張戰(zhàn)波，劉 輝，侯世林，陳 菲

(1.陜西陜煤陜北礦業(yè)有限公司,陜西 榆林 719300；2.中國礦業(yè)大學(北京) 深部巖土力學與地下工程國家重點實驗室,北京 100083)

0 引 言

煤矸石是一種固體廢棄物，其產(chǎn)生于煤炭開采、分選和加工過程中，總量占煤炭產(chǎn)量的10%～15%，占我國工業(yè)固體廢棄物總產(chǎn)量的40%以上，是我國排放量最大的工業(yè)固體廢棄物[1-3]。很長一段時間內(nèi)，我國煤炭企業(yè)處理煤矸石的方法主要是堆積丟棄，煤矸石長期露天堆積不僅占用大面積土地，浪費資源，而且在陽光、雨水和風化等作用下會產(chǎn)生大量酸性水或含重金屬的離子水，污染地下水和土壤，同時，煤矸石暴露在空氣中容易自燃，產(chǎn)生的有害氣體會污染大氣[4-9]。大量堆存煤矸石給煤炭企業(yè)的經(jīng)濟效益和環(huán)境保護都帶來了沉重的壓力。

隨著國家對生態(tài)環(huán)境保護和土地資源管理的重視，綠色礦山建設已上升為國家戰(zhàn)略，煤矸石的綜合利用也已成為煤礦企業(yè)必須解決的問題。煤矸石基本結(jié)構(gòu)中富含SiO2與Al2O3，而混凝土組成骨料主要為砂、石集料，兩者從基本組成上具有一定程度的相似性[10-14]。將煤矸石與天然砂作為骨料配制混凝土，不僅能夠緩解天然骨料匱乏的壓力，還能大幅減少煤矸石的堆積量，降低對生態(tài)環(huán)境的污染，提高煤礦企業(yè)的經(jīng)濟效益[15-17]。

近年來，已有研究對煤矸石混凝土材料與結(jié)構(gòu)的性能進行了多方面探索。例如，劉寧等[18]對煤矸石制備建筑材料的種類、粒徑、級配等問題進行了研究。周梅等[19]研究了砂率、顆粒級配和附加用水量等因素對自燃煤矸石砂輕混凝土拌合物工作性和強度的影響；段曉牧[20]分析了煤矸石集料的摻入對混凝土微觀結(jié)構(gòu)和宏觀物理力學性能的影響，明確了該狀態(tài)下混凝土早期收縮性能及基本力學性能；白國良等[21]對煤矸石混凝土梁的受剪性能進行了試驗研究，分析了煤矸石混凝土梁斜截面的破壞形態(tài)、開裂荷載和受剪承載力；王慶賀等[22]研究了自燃煤矸石粗、細骨料摻量對鋼筋混凝土梁受彎性能的影響。已有研究成果對于指導矸石混凝土材料應用起到了關(guān)鍵作用。然而，由于不同地區(qū)的煤矸石性質(zhì)存在明顯差異性，其制備的混凝土材料和結(jié)構(gòu)也將具有不同力學性能，煤矸石混凝土配比方案仍需根據(jù)具體的應用環(huán)境確定。

檸條塔煤礦是陜北礦區(qū)典型特大型生產(chǎn)礦井之一，每年產(chǎn)生煤矸石180萬～220萬t，利用煤矸石制備混凝土材料是該礦進行煤矸石綠色處理的有效途徑。因此，以檸條塔煤礦排出矸石為原材料，通過正交設計試驗方法，對不同水灰比、取代率及材料用量等多因素條件下煤矸石混凝土力學性能進行系統(tǒng)研究，進而獲得檸條塔煤礦煤矸石混凝土配比典型方案，可為陜北礦區(qū)煤矸石混凝土應用提供試驗支撐。

1 力學性能試驗方案

1.1 主要試驗材料

1)煤矸石、特細砂。試驗所用的煤矸石、特細砂均取自陜煤集團檸條塔礦。煤矸石在破碎后首先經(jīng)過5 mm的篩網(wǎng)篩去細末，而后挑選出可見雜物、片狀煤矸石以及破碎后粒徑仍然過大的煤矸石，最后制備成滿足級配要求的煤矸石粗骨料。

2)硅酸鹽水泥。為保證原材料的易取性，試驗選取普通硅酸鹽水泥(PO.42.5強度等級)，用于制備強度等級為C20、C30及C40的煤矸石混凝土。

3)水。試驗直接采用符合JGJ 63—2006《混凝土拌合物用水標準》的陜西西安地區(qū)的居民生活用水。

4)減水劑。試驗采用萘系高效減水劑。

5)天然粗骨料。此次試驗所用的粗骨料為西安本地的粗骨料，其各項物理指標均滿足國家規(guī)范要求。

1.2 試驗方案

試驗以水灰比大小，煤矸石取代率(煤矸石粗骨料質(zhì)量占全部粗骨料質(zhì)量的百分比)，外加劑摻量為主要因素，通過三因素三水平正交試驗設計試驗方案，研究上述3種因素對C20、C30、C40三種強度下煤矸石混凝土立方體單軸抗壓強度的影響，以期得出普通煤矸石混凝土的最佳配合比。正交設計因素水平設計方案詳見表1。

表1 正交設計因素水平

依據(jù)JGJ 55—2011《普通混凝土配合比設計規(guī)程》，計算基準混凝土的配合比，并參考國內(nèi)外相關(guān)研究成果，最終確定C20、C30、C40煤矸石混凝土力學性能正交試驗配合比設計分別見表2—表4。

表2 C20煤矸石混凝土力學性能正交試驗

表3 C30煤矸石混凝土力學性能正交試驗

表4 C40煤矸石混凝土力學性能正交試驗

1.3 試件制作及養(yǎng)護

按照上述配合比制備煤矸石混凝土試件，參照《普通混凝土力學性能試驗方法標準》GB/T 50081—2002，每種配合比需制作立方體試塊(規(guī)格：150 mm×150 mm×150 mm)12個，棱柱體試塊(規(guī)格：150 mm×150 mm×300 mm)9個，每種強度等級的煤矸石混凝土有9種配合比，共制作試塊189個，3種強度等級共計制作試塊567個。所制試塊每3塊一組，其中立方體試塊用于測定煤矸石混凝土7、28 d的立方體抗壓強度和軸心抗拉強度，棱柱體試塊用于測定煤矸石混凝土7、28 d的軸心抗壓強度和28 d的彈性模量和泊松比。試件制作步驟如下：

1)清洗試模。開始制作試件前，根據(jù)試件設計尺寸準備好試模，通過人工擦拭的方法將試模內(nèi)外表面擦拭干凈，并在試模內(nèi)表面涂一層脫模劑。

2)通過攪拌工具將混凝土攪拌均勻，確保材料充分混合，并均分為2層裝入特制試件模具內(nèi)；通過特制工具以順時針方向從模具邊緣向中心進行插搗作業(yè)，以求排出材料中多余氣體，避免出現(xiàn)空心結(jié)構(gòu)；作業(yè)過程中，搗棒應確保始終插搗至模具底部，搗棒應時刻保持垂直，避免傾斜；然后用抹刀沿試模內(nèi)壁插搗數(shù)次；每一層中每10 000 mm2截面積內(nèi)的插搗次數(shù)不得少于12次。

3)振動并抹平表面?；炷镣ㄟ^搗棒充分搗實以后，將試件與試模整體放置于振動臺上，同時，將抹刀壓緊于混凝土試件上表面，擠出塊體內(nèi)多余氣泡，保證試件整體平滑，隨后使用鏟板將多出部分抹平。

4)拆模養(yǎng)護。試件成型后，立即用塑料薄膜覆蓋試件表面，以防止試件內(nèi)部水分揮發(fā)；隨后將試件靜置于外部溫度為(20±5) ℃的環(huán)境下，時間周期為24～48 h，之后對試件進行編號并拆模，如圖1所示。拆模后，在光照良好的環(huán)境中檢測試件整體成型情況，并根據(jù)外觀光滑度判斷其是否存在缺陷，將存在缺陷的試件廢棄，將成型良好的試件靜置于相對濕度為95%以上、環(huán)境溫度為(20±5) ℃的標準養(yǎng)護室中進行養(yǎng)護。

圖1 試件制作Fig.1 Specimen production

2 煤矸石混凝土力學性能試驗

2.1 立方體試件抗壓強度試驗

將立方體試件放置于TYA-2000型電液式壓力試驗機試驗臺，對立方體抗壓強度進行測試。按式(1)求取立方體抗壓強度[23]：

(1)

式中：fcu為試件抗壓強度，MPa；F為破壞荷載，N；A為試件承壓面積，mm2。

2.2 試件劈裂強度試驗

由于劈裂抗拉試驗結(jié)果與材料軸心抗拉強度相近，且該試驗方法相對簡單，因此本次試驗通過劈裂試驗來確定混凝土的軸心抗拉強度，所采用的設備仍為TYA-2000型電液式壓力試驗機。立方體混凝土試件整體劈裂強度應按式(2)計算：

(2)

式中，fts為混凝土劈裂抗拉強度，MPa。

2.3 軸心抗壓強度試驗

由于摩擦約束作用的影響，試件承壓面難以處于理想的單軸受壓狀態(tài)。將承壓面的摩擦約束影響盡可能降低，才能使試件得到近似理想的單軸受力狀態(tài)，試驗采用棱柱體軸心抗壓強度作為混凝土的單軸抗壓強度，利用TYA-2000型電液式壓力試驗機進行軸心抗壓強度試驗加載?；炷凛S心抗壓強度按式(3)計算：

(3)

式中，fc為混凝土軸心抗壓強度，MPa。

2.4 彈性模量與泊松比試驗

煤矸石混凝土彈性模量與泊松比試驗采用WAW-1000型微機控制電液伺服萬能試驗機，數(shù)據(jù)采集采用TDS-530型數(shù)據(jù)采集儀。

在測定混凝土彈性模量與泊松比時，通過在煤矸石混凝土試塊表面粘貼應變片測量其橫向與縱向應變。由于混凝土試塊在澆筑時其上表面與底面不均勻性較大，因此將應變片粘貼于試件側(cè)面。應變片沿中線分別粘貼于試件的2個側(cè)面，其中一個側(cè)面豎向粘貼應變片以測量其豎向應變，另一個側(cè)面橫向粘貼應變片以測量其橫向應變。

混凝土彈性模量按式(4)計算：

(4)

式中：Ec為混凝土彈性模量，MPa；F0為應力為0.5 MPa時的初始荷載值，N；Fa為應力為1/3軸心抗壓強度時的荷載，N；L為測量標距，mm；n=εa-ε0，其中εa為荷載為Fa時試件的變形值，ε0為荷載為F0時試件的變形值。

試驗中，每次加載過程都應在恒定壓力F0和Fa作用下，記錄對應的橫向應變和豎向應變，并按式(5)計算泊松比：

μ=εlat/εax

(5)

式中：μ為泊松比；εlat、εax分別為試件橫向/縱向應變差值的絕對值，mm。

力學試驗過程如圖2所示。

圖2 力學性能試驗Fig.2 Mechanical properties test

3 試驗結(jié)果與分析

將煤矸石混凝土試塊養(yǎng)護至指定齡期(7、28 d)后，按照上述試驗方法進行試驗、計算，最終得到試驗結(jié)果。

3.1 立方體抗壓強度試驗

C20、C30及C40煤矸石混凝土立方體抗壓強度試驗結(jié)果見表5。

由表5可知，對于本次試驗澆筑的C20、C30、C40三種強度等級的煤矸石混凝土，取代率為80%的28 d混凝土立方體抗壓強度分別為取代率為0時的64.1%、63.4%、62.2%，而取代率為100%的28 d混凝土立方體抗壓強度分別為取代率為0時的53.0%、56.8%、61.5%。取代率為100%的煤矸石混凝土強度并沒有達到預期，C20煤矸石混凝土的實際強度為C15；C30煤矸石混凝土的實際強度在C20～C25；C40煤矸石混凝土的實際強度在C25～C30，總體上強度偏低。分析其原因，主要由于本次煤矸石混凝土試驗采用的是特細砂，由其物理指標可以看出，特細砂的顆粒級配較差，含泥量偏大，表觀密度偏小，這將對混凝土強度產(chǎn)生不利影響。

由表5同樣可知，對混凝土立方體抗壓強度影響最顯著的因素是煤矸石取代率，其次為水灰比，而對混凝土立方體抗壓強度影響程度最小的因素為減水劑摻量?；陉儽钡V業(yè)檸條塔煤礦現(xiàn)場條件，結(jié)合實際需要澆筑強度等級為C20的巷道地坪，對比本次普通煤矸石混凝土力學性能試驗結(jié)果，確定選取C30普通煤矸石混凝土，其最佳配合比為：煤矸石取代率為100%、水膠比為0.45、不摻加減水劑，即水泥、水、黃砂、煤矸石質(zhì)量比為1∶0.45∶1.31∶2.67。

3.2 劈裂強度試驗

C20、C30及C40煤矸石混凝土劈裂強度試驗結(jié)果見表6。

表6 立方體劈裂強度

由表6可知，試樣中，28 d齡期中煤矸石取代率為0的混凝土的劈裂強度基本滿足《混凝土結(jié)構(gòu)設計規(guī)范》GB 50010—2010中規(guī)定的混凝土抗拉強度標準值要求，而取代率為80%、100%的煤矸石混凝土劈裂強度不能達到規(guī)范要求。煤矸石本身具備較低的抗拉強度，當其作為骨料的配比越高時，相應試件抗拉強度也將越低。

3.3 軸心抗壓強度試驗

C20、C30及C40煤矸石混凝土軸心抗壓強度試驗結(jié)果見表7。

表7 軸心抗壓強度

根據(jù)表5、表7的試驗結(jié)果，對2種齡期(7、28 d)取代率分別為80%和100%的煤矸石混凝土的立方體抗壓強度和軸心抗壓強度進行回歸分析，得到的回歸曲線如圖3所示。

圖3 抗壓強度與軸心抗壓強度的回歸分析Fig.3 Regression analysis of compressive strength and axial compressive strength

煤矸石取代率為80%和100%的回歸方程分別為fc=0.769 77fcu(決定系數(shù)R2=0.912 59)、fc=0.768 67fcu(決定系數(shù)R2=0.869 25)?；貧w分析結(jié)果與現(xiàn)行國家規(guī)范中對普通混凝土的要求(fc=0.76fcu)相近，說明煤矸石取代率為80%和100%的混凝土軸心抗壓強度能夠滿足現(xiàn)行國家規(guī)范的要求。

3.4 彈性模量與泊松比試驗

利用WAW-1000型微機控制電液伺服萬能試驗機，得到C20、C30和C40三個強度等級2種取代率(80%、100%)的煤矸石混凝土的應力-應變曲線，如圖4所示。

由圖4可知，煤矸石混凝土的全應力-應變曲線總體形狀與普通混凝土相似。彈性上升階段，應力與應變基本呈現(xiàn)線性增長，隨著應力的增加，相應的試件應變也在增加，試件中逐漸出現(xiàn)了塑性變形，開始出現(xiàn)微裂隙，曲線的斜率逐漸減小，此時，試件縱向應變?yōu)樨撝担瑱M向應變?yōu)檎?，表明試件豎向產(chǎn)生壓縮變形，橫向產(chǎn)生拉伸變形；當試件所受應力達到(0.8～0.9)fc時，體積壓縮變形達到極值，此后，試件承受應力達到峰值，此時的應力被稱為峰值應力，表明試件達到極限受力狀態(tài)，峰值應力體現(xiàn)為試件的抗壓強度值，峰值應力狀態(tài)下的應變被稱為峰值應變；此后隨著試件應變的增大，應力反而不斷減小，曲線呈現(xiàn)下降狀態(tài)，隨著變形的發(fā)展，微裂縫逐漸擴展，試件表面形成若干條裂縫，此時應力-應變曲線出現(xiàn)突然下降，且坡度較陡，越過拐點后，隨著變形增大，應力-應變曲線逐漸趨于水平，進入殘余強度階段。

本次不同取代率、不同強度等級的煤矸石混凝土彈性模量試驗值見表8。

表8 彈性模量試驗值

由表8可知，2種取代率的煤矸石混凝土的彈性模量隨著強度等級的增大而增大。取代率為100%的煤矸石混凝土的彈性模量低于取代率為80%的煤矸石混凝土，對比普通混凝土彈性模量規(guī)范值，普通混凝土的彈性模量明顯大于上述2種取代率煤矸石混凝土的彈性模量。

取代率分別為80%和100%的煤矸石混凝土的泊松比試驗值見表9。

由表9可知，煤矸石混凝土的泊松比試驗值離散性很大，變化規(guī)律不明顯，這也說明煤矸石粗骨料的力學性能波動性較大。

表9 泊松比試驗值Table 9 Test value of Poisson’s ratio

4 結(jié) 論

1)煤矸石取代率對立方體抗壓強度影響最為顯著，對于C20、C30、C40三種強度等級的煤矸石混凝土，取代率為80%的28 d混凝土立方體抗壓強度分別為取代率為0時的64.1%、63.4%、62.2%，而取代率為100%的28 d的混凝土立方體抗壓強度分別為取代率為0時的53.0%、56.8%、61.5%。與天然骨料混凝土相比，煤矸石混凝土力學性能較差，總體上強度偏低。

2)基于陜北礦業(yè)公司檸條塔煤礦實際需要澆筑強度等級為C20的巷道地坪，對比本次普通煤矸石混凝土力學性能試驗結(jié)果，確定普通煤矸石混凝土的最佳配合比為：煤矸石取代率為100%、水膠比為0.45、不摻加減水劑，即水泥、水、黃砂、煤矸石質(zhì)量比為1∶0.45∶1.31∶2.67。

3)對7、28 d兩種齡期，取代率分別為80%和100%的煤矸石混凝土的立方體抗壓強度和軸心抗壓強度進行回歸分析，得到的回歸方程分別為fc=0.769 77fcu(決定系數(shù)R2=0.912 59)、fc=0.768 67fcu(決定系數(shù)R2=0.869 25)?；貧w分析結(jié)果與現(xiàn)行國家規(guī)范中對普通混凝土的要求(fc=0.76fcu)相近，說明煤矸石取代率為80%和100%的混凝土軸心抗壓強度能夠滿足現(xiàn)行國家規(guī)范的要求。

4)由于煤矸石骨料自身力學性能較差，導致煤矸石混凝土劈裂強度不能達到規(guī)范要求，彈性模量明顯低于普通混凝土，泊松比試驗值離散性較大，變化規(guī)律不明顯。