了约28%和7.4%，而未燃煤矸石粗骨料与天然碎石相近，属于Ⅰ类.主要原因是煤矸石自燃后，孔隙率增大，骨料疏松；另外，破碎过程中机械作用会对煤矸石内部产生微裂缝.

2.3 吸水率

通过骨料吸水性试验发现，煤矸石粗骨料的吸水率明显高于天然碎石，其中自燃煤矸石高达天然碎石的9倍，而未燃为3倍.主要原因是煤矸石粗骨料孔隙率大、微裂缝多，而自燃煤矸石经自燃后更为疏松，可在短时间内即可吸水饱和，1h可达饱和程度的85%左右，1d达饱和程度的95%以上.另外，为了解粗骨料最大粒径与其吸水率的关系，分别测试了5～10mm、10～20mm和20～25mm粒径的自燃煤矸石粗骨料1d的吸水率，结果见表3.可见，煤矸石粗骨料的吸水率随粒径的减小而增加.这是因为煤矸石粗骨料粒径愈小，其比表面积越大，骨料与水接触的面积越大，破碎造成微裂缝越多，从而使吸水率越大.吸水率会对骨料的含水率和拌合物工作性产生较大影响，因此，在混凝土中使用前应对煤矸石粗骨料进行实时检测，按照当时含水量调整附加水用量，满足一定施工要求.

2.4 压碎指标

NCA，UGCA和SGCA的压碎值分别为4.5%（Ⅰ类），12.8%（Ⅱ类）和25.2%（Ⅲ类）.煤矸石粗骨料的压碎指标明显大于天然碎石，其中未燃煤矸石是天然碎石的3倍，自燃煤矸石最大为天然碎石的6倍，表明煤矸石骨料强度较天然碎石低，其中自燃煤矸石骨料最低.这主要是因为煤矸石粗骨料表面微裂缝多、孔隙率大，其中自燃煤矸石粗骨料结构较为疏松，导致其较易破碎.因此，应限制煤矸石粗骨料在强度要求较高的混凝土中使用，或应对煤矸石骨料进行预处理.

2.5 针片状颗粒含量

NCA，UGCA和SGCA的针片状颗粒含量（质量百分率）分别为9.4%（Ⅱ类），20.2%和14.4%（Ⅲ类），表明煤矸石粗骨料的粒形较天然碎石差、更容易形成针片状，这是煤矸石在煤层中形成片状块体的缘故，由于自燃煤矸石较未燃煤矸石疏松，针片状易受破坏.由于针片状骨料会对混凝土的工作性和强度均产生不利影响，故使用前需要注意筛除、控制其含量.

2.6 坚固性

NCA，UGCA和SGCA的坚固性试验结果（质量损失率）分别为1.3%（Ⅰ类），23.3%和8.3%（Ⅱ类）.说明煤矸石粗骨料的坚固性远低于天然骨料，使用时需注意其耐久性问题，特别是未燃煤矸石骨料，这是因为未燃煤矸石中的沉积岩多为砂岩，耐水性和稳定性较差.

2.7 微观形貌

通过压汞和扫描电镜试验，表征分析了两种煤矸石粗骨料和天然碎石的孔径分布及微观形貌，详见图1和图2.可以发现二者孔隙尺寸和微观组织结构均有明显不同，未燃煤矸石存在少量微裂缝，而自燃煤矸石存在大量的毛细孔隙.

图1天然碎石与煤矸石的孔径分布

Fig.1 Flow chart of different coarse aggregates

图2天然碎石与煤矸石的SEM图

Fig.2 SEM of different coarse aggregates

综合上述试验结果可知，两种煤矸石粗骨料的基本性能与天然石灰岩碎石相比存在较大差别，但经过筛选控制和预处理仍能满足《普通混凝土用碎石或卵石质量标准及检验方法》（JGJ52-2006）中对粗骨料的基本要求.因此，从对骨料技术参数要求的角度来讲，自燃煤矸石粗骨料用于配制普通混凝土是可行的.

3. 煤矸石骨料混凝土基本性能试验

3.1 试验其他原材料

胶凝材料采用大鹰牌42.5R普通硅酸盐水泥、Ⅰ级粉煤灰和S95矿粉；细骨料为河砂，细度模数3.07，级配合格；拌合和附加水均为普通自来水；外加剂采用聚羧酸高效减水剂，掺量1.5%～2.5%，减水率20%～30%.

3.2 配合比设计

为探讨煤矸石粗骨料取代率R(煤矸石粗骨料占全部粗骨料的体积分数)对混凝土性能的影响.以25%间隔取点逐步取代，并与天然碎石对比，共设计5组配合比，分别为：R=0%（普通混凝土）、25%、50%、75%和100%.考虑了自燃煤矸石粗骨料吸水特性，提前进行预湿处理[7]，即根据实测自燃煤矸石粗骨料的有效吸水率，以吸水率的80%计算出用以预湿自燃煤矸石粗骨料的那部分水（附加水）的用量，并提前1h加入均匀吸收.具体配合比详见表4.

3.3 试块制备与试验

试块的制作与养护在辽宁工程技术大学土木工程新材料实验中心进行.混凝土采用机器强制搅拌，投料顺序为：搅拌砂和粗骨料至均匀、加入水泥；继续搅拌至混合均匀、加入水；搅拌3～5 min后测量坍落度、扩展度，将拌合物注入试模；振捣密实后抹面.24 h后拆模，在标准养护条件下养护至一定龄期（7d，28d和56d）后进行试验.

混凝土配合比共9组，每组制作18块边长为100 mm的立方体试块.混凝土拌合物性能试验按照《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》(GB/T 50080-2002)进行；混凝土的立方体抗压和劈裂抗拉试验均按照《普通混凝土力学性能试验方法标准》（GB/T 50081-2002）进行.

4. 试验结果与分析

4.1 拌合物和易性

自燃煤矸石骨料混凝土坍落度试验结果见图3和表5.由表5可见，通过附加水和配合比设计的调整，在混凝土拌制前，自燃煤矸石粗骨料提前加入附加水预湿，减少拌合物坍落度和扩展度的经时损失，其中25%的自燃煤矸石骨料混凝土拌合物的和易性与普通混凝土相近.但随着自燃煤矸石粗骨料取代率成倍增加，骨料吸水量增大，加上骨料表面积增大，使实际拌合用水减少，故坍落度变小，如图3所示.因此，改善自燃煤矸石骨料混凝土的和易性还应注意骨料取代率的影响.

4.2 混凝土表观密度

参照ASTMC642-90，对混凝土的表观密度进行了检测，未燃煤矸石混凝土表观密度与普通混凝土相近，而自燃煤矸石混凝土的表观密度较普通混凝土低，且随取代率递增，表观密度递减.当取代率为100%时，自燃煤矸石骨料混凝土的表观密度约为普通混凝土的94%.骨料等体积取代使得混凝土表观密度下降，说明自燃煤矸石骨料具有轻质的优势.

图3混凝土的坍落度

Fig.3 Slump of concrete

4.3 试件破坏形态

由于混凝土是多相复合材料，煤矸石混凝土试件的受力破坏过程及其形态与普通混凝土相似，都经历了弹塑性、裂缝产生、裂缝发展和破碎四个阶段.除了试件抗压破坏符合环箍效应外，在试块接近劈拉破坏前，首先在其中部出现竖向裂缝，最后沿伸至夹具两端断裂破坏.从破坏断面来看，NC中的骨料相对完整，仅有少部分的天然碎石沿破坏面发生断裂，破坏面凸凹不平，基本上是骨料和水泥砂浆胶结界面的断裂；而在煤矸石混凝土中发现了大部分粗骨料断裂的现象，破坏面穿过粗骨料，造成破坏面较平整.随着取代率和养护龄期的增加，破坏断面平整形态越发明显；其中，自燃煤矸石混凝土断面较未燃煤矸石混凝土完整，如图4~5所示.

图4未燃煤矸石混凝土抗压、劈裂破坏断面形貌

Fig.4 The section view of concrete of UGC

图5自燃煤矸石混凝土劈裂破坏断面形貌

Fig.5 The section view of concrete of SGC

4.4 混凝土强度

自燃煤矸石骨料混凝土7d、28d和56d抗压和劈拉强度试验结果见图6~7.

由图6~7可知：（1）7d和28d煤矸石粗骨料混凝土立方体抗压强度与普通混凝土差别不大，部分或全部取代天然碎石配制C40以下混凝土可行.但随着龄期的增长，取代率越高，混凝土强度增长速率越低，说明煤矸石粗骨料所制备的混凝土强度有限，特别地，自燃煤矸石混凝土下降显著.这是由于混凝土中起骨架作用的自燃煤矸石粗骨料自身强度低造成的；（2）当自燃煤矸石粗骨料取代率较低（≤50%）时，自燃煤矸石混凝土的抗压强度略微高于普通混凝土，但之后抗压强度降低的程度随自燃煤矸石粗骨料取代率的增加而增加.这主要是由于自燃煤矸石粗骨料吸水保湿性强，拌合过程吸水而养护过程形成内养护[6-7]，使混凝土内部胶结界面强度增高.当较小取代率时，自燃煤矸石骨料的内养护作用显著，使得混凝土抗压强度有所上升；但当自燃煤矸石粗骨料的取代率大于50%时，由于自身强度低，自燃煤矸石骨料对混凝土内养护作用小，最终导致强度下降.（3）自燃煤矸石混凝土劈拉强度受养护龄期影响较小，随着自燃煤矸石取代率的递增劈拉强度具有下降趋势，其中50%最高，这可能与骨料级配程度高有关；未燃煤矸石混凝土50%最低，这是拌合物工作性差所导致.

图6煤矸石骨料混凝土的立方体抗压强度

Fig.6 Compressive strength of SGC and UGC

图7煤矸石骨料混凝土的立方体抗压强度

Fig.7 Splitting strength of SGC and UGC

通过扫描电镜（SEM），表征了混凝土中两种骨料界面过渡区（ITZ）的微观形貌，详见图8.

图8 混凝土中不同骨料ITZ微观形貌

Fig.8 Microscope of internal transaction zone in different aggregate concrete

界面过渡区是混凝土三相复合中相对薄弱的细观组分，对混凝土的宏观力学性能产生显著影响.从图8(b)中可以看出，自燃煤矸石骨料界面过渡区与天然骨料的不同，水泥浆体通过骨料表面的孔隙渗入其中，并紧密包裹表面粗糙多孔的骨料，使其界面过渡区厚度较小，结构更为密实，且界面黏结力和胶结强度更高强；天然碎石虽然界面过渡区较为密实，但过渡区厚度和水灰比相对较大，而导致强度较低，见图8(a)；另一方面，大取代率（100%）自燃煤矸石混凝土，吸水量显著增大，虽水灰比减小，但界面因水泥胶砂相对干稠而不密实，产生微裂缝，导致强度降低，如图8(c)所示.由图8(d)看出，未燃煤矸石在50%取代率时，由于拌合物较稠，未水化的粉煤灰和水泥较多，导致界面密实度和牢固性较弱；当取代率等于75%和100%时，混凝土拌合物和易性有所改善，水化相对完全，水泥砂浆和界面密实可靠.

综上分析，煤矸石粗骨料用于制备混凝土是可行的，并一定条件下具有各自其特定优势.

5. 结论

（1）在三种混凝土骨料中，自燃煤矸石的堆积密度、表观密度最低，而吸水率、针片状颗粒含量和压碎指标最高，未燃煤矸石的坚固性最高.但仍能满足《普通混凝土用碎石或卵石质量标准及检验方法》中对粗骨料的基本要求，煤矸石粗骨料用于配制普通混凝土是可行的.

（2）随着自燃煤矸石粗骨料取代率越大，混凝土拌合物的坍落度、混凝土的表观密度降低越多而塑性越高.当粗骨料取代率为100%时，自燃煤矸石混凝土的表观密度约为普通混凝土的94%.未燃煤矸石混凝土在基本性质方面与普通混凝土相近.

（3）煤矸石用作粗骨料制备混凝土，其强度有限，但对C40以下混凝土的强度影响较小.当自燃煤矸石取代率较低（<50%）时，显著的内养护作用使ITZ更为密实，抗压强度略有上升；而未燃煤矸石混凝土在强度方面与普通混凝土相似.煤矸石粗骨料用于制备混凝土具有各自优势.

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来源：中国砂石协会