隴東地區煤矸石細骨料混凝土的工程性能研究

張興元 吳耿強 顏維丞 劉德安

（1 甘肅省高校黃土工程性質及工程應用省級重點實驗室，甘肅 慶陽 745000；2 隴東學院土木工程學院，甘肅 慶陽 745000）

0 引言

隴東地區是甘肅省最主要的能源化工基地之一，其中慶陽地區煤炭的儲存量預計約2360 億噸左右，占甘肅省煤炭儲存量的97%[1]。煤矸石是煤炭開采過程中丟棄的固體廢棄物[2]，隨著慶陽經濟的高速發展和煤炭開采量不斷增大，煤矸石的堆積量會越來越多。大量的煤矸石堆積不但會占用大量的耕地，而且煤矸石自燃容易引發火災，同時也會引發泥石流等自然災害。因此，將煤矸石合理利用，變廢為寶，就可很大程度上減少以上問題的出現[3]。

有專家學者提出，將煤矸石作為混凝土的部分或者全部骨料，形成煤矸石混凝土，作為煤矸石回收利用的途徑之一。如李慶文[4]等通過凍融和碳化交替作用，對煤矸石混凝土的耐久性進行研究；周梅[5]等對煅燒煤矸石粉對混凝土工作性和強度的影響進行了研究；李永靖[6]等通過設計試驗，對煤矸石混凝土抗硫酸鹽侵蝕進行研究，王長龍[7]等通過試驗，對煤矸石與鐵尾礦制備的加氣混凝土的性能進行了研究，周梅[8]等通過選取代表自燃煤矸石粗集料特性的砂率、顆粒級配和附加用水量為影響因素，對自燃煤矸石粗集料對砂輕混凝土性能的影響進行了試驗研究，周梅[9]等將自燃煤矸石作為骨料，應用在預拌混凝土中，對其性能進行研究，張向東[10]等通過試驗，對自燃煤矸石輕集料混凝土碳化性能進行研究。

綜上所述，現階段，國內外的專家學者對煤矸石混凝土進行了大量研究，取得了許多有意義的成果，但針對隴東地區的煤矸石混凝土的研究還較少，而且在工程建設中沒有相關規范可以參考。因此，本文通過采取隴東地區天然煤矸石，粉碎過篩后代替部分或者全部混凝土作細骨料制成煤矸石混凝土，然后和商品混凝土的對比分析，對煤矸石混凝土的工程性能進行研究，研究成果對該地區的工程建設和環境保護具有重要的意義。

1 試驗材料

1.1 煤矸石

本次試驗所需的煤矸石取自慶陽市寧縣某小煤礦，為天然煤矸石，黑色或灰黑色，較堅硬。如圖1所示。

圖1 煤矸石原材料

1.2 粗骨料和砂子

配制煤矸石細骨料混凝土所需的粗骨料和砂子取自土木工程材料實驗室，粗骨料的級配粒徑在5-20mm 之間。雜質和含泥量滿足混凝土的配制要求。

1.3 水泥

水泥采用土木工程材料實驗室的P·O42.5級硅酸鹽水泥。

2 試驗方案

1）采用從某商混站購買的商品混凝土（煤矸石摻和率為0%），按照C30,C35 和C40 三個強度等級制成150mm×150mm×150mm 的標準試塊，然后在標準條件下在養護箱中養護28d 備用；

2）將從煤礦采集回來的新鮮煤矸石粉碎，然后過篩，取粉碎后粒徑在2-5mm 范圍內的煤矸石備用（圖2）；

圖2 粉碎后的煤矸石顆粒

3）基于一定配合比，采用上述⑵中的煤矸石，以10%、20%、30%、40%和50%的替代率代替砂子配制C30,C35 和C40 三個強度等級的煤矸石混凝土標準試塊，試塊尺寸為150 mm×150mm×150mm，然后在標準條件下在養護箱中養護28d 備用；

4）參照《普通混凝土力學性能試驗方法標準》和《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》分別對上述試塊進行抗壓強度試驗、抗拉強度試驗和碳化深度測試。

3 試驗結果分析

3.1 抗壓強度

圖3表示的是不同混凝土強度等級下，商品混凝土（煤矸石摻和率為0%）和不同摻和率的煤矸石混凝土的抗壓強度性能。

圖3 不同摻和率的煤矸石混凝土抗壓強度性能

從圖3可以看出，隨著煤矸石的摻和率不斷增大，混凝土的抗壓強度先增大后減小。

從圖3中可得出，煤矸石細骨料的摻和率小于30%時，煤矸石混凝土的抗壓強度高于同等級商品混凝土的抗壓強度，當煤矸石的摻和率大于30%時，煤矸石混凝土的抗壓強度逐漸小于同等級商品混凝土的抗壓強度。

3.2 抗拉強度

圖4表示的是不同混凝土強度等級下，商品混凝土（煤矸石摻和率為0%）和不同摻和率的煤矸石混凝土的抗拉強度性能。

圖4 不同摻和率的煤矸石混凝土抗拉強度性能

從圖4可以看出，隨著煤矸石的摻和率不斷增大，混凝土的抗拉強度整體上先增大后減小。

從圖4中可得出，煤矸石細骨料的摻和率小于28%時，煤矸石混凝土的抗拉強度高于同等級商品混凝土的抗拉強度，當煤矸石的摻和率大于28%時，煤矸石混凝土的抗拉強度逐漸小于同等級商品混凝土的抗拉強度。

3.3 碳化深度

圖5表示的是不同混凝土強度等級下，商品混凝土（煤矸石摻和率為0%）和不同摻和率的煤矸石混凝土的碳化性能。

圖5 不同摻和率的煤矸石混凝土的碳化性能

從圖5可以看出，隨著煤矸石的摻和率不斷增大，混凝土的碳化深度逐漸增大，但煤矸石細骨料的摻和率小于20%時，碳化深度增長的速率較小，摻和率超過20%時，混凝土碳化深度增長的速率較大。

從圖5中還可以得出，在煤矸石摻和率相同的條件下，隨著混凝土強度等級的增大，碳化深度逐漸減小，這說明混凝土強度等級越高，煤矸石混凝土的耐久性越好。

4 結論

1）當煤矸石的摻和率小于30%時，煤矸石混凝土的抗壓強度高于同等級商品混凝土的抗壓強度，當煤矸石的摻和率大于30%時，煤矸石混凝土的抗壓強度逐漸小于同等級商品混凝土的抗壓強度；

2）煤矸石細骨料的摻和率小于28%時，煤矸石混凝土的抗拉強度高于同等級商品混凝土的抗拉強度；

3）煤矸石細骨料的摻和率小于20%時，煤矸石混凝土碳化深度增長的速率較??；

4）混凝土強度等級越高，煤矸石混凝土的耐久性越好；

5）在控制一定摻和率的情況下，煤矸石可以作為混凝土的骨料應用，這將為煤矸石的回收利用提供一種新的途徑，對于隴東地區礦區的環境保護具有重要的現實意義。