祝小靚 張 明 王棟民 房奎圳

(1.中建西部建設(shè)建材科學(xué)研究院有限公司,四川 成都 610221;2.中建西部建設(shè)股份有限公司,四川 成都 610213;3.中國礦業(yè)大學(xué)(北京)化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院,北京 100083)

隨著我國現(xiàn)代化建設(shè)的不斷推進(jìn),基建對砂石質(zhì)和量的需求不斷提高,機(jī)制砂石骨料已不能滿足這種需求,在生態(tài)環(huán)境優(yōu)先的發(fā)展理念下,這種局面尤顯突出[1-2]。而礦業(yè)開發(fā)產(chǎn)生的大量固體廢棄物的堆存不僅占用土地、污染環(huán)境,還造成了資源浪費(fèi)[3-5]。煤礦巖石巷道掘進(jìn)產(chǎn)生的煤矸石是典型的固體廢棄物,約占煤矸石總量的60%,具有含碳量低、熱值低等特點(diǎn)[6-7]。用地區(qū)性掘進(jìn)煤矸石大摻量替代道路和建筑砂石料,不僅能緩解砂石料源緊張問題,還可以改善掘進(jìn)煤矸石堆存的環(huán)境污染現(xiàn)狀。

煤矸石應(yīng)用于道路工程已有較長的歷史,美國、法國將自燃煤矸石用作道路充填材料[8],英國將煤矸石與鋁土礦復(fù)摻混合用作公路面層,俄羅斯將加工后的自燃煤矸石用作公路墊層[9];我國2000年前后修建的京福高速和平頂山至臨汾高速用煤矸石鋪筑了10 km的路基[10]。周梅等[11]分析了用石灰-粉煤灰穩(wěn)定的煤矸石混合料用于季節(jié)性冰凍地區(qū)路面基層的可行性,認(rèn)為其無側(cè)限抗壓性能滿足高速公路和一級公路對路面基層及底基層的強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求。而有關(guān)煤矸石混凝土的研究與應(yīng)用相對較少,王晴等[12]通過正交試驗(yàn)確定了摻40%煤矸石混凝土有較好的抗氯離子滲透性能;張玉慶[13]制備了摻量不大于40%的煤矸石透水混凝土。以上研究與應(yīng)用表明,煤矸石在道路材料中的應(yīng)用主要為道路路基、墊層和面層工程,而在基層中大摻量替代集料的可行性研究較少;煤矸石在混凝土中的應(yīng)用研究主要為中低摻量替代骨料,對全替代骨料的研究還是空白,這主要是因?yàn)楦鞯貐^(qū)煤矸石的物化性質(zhì)復(fù)雜多樣[14-17]。

本研究以鶴壁地區(qū)掘進(jìn)煤矸石為對象,首先分析了其物理性能,確定其具有替代砂石料的綜合性能,然后依據(jù)掘進(jìn)煤矸石粗、細(xì)集料的性質(zhì)設(shè)計(jì)了水泥穩(wěn)定煤矸石道路基層,通過7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度論證了其路用的可行性;此外,還研究了不同標(biāo)號下煤矸石砂全替代機(jī)制砂的混凝土性能以及不同煤矸石砂石骨料類型全替代機(jī)制砂石C30混凝土的力學(xué)性能,為豐富掘進(jìn)煤矸石在道路工程中的應(yīng)用以及在建筑材料中大摻量使用提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 試驗(yàn)原料及方法

1.1 試驗(yàn)原料

(1)掘進(jìn)煤矸石來自河南省鶴壁市鶴煤集團(tuán),主要化學(xué)成分及物相分析結(jié)果分別見表1、圖1。

表1 掘進(jìn)煤矸石的主要化學(xué)成分分析結(jié)果Table 1 Analysis results of the main chemical composition of drifting coal gangue %

圖1 掘進(jìn)煤矸石XRD圖譜Fig.1 XRD pattern of drifting coal gangue

由表1及圖1可知,掘進(jìn)煤矸石主要成分為SiO2和Al2O3,其次為CaO和Fe2O3;主要礦物相為石英、高嶺石和地開石,掘進(jìn)煤矸石中Al2O3為非晶態(tài)。

掘進(jìn)煤矸石經(jīng)過分離—破碎—篩分,得到4種不同粒級(31.5～19 mm、19～9.5 mm、9.5～4.75 mm以及-4.75 mm)的集料,依據(jù)《建筑用卵石、碎石》(GB/T 14685—2011)、《建設(shè)用砂》(GB/T 14684—2011)和《公路工程集料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E42—2005)對上述粗集料(31.5～19 mm、19～9.5 mm、9.5～4.75 mm)及細(xì)集料(-4.75 mm)的物理性能進(jìn)行分析,結(jié)果見表2、表3。

表2 粗集料物理性能參數(shù)Table 2 Physical property parameters of coarse aggregate

表3 細(xì)集料物理性能參數(shù)Table 3 Physical property parameters of fine aggregate

由表2和表3可知,掘進(jìn)煤矸石粗集料各性能指標(biāo)均滿足國家標(biāo)準(zhǔn),且與機(jī)制石接近,其中掘進(jìn)煤矸石壓碎值略高于機(jī)制石,接近路面基層集料壓碎值的規(guī)范上限;掘進(jìn)煤矸石細(xì)集料各性能指標(biāo)均滿足國家標(biāo)準(zhǔn),壓碎值低于機(jī)制砂,遠(yuǎn)小于國家要求上限。

對細(xì)集料中-0.075 mm粒級粉體進(jìn)行微觀形貌分析,結(jié)果見圖2?？梢园l(fā)現(xiàn),粉體顆粒大小不一,呈凝聚態(tài),部分顆粒表面疏松多孔,推測多孔的粉體是造成細(xì)集料吸水率高于機(jī)制砂的主要原因。從整體上看,掘進(jìn)煤矸石砂的細(xì)度要大于機(jī)制砂。

圖2 細(xì)集料中-0.075mm粒級粉體的SEM圖片F(xiàn)ig.2 SEM image of powder below 0.075mm in fine aggregate

(2)試驗(yàn)所用機(jī)制砂石、水泥熟料、減水劑、粉煤灰、礦粉、自來水均為鶴壁市定?；炷劣邢挢?zé)任公司日常生產(chǎn)所用。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 道路水穩(wěn)層材料制備及性能測試

煤矸石道路基層材料的制備依據(jù)《公路工程無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E51—2009),首先,采用YDT-Ⅱ型土工電動擊實(shí)儀進(jìn)行擊實(shí)試驗(yàn),得出混合料的最大干密度和最佳含水率。接著,通過TCZT-100混合料試樣制模脫模一體試驗(yàn)機(jī)制備水穩(wěn)層試件,根據(jù)最大干密度及最佳含水率,以98%密實(shí)度成型得到直徑、厚度均為150 mm的圓柱體混凝土試件。之后,將水穩(wěn)層試件進(jìn)行6 d標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)和1 d水養(yǎng),通過DYE-2000KN無側(cè)限壓力試驗(yàn)機(jī)測得7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度。

1.2.2 混凝土試件制備及性能測試

煤矸石混凝土試件的配合比設(shè)計(jì)見表4,為保證在A-G配合比下混凝土的狀態(tài)保持基本一致,通過調(diào)整減水劑摻量使不同骨料類別下達(dá)到一致的狀態(tài),試件成型養(yǎng)護(hù)7 d、28 d后采用HYE-300-10萬能壓力試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行混凝土試件的抗壓強(qiáng)度測試,通過掃描電鏡(SEM)對微觀形貌進(jìn)行分析。

表4 混凝土配合比設(shè)計(jì)Table 4 Mix proportion design of concrete kg/m3

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 大摻量掘進(jìn)煤矸石在道路材料中的應(yīng)用

道路基層材料以水泥穩(wěn)定碎石層為主,水穩(wěn)層混合料中主要以集料的連續(xù)級配形成緊密堆積,通過水泥的膠凝作用形成具有一定強(qiáng)度的半剛性材料,本試驗(yàn)將掘進(jìn)煤矸石集料全替代碎石集料,設(shè)計(jì)出一種具有連續(xù)級配的掘進(jìn)煤矸石集料,通過改變水泥摻量,得出混合料的擊實(shí)曲線和強(qiáng)度變化規(guī)律。

2.1.1 混合料組成設(shè)計(jì)

根據(jù)《公路路面基層施工技術(shù)細(xì)則》(JTG/T F20—2015)對掘進(jìn)煤矸石集料進(jìn)行篩分,結(jié)果如表5所示。

表5 掘進(jìn)煤矸石集料篩分分析結(jié)果Table 5 Analysis results of screening for drifting coal gangue aggregate

根據(jù)篩分結(jié)果,進(jìn)行混合料配合比設(shè)計(jì),通過緊密堆積理論公式計(jì)算得出31.5～19 mm、19～9.5 mm、9.5～4.75 mm以及-4.75 mm粒級樣適宜的配合比為9∶29∶22∶40(質(zhì)量比),合成級配在《公路路面基層施工技術(shù)細(xì)則》(JTG/T F20—2015)規(guī)定級配的上限和下限之間(見圖3)。

圖3 合成級配曲線Fig.3 Combined gradation curve

2.1.2 最大干密度及最佳含水量

混合料擊實(shí)試驗(yàn)將5.5 kg的試料按照設(shè)計(jì)級配進(jìn)行稱重,水泥摻量分別為集料的3%、4%、5%、6%、7%,并且預(yù)定5～7個(gè)不同含水量(在估計(jì)最佳含水量左右只差0.5%～1%),然后依次在不同水泥摻量下,對2.1.1設(shè)計(jì)的混合料進(jìn)行擊實(shí)試驗(yàn),結(jié)果如圖4所示。

圖4 不同水泥摻量條件下混合料的擊實(shí)曲線Fig.4 The compaction curve of mixture with different cement addition

由圖4可知,隨著水泥摻量的增加,混合料含水量變化范圍增大,干密度變化區(qū)間變小,最大干密度和最佳含水量均隨著水泥摻量的增加而增加且增加趨勢逐漸變緩。這是由于水泥作為一種粉體材料,本身具有吸水性,另外由于水泥與水反應(yīng)后水化產(chǎn)物具有膠凝特性,隨著水泥摻量的增加,水化產(chǎn)物的膠結(jié)作用和部分粉體填充作用,使混合料趨于最佳緊密堆積狀態(tài),混合料的最大干密度增加趨緩。

2.1.3 7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度

根據(jù)2.1.2中每個(gè)水泥摻量下對應(yīng)的最佳干密度和最大含水量計(jì)算試件最終容重,使用φ150 mm×150mm的圓柱形試模進(jìn)行混合料試件的成模。試件養(yǎng)護(hù)后進(jìn)行7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的測試,結(jié)果如圖5所示。

圖5 不同水泥摻量下試件7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度Fig.5 The unconfined compressive strength of the specimen at 7 d ages with different cement addition

由圖5可知,隨著水泥摻量的增加,試件7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的增加呈現(xiàn)先快后慢的趨勢。這是由于低摻量下水泥可以有效地增加試件的早期強(qiáng)度,當(dāng)強(qiáng)度增加到一定值后,水泥摻量增加帶來的強(qiáng)度增長有限,主要由試件本身的干密度以及緊密堆積理論決定強(qiáng)度發(fā)展,趨勢漸緩。

2.2 大摻量掘進(jìn)煤矸石在混凝土中的應(yīng)用

本部分先考察了掘進(jìn)煤矸石砂全替代機(jī)制砂對C10、C20、C30、C35、C40 和 C50 混凝土的影響,再研究了掘進(jìn)煤矸石砂石骨料分別替代機(jī)制砂石料、全替代機(jī)制砂石料以及水洗煤矸石替代機(jī)制石料制備C30混凝土的強(qiáng)度變化規(guī)律。

2.2.1 掘進(jìn)煤矸石對混凝土試件力學(xué)性能的影響

按照表4將煤矸石砂分別替代普通C10、C20、C30、C35、C40和C50混凝土中的機(jī)制砂,對混凝土試件的7 d和28 d抗壓強(qiáng)度進(jìn)行分析,結(jié)果如圖6所示。

圖6 掘進(jìn)煤矸石砂對不同強(qiáng)度等級混凝土試件力學(xué)性能的影響Fig.6 The influence of drifting coal gangue sand on mechanical properties of concrete specimen with different strength grades

由圖6可知,當(dāng)混凝土試件強(qiáng)度等級不高于C35時(shí),混凝土的強(qiáng)度發(fā)展均符合標(biāo)準(zhǔn)要求;當(dāng)混凝土試件強(qiáng)度等級大于C35,混凝土試件強(qiáng)度上升慢,28 d抗壓強(qiáng)度不符合標(biāo)準(zhǔn)要求,這是由于煤矸石砂高需水量和粗砂的物理性質(zhì)決定的,需水量的增加和密實(shí)度的降低影響了中高標(biāo)號混凝土試件早期強(qiáng)度的發(fā)展,最終導(dǎo)致28d強(qiáng)度不合格。

選用C30混凝土配合比,以表4中7種方式替代機(jī)制砂石料制備混凝土試件,分析7 d和28d抗壓強(qiáng)度,結(jié)果如圖7所示。

圖7 不同骨料類別及處理方式對C30混凝土力學(xué)性能的影響Fig.7 The influence of different aggregate types and treatment methods on mechanical properties of C30 concrete

由圖7可知,在掘進(jìn)煤矸石只替代機(jī)制石的情況下,試件28 d的強(qiáng)度均較機(jī)制砂石骨料混凝土有所提高,而未經(jīng)過水洗的掘進(jìn)煤矸石骨料制備的混凝土7 d強(qiáng)度較低,這是由于掘進(jìn)煤矸石加工后,石料表面會被大量石粉和部分煤灰包裹,水泥和礦物摻合料與骨料間的粘結(jié)力降低,進(jìn)而影響早期強(qiáng)度,同樣的結(jié)果在矸石砂+矸石子替代機(jī)制砂石中也體現(xiàn)出來,而經(jīng)過水洗后的矸石子+矸石砂制備的混凝土早期強(qiáng)度明顯高于未水洗處理石料制備的混凝土。在G組中通過添加當(dāng)?shù)財(cái)嚢枵镜拿嫔皝砀纳凭蜻M(jìn)煤矸石砂的顆粒級配,使混凝土的早期強(qiáng)度較B組未加面砂有所提高?？梢缘贸?掘進(jìn)煤矸石加工后需增加水洗工藝,矸石砂需要改善顆粒級配方可替代混凝土骨料使用。

2.2.2 掘進(jìn)煤矸石對混凝土微觀形貌的影響

選用煤矸石砂全替代機(jī)制砂制備28 d齡期的C10、C30和C50混凝土試件進(jìn)行微觀形貌研究,分析煤矸石砂的替代對不同標(biāo)號下混凝土試件微觀形貌的影響;選用不同方式處理的煤矸石骨料全替代機(jī)制砂石制備28 d齡期的C30混凝土試件進(jìn)行微觀形貌研究,分析煤矸石子和煤矸石砂與機(jī)制砂石制備的混凝土微觀形貌的區(qū)別以及水洗工藝對煤矸石混凝土微觀結(jié)構(gòu)的影響,結(jié)果如圖8所示。

由圖8可知,C10混凝土試件的絮凝體結(jié)構(gòu)較多,水化產(chǎn)物結(jié)構(gòu)較為疏松,孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)雜,整體水化程度低,而C50整體結(jié)構(gòu)致密,水化產(chǎn)物互相連接鑲嵌,孔隙存在變少。在水泥水化過程中,集料表面、界面過渡區(qū)區(qū)域會提供晶核成型點(diǎn),晶核為C—S—H凝膠與CH連接提供落點(diǎn)。相較于未水洗處理掘進(jìn)煤矸石制備的混凝土試件,掘進(jìn)煤矸石骨料經(jīng)過水洗處理后制備的混凝土試件和機(jī)制砂石制備的混凝土微觀形貌相近,SEM圖中出現(xiàn)六方板狀的CH相互搭接,與鈣礬石形成較為穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。粉體粘附在未水洗的掘進(jìn)煤矸石骨料表面,為水泥提供C—S—H凝膠的成核點(diǎn),由于后期形成的水化產(chǎn)物未與骨料形成緊密的界面過渡區(qū)以及粉體與骨料間的粘附力比較低,造成早期強(qiáng)度降低。

圖8 混凝土試件SEM圖Fig.8 SEM images of concrete specimen

3 結(jié) 論

(1)掘進(jìn)煤矸石主要礦相成分為石英和高嶺石,富含SiO2和Al2O3及少量的Fe2O3和CaO;掘進(jìn)煤矸石粗集料壓碎值為24%,細(xì)集料壓碎值為10.6%;由于加工后集料中粉體過多造成吸水率遠(yuǎn)高于機(jī)制砂,從整體上看掘進(jìn)煤矸石砂的細(xì)度要大于機(jī)制砂。

(2)采用緊密堆積理論,31.5～19 mm、19～9.5 mm、9.5～4.75 mm以及-4.75 mm粒級樣適宜的配合比為9∶29∶22∶40(質(zhì)量比),水泥最宜摻量4%～6%,所制備的水穩(wěn)層混合料7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度均可滿足中高等級公路要求。

(3)采用掘進(jìn)煤矸石砂制備C10～C35混凝土具有良好的強(qiáng)度發(fā)展;掘進(jìn)煤矸石加工破碎后砂級配較差,導(dǎo)致C35以上標(biāo)號的混凝土強(qiáng)度發(fā)展不夠;采用水洗減少掘進(jìn)煤矸石石料表面粉體含量和添加面砂改善掘進(jìn)煤矸石粗砂級配的方法,可以有效提升C30混凝土的早期強(qiáng)度。