工程混凝土中粗骨料碎石類別鑒別方法

嚴玉梅

（廣東廣業檢測有限公司）

0 引言

混凝土是由膠凝材料、水、骨料、外加劑等材料組成，骨料是混凝土的主要材料之一，其在混凝土中占據了大概70%的體積，是混凝土工程的主要材料，用量十分巨大。粗骨料在混凝土中占據的體積最大，大概占混凝土總體積的40%，是混凝土的骨架，而且在混凝土水化反應過程中，粗骨料的體積在混凝土中不發生變化，最大程度保證了混凝土的體積穩定性。但是粗骨料品種選擇不當也會給混凝土的體積穩定性、工作性甚至強度帶來不利影響，從而會影響到混凝土的性能。煤矸石是采煤過程和洗煤過程中排放的固體廢物，是一種在成煤過程中與煤層伴生的一種含碳量較低、比煤堅硬的黑灰色巖石，但煤矸石脆性大，硬度不如普通砂石，且常年經過風化后的煤矸石抗壓強度較低，因此煤矸石并不適合作為混凝土的骨料使用。本項目對已使用在工程剪力墻上的混凝土中黑色粗骨料碎石進行礦相分析、化學成分分析等實驗，鑒別項目所用混凝土所用碎石是否為煤矸石。

1 實驗方案

檢測樣品為委托方在工程混凝土剪力墻上通過抽芯法取出混凝土芯樣（圖1、圖2），再將芯樣破碎后取出混凝土中的碎石（圖3、圖4），因碎石是混凝土用的粗骨料，首先對其力學性能壓碎值指標進行檢測，判定是否符合《建設用卵石、碎石》GB/T 14685-2011 標準要求；然后對壓碎后的產品使用X 射線熒光光譜分析方法進行半定量全元素分析，對重點元素進行定量分析，通過對照煤矸石的化學成分含量來判定委托樣品的礦物類型。

圖1 芯樣1

圖2 芯樣2

圖3 芯樣破碎后碎石1

圖4 芯樣破碎后碎石2

2 煤矸石化學組成

煤矸石(Gangue)，是煤伴生廢石，組成：有機化合物和無機化合物，歸類：礦石。其主要化學組成如表1、表2。

表1 常見煤矸石的化學成分

表2 煤矸石的化學成分及分類[1]

3 測試樣品制備

為測試剪力墻混凝土中碎石的化學組成，同時將一個樣品的分為兩個樣，分別采用兩種不同的制樣方法進行檢測。

⑴剪力墻混凝土中碎石單一顆粒測試樣品制備

①將3#-12 層16/E-F 骨料中顏色偏淺灰色的顆粒記為“骨料A”，隨機取兩粒用于實驗；

②將顏色偏黑色的顆粒記為“骨料B”，隨機取兩粒用于實驗；

③從塊狀混凝土中取偏黑色骨料，記為“骨料C”。

⑵混合樣品

按照不同工程部位剪力墻混凝土中碎石混合制樣檢測，共有4 個樣品，分別為3#12 層(8/B-C）樣品、3#12層（16-17）/D 樣品、4#16 層（16-17）F 樣品、4#16 層（13-14）E 樣品。

4 測試方法

⑴半定量分析方法采用《波長色散X 射線熒光光譜分析方法通則》JY/T 0569-2020，X 射線熒光光譜分析（設備：Axios PW4400），硼酸鋰溶劑熔融法；

⑵定量分析方法采用《水泥化學分析方法》GB/T 176-2017；

⑶低位發熱量采用《煤的工業分析方法》GB/T 212-2008；

⑷碎石壓碎指標采用《建設用卵石、碎石》GB/T14685-2011。

5 碎石化學組成測試結果

⑴剪力墻混凝土中碎石單一顆粒樣品X 射線熒光光譜分析結果見表3。

表3 剪力墻混凝土中碎石單一顆粒樣品化學組成（wt%）

骨料A1 與A 與骨料B1 與B2 的Al2O3含量分布在4.69%～15.56%范圍內，比常見煤矸石種類（見表1）中的Al2O3含量（＞15%）低。此外，B2 與C 燒失量分別為23.75%和32.15%，其他樣品的燒失量均約為1%，而B2與C 的CaO 含量高達30%，可以推斷B2 與C 中的碳主要以石灰石形式存在。

⑵剪力墻混凝土中碎石混合樣品化學成分半定量分析結果見表4，定量分析結果見表5。

表4 剪力墻混凝土中碎石混合樣品化學成分半定量分析結果（wt%）

從表4 半定量和表5 定量分析對同一個樣品的分析結果可以看出，雖然因樣本取樣部位的不同數據有一定的差異，但也有一定的規律：從檢測結果可知3#12 層（16-17）/D 樣品兩種方法檢測出的燒失量較高，其氧化鈣含量高，說明碳主要以石灰石形式存在，所有樣品的氧化鈣組分在17%～47%之間，不符合常見煤矸石中氧化鈣組分不大于2.5%，且常見煤矸石的主要成份二氧化硅和三氧化二鋁占比大于65%，而所檢測的樣品二氧化硅和三氧化二鋁含量都比較低，遠低于煤矸石化學成分的含量比例。因此判定所檢測樣品不符合煤矸石的化學組成特征，初步判定該樣品碎石不是煤矸石。

表5 剪力墻混凝土中碎石混合樣品化學成分定量分析結果（%）

6 碎石的物相組成

⑴測試方法：X 射線衍射分析，設備型號X’pert Powder，掃描角度θ：5～90°，掃描速度：10°/min。

⑵各類骨料樣品物相組成如圖5、圖6 所示。

圖6 骨料B 與骨料C 的物相組成

從圖5 中可見，骨料A1 和A2 主要由石英、微斜長石、耀西耀喀石組成，兩個骨料顆粒的礦物組成基本一致，其中骨料A2 含有少量含鐵礦物，經鑒定可能為鐵鈣閃石。

圖5 骨料A 的物相組成

骨料B1 和骨料B2 的兩個樣品的主要礦相均包含α-方石英，骨料B2 中含有大量方解石。此外，破碎骨料C 的主要礦相為方解石，并含有少量霞石。可見骨料的礦相組成難以通過外觀簡單判別。與文獻對比，樣品與典型煤矸石礦相對比（圖7～圖9），發現實驗樣品中并未出現煤矸石典型組分高嶺石，因此所測試的骨料為煤矸石的可能性較低。

圖7 煤矸石物相分析[1]

圖8 煤矸石物相分析[2]

圖9 煤矸石(Gangue)的物相分析[3]

7 結論

通過對檢測樣品進行化學分析及礦相分析，從檢測結果可以看出，樣品中的氧化鈣含量相對較高，因而造成樣品的燒失量高，不符合煤矸石中氧化鈣組分不大于2.5%，且煤矸石的主要成份為二氧化硅和三氧化二鋁，所檢測的樣品含量普遍偏低，低于煤矸石特征含量；再結合樣品礦相組成未出現典型組分高嶺石，從而判定所檢測樣品不符合煤矸石的化學組成及特征，該樣品碎石不是煤矸石。

另為保證工程用混凝土質量，對在工地現場抽取混凝土芯樣進行破碎，對分離出來的碎石依據《建設用卵石、碎石》GB/T 14685-2011 檢測碎石壓碎指標值，檢測結果為9.7%，符合標準≤10%的要求。