王艷,左震,文波,高冠一

1. 西安建筑科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,陜西西安 710000;2. 西安建筑科技大學(xué)土木工程學(xué)院,陜西西安 710000;3. 西安建筑科技大學(xué)西部綠色建筑協(xié)同創(chuàng)新中心重點實驗室,陜西西安 710000

煤矸石是煤炭生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的固體廢棄物,綜合利用率較低[1]。 2020年我國煤矸石排放量已達7.29 億t,累計堆存量已超50 億t[2]。 煤矸石的堆放既侵占土地又污染環(huán)境,還造成極大的資源浪費[3]。 另外,近年來我國砂石市場總體表現(xiàn)供不應(yīng)求,部分地區(qū)出現(xiàn)砂石荒[4],急需尋找能夠替代天然砂石的建材。

現(xiàn)有研究[5]已證明,煤矸石作為粗集料配制混凝土是可行的。 但因成煤條件和煤炭開采情況不同,不同地區(qū)煤矸石理化性質(zhì)差異大[6],一個地區(qū)關(guān)于煤矸石的研究成果未必適用于另一地區(qū)。孔德順等[7]與黃艷利等[8]的研究表明,貴州六盤水地區(qū)的煤矸石具有高鐵、高硅、低鋁特點,不適用于混凝土集料;而新疆地區(qū)煤矸石以砂巖、鈣質(zhì)巖為主,具有低鐵、高硅、高鋁特點,強度高,宜作為混凝土集料。 煤矸石除了按地區(qū)分類外,還可按巖石特性、矸石類型、有機質(zhì)和硅鋁元素含量分類[9]。郭彥霞等[10]認(rèn)為,含碳量小于4% 的高硅煤矸石宜用于建筑集料。 段曉牧等[11]發(fā)現(xiàn)煤矸石強度、顆粒級配顯著影響混凝土強度,煤矸石粗集料的礦物組成、壓碎指標(biāo)、吸水能力等是影響混凝土性能的關(guān)鍵因素[12]。

現(xiàn)有煤矸石混凝土的研究成果多是關(guān)于單個地區(qū)煤矸石集料[13-15],對不同地區(qū)煤矸石缺乏系統(tǒng)性研究,忽略了煤矸石性質(zhì)之間的內(nèi)在聯(lián)系及對混凝土性能的影響。 此外,煤矸石粗集料性能評價多采用建設(shè)用砂石標(biāo)準(zhǔn),但煤矸石粗集料與天然碎石有著極大的差異,部分煤矸石甚至可以納入輕骨料的范疇[16],致使不能正確評價煤矸石集料特征對混凝土性能的影響。 現(xiàn)有研究幾乎沒有關(guān)注煤矸石集料的形狀特征,其形狀特征無統(tǒng)一的測試標(biāo)準(zhǔn)。 受母巖材質(zhì)和破碎工藝等影響,形狀特征很難準(zhǔn)確描述,限制了煤矸石在建材領(lǐng)域的應(yīng)用。

本文系統(tǒng)地對比分析了陜西省不同地區(qū)煤矸石理化性質(zhì)的差異性。 采用壓碎指標(biāo)、吸水率、堅固性、表觀密度、含泥量等宏觀指標(biāo)和礦物組成、化學(xué)成分、微觀形貌、內(nèi)部孔結(jié)構(gòu)等細(xì)觀指標(biāo)來評價煤矸石粗集料的理化性質(zhì),并分析了兩者的關(guān)聯(lián)性。 針對煤矸石與天然碎石的形狀差異,采用球度、角數(shù)和紋理指數(shù)等形狀統(tǒng)計指標(biāo)來量化煤矸石粗集料形狀特征。 此外,還分析了煤矸石粗集料宏觀指標(biāo)和形狀統(tǒng)計指標(biāo)對混凝土工作性與強度的影響規(guī)律。 研究結(jié)果可為建立全國煤矸石理化性質(zhì)數(shù)據(jù)庫,就地就近利用煤矸石提供參考。

1 試 驗

1.1 試驗材料

選取陜西省5 個不同市區(qū)的煤礦廠進行現(xiàn)場取樣,包括寶雞麟游縣(郭家河煤礦)、渭南韓城市(象山礦井)、榆林神木市(神木大柳塔礦)、咸陽彬州市(蔣家河煤礦)、延安子長市(扇咀灣煤礦),依次編號M1 ～M5;天然碎石編號P。

水泥選用P·O 42.5 普通硅酸鹽水泥;砂子選用河砂,細(xì)度模數(shù)2.6,表觀密度2 586 kg/m3,松散堆積密度1 478 kg/m3;天然粗集料選自陜西銅川產(chǎn)的天然碎石,級配良好;減水劑為聚羧酸高效減水劑,減水效率高于20% 。

1.2 混凝土配合比設(shè)計

煤矸石粗集料混凝土按C30 進行設(shè)計,水膠比為0.38。 由于煤矸石粗集料的表觀密度差異較大,考慮等體積取代天然集料。 粗集料為連續(xù)級配,粒徑在4.75 ～31.5 mm。 本文主要研究不同地區(qū)煤矸石對混凝土力學(xué)性能的最大影響,故煤矸石取代率為100% 。 煤矸石粗集料不作預(yù)濕潤處理,通過調(diào)整減水劑的加入量來保證混凝土和易性?；炷僚浜媳纫姳?。 不同地區(qū)煤矸石粗集料混凝土依次編號CM1 ～CM5,普通混凝土作對照組,編號CP。

表1 混凝土配合比Table 1 Mix proportion of concrete kg/m3

1.3 樣品制備

使用顎式破碎機進行破碎,對破碎后的煤矸石和天然碎石使用不同粒徑的標(biāo)準(zhǔn)方形篩進行篩分,按照同一連續(xù)級配人工混合得到試驗用煤矸石粗集料(圖1)。

圖1 天然碎石和不同地區(qū)煤矸石粗集料Fig.1 Nature gravel and coal gangue coarse aggregate in different areas

1.4 試驗方法

煤矸石的表觀密度、堆積密度、壓碎指標(biāo)、吸水率、含泥量和堅固性作為集料宏觀評價指標(biāo)。 測試方法參照《GB/T 14685—2011 建設(shè)用卵石、碎石》?；炷亮⒎襟w試塊標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護7 d、14 d、28 d 后,依據(jù)《GB/T 50081—2019 混凝土物理力學(xué)性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》進行抗壓強度和劈裂抗拉強度試驗。礦物組成通過XRD 測試,采用日本島津XRD 6100型X 射線衍射儀;化學(xué)成分通過XRF 測試,采用賽默飛3600 型X 射線熒光光譜儀;微觀形貌通過SEM 觀察,采用S 4800 型場發(fā)射掃描電鏡;內(nèi)部孔結(jié)構(gòu)通過MIP 測試,采用MicroActive AutoPore V 9600 型全自動壓汞儀。

煤矸石形狀特征通過以下3 個指標(biāo)描述:

(1) 形狀,由球度(ψ)表征。 對天然碎石和不同地區(qū)煤矸石粗集料隨機各取200 個樣品,在同一平面下拍攝樣品照片(圖2)并使用ImageJ軟件計算樣品的長軸和短軸,使用游標(biāo)卡尺測量水平面至樣品頂部的實際厚度。 球度按式(1)計算[18-19]。

圖2 煤矸石粗集料橢球體平面特征長度Fig.2 Plane characteristic length of coal gangue coarse aggregate ellipsoid

式中,a、b、c 分別為集料平面橢球體長軸、短軸和實際厚度,mm。

(2) 棱角,由角數(shù)(AN)表征。 將集料分3 次裝入特定容器,每次裝入后,用特制搗棒距集料表面5 cm 處自由下落,記錄不同掉落次數(shù)下容器中集料的質(zhì)量,角數(shù)按式(2)計算[20]。

式中,m100為特定容器中特制搗棒掉落100 次時粗集料的質(zhì)量,g;S 為粗集料的表觀密度,g/cm3;V為特定容器的體積,mL。

(3) 粗糙度,由紋理指數(shù)(LAPST)表征。 根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)ASTM D3398—00 (2006年修訂)進行測量。紋理指數(shù)按式(3)計算[21]。

式中,m10、m50分別為特定容器中特制搗棒掉落10次、50 次時粗集料的質(zhì)量,g。

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 不同地區(qū)煤矸石理化性質(zhì)與形狀特征

2.1.1 基本物理性質(zhì)

不同地區(qū)煤矸石現(xiàn)場取樣經(jīng)顎式破碎機破碎后,通過相同標(biāo)準(zhǔn)搖篩機進行篩分,得到不同粒級煤矸石,按照相同級配比例混合得到試驗用煤矸石粗骨料。 如圖3 所示,粗集料粒徑為4.75 ～31.5 mm,級配基本一致,為連續(xù)級配。

圖3 集料粒徑分布圖Fig.3 Distribution of aggregate particle size

天然碎石和不同地區(qū)煤矸石粗集料基本物理性能測試結(jié)果見表2。

表2 集料基本物理性能Table 2 Coal gangue pore structure parameters

不同地區(qū)煤矸石粗集料表觀密度為天然碎石的0.77 ～0.94 倍,數(shù)值最大的M2 比最小的M4 高出27.1% 。 因為煤矸石表觀體積為實際體積和內(nèi)部閉口孔隙體積之和,所以表觀密度在一定程度上反映了其內(nèi)部孔結(jié)構(gòu)。 不同集料表觀密度差值較大,導(dǎo)致采用它們配制混凝土?xí)r不可等質(zhì)量取代天然碎石,需采用等體積取代。 不同地區(qū)煤矸石堆積密度都小于天然碎石,其中M4 堆積密度最小,僅為天然碎石的73.4% ;M2 堆積密度最大,接近天然碎石。

不同地區(qū)煤矸石粗集料壓碎指標(biāo)為天然碎石的1.8 ～2.6 倍,這表明煤矸石抵抗壓碎的能力較弱,強度整體較低,無法在高強高性能混凝土中作粗集料使用。 M1、M2、M4 壓碎指標(biāo)小于20% ,滿足Ⅱ類碎石要求。 經(jīng)Na2SO4溶液侵蝕后,煤矸石質(zhì)量損失較大,平均為8.26% ,約為天然碎石的5倍,表明煤矸石粗集料堅固性差,會造成實際使用時混凝土的耐久性問題。 不同地區(qū)煤矸石的堅固性不同,M2 堅固性較好,質(zhì)量損失為4.8% ,M5 堅固性最差,質(zhì)量損失為18.6% 。

不同地區(qū)煤矸石顏色略有差異,M1 ～M4 為黑色,M5 呈灰青色且表面被煤矸石粉包裹。 M2 ～M5 的含泥量較高,約為天然碎石的5 倍,主要是因為煤矸石表面吸附了較多矸石粉,與天然碎石的含“泥”不同。 M5 含泥量為22.9% ,是因為M5 被水多次沖洗,發(fā)生剝蝕軟化和泥化崩解,其中黏土礦物含量高,礦物分子間鍵合力較弱,親水能力較強,促使礦物顆粒吸水膨脹[22]。

不同地區(qū)煤矸石粗集料吸水率為天然碎石的4.8 ～13.6 倍,其中M2 吸水率最小,為2.4% ,M5吸水率最大,高達6.8% 。 粗集料的高吸水率會直接影響混凝土的工作性、力學(xué)性和耐久性[23]。 由圖4(a)可看出,M2 吸水速率最小,M5 吸水速率最大,這在一定程度上反映了煤矸石內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu),表明M2 內(nèi)部開口孔隙較少,而M5 內(nèi)部開口孔隙多。 所有煤矸石粗集料在60 min 后不再吸水,處于飽水狀態(tài)。 M5 出現(xiàn)下降段是因為其中的軟巖遇水發(fā)生泥化崩解,這與前面含泥量測試結(jié)果變化一致。 在同種煤矸石中,吸水速率隨煤矸石粒徑的增加而降低,如圖4(b)所示,因為在同一質(zhì)量下,煤矸石粒徑越大,與水接觸的相對面積越小,降低了吸水速率。

圖4 煤矸石粗集料吸水特性Fig.4 Water absorption of gangue coarse aggregate

2.1.2 礦物組成與化學(xué)成分

天然碎石和煤矸石的礦物組成、化學(xué)成分見圖5 和表3。 可以看出,天然碎石中主要礦物是石灰石和鈣長石。 煤矸石礦物組成種類較為復(fù)雜,主要礦物是石英、高嶺石、伊利石、菱鐵礦,還含有鈣長石、白云石和TiO2。 其中,M3 和M5 的礦物組成中沒有石灰?guī)r,而M1、M2、M4 中石灰?guī)r的特征峰較為明顯,表明不同地區(qū)煤矸石礦物組成有一定差異。

表3 集料化學(xué)成分相對含量Table 3 Relative content of chemical c omposition of aggregate %

圖5 集料XRDFig.5 XRD of aggregate

煤矸石化學(xué)成分除C、O、Si、Al、Fe 外,還含有少量Ca、K、Ti 等元素,這為其進行資源化利用創(chuàng)造了有利條件。 煤矸石中SiO2和Al2O3總含量均高于70% ,約為天然碎石的6.7 倍,Fe 元素約為天然碎石的6 倍,說明煤矸石主要由SiO2、Al2O3、Fe2O3組成。

綜合XRD 和XRF 測試結(jié)果可以發(fā)現(xiàn),M1、M2、M4 中石英、高嶺石、伊利石礦物多,硅鋁元素相對含量高,屬于砂巖矸石,物理性質(zhì)表現(xiàn)為強度高、抗風(fēng)化能力強,化學(xué)表現(xiàn)為不易水解、抗鹽溶液侵蝕能力強;而M5 中長石類礦物多,表現(xiàn)為強度低、易水解[24]。 結(jié)合M1、M2、M4 宏觀指標(biāo)可知,煤矸石的石英、高嶺石和伊利石越多,硅鋁元素含量越高,其壓碎指標(biāo)和含泥量越低,堅固性越好,吸水率越低。

2.1.3 微觀形貌與內(nèi)部孔結(jié)構(gòu)

圖6 為集料的SEM 圖譜,天然碎石微觀多為立體形態(tài);M1、M2、M4 微觀形貌與天然碎石相似,形貌密實立體,顆粒交錯搭接;而M3、M5 結(jié)構(gòu)不緊密,多呈片狀、層狀,這種結(jié)構(gòu)表現(xiàn)為易破碎,強度較低,不穩(wěn)定、易發(fā)生分解。 結(jié)合M1、M2、M4 相應(yīng)的宏觀指標(biāo)可知,煤矸石微觀形貌越密實立體,其壓碎指標(biāo)和含泥量越小,堅固性越好。

圖6 集料SEM 圖譜Fig.6 SEM of aggregate

材料內(nèi)部孔結(jié)構(gòu)是影響自身強度的關(guān)鍵因素之一。 通過壓汞測試(MIP)得出了不同地區(qū)煤矸石粗集料內(nèi)部孔結(jié)構(gòu),結(jié)果如圖7 所示。

圖7 煤矸石粗集料孔徑分布Fig.7 Pore size distribution of gangue coarse aggregate

M1 ～ M5 孔 隙 率 分 別 為6.57% 、3.91% 、15.55% 、16.58% 、24.73% 。 其中,M1、M2 孔隙率較低,M3、M4、M5 孔隙率較高。 對比孔徑大小可以發(fā)現(xiàn),M3、M5 的最大孔徑高達841 μm,約為M1、M2 的2.43 倍,孔徑分布曲線的最高峰均在此孔徑下出現(xiàn),說明該孔徑下孔數(shù)量較多。

本文分析了不同地區(qū)煤矸石粗集料表觀密度、壓碎指標(biāo)、吸水率與孔隙率的關(guān)聯(lián)性,結(jié)果如圖8所示。 可見,不同地區(qū)煤矸石表觀密度差異較大,數(shù)值大小與孔隙率存在負(fù)相關(guān),壓碎指標(biāo)和吸水率與孔隙率呈正相關(guān)性,即煤矸石孔隙率越小,表觀密度越大,壓碎指標(biāo)和吸水率越低,且煤矸石吸水率與其孔隙率呈近似線性關(guān)系。 主要由于煤矸石孔隙率高,材料內(nèi)部疏松多孔且致密性差,導(dǎo)致表觀密度越大,整體強度低,吸水率高[13]。

圖8 煤矸石粗集料宏觀指標(biāo)隨孔隙率的變化規(guī)律Fig.8 The variation law of macro index of coal gangue coarse aggregate with porosity

2.1.4 形狀特征

從天然碎石和不同地區(qū)煤矸石粗集料中各取200 個樣品,球度測試結(jié)果如圖9 所示。 M1 ～M5中82% 樣品球度在0.5 ～0.8,球度大于0.6 的樣品占66% 。 天然碎石P 中73% 樣品球度在0.5 ～0.8,球度大于0.6 的樣品占91% ,其球度優(yōu)于煤矸石。 球度大于0.6 的M1 ～M5 樣品占比分別為60% 、44% 、74% 、86% 、75% ,M4 球度最優(yōu),86% 樣品球度在0.6 以上,與天然集料相似。 M1、M3、M5占比相差不大,總體低于天然碎石。 M2 占比最低,樣品多呈不規(guī)則形狀,較多數(shù)樣品球度在0.6以下。 天然碎石球度大于0.6 的頻率比M4 高5% ,較M2 高47% 。

圖9 集料球度分布直方圖Fig.9 Aggregate sphericity distribution histogram

集料形態(tài)特征如圖10 所示。 圖10(a)可見,集料平均球度呈現(xiàn):P>M4>M3>M5>M1>M2。M1 ～M5 平均球度在0.58 ～0.71,P 平均球度在0.72 ～0.75,故整體來看,天然碎石平均球度優(yōu)于煤矸石,表現(xiàn)為煤矸石中呈現(xiàn)不規(guī)則形狀的顆粒較天然碎石多。 在不同地區(qū)煤矸石粗集料中,M3、M4、M5 平均球度較高且數(shù)值相差不大,而M1 和M2 的平均球度較低,球度低的集料在混凝土拌合物中不易發(fā)生運動,混凝土的流動性和強度在一定程度上會受到影響。 M1 和M5 在不同粒徑下的平均球度仍有相似規(guī)律,故煤矸石平均球度隨粒徑變化的敏感度不高。

圖10 集料形態(tài)特征Fig.10 Morphological feature of aggregate

從圖10(b)可以看出,M1、M2、M3 角數(shù)大于天然碎石,表現(xiàn)為樣品棱角多、集料空隙率大。 M5角數(shù)與天然碎石相差不大,M4 角數(shù)較天然碎石低。 M1 角數(shù)大且不同粒徑下該數(shù)值分布廣,在11.4 ～15.9 之間,是天然碎石P 的1.38 ～1.73倍。 M1、M2、M3 的棱角較多,會增大集料空隙率和比表面積,進而增大集料的吸水量,影響混凝土拌合物的流動性[25]。 M4 角數(shù)最小,比天然碎石集料小27% ,表現(xiàn)為棱角少,在拌合物流動性上有很大提升,但與砂漿的碰撞和摩擦較小,會降低混凝土強度。 M4 角數(shù)小與其堆積密度小的結(jié)論相互印證。 在M1、M2、M3、M4 中,4.75 ～9.5 mm 粒徑的樣品角數(shù)較大,9.5 ～26.5 mm 粒徑樣品的角數(shù)值大致相同。

由圖10(c)可以看出,煤矸石粗集料中M1、M2、M3、M5 紋理指數(shù)大致相同,都比天然碎石P大,外觀表現(xiàn)為表面較天然碎石粗糙。 M4 紋理指數(shù)最低,較天然碎石小12.7% ,表面類似卵石且相對光滑,與砂漿的黏結(jié)較低,會降低混凝土強度,但在和易性上有一定提升[26]。 M1 紋理指數(shù)最高,比M4 大44.3%。 在相同地區(qū)煤矸石中,4.75 ～9.5 mm粒徑的樣品紋理指數(shù)較大,9.5 ～26.5 mm 粒徑樣品紋理指數(shù)大致相同。

2.2 煤矸石粗集料混凝土性能

2.2.1 拌合物和易性

天然碎石和不同地區(qū)煤矸石配置的混凝土坍落度見表4。

表4 混凝土拌合物坍落度Table 4 The slump of concrete mixture mm

煤矸石粗集料混凝土與普通混凝土相比,拌合物坍落度平均下降了44% ,1 h 經(jīng)時損失增大了23.2% ,這是煤矸石多孔、高吸水率導(dǎo)致的,小部分水被水泥水化消耗,大部分自由水被煤矸石粗集料吸收[14]。 在煤矸石混凝土中,CM4 和易性相對較好,坍落度最大為155 mm,經(jīng)時損失最小為65 mm。 M4 角數(shù)和紋理指數(shù)較小,煤矸石粗集料表面越光滑,棱角越小,其拌合物內(nèi)摩擦力越小,提高了拌合物的流動性。 煤矸石粗集料混凝土拌合物1 h 經(jīng)時損失最大可達85 mm,影響施工性能,故建議在拌制大摻量煤矸石混凝土前預(yù)濕粗集料[14]。

2.2.2 抗壓強度與劈裂抗拉強度

不同齡期下普通混凝土和不同地區(qū)煤矸石混凝土抗壓強度和劈裂抗拉強度測試結(jié)果如圖11所示。

圖11 混凝土力學(xué)強度測試結(jié)果Fig.11 Test results of mechanical strength of concrete

相比普通混凝土,不同地區(qū)煤矸石混凝土抗壓強度均降低,28 d 抗壓強度平均降低了33.4%,其中CM1、CM2、CM3 達到設(shè)計強度要求。 煤矸石混凝土試塊開裂處,呈現(xiàn)黑色集料全部破壞的現(xiàn)象,有部分破碎的煤矸石掉落并發(fā)出破碎聲響,說明煤矸石混凝土薄弱環(huán)節(jié)在于煤矸石粗集料本身。 混凝土粗集料和水泥石的界面是普通混凝土最薄弱的相[27],然而煤矸石孔隙率大且強度低,煤矸石粗集料強度弱于砂漿,弱集料被強砂漿包裹,裂紋大多沿著煤矸石粗集料發(fā)展,煤矸石內(nèi)部最先產(chǎn)生微裂縫,然后逐步向水泥石擴散,最后匯合成可見裂縫。

在水泥水化初期,煤矸石的高吸水性導(dǎo)致界面附近的砂漿水灰比降低,從而提高了水泥和煤矸石粗集料的黏結(jié)性能[11],故煤矸石混凝土早期劈裂抗拉強度與普通混凝土基本接近,但由于煤矸石粗集料強度低,28 d 煤矸石混凝土劈裂抗拉強度平均降低了38.2% 。 不同集料配制的混凝土7 d 和28 d 抗壓強度和劈裂抗拉強度呈現(xiàn)規(guī)律為:CP>CM1>CM2>CM3>CM4>CM5。 CM1 和CM2 混凝土強度較高,主要因為M1 和M2 孔隙率低,壓碎指標(biāo)小,XRD、XRF、SEM 測試結(jié)果也表明這兩種煤矸石的石英、高嶺石含量高,微觀形貌密實。 M3 和M4兩種集料中,M3 微觀形貌類似煤的節(jié)理特征,集料強度低,但CM3 強度高于CM4,主要是由于M4 外觀形狀使混凝土強度下降,測試結(jié)果顯示M4 集角數(shù)和紋理指數(shù)最小,棱角較少且表面光滑,集料與砂漿之間黏結(jié)力受到影響,不利于混凝土強度發(fā)展,同時Ca(OH)2易結(jié)晶取向,劣化了界面過渡區(qū)結(jié)構(gòu)[13]。

2.2.3 混凝土界面過渡區(qū)(ITZ)

由煤矸石粗集料混凝土SEM(圖12)可以看出,CM1 和CM2 集料與水泥砂漿結(jié)合緊密,說明水化反應(yīng)完成較好,即水泥石強度高。 CM5 抗壓強度最低,28 d 抗壓強度只有9.81 MPa,這是因為M5 吸水率過大影響水泥水化反應(yīng),并且M5 遇水發(fā)生泥化崩解,無法起到骨架作用。 此外還觀察到M5 和水泥石上的微裂縫十分明顯。 CM3 結(jié)構(gòu)比較松散,表面也存在較多孔隙和微裂紋。 CM4 微觀形貌中可以明顯看到一條貫穿裂縫,在裂縫的兩邊是煤矸石粗集料和水泥石,其界面過渡區(qū)非常薄弱,這是M4 強度較高而配制混凝土強度較低的主要原因。 P、M1、M2 與水泥的黏結(jié)較好。

圖12 煤矸石粗集料混凝土SEMFig.12 SEM of coal gangue coarse aggregate concrete

2.3 煤矸石粗集料對混凝土性能影響分析

2.3.1 宏觀指標(biāo)對混凝土性能影響分析

煤矸石的壓碎值、吸水率為集料宏觀指標(biāo),顯著影響混凝土強度與和易性。 從圖13 可以看出,隨著煤矸石壓碎指標(biāo)的增大,混凝土28 d 抗壓強度和劈裂抗拉強度下降。 因為混凝土強度與粗集料強度有直接關(guān)系,煤矸石粗集料壓碎指標(biāo)越高,其強度越低,抵抗壓碎能力越弱,對混凝土強度發(fā)展起負(fù)增長作用,易產(chǎn)生應(yīng)力集中而破壞[28],導(dǎo)致混凝土強度下降。 煤矸石吸水率越高,混凝土和易性越差,拌合物初始坍落度和1 h 坍落度越低。 M5吸水率為6.8% ,導(dǎo)致CM5 坍落度較普通混凝土降低了50% 。 因為在拌合過程中,煤矸石將大部分拌合水吸收并存儲在內(nèi)部,導(dǎo)致實際用水量減少,整體摩擦阻力增大,降低了拌合物流動性[14]。 因此,煤矸石壓碎指標(biāo)、吸水率可作為分析煤矸石用作混凝土粗集料可行性的重要宏觀指標(biāo)。

圖13 混凝土強度隨煤矸石粗集料壓碎指標(biāo)的變化規(guī)律Fig.13 The variation of concrete strength with crushing index of coal gangue coarse aggregate

2.3.2 形狀統(tǒng)計指標(biāo)對混凝土性能影響分析

集料的形狀特征會影響混凝土抗壓和抗折強度,但這種影響主要作用于高強混凝土[29-30]。 對于強度較低的煤矸石混凝土來說,強度主要受煤矸石粗集料宏觀指標(biāo)影響,煤矸石形狀特征為次要影響因素。 煤矸石混凝土CM5 強度最低,是由于煤矸石M5 壓碎指標(biāo)最高,此時煤矸石M5 的球度、角數(shù)、紋理指數(shù)對混凝土強度影響較小。 當(dāng)煤矸石壓碎指標(biāo)接近時,煤矸石形狀特征繼而影響混凝土強度,球度越大,角數(shù)和紋理指數(shù)越小,會劣化煤矸石粗集料和水泥石界面的結(jié)合,降低混凝土強度。 如壓碎指標(biāo)相對接近的M1、M2、M4,M4 球度最大、角數(shù)和紋理指數(shù)最小,形狀接近于圓形卵石,劣化了界面結(jié)合,減少了其與水泥砂漿的膠結(jié)力,導(dǎo)致混凝土界面過渡區(qū)易產(chǎn)生微裂縫,故CM4 強度只有CM1 的85% ,CM2 的87% 。

3 結(jié) 論

(1) 不同地區(qū)煤矸石粗集料理化性質(zhì)差異較大,其宏觀指標(biāo)與細(xì)觀指標(biāo)間存在關(guān)聯(lián)性。 石英、高嶺石和伊利石含量高、微觀形貌密實、孔隙率小的煤矸石粗集料,具有較小的吸水率和壓碎指標(biāo)、較高的表觀密度、較好的堅固性;長石類礦物含量高、微觀形貌呈片狀、孔隙率大的煤矸石粗集料,其吸水率、壓碎指標(biāo)和含泥量均較高,表觀密度小、堅固性差。

(2) 球度、角數(shù)、紋理指數(shù)等形狀統(tǒng)計指標(biāo)可以量化煤矸石的顆粒形狀。 煤矸石粗集料平均球度在0.58 ～0.71,球度大于0.6 的樣品占66% ,多呈不規(guī)則形狀;角數(shù)在5.44 ～8.23,紋理指數(shù)在8.93 ～22,表現(xiàn)為棱角鋒利,表面粗糙。

(3) 煤矸石粗集料吸水率和壓碎指標(biāo)越小,配制的混凝土和易性越好,強度越高,能滿足C30 強度等級。 煤矸石混凝土強度主要受煤矸石壓碎指標(biāo)影響,當(dāng)煤矸石壓碎指標(biāo)較為接近時,其形狀統(tǒng)計指標(biāo)顯著影響混凝土強度。 球度越高,角數(shù)和紋理指數(shù)越小,煤矸石粗集料與水泥結(jié)合越差,混凝土強度越低。