楊 彪 姚賢華,2 何雙華 管俊峰 李列列 李 月

(1. 華北水利水電大學土木與交通學院, 鄭州 450045; 2. 省部共建西北旱區(qū)生態(tài)水利國家重點實驗室(西安理工大學), 西安 710048)

煤炭是我國的主要能源,占我國能源支出的70%以上,[1-2]2020年我國煤炭產(chǎn)量為39.0億t,同比增長1.4%,預計未來幾年煤炭需求將略有增長。[3-4]煤矸石是煤礦建設、生產(chǎn)過程中排出的固體廢棄物的總稱,[5-6]我國煤矸石累計堆積量超過50億t,且每年以約3.5億t的速度增長。[7]煤矸石的大量堆放,不僅占壓土地、污染土壤和地下水,還會威脅人類生命健康,影響社會可持續(xù)發(fā)展。[8-9]因此,必須加快煤矸石大宗化資源利用。[10-12]

早在20世紀60年代,國外就開始對煤矸石進行研究利用,但當時人們忽略了煤矸石對環(huán)境的危害,沒有對煤矸石進行“減量化”與“無害化”的研究。[13]20 a后,人們才對煤矸石“無害化”進行研究,并取得不錯的成果。[14]目前,煤矸石主要用于生產(chǎn)水泥、制備燒結(jié)磚、筑路等,[15]但其利用率較低。后經(jīng)許多學者研究發(fā)現(xiàn),將煤矸石應用到混凝土中比較合理。[15]將煤矸石粗骨料替代碎石制備混凝土,不僅解決了煤矸石堆積造成的環(huán)境問題,而且在質(zhì)量、溫度裂縫等方面均優(yōu)于一般混凝土。[16]將煤矸石作為混凝土粗骨料不僅緩解了天然砂石短缺的問題,同時促進了建筑業(yè)的能源減排和可持續(xù)發(fā)展,是綠色混凝土發(fā)展的重要方式之一。[17-18]

通過對煤矸石粗骨料混凝土研究進展的總結(jié),介紹了我國不同地區(qū)煤矸石的化學和物理特性,綜述了煤矸石粗骨料摻量對混凝土的力學性能、耐久性能和微觀結(jié)構(gòu)影響的研究現(xiàn)狀,以期為煤矸石大宗化、低能耗的利用提供參考。

1 煤矸石的化學及物理特性

1.1 化學成分及燒失量

煤矸石的化學組成是評價其性質(zhì)和工業(yè)綜合利用途徑的一項重要的指標。由表1可知:煤矸石中SiO2含量在26.94%～89.20%,Al2O3含量在1.54%～38.69%,Fe2O3含量在0.28%～11.41%,CaO含量在0.09%～8.79%,可見煤矸石是硅鋁化合物。

表1 中國不同地區(qū)煤矸石化學成分及含量Table 1 The chemical composition and content of coal gangue in different zones of China %

不同地區(qū)煤矸石的SiO2、Al2O3、Fe2O3、CaO等化學成分的含量存在較大差異,應選SiO2、CaO、Al2O3含量較多,Fe2O3含量相對少的煤矸石作為混凝土粗骨料,[19]這是因為煤矸石中SiO2和Al2O3可以與水泥的水化產(chǎn)物Ca(OH)2發(fā)生火山灰效應,[20]產(chǎn)生的網(wǎng)絡硅酸鈣凝膠填補骨料自身及骨料之間的縫隙,使煤矸石粗骨料混凝土更密實。[21]

1.2 物理性質(zhì)

煤矸石按照顏色主要分為原狀煤矸石和自燃煤矸石(圖1)。原狀煤矸石呈黑灰色,與煤炭顏色差異不大,質(zhì)地緊密。自燃煤矸石多呈現(xiàn)陶黃色、紅褐色,內(nèi)部含有黑色碳質(zhì),紋理清晰,結(jié)構(gòu)疏松。

a—原狀煤矸石; b—自燃煤矸石。圖1 煤矸石的類型[34]Fig.1 Types of coal gangue[34]

經(jīng)過對大量文獻的匯總發(fā)現(xiàn),各個地區(qū)煤矸石的物理特性存在較大差異。采用其均值來探討各地區(qū)原狀煤矸石粗骨料和自燃煤矸石粗骨料的統(tǒng)一性規(guī)律和差別。由表2可知:原狀煤矸石的表觀密度、吸水率、壓碎值均小于自燃煤矸石,而堆積密度則大于自燃煤矸石。原狀煤矸石粗骨料的表觀密度均值比自燃煤矸石粗骨料均值小132 kg/cm3;原狀煤矸石粗骨料的吸水率比自燃煤矸石粗骨料的吸水率小35.9%;原狀煤矸石粗骨料的壓碎值均值為15.6%,而自燃煤矸石粗骨料的壓碎值均值為20.6%。壓碎值指標是評價煤矸石粗骨料是否適合作為混凝土骨料的重要參數(shù),煤矸石粗骨料壓碎值指標越大,其制備的混凝土強度越低,[19]因此建議使用原狀煤矸石制備煤矸石粗骨料混凝土。

表2 原狀煤矸石及自燃煤矸石的物理特性Table 2 Physical properties of intact coal gangue and spontaneous combustion coal gangue

2 煤矸石粗骨料摻量對混凝土坍落度的影響

表3針對煤矸石粗骨料摻量,以拌和物的坍落度為依據(jù),總結(jié)了在不同強度等級和不同水灰比條件下,煤矸石的摻入對混凝土坍落度的影響。

表3 不同強度等級(水灰比)下煤矸石摻量對混凝土坍落度的影響Table 3 Effects of the coal gangue content on concrete slump in different strength grades (water-cement ratios)

由表3可知:在不同混凝土強度等級和不同水灰比下,隨著煤矸石粗骨料的摻入,混凝土的坍落度均降低,煤矸石摻量100%時,坍落度接近零。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因主要是煤矸石骨料的吸水率(4.4%)大于普通碎石(1.1%),且隨著煤矸石摻量的增加,骨料表面積的增大,使得實際拌和水減少,導致拌和物坍落度減小。而白朝能的研究發(fā)現(xiàn):隨著煤矸石的摻入,坍落度未出現(xiàn)下降,反而有增大情況。[54]這是因為選用的煤矸石(1.74%)僅比石灰石(1.65%)吸水率大0.09%,骨料吸水率差別不大。

李少偉等將煤矸石粗骨料經(jīng)提前預濕處理,可降低混凝土拌和物的坍落度損失,反而在煤矸石摻量為25%時,坍落度提高20 mm。[53]趙振清將經(jīng)水洗后的原狀煤矸石粗骨料混凝土與未水洗原狀煤矸石粗骨料混凝土比較,在煤矸石粗骨料摻量為10%、30%、50%時,較未水洗煤矸石混凝土的坍落度分別增大了9%、20.7%、120%。[49]這是因為煤矸石經(jīng)水洗后,含泥量和比表面積均較小,減少了骨料表面水的黏結(jié),且水泥漿體對骨料的包裹影響較小,這就導致了水洗煤矸石粗骨料混凝土的坍落度小于未水洗煤矸石粗骨料混凝土。煤矸石經(jīng)預先飽和面干處理后,與煤矸石附加水量75%(煤矸石吸水率的75%)相比,其坍落度提高5 mm。[35]

綜上所述,建議采用水洗處理、預濕(飽和面干)處理,可提高煤矸石粗骨料混凝土的坍落度。

3 煤矸石粗骨料摻量對混凝土力學性能的影響

3.1 立方體抗壓強度

不同煤矸石粗骨料種類的摻入對同一強度等級混凝土的早期抗壓強度和后期抗壓強度是不同的。表4針對混凝土強度等級和水灰比,總結(jié)了不同煤矸石摻量對經(jīng)7,28 d養(yǎng)護的混凝土抗壓強度的影響及滿足第28天強度等級下煤矸石粗骨料的摻量范圍。

表4 不同強度等級(水灰比)下煤矸石摻量對混凝土抗壓強度的影響Table 4 Effects of coal gangue content on concrete compressive strength in different strength grades (water-cement ratios)

由表4可知:C30、C40原狀煤矸石粗骨料混凝土早期強度降低幅度較大,而后期強度降低幅度較小。然而,自燃煤矸石粗骨料混凝土正好相反,其早期強度降低幅度較小,而后期強度降低幅度較大。

其中C30自燃煤矸石混凝土第7、28天的抗壓強度降低幅度最大值為14.02%和16.07%,[57]C30原狀煤矸石混凝土第7、28天抗壓強度降低幅度最大值為11.21%和3.17%;[21]C40自燃煤矸石混凝土第7、28天抗壓強度降低幅度最大值為10.04%和19.55%,C40原狀煤矸石混凝土第7、28天抗壓強度降低幅度最大值為39.6%和33.7%。[49]這是因為原狀煤矸石吸水率比碎石大,造成混凝土早期失水,水化速度降低,故隨著煤矸石摻量的增加,混凝土早期強度降低幅度大,而后期隨著煤矸石吸收水分的釋放,促進水化反應,所以后期強度降低幅度小。而自燃煤矸石里含有活性SiO2、Al2O3可以發(fā)生二次水化反應,水化產(chǎn)物能夠填充水泥石的孔隙,形成緊密結(jié)構(gòu),自燃煤矸石粗骨料強度低,在早期與基體協(xié)調(diào)性好,這就造成隨著煤矸石摻量增加,其早期強度下降緩慢。

隨著煤矸石粗骨料摻量的增加,混凝土第7、28天抗壓強度呈現(xiàn)出遞減趨勢。然而,程文環(huán)采用泥質(zhì)頁巖煤矸石粗骨料制備混凝土,隨著煤矸石摻量的增加,混凝土的抗壓強度呈現(xiàn)出遞增趨勢。[46]這是因為煤矸石較大的孔洞結(jié)構(gòu)能夠提高其吸水率,造成煤矸石骨料周圍水化程度更高,從而提高混凝土的強度,且煤矸石破碎時表面粘有的煤矸石粉能夠增加細料的成分,增大與水的接觸面積,從而促進水化作用的進行,煤矸石摻量最佳范圍為0%～40%。C20煤矸石粗骨料混凝土強度最大可提升14.5%,所以不同摻量的煤矸石粗骨料均能滿足C20混凝土的強度要求。C30、C40煤矸石粗骨料的摻量范圍分別為0%～40%及0%～20%,可滿足混凝土強度等級要求。對比煤矸石水洗前后配制的混凝土,可以發(fā)現(xiàn)水洗煤矸石混凝土強度優(yōu)于未水洗煤矸石混凝土,[49]且經(jīng)水洗后,在滿足強度等級要求情況下,可使煤矸石最大摻量提高10%。煤矸石骨料粒徑范圍在5～25 mm時比5～20 mm時抗壓強度增加15%,且煤矸石粗骨料經(jīng)預濕(飽和面干)比附加用水75%強度增加26.6%。[35]當水灰比為0.3、0.35、0.4時,煤矸石摻量在0%～100%,隨著煤矸石粗骨料的摻入,混凝土的第28天抗壓強度均降低,降低幅度在34.0%～0.71%。而水灰比為0.5時,煤矸石摻量在40%以內(nèi),混凝土第7、28天抗壓強度均增大。

綜上所述,原狀煤矸石粗骨料混凝土早期強度降低幅度較大,而后期強度降低幅度較小,自燃煤矸石混凝土則相反。C20、 C30、C40煤矸石粗骨料的摻量范圍分別為0%～100%、0%～40%及0%～20%,可滿足混凝土強度等級要求。為提高混凝土的抗壓強度,可采用水洗處理、調(diào)整煤矸石粗骨料的顆粒級配(適當增加大粒徑骨料)、預濕處理(將骨料提前浸泡,使處于飽和面干狀態(tài))。

3.2 彈性模量、抗劈拉強度

煤矸石粗骨料混凝土的彈性模量、抗劈拉強度與其摻量有著密切關(guān)系,煤矸石與碎石自身強度存在較大差異,因此會對混凝土彈性模量、抗劈拉強度造成一定的影響。[62]

眾多學者研究發(fā)現(xiàn)煤矸石粗骨料在配制低強度(C20)混凝土時,隨著煤矸石摻量的增加,其彈性模量和抗劈拉強度無明顯變化,而配制高強度(C30、C40、C50)混凝土時,隨著煤矸石摻量的增加,混凝土的彈性模量和抗劈拉強度明顯呈現(xiàn)出遞減趨勢,[47,54,58,62-64]其相對彈性模量變化趨勢如圖2所示。在相同條件下,原狀煤矸石混凝土的彈性模量、抗劈拉強度均優(yōu)于自燃煤矸石混凝土。[20]不同摻量的煤矸石粗骨料混凝土,其早期(7 d)彈性模量、劈裂抗拉強度與普通混凝土無明顯差別,而后期(28,60 d)隨著煤矸石摻量增加,彈性模量、劈裂抗拉強度呈現(xiàn)出明顯遞減,[52]其抗劈拉強度變化趨勢如圖3所示。隨著其摻量的增加,混凝土內(nèi)部空隙率增大,密實度下降,混凝土抵抗變形能力降低,抗劈拉強度及彈性模量逐漸減小。

圖2 煤矸石摻量對混凝土彈性模量的影響[63]Fig.2 Influence of the coal gangue content on elastic moduli of concrete

圖3 齡期對煤矸石混凝土劈裂抗拉強度的影響[52]Fig.3 Effects of ages on splitting tensile strength of coal gangue concrete

對目前煤矸石粗骨料混凝土力學性能方面研究現(xiàn)狀進行總結(jié)分析,由于煤矸石粗骨料自身具有壓碎值大、強度低的特性,其對長齡期下混凝土的力學性能是否會造成不利影響尚未可知。而目前學者主要針對短齡期(7,28 d等)下煤矸石粗骨料混凝土的力學性能研究,未探索長期服役條件下煤矸石粗骨料混凝土的力學性能發(fā)展規(guī)律,建議加強這方面研究,為煤矸石粗骨料混凝土的實際工程應用提供指導。

4 煤矸石粗骨料摻量對混凝土耐久性能的影響

4.1 抗凍性能

煤矸石粗骨料的吸水率普遍大于碎石骨料,[60]粗骨料吸水率的大小直接影響混凝土實際用水量和配合比的計算,從而影響混凝土的抗凍性能。[65-67]因此煤矸石粗骨料混凝土抗凍性能,備受眾多學者關(guān)注。

顧云等的研究[39]發(fā)現(xiàn):原狀煤矸石粗骨料混凝土的質(zhì)量損失率隨著煤矸石摻量的增加而增大;當煤矸石摻量為60%時,經(jīng)過150次凍融循環(huán)后,混凝土的質(zhì)量損失率已經(jīng)超過5%,而普通混凝土經(jīng)過300次凍融循環(huán)后,仍未破壞。張金喜等的研究[60]發(fā)現(xiàn):隨著原狀煤矸石粗骨料摻量的增加,抗凍性能大幅下降;當煤矸石粗骨料替代率為40%時,相對耐久性指數(shù)降低率范圍在40.01%～50.24%之間。Huang等的研究[68]發(fā)現(xiàn):煤矸石粗骨料混凝土經(jīng)過125次凍融循環(huán)后,原狀煤矸石粗骨料摻量為40%、70%和100%時,混凝土抗壓強度分別降低了32.45%、41.60%和50.45%,而此時普通混凝土抗壓強度僅下降26.78%(圖4)。

圖4 煤矸石粗骨料混凝土凍融結(jié)果[68]Fig.4 Results of coal gangue coarse aggregate concrete after being subjected to freeze-thaw cycles

宋洋等的研究[61]發(fā)現(xiàn):隨著自燃煤矸石粗骨料摻量的增加,混凝土的相對耐久性出現(xiàn)下降趨勢,自燃煤矸石粗骨料摻量分別在0、20%、40%時,混凝土相對耐久性的相對降低率分別為0、14.11%、38.26%。陳彥文等的研究[48]發(fā)現(xiàn):隨著自燃煤矸石粗骨料摻量的增大,混凝土的質(zhì)量損失率和相對彈性模量損失率均增大;配制的C30自燃煤矸石粗骨料混凝土,當煤矸石粗骨料摻量在0%、40%、100%時質(zhì)量損失率分別下降2.27%、3.55%、5.49%,彈性模量損失率分別下降14.29%、28.07%、42.67%;配制的C40自然煤矸石粗骨料混凝土,當自然煤矸石粗骨料摻量在0%、40%、100%時,質(zhì)量損失率分別下降2.79%、4.33%、5.73%,彈性模量損失率分別下降18.91%、28.75%、38.26%。

據(jù)文獻[39,69]的報道,隨著原狀煤矸石粗骨料摻量的增大,混凝土的抗凍性能降低,煤矸石粗骨料摻量在60%以內(nèi),可凍融循環(huán)150次。而邱繼生等發(fā)現(xiàn)在原狀煤矸石摻量為60%時,經(jīng)過25次凍融循環(huán)就發(fā)生破壞。[70]產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是前者水灰比小于后者,水的含量越多,其凍脹引發(fā)的膨脹壓力對煤矸石骨料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)造成破壞就越嚴重。據(jù)文獻[69]的報道,粉煤灰摻量為10%時,抗凍性能最佳,聚羧酸減水劑和引氣劑的摻量為0.4%和0.02%時,混凝土抗凍次數(shù)可達350 次。

綜上所述,在相同條件下,隨著原狀(自燃)煤矸石摻量的增大,混凝土的抗凍性能均呈現(xiàn)出遞減趨勢。為提高煤矸石粗骨料混凝土的抗凍性,可以適當降低水灰比,還可摻入粉煤灰、聚羧酸減水劑和引氣劑。

4.2 收縮性能

程文環(huán)的研究[46]發(fā)現(xiàn):自燃煤矸石粗骨料混凝土早期收縮率較大,煤矸石摻量為20%、40%時,混凝土第14天的收縮率分別達到第90天收縮率的77%、88%,而普通混凝土第14天的收縮率則為第90天收縮率的72%,養(yǎng)護至45 d后干燥收縮已經(jīng)趨于穩(wěn)定(圖5)。崔正龍等通過制備不同吸水率的粗骨料混凝土,發(fā)現(xiàn)[71]早期(7 d)吸水率最大的自燃煤矸石混凝土收縮率反而最小,而后期(7 d后)自燃煤矸石混凝土的收縮變化率卻最大;而原狀煤矸石粗骨料混凝土收縮性能則與自燃煤矸石混凝土結(jié)論相反。顧云等發(fā)現(xiàn)[39]:隨著原狀煤矸石粗骨料摻量的增加,混凝土的收縮應變逐漸減小;煤矸石粗骨料摻量為30%、60%,經(jīng)14 d養(yǎng)護時,較普通混凝土收縮應變分別降低了13.04%、35.57%;齡期為120 d時,較普通混凝土收縮應變分別降低了7.20%、30.87%。造成這種現(xiàn)象的原因是煤矸石的堆積密度較大,骨料對混凝土的收縮起抑制作用,因此,隨著煤矸石摻量增加,混凝土收縮值降低。[72]還可發(fā)現(xiàn)混凝土干燥收縮早期(0～14 d),煤矸石的摻量對混凝土收縮無明顯影響,齡期14 d之后,混凝土的收縮應變增幅較大,這與文獻[49]結(jié)論一致(圖6)。

圖5 自燃煤矸石摻量對混凝土收縮率的影響[46]Fig.5 Effects of the spontaneous combustion coal gangue content on concrete shrinkage

綜上所述,煤矸石摻量變化對原狀煤矸石粗骨料混凝土早期(0～14 d)收縮量影響較小,后期(14 d之后)影響較大;而煤矸石摻量變化對自燃粗骨料混凝土早期(0～60 d)收縮量影響較大,后期(60 d后)收縮量趨近一致。導致原狀煤矸石粗骨料混凝土與自燃煤矸石粗骨料混凝土隨煤矸石摻量變化的收縮變化趨勢不一的內(nèi)在原因尚不明確。

4.3 抗碳化性能

碳化是影響混凝土耐久性的關(guān)鍵因素,長期暴露于空氣中的混凝土會發(fā)生碳化反應,CO2在混凝土中的傳輸主要受孔隙率和連通孔道的影響,煤矸石骨料普遍較天然碎石孔隙多,含有CO2的空氣更容易進入混凝土內(nèi)部,從而造成混凝土抗碳化性能不良。[73]

陳彥文等指出[57]:隨著自燃煤矸石骨料摻量的增大,C30、C40混凝土第7天碳化深度變化均不大(范圍在2～4 mm),第28天后碳化深度增加明顯;對于配制的C30混凝土,當煤矸石粗骨料摻量為40%、100%時,較普通混凝土碳化深度分別增加了9,18 mm;對于配制的C40混凝土,當煤矸石摻量為40%、100%時,較普通混凝土碳化深度分別增加了5,14 mm(圖7)。其原因為混凝土表層砂漿抑制了CO2侵入,當CO2透過保護層后,因煤矸石骨料摻量的增大而產(chǎn)生的孔隙使得碳化反應速度加快。李明澤的研究[21]發(fā)現(xiàn):隨著煤矸石摻量的增加,C50混凝土的第14,28天碳化深度均呈現(xiàn)出緩慢上升的趨勢。其原因為煤矸石碳含量較高,且煤矸石摻量增加對混凝土的粗骨料級配產(chǎn)生不良影響,最終導致水化產(chǎn)物與骨料之間存在較大孔隙和裂紋,混凝土的密實度下降。

圖7 煤矸石粗骨料混凝土碳化深度[57]Fig.7 Carbonization depths of coal gangue coarse aggregate concrete

綜上所述,煤矸石粗骨料混凝土碳化早期與普通混凝土碳化深度相差不大,而后期隨著摻量的增大,碳化深度明顯增大。相同煤矸石摻量下,C30、C40混凝土第7天碳化深度差別不大,但C40煤矸石混凝土第28天碳化深度小于C30煤矸石混凝土。

4.4 抗?jié)B透性能

混凝土的抗氯離子滲透性是耐久性的重要指標之一,通常用電通量判斷混凝土抗氯離子滲透性能。[74]

陳彥文等的研究[48]發(fā)現(xiàn):隨著自燃煤矸石摻量的增大,C30混凝土電通量及氯離子擴散系數(shù)呈現(xiàn)增大趨勢;煤矸石摻量為50%、100%時,較普通混凝土的電通量增加了79.9,213.8 N·m2/C,氯離子擴散系數(shù)分別增加了0.385 9×10-9,0.899 6×10-9cm2/s。程文環(huán)的研究[48]發(fā)現(xiàn):隨著自燃煤矸石摻量增加,電通量呈現(xiàn)出緩慢遞增趨勢;煤矸石摻量為20%、40%的混凝土,與普通混凝土相比,電通量分別增大3%、10%。這是因為煤矸石含泥量大、結(jié)構(gòu)疏松、孔隙率大,增加了氯離子的傳送通道,但自燃煤矸石可參與水化反應,生成網(wǎng)絡硅酸鈣凝膠,對骨料及骨料之間孔隙進行填充,使得混凝土結(jié)構(gòu)更加密實,從而降低氯離子的傳輸速度,所以電通量上升趨勢緩慢。然而,顧云等的研究[39]發(fā)現(xiàn):當煤矸石摻量在45%以內(nèi)時,隨著原狀煤矸石粗骨料摻量的增大,電通量呈現(xiàn)出下降的趨勢;而煤矸石摻量大于45%時,電通量呈現(xiàn)出增加的趨勢,當煤矸石摻量在45%時,此時混凝土抗氯離子滲透性最強。這是因為多種骨料共同作用下,混凝土的密實性達到最優(yōu)。王晴等發(fā)現(xiàn)[75]:水膠比對煤矸石粗骨料混凝土的抗氯離子滲透性最大,其次是砂率及集灰比,骨料級配對抗氯離子滲透性影響最小,當水膠比為0.39、砂率為43%、集灰比為4.2、骨料級配為1.2時,煤矸石混凝土的電通量為985.36 N·m2/C,表明其抗氯離子滲透能力較強。

煤矸石粗骨料針片狀含量高、孔隙率大、密實度低等特性,不利于抵抗水分子的滲透。[60]黃成洋的研究[76]發(fā)現(xiàn):隨著原狀-自燃煤矸石混和料摻量的增大,混凝土的抗?jié)B性呈現(xiàn)出遞減趨勢,煤矸石粗骨料摻量為30%、60%時,較普通混凝土的透水壓力分別減小了0.2,0.4 MPa,透水壓力越小表明混凝土抗?jié)B性越差。陳彥文等通過1.2 MPa水壓力滲透試驗發(fā)現(xiàn)[57]:自燃煤矸石摻量為40%、100%時,其較C30普通混凝土的滲水高度分別增加了17,25 cm,較C40普通混凝土的滲水高度分別增加了11,34 cm(圖8)。宋洋等研究[61]發(fā)現(xiàn):當自燃煤矸石粗骨料混凝土中煤矸石摻量不大于10%時,其與普通混凝土抗?jié)B性能接近,當煤矸石摻量達到30%時,煤矸石混凝土抗?jié)B性能明顯降低。何文波研究發(fā)現(xiàn)[52]:水灰比為0.4的原狀煤矸石粗骨料混凝土抗?jié)B性能優(yōu)于水灰比為0.45的;煤矸石摻量在20%時,兩種水灰比的抗?jié)B性能相差最大;當煤矸石摻量在60%,兩種水灰比的抗?jié)B性能相差最小。造成這種現(xiàn)象的原因為水灰比越大,用水量越多,造成煤矸石粗骨料混凝土的毛細孔道增加,不利于抵抗水分子的滲透。

圖8 煤矸石摻量對混凝土抗?jié)B性能的影響[57]Fig.8 Effects of the coal gangue content on impermeability of concrete

綜上所述,原狀煤矸石摻量在45%以下,可提高煤矸石混凝土的抗氯離子滲透性能,而自燃煤矸石粗骨料混凝土,則是隨著煤矸石摻量的增大,抗氯離子滲透性能呈現(xiàn)出遞減趨勢。C40自燃煤矸石混凝土抗?jié)B性能優(yōu)于C30煤矸石混凝土。建議水中或半水環(huán)境下,應適當減小煤矸石粗骨料混凝土中的煤矸石摻量。

由于煤矸石粗骨料自身具有孔隙率高、吸水率大的特性,會對混凝土的耐久性造成不利影響。通過阻斷煤矸石骨料及混凝土內(nèi)部的連通孔隙、減少連通孔及大孔隙的占比,可提高其耐久性,通過摻入如納米SiO2、聚丙烯纖維等來改善煤矸石粗骨料混凝土的耐久性,從而得到科學合理的耐久性提升方案。

5 煤矸石粗骨料摻量對混凝土微觀結(jié)構(gòu)的影響

5.1 煤矸石粗骨料-水泥石界面結(jié)構(gòu)特征分析

新拌混凝土混和料時,粗骨料表面會形成一層水化膜,隨著水泥水化的發(fā)展,水化膜所在區(qū)域即為過渡區(qū)。水泥石和骨料之間界面過渡區(qū)具有多孔、水化結(jié)晶(鈣釩石Ca(OH)2)富集和擇優(yōu)取向等特點,是混凝土結(jié)構(gòu)中薄弱區(qū)域,水泥石-骨料界面結(jié)構(gòu)分析是混凝土微觀結(jié)構(gòu)的重要組成。[77-80]

李少偉等發(fā)現(xiàn)[53]:當自燃煤矸石粗骨料摻量為0%、25%、100%時,界面結(jié)構(gòu)分別表現(xiàn)為密實、較密實、疏松(圖9);大摻量下的自燃煤矸石混凝土因水泥膠砂相對干稠而界面結(jié)構(gòu)不密實,而煤矸石摻量為零的普通混凝土界面過渡區(qū)則較為致密。而天然碎石骨料界面過渡區(qū)雖較為密實,但過渡區(qū)厚度和水灰比較大,導致其膠結(jié)強度降低。白朝能等發(fā)現(xiàn)[54]:普通混凝土的界面過渡區(qū)的孔隙被較多水化物填充,而原狀煤矸石骨料混凝土的界面過渡區(qū)還有較大的毛細孔洞,孔洞內(nèi)含有大量針狀結(jié)晶鈣礬石。煤矸石骨料混凝土界面過渡區(qū)Ca(OH)2晶體數(shù)量多于普通混凝土,這是因為煤矸石表面附著的水膜較厚,不能被水泥水化消耗完,從而形成毛細孔隙,使得Ca(OH)2晶體和鈣礬石大量被析出。王晴等發(fā)現(xiàn)[81]:相比于普通混凝土,自燃煤矸石粗骨料混凝土整體顯微硬度較低。這是因為大量孔隙被水泥二次水化的膠凝和晶體物進行了一定程度的填充,同時由于二次水化產(chǎn)物消耗了部分水,避免骨料由于水分集中而形成的“水囊”效應[20],但是由于水化反應的進行,自然煤矸石中的堿金屬離子會部分遷移,從而造成自燃煤矸石混凝土整體顯微硬度較低。段曉牧研究發(fā)現(xiàn)[20]:原狀煤矸石嵌固在水泥石基體中,其內(nèi)部只有較少的微裂縫,在界面過渡區(qū)處,原狀煤矸石骨料與水泥石緊密黏結(jié),未有明顯裂紋;而自燃煤矸石骨料不能緊密結(jié)合水泥石集體,裂紋明顯存在,界面結(jié)構(gòu)較疏松。

a—煤矸石粗骨料摻量0%; b—煤矸石粗骨料摻量25%; c—煤矸石粗骨料摻量100%。圖9 煤矸石摻量對混凝土界面過渡區(qū)的影響[53]Fig.9 Influence of the coal gangue content on transition zones of concrete interfaces

綜上所述,隨著煤矸石粗骨料摻量增大,混凝土的界面結(jié)構(gòu)隨之疏松。由于原狀煤矸石嵌固在水泥石基體中,而自燃煤矸石骨料不能緊密結(jié)合水泥石集體的原因,原狀煤矸石的界面過渡區(qū)優(yōu)于自燃煤矸石。

5.2 孔結(jié)構(gòu)分析

煤矸石粗骨料自身孔結(jié)構(gòu)復雜,將其作為混凝土骨料,會對混凝土產(chǎn)生不利的影響。李少偉等對比自燃煤矸石粗骨料及碎石的孔結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)[53]:自燃煤矸石比碎石有更多的毛細孔隙。陳彥文等發(fā)現(xiàn)[48]:隨著自燃煤矸石摻量的增大,煤矸石混凝土的孔徑增大;煤矸石摻量為50%、100%時,是普通混凝土的平均孔徑2.2倍、2.6倍,孔的體積是普通混凝土的1.65倍、2.09倍(圖10、11)。段曉牧的研究[20]發(fā)現(xiàn):自燃煤矸石混凝土的孔結(jié)構(gòu)分布特征為孔大且疏松,而非自燃煤矸石的孔結(jié)構(gòu)表現(xiàn)為孔小且密集;原狀煤矸石混凝土的平均孔徑、臨界孔徑和最可幾孔徑分別為自燃煤矸石的68.9%、33.3%和39.5%;自燃煤矸石混凝土無害孔級(孔徑<20 mm)分布比例為68.48%,小于非自燃煤矸石混凝土無害孔級分布比例為94.56%。

圖10 煤矸石摻量變化對混凝土累計孔體積的影響[48]Fig.10 Effect of the coal gangue content on cumulative pore volumes of concrete

圖11 煤矸石摻量變化對混凝土逐級孔體積的影響[48]Fig.11 Effect of the coal gangue content on pore volumes of concrete

綜上所述,隨著煤矸石摻量增大,混凝土的孔隙增大。由于自燃煤矸石粗骨料自身孔大且疏松的原因,用其制備混凝土的孔結(jié)構(gòu)劣于原狀煤矸石粗骨料混凝土。

對目前煤矸石粗骨料混凝土微觀結(jié)構(gòu)方面研究現(xiàn)狀進行總結(jié)分析,得出:煤矸石骨料表面含碳量較多,其是否對煤矸石混凝土微觀結(jié)構(gòu)造成影響尚未可知,而目前學者的研究方向均在骨料與水泥膠砂界面過渡區(qū)微觀形貌及孔結(jié)構(gòu)分布方面,建議加強煤矸石表層碳與水泥膠砂界面結(jié)合情況及對孔分布的研究。

6 結(jié)束語

在固廢利用、綠色混凝土的建設工程中,煤矸石粗骨料混凝土是一種非常有應用前景的新材料,根據(jù)近些年眾多學者對煤矸石粗骨料混凝土的研究,得到主要結(jié)論與展望如下:

1)由于煤矸石中SiO2和Al2O3可以與水泥的水化產(chǎn)物Ca(OH)2發(fā)生火山灰效應,因此建議選用SiO2、Al2O3含量較多的煤矸石作為混凝土粗骨料。

2)制備C20、C30、C40煤矸石粗骨料混凝土,在滿足強度等級要求的情況下,煤矸石粗骨料的摻量范圍分別為0%～100%、0%～40%和0%～20%。采取水洗及預濕處理均可明顯改善混凝土的坍落度及力學性能。

3)煤矸石的摻入會降低混凝土的耐久性(抗凍性、碳化性能、抗?jié)B透性),而原狀及自燃煤矸石摻量變化對混凝土的干縮性能影響規(guī)律不一,尚需進一步研究。

4)微觀結(jié)構(gòu)表明,原狀煤矸石粗骨料混凝土的界面結(jié)構(gòu)及孔結(jié)構(gòu)均優(yōu)于自燃煤矸石粗骨料混凝土。

5)目前對煤矸石粗骨料混凝土單一作用(凍融循環(huán)、滲透、碳化等)下的研究較多,而在工程應用中,混凝土常受到兩種或以上環(huán)境作用的影響,同時還會遭受各種荷載作用。因此建議加強多種耦合作用下的研究。

6)不同地區(qū)煤矸石物理、化學性質(zhì)差異較大,在工程應用中,應根據(jù)不同地區(qū)煤矸石理化性質(zhì)來進行區(qū)分選用。