煤矸石混凝土的抗滲性能和力學性能分析

張斌斌，秦 原，謝 剛

江西省建筑材料工業科學研究設計院，江西 南昌 330001

0 引言

煤矸石是和煤炭相伴而生的巖石，其大量堆放可能會導致火災的發生，長時間的堆放還會引發地下水污染［1-2］。由于煤矸石結構致密的特征，研究人員發現將煤矸石替代混凝土中的粗骨料，可實現煤矸石的廢物利用，而且還會改善混凝土的抗滲性能和其他的力學性能［3-4］。如果選擇合理的混凝土配合比和適當采用減水劑，煤矸石混凝土的抗滲性能較其他混凝土也有較強的優勢。

下面，將從煤矸石的組成成分、煤矸石混凝土抗滲性能和力學性能這三個角度系統的介紹影響煤矸石混凝土性能的因素，希望能夠推動煤矸石混凝土在實際工程中的大量應用。

1 煤矸石的基本成分

1.1 化學成分

可以通過使用德國 Bruker 公司生產的 S4 型 X 射線熒光光譜分析儀對煤矸石的化學成分進行分析。分析結果表明：煤矸石的主要化學成分是二氧化硅和氧化鋁，二者的占比分別為47%和16%。其他化學成分主要有氧化鐵、氧化鈣、氧化鎂和氧化鈉。

1.2 礦物分析

礦物成分主要有白云母、高嶺石和綠泥石。從礦物成分而言，煤矸石耐磨和抗風化能力強，適合充當粗骨料用于混凝土的配制中，是一種理想的粗骨料。

2 煤矸石混凝土的抗滲性能

2.1 影響因素

影響抗滲性能的因素主要有：水灰比，硅灰的摻量，煤矸石的摻量，減水劑的比例。很多學者系統分析了這四個因素對煤矸石混凝土抗滲性能的影響大小，并得到了很多有價值的結論。

2.2 水灰比的影響

水灰比是指混凝土中水和水泥之間的配合比關系，也稱為水膠比。水膠比越大，表明混凝土中的水份就會越多，而水份多會引起混凝土中孔隙增多，這樣就會導致混凝土抗滲性和耐久性變差。因此煤矸石混凝土的抗滲性能跟水灰比的大小成反比，也就是說，要想提高煤矸石混凝土的抗滲性能，就應該降低水灰比。

2.3 硅灰摻量的影響

硅灰這種摻合料具有活性，能夠與混凝土內部的堿性物質發生化學反應，改變了混凝土內部的微觀結構，可以改善混凝土的抗滲性能。但是據以前的研究可以發現，硅灰對混凝土抗滲性能的提升效果并不顯著，不建議大量使用。

2.4 煤矸石摻量的影響

圖1 煤矸石顆粒級配

煤矸石對滲水高度的影響主要與煤矸石的摻合量有關，在實際的生產當中，應該先在實驗室得到良好的配合比。煤矸石并不是越多越好，而是需要找到一個合理的配比關系。合理的煤矸石級配也是改善抗滲性能的關鍵，由于煤矸石原材料一般成塊狀、粒徑偏大而且雜物多，因此需要將煤矸石進行破碎，其破碎前后的顆粒級配如圖1 所示。

2.5 減水劑的影響

減水劑對混凝土的抗滲性能影響較大，其改善抗滲性能的機理與水灰比相同。通過減少由于水分引起的毛細孔隙，改善混凝土內部的密實性，進而改善混凝土的抗滲性能。還有一部分減水劑還可以通過生成閉合的氣泡，阻斷混凝土內部的毛細孔道，也同樣可以提高混凝土的抗滲性能。因此在實際的生產當中，一定要注意使用適量的減水劑，這樣可能極大的改善混凝土的抗滲性能。

3 煤矸石混凝土的力學性能

3.1 煤矸石力學性能

粗骨料的壓碎值通常被用于衡量骨料在不斷增加的荷載作用下抵抗壓碎的能力，是一種骨料力學性質的強制指標。通過壓碎實驗來測量骨料的壓碎值，研究表明煤矸石的壓碎值符合相關規范的要求，力學性能良好適合充當粗骨料。

3.2 煤矸石混凝土抗折強度

煤矸石會直接影響混凝土的抗折強度，隨著煤矸石含量的增加，混凝土應力集中的現象就會更加明顯，從而導致了混凝土抗折強度的降低，使得混凝土的韌性降低和脆性增加。因此一般在使用煤矸石作為粗骨料時，通常需要對其含量進行控制，以免因抗折強度不足來引起工程質量問題。

3.3 煤矸石混凝土抗折強度的其它影響因素

直接影響煤矸石混凝土康澤強度的因素除了煤矸石含量，最主要的影響因素是混凝土的養護時間和掩護條件，隨著混凝土養護時間的增加，混凝土的抗折強度明顯的增強。究其原因：硅酸三鈣最先開始反應，隨著養護時間的加長，硅酸二鈣才會不斷的發生化學反應，這才使得混凝土的抗折強度不斷的增強。如果能夠按照規范的要求來掩護，混凝土的抗折強度會有較大幅度的提升，這在已有的文獻［4］中有明確的記載。混凝土養護對抗折強度的影響如圖2 所示。

圖2 養護齡期對煤矸石混凝土抗折強度的影響

4 結論

主要從煤矸石成分、煤矸石混凝土抗滲性能和力學性能三個方面來系統的分析了煤矸石混凝土，為煤矸石混凝土的大量使用提供技術支撐。本文得到的主要結論如下：

（1）煤矸石的化學成分、礦物成分和力學性能均滿足混凝土粗骨料的相關要求，因此可以將煤矸石大量的用于混凝土的生產當中，定能產生良好的經濟效益、環境效益和社會效益。

（2）通過選用合適的減水劑和合理的配合比，煤矸石混凝土的抗滲性能能夠得到很好的改善，因而煤矸石混凝土在抗滲混凝土領域具有廣闊的應用前景。

（3）控制煤矸石的使用比例和增加混凝土養護的時間，可以顯著提高煤矸石混凝土的抗折強度。