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(徐州工程學(xué)院，江蘇 徐州 221008)

引言

煤矸石是一種在煤形成過程中與煤伴生、共生的堅硬巖石，是在煤炭開采和洗選加工過程中被分離出來的固體廢棄物，包括巖巷及煤巷掘進(jìn)中排出的矸石。我國是以煤炭為主要能源的國家，隨著煤炭的開采，煤矸石的排放量和積存量也十分驚人，既污染了環(huán)境，又占用了大量土地。國內(nèi)外在煤矸石治理和綜合利用方面進(jìn)行了大量的研究工作，涉及到熱活化條件與煤矸石活性的關(guān)系、熱活化過程中煤矸石的相變過程、煤矸石對水泥體系物理力學(xué)性能的影響等方面，這為煤矸石活化理論及其工程應(yīng)用起到了積極的作用，但目前對不經(jīng)磨碎或煅燒直接利用煤矸石的系統(tǒng)研究較少見報道。

在煤矸石燒結(jié)磚生產(chǎn)過程中，需要預(yù)先對煤矸石進(jìn)行多級破碎[1]。在破碎過程中，總有一部分礦物相主要為白云石的煤矸石，由于結(jié)構(gòu)比較均勻，致密度高，質(zhì)地堅硬，當(dāng)破碎到5 mm以下時，對設(shè)備的損耗和能源消耗很大，而這個粒徑范圍的材料恰恰是制備透水混凝土的良好骨料。在煤矸石破碎過程中，會產(chǎn)生一些微細(xì)粉末包裹在破碎后的碎塊上，這種微細(xì)粉末組成比較復(fù)雜，主要包括碳粉、砂灰、粉塵以及其他雜物，在混凝土凝固過程中影響水泥與骨料的結(jié)合。同時，由于這些粉塵以細(xì)骨料的形式進(jìn)入透水混凝土，嚴(yán)重影響透水混凝土的透水性能[2]。因此，需要對破碎后的煤矸石進(jìn)行水洗處理。水洗處理后的廢水經(jīng)沉淀、澄清，渣泥可作為燒結(jié)磚的良好原料，水可循環(huán)使用或用于拌和燒結(jié)磚原料。

本試驗嘗試采用水洗后的煤矸石替代天然骨料制備透水混凝土，通過研究不同配料方案下透水混凝土的性能來驗證其可行性，并分析不同因素對煤矸石透水混凝土性能的影響，以期為實際生產(chǎn)提供依據(jù)。

1 原材料及試驗方法

1.1 原材料

(1)煤矸石：取自徐州某新型建材有限公司年產(chǎn)6 000萬標(biāo)塊煤矸石燒結(jié)磚生產(chǎn)線破碎工序，粒徑為2～15 mm。

(2)水泥：中聯(lián)巨龍淮海水泥股份有限公司生產(chǎn)的P·O 42.5R水泥。

(3)外加劑：青島某公司生產(chǎn)的HSC聚羧酸高性能減水劑，其作用是在保持一定稠度或干濕度的前提下，提高骨料顆粒間的粘結(jié)強(qiáng)度，進(jìn)而提高透水混凝土的整體力學(xué)性能。

(4)水：采用城市自來水。

1.2 試驗方案

影響透水混凝土性能的因素主要有：水灰比、煤矸石的粒徑、骨膠比(骨料與膠凝材料之比)。本試驗采用正交試驗方法來分析這些因素對煤矸石透水混凝土抗壓強(qiáng)度與透水系數(shù)影響的顯著性，以期找到制備煤矸石透水混凝土的最佳方案。

目前，透水混凝土的最佳水灰比(W/C)通常介于0.25～0.45之間，本試驗擬選用0.30、0.35和0.40等3個水平。

為了保證透水混凝土的強(qiáng)度及透水性，粗骨料通常采用單粒徑骨料。骨料的粒徑越小，顆粒間的接觸點(diǎn)越多，配制的透水混凝土強(qiáng)度越高，但由于比表面積較大，所需水泥漿的數(shù)量增多，骨料間的連通孔極易被填充密實，所以透水性能會降低。綜合考慮強(qiáng)度和透水性，骨料選用粒級為2.5～5 mm、5～10 mm和10～15 mm等3個水平。

骨膠比(G/C)的大小影響骨料顆粒表面包裹的水泥漿薄厚程度和孔隙率的高低，即影響透水性混凝土的強(qiáng)度和透水性。當(dāng)水泥用量一定時，增大骨膠比，骨料顆粒表面水泥漿厚度減小，孔隙率增加，透水性提高，但強(qiáng)度降低；反之，透水性降低，但強(qiáng)度提高?？紤]較小粒徑骨料的表面積較大，為保持水泥漿體的合理厚度，小粒徑骨料的骨膠比要適當(dāng)小一些。本試驗骨膠比選用4.0、4.5和5.0等3個水平[3]。

正交試驗因素水平表見表1。

表1 正交試驗因素水平表

1.3 試件制備與測定方法

本試驗采用的試件尺寸為：100 mm×100 mm×100 mm。試件的制作采用靜壓成型工藝，成型壓力為3 MPa。將攪拌好的混合料放入試模，一次加壓成型。工藝流程為：水泥、骨料攪拌→加水混合→攪拌→裝?！o壓成型。

成型后帶模在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下養(yǎng)護(hù)24 h，拆模，7 d內(nèi)淋水潮濕養(yǎng)護(hù)，自然干燥28 d后測試試件性能。

試驗所用透水系數(shù)儀是根據(jù)JC/T 945—2005《透水磚》中混凝土透水方法測定原理設(shè)計的，參閱相關(guān)文獻(xiàn)[4]，確定測定方法為：將預(yù)先浸水飽和并四周蠟封的試件置入測試儀中，然后用橡皮泥密封透水儀內(nèi)壁與試件之間的接縫，測試時向透水儀中加水至一定高度，控制加入水的流量，維持一定的水位，待滲透水流量穩(wěn)定后，測試在一定時間內(nèi)通過試件的滲水量。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 試驗結(jié)果分析

用煤矸石替代天然骨料配制透水混凝土的試驗方案及結(jié)果見表2。

由表2可以看出，用煤矸石替代天然骨料生產(chǎn)透水混凝土是可行的，其28 d抗壓強(qiáng)度可達(dá)34.7 MPa；骨料粒徑對抗壓強(qiáng)度的影響最大，對透水系數(shù)的影響也最大，這表明骨料粒徑是決定煤矸石透水混凝土強(qiáng)度和透水性的主要因素。

表2 正交試驗方案及試驗結(jié)果

2.2 骨料粒徑對透水混凝土強(qiáng)度和透水性的影響

骨料粒徑越小，其堆積密度越大，顆粒間接觸點(diǎn)越多，所配制的透水混凝土的強(qiáng)度越高，透水性越低。同時，骨料粒徑越小，其比表面積越大，所形成的結(jié)構(gòu)骨架單位體積內(nèi)骨料顆粒之間接觸點(diǎn)數(shù)量越多，膠結(jié)面積越大，混凝土強(qiáng)度提高，但需同時提高水泥用量。反之，骨料粒徑越大，其比表面積越小，所形成的骨架單位體積內(nèi)骨料顆粒之間接觸點(diǎn)數(shù)量越少，膠結(jié)面積越小，透水性提高，但強(qiáng)度降低[5]。

隨著骨料粒徑的增大，混凝土強(qiáng)度急劇下降，同時透水系數(shù)迅速增大。這是由于混凝土抗壓強(qiáng)度主要是由骨料間的接觸點(diǎn)或面以水泥漿粘結(jié)而形成的，如果水泥漿粘結(jié)強(qiáng)度高，則制品的強(qiáng)度就高。由于骨料的級配為非連續(xù)級配，骨料之間并不密實，它們之間會產(chǎn)生一些小孔，形成水的通道，即所謂透水，骨料粒徑越小，空隙越小，透水能力越差，但其強(qiáng)度越高；骨料粒徑越大，則骨料顆粒之間接觸就越少，空隙越大，透水能力越好，但其強(qiáng)度越低，這時需要有較高粘結(jié)力的高強(qiáng)水泥粘結(jié)。

2.3 水灰比對透水混凝土強(qiáng)度和透水性的影響

由表2可以看出，隨著水灰比的增大，混凝土的抗壓強(qiáng)度逐漸下降，而透水系數(shù)逐漸增大，水灰比W/C>0.35時，透水系數(shù)增大不明顯。這說明在用水量一定的范圍內(nèi)，水泥用量少，則強(qiáng)度低，但透水性較好，反之亦然[6]。

2.4 骨膠比對透水混凝土強(qiáng)度和透水性的影響

由表2可以看出，隨著骨膠比的增大，混凝土強(qiáng)度逐漸降低，透水系數(shù)逐漸增大。這是由于隨著骨膠比的增大，水泥的相對含量降低，導(dǎo)致混凝土強(qiáng)度隨之降低，粗粒骨料相互嵌布在一起構(gòu)成鑲嵌結(jié)構(gòu)，混凝土內(nèi)部孔隙率增大，透水系數(shù)較高。

3 結(jié)論

3.1 使用煤矸石骨料替代天然骨料生產(chǎn)透水混凝土是完全可行的，所配制的透水混凝土的抗壓強(qiáng)度可達(dá)30 MPa以上。

3.2 煤矸石骨料的粒徑是決定透水混凝土強(qiáng)度和透水性的主要因素。水灰比、骨膠比一定時，骨料粒徑越小，強(qiáng)度越高，透水性越低。

3.3 煤矸石透水混凝土的強(qiáng)度和透水性是一對相互矛盾的性能指標(biāo)，在設(shè)計時應(yīng)充分考慮二者的相互關(guān)系和工程實際情況，根據(jù)需要進(jìn)行適當(dāng)?shù)呐浜媳仍O(shè)計。

參考文獻(xiàn)：

[1] 饒玲麗，曹建新，張洪波，等.粉煤灰透水磚的制備研究[J].新型建筑材料，2006(7)：48-50.

[2] 左富云，孫可偉.廢舊混凝土制備透水磚工藝的研究[J].建材發(fā)展導(dǎo)向，2007(6)：31-33.

[3] 宋志斌，黃明君，馬建軍.混凝土透水磚的研制[J].河北工程大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2008，25(2)：13-16.

[4] 富建江.透水磚透水系數(shù)測定儀的研制應(yīng)用[J].福建建材，2009(1)：110-111.

[5] 雷麗恒.透水性道路用生態(tài)混凝土性能的試驗研究[D].鎮(zhèn)江：江蘇大學(xué)，2007.

[6] 王海燕，劉華章.混凝土透水磚的配合比設(shè)計、生產(chǎn)與施工[J].新型建筑材料，2007(7)：27-29.

Abstract：The performance of coal gangue pervious concrete，after replacing natural aggregate，is researched in the paper.Effect on compression strength and permeation coefficient by raw materials and proportioning is analysed with orthogonal test method.The result shows that coal gangue aggregate size is the key factor having effect on compression strength and permeation coefficient.

Key words：coal gangue；pervious concrete；aggregate size