佘宇豪，陳思宇，錢國敏，張奇恩,石夢晗

(1.遼寧工程技術(shù)大學(xué)土木工程學(xué)院，遼寧 阜新 123000; 2.西安外事學(xué)院人文藝術(shù)學(xué)院,陜西 西安 710000)

0 引言

我國是以煤炭為主要能源的發(fā)展中國家，隨著多年的煤炭開采，煤矸石累計(jì)堆存量高達(dá)70億t，不但占用大量占地，而且在自燃進(jìn)程中釋放出有毒氣體，礦區(qū)的自然環(huán)境污染情況較為嚴(yán)重。煤矸石堆放一段時(shí)間后，有一部分會發(fā)生自行燃燒，燃燒過后的煤矸石稱為自燃煤矸石。之所以將自燃煤矸石作為混凝土的粗、細(xì)集料，是因?yàn)樽匀济喉肥匈|(zhì)量好、儲量大、易開采、價(jià)格低廉等特點(diǎn)，能夠有針對性地推動自燃煤矸石固體廢棄物資源化利用,既可減少煤矸石堆積引起的次生環(huán)境問題和過度開采的問題，又可使制備的自燃煤矸石混凝土具有綠色混凝土“健康、環(huán)保、安全”的屬性[1]且緩解了當(dāng)?shù)厥馁Y源匱乏。本文綜述了近年來自燃煤矸石集料混凝土力學(xué)性能的相關(guān)研究進(jìn)展，系統(tǒng)分析了自燃煤矸石取代率、附加單位用水量、預(yù)濕時(shí)間、礦物摻合料等因素對自燃煤矸石集料混凝土力學(xué)性能的具體影響，推動自燃煤矸石集料混凝土在我國合理應(yīng)用和自燃煤矸石集料混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、評估具有重要影響。

1 自燃煤矸石集料混凝土力學(xué)性能

1.1 自燃煤矸石集料混凝土強(qiáng)度

強(qiáng)度是硬化混凝土最重要的技術(shù)性質(zhì)，混凝土的強(qiáng)度與其他各項(xiàng)性能有著密切相關(guān)聯(lián)系?；炷翉?qiáng)度在工程施工中也是控制和評定混凝土質(zhì)量的主要指標(biāo)。由于自燃煤矸石集料的特性使自燃煤矸石集料混凝土在立方體抗壓、劈裂抗拉、抗剪和抗折強(qiáng)度等力學(xué)性能方面與天然集料混凝土存在明顯差異[2]，所以自燃煤矸石對混凝土強(qiáng)度的影響是研究學(xué)者重點(diǎn)關(guān)注的方面。

1.1.1 立方體抗壓強(qiáng)度

立方體抗壓強(qiáng)度是衡量混凝土強(qiáng)度最基本的指標(biāo)之一，是衡量自燃煤矸石集料混凝土是否可作為結(jié)構(gòu)材料的標(biāo)準(zhǔn)之一。若自燃煤矸石集料混凝土的抗壓強(qiáng)度不符合規(guī)范，則不滿足安全和經(jīng)濟(jì)要求。

李少偉[3]、馮喜俊[4]、楊尚諭等[5]對自燃煤矸石混凝土各強(qiáng)度等級研究發(fā)現(xiàn)，如圖1自燃煤矸石粗集料取代率低于45%時(shí)，立方體抗壓強(qiáng)度較天然混凝土下降幅值不大，可以制備符合C40以下的混凝土。

周梅等通過對C30強(qiáng)度自燃煤矸石砂混凝土展開研究，發(fā)現(xiàn)自燃煤矸石細(xì)集料取代率為100%時(shí)，其立方體抗壓強(qiáng)度比基準(zhǔn)組值下降了9.70%[6]。為研究自燃煤矸石集料混凝土受高溫后對性能的影響，周梅團(tuán)隊(duì)制備172塊自燃煤矸砂混凝土(自燃煤矸石細(xì)集料取代率為100%的混凝土)、自燃煤矸石砂輕混凝土和自燃煤矸石全輕混凝土的立方體試件，通過常溫和高溫試驗(yàn)，研究結(jié)果表明自燃煤矸石集料混凝土的立方體抗壓強(qiáng)度表現(xiàn)出色，且采用二次多項(xiàng)式和分段式的方法，建立了自燃煤矸石集料混凝土的剩余抗壓強(qiáng)度與最高受火溫度、質(zhì)量燒失率評估關(guān)系式，為預(yù)測其剩余抗壓強(qiáng)度提供了可靠的新方法[7]。

浦倍超[8]利用正交設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，研究了摻合料對自燃煤矸石砂輕混凝土強(qiáng)度的影響，結(jié)果表明，當(dāng)粉煤灰摻量大于15%，硅灰摻量大于2.5%，抗壓強(qiáng)度與其呈正相關(guān)；由于粉煤灰自身的火山灰效應(yīng)不高，導(dǎo)致混凝土早期強(qiáng)度發(fā)展緩慢，同時(shí)，單摻粉煤灰的煤矸石全輕混凝土早期抗壓強(qiáng)度降低較大，但其后期強(qiáng)度大于普通混凝土抗壓強(qiáng)度[9]。硅灰的活性很高且它具有極其細(xì)微的顆粒，有效填充了骨料孔隙，降低孔隙率，對混凝土早期與后期強(qiáng)度有顯著影響；因此復(fù)摻粉煤灰、硅灰的協(xié)同作用對砂輕混凝土早期強(qiáng)度作用影響較小，但對后期強(qiáng)度具有積極作用，其中硅灰作用最大，粉煤灰作用次之。

周梅等[10]研究自燃煤矸石砂輕混凝土強(qiáng)度關(guān)于附加水及預(yù)濕時(shí)間的影響，試驗(yàn)結(jié)果表明，其抗壓強(qiáng)度隨著附加水的量變大呈下降趨勢，甚至相差20%；由于自燃煤矸石粗集料由于空隙空間結(jié)構(gòu)復(fù)雜，孔徑大小相差很大，自燃煤矸石砂輕混凝土抗壓強(qiáng)度在預(yù)濕時(shí)間3 min～6 min增長緩慢，時(shí)間延長至60 min，抗壓強(qiáng)度大幅度增加。王強(qiáng)[11]通過附加用水量、砂率、粗集料顆粒級配范圍對自燃煤矸石砂輕混凝土抗壓的影響，發(fā)現(xiàn)附加用水量為主要因素，砂率為次要因素，而顆粒級配范圍作用甚小，其抗壓強(qiáng)度與附加用水量的呈負(fù)相關(guān)；砂率為0.44時(shí)，自燃煤矸石砂輕混凝土抗壓強(qiáng)度達(dá)到最大值；當(dāng)級配范圍為(5 mm～10 mm)∶(10 mm～15 mm)∶(15 mm～20 mm)=7∶47∶46時(shí)，試件的7 d,28 d抗壓強(qiáng)度最為理想；同時(shí)也指出斷裂破壞面上的粗集料基本為100%，原因可分為兩種：1)可能是自燃煤矸石砂輕混凝土強(qiáng)度配合比設(shè)計(jì)過高，使水泥凝結(jié)硬化后水泥石強(qiáng)度大于煤矸石粗集料自身的抗壓強(qiáng)度；2)由于粗集料制備過程中先是“顎式”破碎，后又采用人工砸碎成所要粒徑范圍，因此粗集料產(chǎn)生許多裂紋，使其自身強(qiáng)度降低。

周梅[12]、牟爽[13]、孫文彬等[14]對自燃煤矸石全輕混凝土強(qiáng)度進(jìn)行試驗(yàn)研究，試驗(yàn)表明，其可配制C15～C30的不同強(qiáng)度等級的混凝土，其中混凝土總質(zhì)量的70%～80%是由自燃煤矸石所占，可使自燃煤矸石工業(yè)廢棄物資源化。不僅廢渣被大量利用，而且施工當(dāng)?shù)厥馁Y源匱乏問題得到緩解。

1.1.2 劈裂抗拉強(qiáng)度

相較于普通混凝土，單摻100%細(xì)集料、粗集料及雙摻100%粗細(xì)集料時(shí)，自燃煤矸石集料混凝土的劈拉強(qiáng)度分別降低了6.6%,10.8%,13.1%[15]。由于單摻100%細(xì)集料中粉體含量較多，因此在自燃煤矸石的“內(nèi)養(yǎng)護(hù)”和表面“活性”雙重作用下，使其混凝土的長期強(qiáng)度有較高增長率，但其他兩種組合形式的混凝土長期強(qiáng)度因受到粗集料自身強(qiáng)度低的影響發(fā)展空間有限[16]。

吳秀峰等[17]采用均勻試驗(yàn)設(shè)計(jì)了10組自燃煤矸石砂輕混凝土試件,進(jìn)行劈拉強(qiáng)度試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)混凝土斷裂面比較平整且?guī)缀踔苯哟┻^粗集料。研究結(jié)果表明:由于自燃煤矸石粗集料本身強(qiáng)度要低且碎石表面粗糙，吸水量愈多，其界面水灰比降低，水泥凝結(jié)硬化形成的水泥石與粗集料黏結(jié)強(qiáng)度較高，因此自燃煤矸石粗集料的抗壓強(qiáng)度對自燃煤矸石砂輕混凝土的抗拉強(qiáng)度有絕對作用。王強(qiáng)[18]對自燃煤矸石砂輕混凝土進(jìn)行正交試驗(yàn)，認(rèn)為影響7 d，28 d劈拉強(qiáng)度的因素顯著性順序?yàn)椋焊郊佑盟?砂率>粗集料顆粒級配范圍；隨著附加水用量增加，劈拉強(qiáng)度逐漸減??；7 d，28 d粗集料最佳的顆粒級配范圍分別為(5 mm～10 mm)∶(10 mm～15 mm)∶(15 mm～20 mm)=7∶47∶46，(5 mm～10 mm)∶(10 mm～15 mm)∶(15 mm～20 mm)=7∶31∶62，此時(shí)劈拉強(qiáng)度最大。

1.1.3 抗折強(qiáng)度

楊尚諭研究指出自燃煤矸石粗集料取代天然集料分別為25%，50%，75%時(shí)，對混凝土抗折強(qiáng)度不利影響較小，降幅分別為1.63%,5.44%,6.35%，如圖2所示。但當(dāng)取代率大于75%，混凝土抗折強(qiáng)度大幅下降。總體而言，自燃煤矸石粗集料的摻入導(dǎo)致混凝土內(nèi)部微小缺陷增多，使得混凝土在受彎狀態(tài)下的破壞優(yōu)先從自燃煤矸石粗集料開始，因此抗折強(qiáng)度隨取代率遞增而降低。

周梅、汪振雙等[19-20]為提高自燃煤矸石輕集料混凝土的抗折強(qiáng)度，其在混凝土中摻入0%～2%的鋼纖維，指出“邊壁效應(yīng)”的鋼纖維百分比隨鋼纖維摻量增加而提高，對輕集料混凝土有明顯的增韌效果，改善混凝土的脆性特點(diǎn)，因此其對混凝土的抗折強(qiáng)度增幅較大，如圖3所示。自燃煤矸石由于其輕質(zhì)的特點(diǎn)，與相同等級的混凝土相比，雖然鋼纖維摻量對抗壓強(qiáng)度的提高貢獻(xiàn)不大，但混凝土的受壓變形和破壞特征被極大改善，由明顯的脆性破壞轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂幸欢ㄋ苄云茐奶卣?，?jīng)過實(shí)驗(yàn)表明，適量摻入化學(xué)、鋼纖維，可在一定范圍內(nèi)提高自燃煤矸石集料混凝土的劈拉、抗折性能。朱凱等[21]使用聚丙烯纖維作為摻合料加入到自燃煤矸石輕集料混凝土中，研究表明，當(dāng)混凝土斷裂時(shí)，纖維可吸收部分能量，阻礙裂縫的產(chǎn)生和發(fā)展。摻入適量纖維使混凝土28 d抗折強(qiáng)度明顯提高，但當(dāng)摻合料大于0.8 kg/m3時(shí)，混凝土抗折強(qiáng)度呈現(xiàn)下降趨勢，產(chǎn)生此原因是纖維摻量密度增大降低混凝土均勻性和密實(shí)性。通過上述方法均可改善混凝土的抗折強(qiáng)度，制備不同構(gòu)件。

2 自燃煤矸石集料彈性模量

彈性模量是混凝土的重要力學(xué)指標(biāo)之一，對混凝土構(gòu)件的使用性能具有十分重要的影響。段曉牧[22]通過將粗集料預(yù)濕處理后，其內(nèi)部水分充滿孔隙之間，使內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)的致密性得以提高，提升集料自身的強(qiáng)度，同時(shí)集料在攪拌過程中不吸收水泥內(nèi)部的水分，增強(qiáng)了自燃煤矸石混凝土的彈性模量。李少偉等認(rèn)為自燃煤矸石粗集料取代率越高，其彈性模量越低，塑性越高，當(dāng)取代率達(dá)到100%時(shí)，輕集料混凝土彈性模量降低了33%。周梅等[23]研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)粗集料取代率為100%時(shí)，自燃煤矸石輕集料混凝土彈性模量降低幅度為19.8%～57.1%;由于自燃煤矸石集料本身的孔隙率較大，一方面有緩沖減壓作用，但自身的強(qiáng)度缺陷對混凝土彈性模量下降的影響不能相互抵消。目前，現(xiàn)有JGJ 51—2002輕骨料混凝土技術(shù)規(guī)程與GB 50010—2010混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范均通過混凝土抗壓強(qiáng)度或表觀密度來預(yù)測自燃煤矸石集料混凝土的彈性模量，但精度較差，有待進(jìn)一步優(yōu)化、修正。王慶賀等提出利用兩相復(fù)合材料理論制作的煤矸石混凝土彈性模量預(yù)測模型，通過自燃煤矸石集料混凝土彈性模量的預(yù)測結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果相比較，BNC模型對于煤矸石彈性模量的預(yù)測較為準(zhǔn)確。劉海卿等[24]提出考慮了自燃煤矸石取代率、其混凝土表觀密度與抗壓強(qiáng)度三因素耦合下的彈性模量預(yù)測模型。

3 結(jié)論

我國作為世界第一產(chǎn)煤大國，煤炭產(chǎn)量達(dá)到世界產(chǎn)量的40%左右，使得自燃煤矸石成為了我國最大的固體廢棄物之一。從JC/T 541—94自燃煤矸石輕集料標(biāo)準(zhǔn)頒布，自燃煤矸石資源化備受關(guān)注。許多研究學(xué)者經(jīng)過對自燃煤矸石集料混凝土進(jìn)行大量實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明，在一定條件下可以配制C40以下的混凝土，基本上滿足其作為結(jié)構(gòu)部件的技術(shù)要求。自燃煤矸石粗集料取代率低于45%，混凝土立方體抗壓、抗拉、抗折強(qiáng)度較普通混凝土下降幅值不大，當(dāng)取代率越高，彈性模量越低，抵抗變形破壞能力越強(qiáng)；細(xì)集料取代率為100%，其抗壓、劈拉強(qiáng)度依然滿足設(shè)計(jì)要求。同時(shí)混凝土早期強(qiáng)度和后期強(qiáng)度因復(fù)摻一定量的粉煤灰和硅灰具有積極作用；摻入適當(dāng)?shù)匿摾w維、聚丙烯纖維會明顯增強(qiáng)其抗折強(qiáng)度；BNC模型對自燃煤矸石集料混凝土彈性模量的預(yù)測和根據(jù)最高受火溫度、質(zhì)量燒失率預(yù)測其剩余抗壓強(qiáng)度均提供了可靠依據(jù)。由于自燃煤矸石孔徑大、孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)雜和自身強(qiáng)度低，因此需要研究煤矸石的取代率、附加用水量、預(yù)濕時(shí)間、礦物摻合料等對自燃煤矸石集料混凝土的影響，使其更好地應(yīng)用于土木工程領(lǐng)域。