自燃煤矸石集料混凝土力学性能的研究进展★
时间：2023-04-21 16:40:04 来源：千叶帆 本文已影响人
佘宇豪，陈思宇，钱国敏，张奇恩,石梦晗
(1.辽宁工程技术大学土木工程学院，辽宁 阜新 123000; 2.西安外事学院人文艺术学院,陕西 西安 710000)
我国是以煤炭为主要能源的发展中国家，随着多年的煤炭开采，煤矸石累计堆存量高达70亿t，不但占用大量占地，而且在自燃进程中释放出有毒气体，矿区的自然环境污染情况较为严重。煤矸石堆放一段时间后，有一部分会发生自行燃烧，燃烧过后的煤矸石称为自燃煤矸石。之所以将自燃煤矸石作为混凝土的粗、细集料，是因为自燃煤矸石有质量好、储量大、易开采、价格低廉等特点，能够有针对性地推动自燃煤矸石固体废弃物资源化利用,既可减少煤矸石堆积引起的次生环境问题和过度开采的问题，又可使制备的自燃煤矸石混凝土具有绿色混凝土“健康、环保、安全”的属性[1]且缓解了当地石材资源匮乏。本文综述了近年来自燃煤矸石集料混凝土力学性能的相关研究进展，系统分析了自燃煤矸石取代率、附加单位用水量、预湿时间、矿物掺合料等因素对自燃煤矸石集料混凝土力学性能的具体影响，推动自燃煤矸石集料混凝土在我国合理应用和自燃煤矸石集料混凝土结构设计、评估具有重要影响。
1.1 自燃煤矸石集料混凝土强度
强度是硬化混凝土最重要的技术性质，混凝土的强度与其他各项性能有着密切相关联系。混凝土强度在工程施工中也是控制和评定混凝土质量的主要指标。由于自燃煤矸石集料的特性使自燃煤矸石集料混凝土在立方体抗压、劈裂抗拉、抗剪和抗折强度等力学性能方面与天然集料混凝土存在明显差异[2]，所以自燃煤矸石对混凝土强度的影响是研究学者重点关注的方面。
1.1.1 立方体抗压强度
立方体抗压强度是衡量混凝土强度最基本的指标之一，是衡量自燃煤矸石集料混凝土是否可作为结构材料的标准之一。若自燃煤矸石集料混凝土的抗压强度不符合规范，则不满足安全和经济要求。
李少伟[3]、冯喜俊[4]、杨尚谕等[5]对自燃煤矸石混凝土各强度等级研究发现，如图1自燃煤矸石粗集料取代率低于45%时，立方体抗压强度较天然混凝土下降幅值不大，可以制备符合C40以下的混凝土。
周梅等通过对C30强度自燃煤矸石砂混凝土展开研究，发现自燃煤矸石细集料取代率为100%时，其立方体抗压强度比基准组值下降了9.70%[6]。为研究自燃煤矸石集料混凝土受高温后对性能的影响，周梅团队制备172块自燃煤矸砂混凝土(自燃煤矸石细集料取代率为100%的混凝土)、自燃煤矸石砂轻混凝土和自燃煤矸石全轻混凝土的立方体试件，通过常温和高温试验，研究结果表明自燃煤矸石集料混凝土的立方体抗压强度表现出色，且采用二次多项式和分段式的方法，建立了自燃煤矸石集料混凝土的剩余抗压强度与最高受火温度、质量烧失率评估关系式，为预测其剩余抗压强度提供了可靠的新方法[7]。
浦倍超[8]利用正交设计实验，研究了掺合料对自燃煤矸石砂轻混凝土强度的影响，结果表明，当粉煤灰掺量大于15%，硅灰掺量大于2.5%，抗压强度与其呈正相关；
由于粉煤灰自身的火山灰效应不高，导致混凝土早期强度发展缓慢，同时，单掺粉煤灰的煤矸石全轻混凝土早期抗压强度降低较大，但其后期强度大于普通混凝土抗压强度[9]。硅灰的活性很高且它具有极其细微的颗粒，有效填充了骨料孔隙，降低孔隙率，对混凝土早期与后期强度有显著影响；
因此复掺粉煤灰、硅灰的协同作用对砂轻混凝土早期强度作用影响较小，但对后期强度具有积极作用，其中硅灰作用最大，粉煤灰作用次之。
周梅等[10]研究自燃煤矸石砂轻混凝土强度关于附加水及预湿时间的影响，试验结果表明，其抗压强度随着附加水的量变大呈下降趋势，甚至相差20%；
由于自燃煤矸石粗集料由于空隙空间结构复杂，孔径大小相差很大，自燃煤矸石砂轻混凝土抗压强度在预湿时间3 min～6 min增长缓慢，时间延长至60 min，抗压强度大幅度增加。王强[11]通过附加用水量、砂率、粗集料颗粒级配范围对自燃煤矸石砂轻混凝土抗压的影响，发现附加用水量为主要因素，砂率为次要因素，而颗粒级配范围作用甚小，其抗压强度与附加用水量的呈负相关；
砂率为0.44时，自燃煤矸石砂轻混凝土抗压强度达到最大值；
当级配范围为(5 mm～10 mm)∶(10 mm～15 mm)∶(15 mm～20 mm)=7∶47∶46时，试件的7 d,28 d抗压强度最为理想；
同时也指出断裂破坏面上的粗集料基本为100%，原因可分为两种：1)可能是自燃煤矸石砂轻混凝土强度配合比设计过高，使水泥凝结硬化后水泥石强度大于煤矸石粗集料自身的抗压强度；
2)由于粗集料制备过程中先是“颚式”破碎，后又采用人工砸碎成所要粒径范围，因此粗集料产生许多裂纹，使其自身强度降低。
周梅[12]、牟爽[13]、孙文彬等[14]对自燃煤矸石全轻混凝土强度进行试验研究，试验表明，其可配制C15～C30的不同强度等级的混凝土，其中混凝土总质量的70%～80%是由自燃煤矸石所占，可使自燃煤矸石工业废弃物资源化。不仅废渣被大量利用，而且施工当地石材资源匮乏问题得到缓解。
1.1.2 劈裂抗拉强度
相较于普通混凝土，单掺100%细集料、粗集料及双掺100%粗细集料时，自燃煤矸石集料混凝土的劈拉强度分别降低了6.6%,10.8%,13.1%[15]。由于单掺100%细集料中粉体含量较多，因此在自燃煤矸石的“内养护”和表面“活性”双重作用下，使其混凝土的长期强度有较高增长率，但其他两种组合形式的混凝土长期强度因受到粗集料自身强度低的影响发展空间有限[16]。
吴秀峰等[17]采用均匀试验设计了10组自燃煤矸石砂轻混凝土试件,进行劈拉强度试验，发现混凝土断裂面比较平整且几乎直接穿过粗集料。研究结果表明:由于自燃煤矸石粗集料本身强度要低且碎石表面粗糙，吸水量愈多，其界面水灰比降低，水泥凝结硬化形成的水泥石与粗集料黏结强度较高，因此自燃煤矸石粗集料的抗压强度对自燃煤矸石砂轻混凝土的抗拉强度有绝对作用。王强[18]对自燃煤矸石砂轻混凝土进行正交试验，认为影响7 d，28 d劈拉强度的因素显著性顺序为：附加用水量>砂率>粗集料颗粒级配范围；
随着附加水用量增加，劈拉强度逐渐减小；
7 d，28 d粗集料最佳的颗粒级配范围分别为(5 mm～10 mm)∶(10 mm～15 mm)∶(15 mm～20 mm)=7∶47∶46，(5 mm～10 mm)∶(10 mm～15 mm)∶(15 mm～20 mm)=7∶31∶62，此时劈拉强度最大。
1.1.3 抗折强度
杨尚谕研究指出自燃煤矸石粗集料取代天然集料分别为25%，50%，75%时，对混凝土抗折强度不利影响较小，降幅分别为1.63%,5.44%,6.35%，如图2所示。但当取代率大于75%，混凝土抗折强度大幅下降。总体而言，自燃煤矸石粗集料的掺入导致混凝土内部微小缺陷增多，使得混凝土在受弯状态下的破坏优先从自燃煤矸石粗集料开始，因此抗折强度随取代率递增而降低。
周梅、汪振双等[19-20]为提高自燃煤矸石轻集料混凝土的抗折强度，其在混凝土中掺入0%～2%的钢纤维，指出“边壁效应”的钢纤维百分比随钢纤维掺量增加而提高，对轻集料混凝土有明显的增韧效果，改善混凝土的脆性特点，因此其对混凝土的抗折强度增幅较大，如图3所示。自燃煤矸石由于其轻质的特点，与相同等级的混凝土相比，虽然钢纤维掺量对抗压强度的提高贡献不大，但混凝土的受压变形和破坏特征被极大改善，由明显的脆性破坏转变为具有一定塑性破坏特征，经过实验表明，适量掺入化学、钢纤维，可在一定范围内提高自燃煤矸石集料混凝土的劈拉、抗折性能。朱凯等[21]使用聚丙烯纤维作为掺合料加入到自燃煤矸石轻集料混凝土中，研究表明，当混凝土断裂时，纤维可吸收部分能量，阻碍裂缝的产生和发展。掺入适量纤维使混凝土28 d抗折强度明显提高，但当掺合料大于0.8 kg/m3时，混凝土抗折强度呈现下降趋势，产生此原因是纤维掺量密度增大降低混凝土均匀性和密实性。通过上述方法均可改善混凝土的抗折强度，制备不同构件。
弹性模量是混凝土的重要力学指标之一，对混凝土构件的使用性能具有十分重要的影响。段晓牧[22]通过将粗集料预湿处理后，其内部水分充满孔隙之间，使内部微观结构的致密性得以提高，提升集料自身的强度，同时集料在搅拌过程中不吸收水泥内部的水分，增强了自燃煤矸石混凝土的弹性模量。李少伟等认为自燃煤矸石粗集料取代率越高，其弹性模量越低，塑性越高，当取代率达到100%时，轻集料混凝土弹性模量降低了33%。周梅等[23]研究发现，当粗集料取代率为100%时，自燃煤矸石轻集料混凝土弹性模量降低幅度为19.8%～57.1%;由于自燃煤矸石集料本身的孔隙率较大，一方面有缓冲减压作用，但自身的强度缺陷对混凝土弹性模量下降的影响不能相互抵消。目前，现有JGJ 51—2002轻骨料混凝土技术规程与GB 50010—2010混凝土结构设计规范均通过混凝土抗压强度或表观密度来预测自燃煤矸石集料混凝土的弹性模量，但精度较差，有待进一步优化、修正。王庆贺等提出利用两相复合材料理论制作的煤矸石混凝土弹性模量预测模型，通过自燃煤矸石集料混凝土弹性模量的预测结果与试验结果相比较，BNC模型对于煤矸石弹性模量的预测较为准确。刘海卿等[24]提出考虑了自燃煤矸石取代率、其混凝土表观密度与抗压强度三因素耦合下的弹性模量预测模型。
我国作为世界第一产煤大国，煤炭产量达到世界产量的40%左右，使得自燃煤矸石成为了我国最大的固体废弃物之一。从JC/T 541—94自燃煤矸石轻集料标准颁布，自燃煤矸石资源化备受关注。许多研究学者经过对自燃煤矸石集料混凝土进行大量实验，结果表明，在一定条件下可以配制C40以下的混凝土，基本上满足其作为结构部件的技术要求。自燃煤矸石粗集料取代率低于45%，混凝土立方体抗压、抗拉、抗折强度较普通混凝土下降幅值不大，当取代率越高，弹性模量越低，抵抗变形破坏能力越强；
细集料取代率为100%，其抗压、劈拉强度依然满足设计要求。同时混凝土早期强度和后期强度因复掺一定量的粉煤灰和硅灰具有积极作用；
掺入适当的钢纤维、聚丙烯纤维会明显增强其抗折强度；
BNC模型对自燃煤矸石集料混凝土弹性模量的预测和根据最高受火温度、质量烧失率预测其剩余抗压强度均提供了可靠依据。由于自燃煤矸石孔径大、孔隙结构复杂和自身强度低，因此需要研究煤矸石的取代率、附加用水量、预湿时间、矿物掺合料等对自燃煤矸石集料混凝土的影响，使其更好地应用于土木工程领域。
