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自燃煤矸石粗集料对混凝土强度影响的试验研究 吴秀峰 周 梅 崔正龙 辽宁工程技术大学土木建筑工程学院, 辽宁阜新 123000 摘 要 参照国标, 通过试验对辽宁省阜新市高德矿堆积的自燃煤矸石进行轻集料品质评定。在掌握了 各项指标均满足国标对轻集料要求的基础上, 将自燃煤矸石破碎作粗集料、 普通砂作细集料、 聚丙烯纤维作 增韧材料, 由均匀试验设计了 10组自燃煤矸石轻集料混凝土试件, 进行大量抗压强度、 劈拉强度和抗折强度 试验。研究结果表明 由于阜新高德自燃煤矸石粗集料与 C40 砂浆基体的强度和弹性模量相互匹配, 虽然其 自身强度远不及天然碎石, 但因充分发挥了集料和基体的协调作用, 可配制出性能优良的C40混凝土, 且早期 强度发展的更理想。 关键词 自燃煤矸石; 粗集料; 混凝土; 强度; 基体 THE EXPERIMENT RESEARCH ON CONCRETE STRENGTH INFLUENCE OF SELF COMBUSTION COAL GANGUE COARSE AGGREGATE Wu Xiufeng Zhou Mei Cui Zhenglong College of Civil and Architecture Engineering, Liaoning Technical University, Fuxin 123000, China Abstract It is carried out a quality assessment on lightweight aggregate of the stacked self combustion coal gangue in GaodeMine of Fuxin in Liaoning according to the national standards. On the basis of satisfying the demands of national criterion of lightweight aggregate through all kinds of inds, taking the crushed self combustion coal gangue as coarse aggregate, polypropylene fiber as reinforced materials, ten sets of self combustion coal gangue concrete specimens are designed by uni test, and lots of tests of compressive strength, splitting strength and flexural strength are also carried out. The research results show that because self combustion coal gangue coarse aggregate in Gaode Mine of Fuxin matches with the strength and Yang s modulus of a matrix, and itself strength is less than natural macadam, but it sufficiently displays coordination effect between aggregate and matrix, which can produce C40 concrete with excellent property whose early stage strength develops more perfectly. Keywords self combustion coal gangue; coarse aggregate; concrete; strength; matrix 第一作者 吴秀峰, 男, 1976 年8 月出生, 讲师, 硕士。 E- mail wxf19760825 163. com 收稿日期 2008- 04- 10 自燃煤矸石作为一种混凝土轻集料, 以其质量 好、 储量大、 易开采、 价格低廉, 在轻集料家族中占有 一席之地。辽宁省阜新市是新中国最早建设的煤炭 能源基地之一, 是著名的 煤电城市, 有大型的露天 煤矿。煤矿开采、 加工排放出大量的煤矸石, 目前在 城市周边有大小不等煤矸山、 矸石场 23 处, 累计堆 存量达 1988 亿 t, 压占土地 29 037 亩约 19458 km 2[ 1] , 且现在煤矸石年排放量也保持在 400 万 t 以 上。这些废渣经雨水长期淋滤、 渗沥出含重金属的 酸性废水, 自燃放出的 CO、 SO2、 H2S 及氮氧化合物 等造成市区和周边农村严重污染, 破坏了生态环境。 综合开发利用煤矸石是根治污染源的有力措施。另 外, 阜新市地处辽宁和内蒙的交界, 属于严重风化 区, 缺少硬质石材。用自燃煤矸石作集料, 既可减少 可耕农田的面积, 又可废物利用减少环境污染, 具有 可观的经济效益和巨大的社会效益。 自燃煤矸石轻集料混凝土由于其轻质, 面临着 强度有限的问题, 与相同强度等级的普通混凝土相 比, 轻集料混凝土的脆性更明显 [ 2] 。掺加阻裂增韧 材料聚丙烯纤维, 而不掺加增强材料钢纤维等, 是因 为试图从集料- 基体的力学协调性角度, 探讨自燃 煤矸石对混凝土强度的影响。 1 试验概况 11 阜新高德自燃煤矸石品质评定 由于各地排出矸石的含碳量、 发热量及自燃程 81 Industrial Construction Vol39, No3, 2009工业建筑 2009 年第 39 卷第 3期 度不同, 影响了自燃煤矸石轻集料的物理力学性能 和有害物质含量, 因此势必影响到自燃煤矸石轻集 料混凝土的性能。所以要确定煤矸石是否适合于配 制混凝土, 保证钢筋混凝土结构的安全性, 必须进行 轻集料品质的评定。评价轻集料品质的常用指标有 堆积密度, 颗粒表观密度, 筒压强度, 强度等级, 吸水 率, 级配, 最大粒径, 粒型系数, 浮粒率, 抗冻性等, 其 中堆积密度、 筒压强度和吸水率是最主要的指标。 研究首先以刻槽法为主, 连续拣块法为辅, 对阜新高 德自燃煤矸石进行了取样, 尽量保证样品做到具有 代 表 性、客 观 性 和 真 实 性。 然 后 按 国 标 GB T 17431- 1998中的规定对煤矸石进行检测, 检 测结果详见表 1 表 3。 从表 1 中可看出, 影响混凝土耐久性的自燃煤 矸石的各项指标均满足国家标准要求, 其中 SO3含 量是自燃煤矸石能否用作轻集料、 能否保证该轻集 料矸结构安全性的决定性因素。阜新高德矿区堆积 了大量的 70 多年前排放的煤矸石, 由于煤矸石自燃 持续时间长, 使煤矸石在较大的局部范围内燃烧比 较充分, 所以含硫量比较低。但值得注意的是, 与其 他矸石相比, 黄色矸石质量较差, 因此尽管黄色矸石 所占比例较小, 在自燃煤矸石集料生产中也应尽量 通过分拣等技术剔除。 表 1 阜新高德自燃煤矸石集料耐久性和有害物质含量测试结果 Table 1 Test results of durability and harmful substances content of spontaneous combustion coal gangue aggregate in Gaode Coal Mine of Fuxin 项目 黄色矸石混合矸石 国家标准 GB T 17431- 1998 规定值 软化系数0860970 971 030850 8 煮沸质量损失 24211 41 831 5 筒压强度 MPa477 17 159满足一等品 4 5 的要求 SO3含量 0 691470830 50 18139 1 0 含泥量 105150 60 410 2 烧失量 1 962210461 290 41100 5 有机物含量合格合格合格合格合格不深于标准色 注 1. 混合矸石中陶红色和陶黄色约占 70 90 ; 2. 同一字混合矸石 SO3含量多次测定, 其最大值 139 , 最小值 018 , 平均值 073 , 说明了即使同一批料, 其 SO3含量波动也较大,但是满足国家标准要求。 表 2 阜新高德矿混合自燃煤矸石主要化学成分 Table 2 Chemical composition of mixed spontaneous combustion coal gangue in Gaode Coal Mine of Fuxin 氧化物 SiO2Al2O3Fe2O3 CaOMgO SO3 烧失量 质量分数 601616566263 633400730 79 表 3 阜新高德矿混合自燃煤矸石集料主要物理及力学指标 Table 3 Main physical and mechanical properties of mixed spontaneous combustion coal gangue aggregate in Gaode coal mine of fuxin 针片状 含量 表观密度 gmm- 3 捣实密度 kgm- 3 大振实密度 kgm- 3 压碎值 吸水率 密度 kgm- 3 空隙率 7852 631 5501 6201656852 07722 为了进一步说明问题, 对阜新高德自燃煤矸石 轻集料与国内其他品种轻集料的主要技术指标进行 了对比, 详见表 4。结果表明, 阜新高德自燃煤矸石 其软化系数和煮沸质量损失试验结果介于天然轻集 料和人造轻集料之间。一般讲人造陶粒经高温燃烧 后, 质量较为稳定而均匀, 性能较好 [ 3] , 而阜新高德 自燃矸石集料属工业废料, 品种成分、 结构等又较混 杂, 测得的数值波动较大, 平均值虽较人造轻集料为 高, 但各项指标均满足国家标准要求。因此, 可以作 为轻集料配制混凝土和钢筋混凝土。 12 混凝土原材料与配合比 1 原材料 胶凝材料采用唐山冀东水泥厂生产 的盾石牌 425普通硅酸盐水泥 PO; 细集料采用阜 新他本河中砂, 细度模数 298, 堆积密度 1 550 kg m 3, 级配合格; 增韧材料采用江苏省射阳县强力 纤维有限公司生产的短聚丙烯纤维, 截面为圆形, 该 纤维详细技术指标见表 5; 外加剂采用上海花王化 学有限公司生产的 迈地 150早强高效纯萘系减水 82 工业建筑 2009 年第 39 卷第 3期 剂, 掺量 03 10 , 减水率 15 35, 在保持 水泥用量和水灰比不变的情况下, 可提高塌落度 15 20 cm; 水为普通自来水; 粗集料采用阜新高德 矿堆积的自燃煤矸石, 主要技术指标见表 1 表 3, 人工破碎, 级配见表6。 表 4 阜新高德自燃煤矸石集料与其他品种轻集料耐久性和有害物质含量比较 Table 4 Comparison of durability and the content of harmful substance in spontaneous combustion coal gangue aggregate in Gaode Coal Mine of Fuxin with other kinds of lightweight ones 项目 阜新高德 自燃煤矸石 天津 粉煤灰陶粒 上海 黏土陶粒 北京 页岩陶粒 吉林 火山灰 国家标准 GB T 17431- 1998 规定值 软化系数0 9410104100830 8 煮沸质量损失 2 160540170 27335 5 SO3含量 0 840040060 02007 1 0 含泥量 0 91 2 烧失量 1 22242004001 5 有机物含量合格合格合格合格合格不深于标准色 表 5 聚丙烯纤维的技术参数 Table 5 Technical parameters of polypropylene fiber 直径 m 密度 gcm- 3 颜色 抗拉强度 MPa 断裂 延伸率 弹性模量 MPa 熔点 耐酸碱性吸水性热传导性 15 500 91白 450 15 5 000160 180极高无极低 表6 阜新高德自燃煤矸石轻粗集料人工颗粒级配 Table 6 Artificial grain size distribution of spontaneous combustion coal gangue coarse aggregate in Gaode Coal Mine of Fuxin 筛孔尺寸 mm01603150631252550102030 累计筛余 998988929815684522333380 2 配合比 聚丙烯纤维自燃煤矸石轻集料混凝 土是一种多组分的复合材料, 考虑到影响因素多, 为 了减少试验次数, 本研究基于均匀试验理论在较大 范围内设计了符合约束条件的试验方案, 保证了复 合体系组成试验的科学性和代表性 [4] 。按均匀设计 表u * 10 10 8 及其使用表安排了试验方案, 具体的实 验室配合比, 详见表 7。 13 试验内容、 装置和试件制备 采用长春试验机厂制造的 WAW- 1000 型微机 控制电液伺服万能试验机。加载采用应力控制的方 式, 应力为 05 MPa s, 力学试验过程严格按普通混 凝土力学性能试验方法标准 GB T 50081 2002 进 行。由于是轻集料混凝土又加入了聚丙烯纤维, 成 型只能参考 GB T 50080 2002 和 GB T 17 4321 1998。为防止聚丙烯纤维成团与分布不均以及自燃 煤矸石吸水性强及可能出现的上浮, 本试验尝试了 多种投料与搅拌方法, 最终确定图 1 所示的投料与 搅拌工艺。 制作了立方体和棱柱体三种试件, 抗压强度试 件尺寸100 mm 100 mm 100 mm, 劈拉强度试件尺 寸150mm 150mm 150mm, 抗折强度试件尺寸 表 7 聚丙烯纤维自燃煤矸石轻集料 混凝土实验室配合比 Table 7 The proportioning design of the polypropylene fiber reinforced concrete with spontaneous combustion coal gangue lightweight aggregate 序号 13457 水泥 x1 kgm- 3 水 x2 kgm- 3 砂率 x3 聚丙烯纤维 x4 kgm- 3 外加剂 x5 kgm- 3 11 4903 1754 395 049 1889 22 4956 1908 4310 097 1667 33 5009 2051 364 035 1444 44 5051 1655 409 083 1222 55 5104 1809 443 0211 66 5157 1952 378 0710 2 77 520102106 412 018 1778 88 5252 17010 457 066 1556 99 5305 1853 381 04 1333 1010 5358 2007 426 052 1111 150 mm 150 mm 550 mm。试件成型 24 h 后拆模 编号, 然后放到标准养护室养护至龄期。 2 结果与分析 21 试验结果 83 自燃煤矸石粗集料对混凝土强度影响的试验研究 吴秀峰, 等 砂子 水泥 拌 1 min 纤维 拌 1 min 煤矸石 及附着水 拌 1 min 溶解的水和 减水剂溶液 拌2 min 聚丙烯纤维自燃煤 矸石混凝土混合料 图 1 聚丙烯纤维自燃煤矸石轻集料混凝土投料与搅拌工艺 Fig. 1 The chart of mixing technique of the polypropylene fiber reinforced concrete with spontaneous combustion coal gangue lightweight aggregate 按照国标 GB T 50081 2002, 测得的聚丙烯纤 维自燃煤矸石轻集料混凝土的各项力学性质指标及 新拌混凝土坍落度见表 8。 表 8 聚丙烯纤维自燃煤矸石轻集料混凝土试验结果 Table 8 Test results of the polypropylene fiber reinforced concrete with spontaneous combustion coal gangue lightweight aggregate 水平 编号 抗压强度 MPa 7d28d 劈拉强度 MPa 抗折强度 MPa 坍落度 mm 137 78465628362836 232 40427228058270 333 334575287536115 439 21456134961810 536 82449625161823 627 534012292536103 734 134588308572125 837 72502633765623 935 19459732862451 1031 19428529059015 22 试验现象及机理分析 221 自燃煤矸石粗集料对混凝土抗压强度影响 第9 组素混凝土开裂后, 有碎片陆续掉落, 也有 较大块掉落, 最后呈两个对顶的角锥形破坏面。掺 纤维混凝土试块开裂后, 裂缝增大增多, 偶有小碎片 掉落, 试块横断面增大, 呈外鼓状, 裂而不碎, 不发生 向外崩裂现象。图 2 是素混凝土与掺聚丙烯纤维混 凝土抗压破坏后的对比照片, 前者表现明显的脆性 破坏形态, 而掺聚丙烯纤维的自燃煤矸石混凝土试 件在达到峰值后强度逐渐降低, 且试件保持原来的 完整性; 从图 2中还可清楚看到, 自燃煤矸石粗集料 大部分破碎, 少部分完好。 表 8 数据显示, 自燃煤矸石粗集料配制的混凝 土强度发展的比较好, 甚至早期强度好于碎石。原 因可能是自燃煤矸石粗集料与 C40 混凝土基体两相 的强度和弹性模量差距较小, 由于基体硬化收缩比 粗集料大, 所以用自燃煤矸石粗集料配制的混凝土 产生的内应力小于碎石配制的混凝土, 早期更明显, 此时自燃煤矸石粗集料并未成为薄弱环节, 因此其 混凝土强度发展较好; 但当基体强度发展到跟自燃 煤矸石粗集料强度相近或超过的时候, 两相强度差 异造成的影响小于粗集料本身强度的影响, 所以表 现为破坏时, 自燃煤矸石粗集料大部分遭至破坏少 部分完好。 如果把普通天然碎石集料混凝土说成是 图2 素混凝土与掺聚丙烯纤维混凝土抗压破坏后对比 Fig. 2 Comparison of compressive damage of normal concrete with the concrete mixed with polypropylene fiber 弱 砂浆 包 强 集料 模型, 人工轻集料混凝土 则可说成是 强 砂浆 包 弱 集料 模型 [8] 。本试 验研究的自燃煤矸石强度介于二者之间, 所以情况 更为复杂。从破坏断面看大部分穿过集料, 少部分 不穿过集料, 在穿过集料处, 一般是破坏面沿着自燃 煤矸石集料的节理面, 这时破坏面强度取决于集料 沿节理面方向的强度, 集料的节理是其薄弱环节, 沿 节理面方向的强度不但远低于总体强度, 而且随着 龄期增长砂浆强度较高时, 集料强度甚至还低于砂 浆强度, 所以这时混凝土强度由砂浆控制转变为由 集料控制, 由 弱包 强转变为 强包 弱 。此 时, 即使增加水泥用量对提高强度意义也不大, 混凝 土强度取决于自燃煤矸石集料节理的分布和沿节理 面方向的强度。但若遇到没有节理层且强度较高的 自燃煤矸石时, 砂浆与矸石的界面又是薄弱环节, 破 坏又会发生在砂浆与集料的界面上, 又由 强包 弱转变为 弱包 强。 222 自燃煤矸石粗集料对混凝土劈拉强度影响 劈拉试验发现, 第 9 组素混凝土试件破坏后迅 速开裂, 并断成两半跌落。掺聚丙烯纤维的混凝土 试件破坏后开裂, 开裂速度较慢, 形成裂缝需用力才 能掰开。从图 3 可以发现, 自燃煤矸石和聚丙烯纤 维分布的比较均匀, 没有出现自燃煤矸石轻集料上 浮和纤维成团的现象。自燃煤矸石轻集料混凝土的 劈拉破坏面比较平直, 且断裂面几乎穿过粗集料, 这 与普通碎石混凝土的破坏面绕开粗集料而在水泥砂 浆和粗集料的粘结面上展开明显不同。这主要是因 为普通混凝土的抗拉强度, 取决于集料和硬化水泥 浆的抗拉强度, 尤其取决于集料与水泥浆二者界面 上的粘结强度, 而轻集料混凝土中所用的自燃煤矸 84 工业建筑 2009 年第 39 卷第 3期 石轻集料的颗粒强度比普通混凝土所用的碎石粗集 料的强度要低, 且表面较碎石粗糙, 吸水率较大, 在 水泥凝结前从其界面附近的水泥浆中吸进水分, 使 界面附近的水灰比减少, 从而导致水泥石与轻集料 的粘结强度较高, 因此自燃煤矸石轻集料混凝土的 抗拉强度取决于自燃煤矸石轻集料的抗拉强度。在 自燃煤矸石轻集料混凝土中, 抗拉破坏, 与其他轻集 料混凝土破坏相似, 几乎贯穿了大部分较大颗粒, 所 以破坏面较平整。 图 3 聚丙烯纤维混凝土劈开断面 Fig. 3 The split section of concrete with the polypropylene fiber 223 自燃煤矸石粗集料对混凝土抗折强度影响 抗折试验中发现, 第 9 组素混凝土小梁突然折 断, 而掺聚丙烯纤维的混凝土小梁在试验过程中表 现为开裂之后仍能维持整体, 需继续加载试件方被 折断。且试件破坏大部分发生在水泥砂浆与自燃煤 矸石集料的界面处, 自燃煤矸石集料折断的较少。 这说明粗集料在高中等级混凝土中基本上没有增强 作用, 混凝土的抗折强度大部分来自于砂浆基体。 若基体与集料之间在强度和弹性模量上差距拉大, 在不大的荷载下交界区产生的应力就会超过界面粘 结强度而使混凝土破坏。所以粗集料本身强度过 高, 对高中等级混凝土抗折强度并没有增强作用, 这 一点是与抗压强度不同的, 值得注意 [ 7] 。 总之, 自燃煤矸石表面粗糙多孔, 一方面, 水泥 水化产物能够部分渗入集料表面孔中, 增加了集料 与界面的啮合摩擦力, 这种机械作用, 大大增加两者 之间的粘附力; 第二方面, 自燃煤矸石吸水微泵作用 使得煤矸石轻集料附近处于局部低水灰比状态, 因此减少或避免了集料下部由于内分层作用而形成 的 水囊, 避免了界面处的富集和定向排列, 提高了 集料与水泥石的界面粘结力; 第三方面, 自燃煤矸石 经过自燃表面具有一定的活性, 且破碎过程中表面 粘附有自燃煤矸石粉, 它们能与水泥砂浆中的 Ca OH2发生化学反应, 活性结合作用达到了界面增 强的效果; 第四方面, 自燃煤矸石与基体的强度和弹 性模量相互匹配, 变形协调作用对混凝土强度的提 高是有利的 [ 8] 。 3 结 论 自燃煤矸石轻集料混凝土强度及其发展规律的 试验研究表明, 粗集料和砂浆基体对混凝土强度影 响十分显著, 在基体强度一定时, 粗集料强度达到一 定程度后再增加对提高混凝土强度作用不大, 只有 在两者相互协调的基础上, 才能充分发挥集料和基 体的作用。由于自燃煤矸石与中等强度等级的混凝 土强度和弹性模量差距较小, 集料- 基体协调性对 混凝土强度发展有利, 因此配制出性能优良的 C40 混凝土。 参考文献 [ 1] 王国平. 辽宁阜新煤矸石资源化研究[ D] . 成都 成都理工大 学, 2005. 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