煤矸石混凝土抗拉性能及破壞形態研究

伍銘翼，吉卓禮，尤銀江，梁小輝，楊 旭

（六盤水師范學院，貴州 六盤水 553000）

我國作為世界上的煤炭生產產量排名前列的國家，每年煤炭生產產量約為36.8 億t，而在我國產煤的各大基地中，六盤水的煤礦帶更有西南煤田的美稱，每年的產煤量約為7 000 萬t[1]。隨著煤產量的不斷提高，每年因在生產煤的過程中而產生的煤矸石的數量也變成一個天文數字。煤矸石是一種黑灰色的礦物，其是產生在煤礦巷道上下層間似煤非煤的產物，這些煤矸石由于沒有很大的經濟價值，就會隨意地丟棄在煤礦的周邊。而隨著時間的不斷推移，這些煤矸石會越堆越多，最終形成煤矸石山，從而影響周邊的經濟環境發展。而煤矸石造成的影響主要分為以下幾個方面。一是長時間堆放的煤矸石可能會風化破碎，從而產生大量的粉塵，對周圍的人和環境造成粉塵污染。二是長時間堆放的煤矸石經長時間雨水的沖刷，水流會將煤矸石中的各種重金屬帶入地下河流和土壤中，就會造成水體的污染和土壤的污染。三是隨意堆積存放的煤矸石會占用到大面積的耕地。四是堆放得較高的煤矸石山由于顆粒間的緊密度不夠，當堆放高度達到一定高度后，極容易發生煤矸石山體滑坡，存在極大的事故安全隱患。

2014 年12 月，《煤矸石綜合利用管理辦法（2014年修訂版）[2]發布，總共有26 條，主要概括了總則、綜合管理、鼓勵措施和監督檢查等，于2015 年3 月1 日起正式實施。1998 年原國家經貿委等8 部門聯合發布的《煤矸石綜合利用管理辦法》給予廢除。

蘇煜翔[3]在2021 年對煤矸石與碎石顆粒的級配、壓碎指標、堆積密度、表觀密度、吸水率、含泥量和針塊狀顆粒含量進行了實驗比較和分析，得出煤矸石可以用為混凝土的粗骨料。

Szczepanska 等[4]將西里西亞生產的煤矸石作為混凝土骨料來進行試驗，澆筑了煤矸石混凝土并研究了該地區生產的煤矸石混凝土的基本力學性能。

Zhou 等[5]利用煤矸石作為混凝土的粗骨料和細骨料，成功地生產了強度等級為15 到40 的煤矸石混凝土。

1 研究內容

本文以六盤水鐘山區某洗煤廠的煤矸石作為試驗的研究對象，通過試驗測定出煤矸石粗骨料和天然碎石粗骨料的物理力學性能（顆粒級配、表觀密度、堆積密度和吸水率），分析煤矸石作為混凝土粗骨料的可能性。最終以煤矸石作為混凝土的粗骨料來替代天然碎石，并研究煤矸石混凝土的抗拉性能。

2 煤矸石物理試驗

2.1 顆粒級配

試驗步驟如下。

第一步，將孔徑大小不同的孔篩按從大到小的順序連續依上而下疊放（圖1），并在最下部放上承接盤。

圖1 國家標準孔篩

第二步，將準備好的煤矸石骨料稱重500 g，將其倒入已疊放好的孔篩中。

第三步，將已倒入骨料的孔篩放置于搖篩機上，待搖篩機工作10 min 后，將疊好的孔篩一層一層地取下。稱量不同孔徑的孔篩中剩余的粗骨料的凈重并進行記錄，結果精確至1 g。

第四步，計算不同孔徑的孔篩中骨料的重量占總重量的百分比。

第五步，根據每個孔篩中剩余的骨料的量，按照國家規定的規范相關范圍，評判該骨料的顆粒級配等級是否能用作混凝土的粗骨料。

2.2 堆積密度

試驗步驟如下。

第一步，選定一定體積的容量筒并稱量容量筒的重量G1。

第二步，取已經準備好的試驗試樣1 份，用小鏟子將試樣骨料從容量桶的正上方5 cm 處倒下，使試樣自由落體落入容量桶中，當試樣裝滿容量筒且在容量筒的上部呈現出錐體后，即可停止加入試樣（圖2）。

圖2 容量桶試樣呈錐形

第三步，除去容量筒上部凸出的骨料試樣，并且將容量筒中還未裝滿的區域用骨料填滿，使得容量筒表面骨料的凸出部分與凹出部分大致齊平。

第四步，稱量骨料試樣與容量筒的重量G2。

式中：ρ1為積密度，kg/m3；G1為容量筒質量，g；G2為容量筒和試樣的總質量，g；V為容量筒體積，L。

2.3 表觀密度

2.3.1 試驗步驟

第一步，將準備好的骨料試樣浸水，讓骨料浸水飽和。在將骨料試驗裝入廣口瓶中時，注意要傾斜放置廣口瓶。

第二步，向廣口瓶中注水，用玻璃片蓋上瓶口，然后左右搖晃廣口瓶將瓶中的氣泡排出。

第三步，向瓶中添加水直到水面凸出瓶口面，將玻璃片快速滑行，使水面與玻璃片緊貼。擦干廣口瓶表面的水。稱量試樣、水、廣口瓶和玻璃片的總質量（圖3）m1，精確至1 g。

圖3 表觀密度試驗過程

第四步，將廣口瓶中的試樣倒入托盤中，放入電熱鼓風烘干箱中烘干（圖4），待試樣冷卻至恒溫后稱量托盤中試樣的質量m0，精確至1 g。

圖4 熱鼓風烘干箱中烘干

第五步，將廣口瓶洗干凈后，再向其中注入水。用玻璃片蓋住瓶口。使水面與玻璃片相連。擦拭干廣口瓶平面的水漬后。稱量水、廣口瓶和玻璃片的總質量m2，精確至1 g。

2.3.2 表觀密度的計算按式（2）計算

式中：ρ1為表觀密度，kg/m3；m0為試樣烘干后的質量，g；m1為試樣、水、廣口瓶和玻璃片的總質量，g；m2為水、廣口瓶和玻璃片的總質量，g；αt為稱量時水溫影響的修正系數。

2.4 吸水率

2.4.1 試驗步驟

第一步，將孔篩篩除直徑為4.75 mm 以下的顆粒，各取2 份重量不低于5 kg 的骨料進行烘干備用。

第二步，稱取一定質量的骨料放入水中浸泡24 h。

第三步，待24 h 后將浸泡后骨料取出，使用干毛巾將骨料表面的水分擦拭干凈后并稱量出此時骨料的質量m2，此時試樣骨料為飽和試樣。

第四步，將擦拭干凈水分后的試驗骨料倒入托盤中，并將托盤放入電熱鼓風烘干箱中進行烘干處理，待骨料冷卻到常溫后，稱量出托盤和骨料的質量（圖5）m1，精確至1 g。

圖5 托盤和骨料的質量

第五步，稱量出托盤的質量m3，精確至1 g。

2.4.2 吸水率按式（3）計算

式中：ω 為吸水率，%；m1為烘干后的試件與托盤的總質量，g；m2為烘干前浸水飽和的試樣與托盤的總質量，g；m3為托盤的質量，g。

2.5 壓碎指標

試驗步驟如下。

第一步，準備顆粒級配為10～20 mm 的試樣3 份，每份稱取5 kg，精確至1 g。

第二步，取煤矸石粗骨料1 份，分為2 份裝入受壓模桶中，在裝完一層骨料試驗后在底盤上方鋪放一根直徑為1 cm 的鋼筋，然后左右搖動受壓模桶30 下。

第三步，將受壓模桶放在壓力試驗機上，用1 kN/s的速度加載到200kN/s，在加載載荷穩定后將受壓模桶取下，倒出里面裝有的骨料的質量并進行稱重m1，精確至1 g。

第四步，用孔徑為2.36 mm 的孔篩對骨料進行篩分，稱量孔篩中剩余骨料的質量m2，精確至1 g。

煤矸石骨料與天然碎石骨料的壓碎指標計算按式（4）進行計算

式中：ζ 為壓碎指標，%；m1為試驗試樣的質量，g；m2為篩分后的試樣的質量，g。

2.6 試驗結果

煤矸石骨料與天然碎石骨料的各項物理力學性能測定數據結果見表1。根據GB/T 14685—2011《建筑用卵石、碎石》[6]，煤矸石的顆粒級配滿足Ⅲ類的標準要求，所以煤矸石作為混凝土的粗骨料滿足要求；煤矸石的表觀密度比較小且小于規范規定的2 600 kg/m3要求，所以如果單指煤矸石表觀密度的要求，煤矸石的表觀密度并不能達到標準要求；而煤矸石的表觀密度與天然碎石骨料比較小，所以說明煤矸石的材性比較不好，不夠緊實；壓碎指標作為煤矸石骨料的一項重要指標，會直接影響到混凝土的強度，雖然本地區的煤矸石的壓碎指標比較高，但仍然符合作為混凝土粗骨料的標準要求。

表1 煤矸石骨料與天然碎石骨料的各項物理性能結果

2.7 總結

綜上可得，該地區生產的煤矸石用作混凝土中的粗骨料是可行的。

3 煤矸石的摻量對混凝土抗拉強度的影響

不同的混凝土等級強度中使用不同煤矸石替代碎石骨料的替代率對煤矸石混凝土劈裂抗拉的測試數據見表2。

表2 混凝土劈裂抗拉試驗數據

為了更加直觀地分析煤矸石替代碎石不同替代率對煤矸石混凝土劈裂抗拉強度的影響，通過表2 中的數據繪制點線圖（圖6）。

圖6 煤矸石混凝土劈裂抗拉強度點線圖

根據表2 和圖6 進行分析，當混凝土的等級為C20，煤矸石的替代率小于50%時，煤矸石混凝土的劈裂抗拉會大幅度地降低；煤矸石的替代率在50%～70%之間時，煤矸石混凝土的劈裂抗拉強度會有所提升，但是提升的幅度較小；煤矸石的替代率大于70%之后，混凝土的劈裂抗拉強度就會降低。當混凝土等級為C30，煤矸石的替代率小于50%時，煤矸石混凝土的劈裂抗拉會大幅度地降低；煤矸石的替代率在50%～70%之間時，煤矸石混凝土的劈裂抗拉強度會有所提升，提升的幅度較小；煤矸石的替代率大于70%之后，混凝土的劈裂抗拉強度就會降低。當混凝土的強度等級為C40 時，不管煤矸石的替代率為多少，都會使混凝土的劈裂抗拉強度降低。

通過觀察煤矸石混凝土劈裂抗拉試驗的過程，在對試件施加荷載的過程中，如果施加的荷載力還未達到最大的荷載時，混凝土試件不會發生任何變化，但當施加的荷載力達到混凝土試件所能承受的最大荷載時，混凝土試件會突然從中間斷裂成兩半，如圖7（e）所示。

圖7 混凝土試件劈裂抗拉斷裂面

觀察煤矸石混凝土試件的斷裂面，由圖7 可知，在未加入煤矸石前，混凝土試件的斷裂處為水泥漿與骨料連接處，其混凝土的骨料并未發生破壞，骨料仍然具有良好的外觀（圖7（a））。但在煤矸石的替代率為30%、50%、70%時，混凝土試件劈裂主要是由于煤矸石骨料直接發生劈裂而導致混凝土試件直接發生劈裂，分別如圖7（b）、圖7（c）、圖7（d）所示。所以，對于一般的混凝土來講，混凝土的劈裂抗拉的強度主要是由混凝土中水泥漿與骨料的連接處的強度而決定的，但是對于煤矸石混凝土來說，煤矸石混凝土的劈裂抗拉的強度主要是由煤矸石自身的強度決定。

4 結論

1）經過一系列物理試驗，得出結論：煤矸石可以代替部分石子作為粗骨料。

2）C20、C30 混凝土的劈裂抗拉強度隨煤矸石摻量的增加的變化規律較為相似，隨著煤矸石骨料摻量的增加，劈裂抗拉強度先降低后增強再降低，煤矸石骨料摻量在50%～70%之間時較為合理。對于C40 混凝土來說，其規律與C20、C30 不一致，其劈裂抗拉強度隨煤矸石骨料的增加一直呈下降狀態。

3）利用煤矸石代替混凝土粗骨料時，不宜配制強度較高的混凝土。