矿用煤矸石混凝土力学性能试验研究.pdf

收稿日期:2023 05 16基金项目:深部岩土力学与地下工程国家重点实验室 2021 年度开放基金(SKLGDUEK2215)作者简介:张道平(1987-),男,山东单县人,工程师,从事煤炭开采、煤质管理及煤矸洗选技术工作。doi:10.3969/j.issn.1005-2798.2023.09.001矿用煤矸石混凝土力学性能试验研究张道平(国家能源集团 神东煤炭经销中心,陕西 神木 719315)摘 要:在系统分析当前煤矸石开发利用的基础上,提出一种面向矿山应用的大掺量煤矸石混凝土。与传统煤矸石混凝土相比,矿山工程领域对混凝土的强度要求相对较低,为大掺量使用煤矸石代替天然骨料提供了可能。文章以煤矸石骨料类型和替代率为变量,分别研究了不同配比设计对矿用煤矸石混凝土物理特性、工作性能和流动性的影响。研究结果表明:与细骨料相比,煤矸石粗骨料的掺量对矿用煤矸石混凝土力学特性的影响更加显著,细骨料主要影响煤矸石混凝土的工作性能;矿用煤矸石混凝土单轴抗压强度和弹性模量随着煤矸石骨料掺量的增加有所降低;随着煤矸石骨料掺量的增加,煤矸石混凝土的变形能力有所增强。研究成果有助于推动煤矸石混凝土在矿山工程领域的应用。关键词:煤矸石;绿色混凝土;力学性质;轴向荷载中图分类号:TU528 文献标识码:A 文章编号:1005 2798(2023)09 0001 05Physical and Mechanical Properties of Coal GangueConcrete Designed for Coal MinesZHANG Daoping(Shendong Coal Distribution Center of National Energy Group,Shenmu 719315,China)Abstract:Based on the systematic analysis of the current development and utilization of coal gangue,a new type coal gangue concrete is proposed.Compared with the traditional coal gangue concrete,the strength requirements of concrete in the field of mining engineering are relatively low,which makes it possible to use coal gangue instead of natural aggregate in a large amount.Taking the substitution rate of natural aggregate in concrete as a variable,this paper studies the effects of different aggregate types and substitution rate on the physi-cal properties,working performance and fluidity of mine gangue concrete.The results show that:the coarse aggregate of coal gangue has an obvious influence on the physical and mechanical properties of mining coal gangue concrete;the function of fine aggregate is mainly reflected in the working performance;with the increase of coal gangue aggregate substitution rate,the uniaxial compressive strength and elastic modulus of mining coal gangue concrete show a significant downward trend;the longitudinal deformation capacity of mine coal gangue concrete increases with the increase of coal gangue aggregate.The relevant research results will help to further promote the wide application of coal gangue concrete in the field of mine engineering.Key words:coal gangue;green concrete;mechanical properties;axial load 煤矸石是煤炭资源开采和洗选过程中的一种必然产物。相关统计数据表明,我国煤矸石的产出率占到原煤产量的 15%20%1-3。按照 2021 年原煤产量 41 亿吨计算,全国煤矸石产出率约为 6 亿吨,已经成为我国大宗固体废弃物之一4-7。在全面推进大宗固体废弃物综合利用和发展循环经济的背景下,我国煤矸石的综合利用率得到稳步提升,形成了以生产建筑材料、采煤塌陷区的环境治理、矿井煤矸石固体充填和盐碱地、沙漠化土地的生态修复为代表的煤矸石综合利用技术体系。考虑到煤矸石的主要成分为 Al2O3和 SiO2,与天然骨料混凝土中使用的砂石资源具有相似的矿物组成,国内外相关学者提出采用煤矸石作为混凝土骨料制备绿色混凝土的思路,并开展了大量研究。段晓牧等8-9通过实验室试验的方法研究了产自不同地区的煤矸石在不同颗粒分布特征和预处理条件下的物理力学特性,验证了煤矸石作为混凝土骨料的可行性;李永靖等10研究了采用煤矸石和普通碎试试验验研研究究 第第 3 32 2 卷卷 第第 9 9 期期 2 20 02 23 3 年年 9 9 月月石制备的混凝土试件的耐久性问题,验证了煤矸石骨料制备混凝土的可行性;朱愿愿等11使用煅烧过的煤矸石细骨料制备水泥砂浆,结果表明砂浆的早期强度提升较为明显;顾云等12的研究结果表明煤矸石骨料掺量与混凝土单轴抗压强度之间具有负相关性。白国梁等13研究发现采用煤矸石混凝土和天然骨料混凝土制作的梁结构的变形破坏模式差异不大。上述研究结果表明:采用煤矸石骨料部分替代天然骨料制备绿色混凝土构件从理论和技术方面上是可行的。考虑到建筑结构对材料力学性能和结构稳定的双重要求,为确保煤矸石混凝土具备良好的力学性能和结构耐久性,国内外相关研究人员在理论方面进行 研 究,但 在 实 际 工 程 领 域 的 应 用 相 对 较少14-15。然而,对于煤矿井下工程(如巷道底板硬化、喷射涂层、巷旁充填等)而言,通常对混凝土强度和变形能力的要求相对较低,为大掺量煤矸石混凝土的制备提供了可能16-18。尤其随着井下煤矸智能分选技术的成熟,在煤矿井下就地制备大掺量煤矸石混凝土的技术经济效益将更加明显。为此,本研究项目选取国家能源集团乌兰木伦矿煤矸石为研究对象,以煤矸石骨料类型(粗骨料和细骨料)和骨料替代率为变量,开展面向矿山工程应用背景的煤矸石混凝土物理力学性能试验研究。取得的相关研究成果对于进一步促进“碳中和、碳达峰”目标的实现和推动绿色经济社会转型方面具有重要的作用。1 实验方案1.1 试件概述本试验研究总共测试了 21 个标准圆柱试样(直径 150 mm,高度 300 mm)。如表 1 所示,按照混凝土的类型,可以将上述试件划分为天然骨料混凝土(Natural Aggregate Concrete,NAC)和煤矸石混凝土(Coal Gangue Concrete,CGC)2 个类型。其中,天然骨料混凝土包括 3 个配比完全相同的未使用煤矸石骨料的标准试件。对于煤矸石混凝土,根据粗骨料和细骨料的体积替代率的不同,将其划分为 6 个小组。其中,粗骨料的替代率分别设定为 25%,50%和100%,细骨料的替代率分为 2 种。一种为 0%(即没有细骨料替代),另一种设定为相应组别中粗骨料替代率取值的一半。为便于后续比较说明,给具有相同配比的煤矸石混凝土给予一个组名,其中组别中最前面的 CGC代表煤矸石混凝土,后续的两个阿拉伯数字分别代表粗骨料和细骨料的替代率。以 CGC-25-12.5 为例,该组所有的试件均为煤矸石混凝土试件,其中粗骨料和细骨料的替代率分别为 25%和 12.5%(细骨料的取代率为该组试件粗骨料替代率取值的一半)。表 1 试件情况一览序号类型组别骨料体积替代率/%粗骨料细骨料试件数量1NACNAC0032CGCCGC-25-025033CGCCGC-25-12.52512.534CGCCGC-50-050035CGCCGC-50-25502536CGCCGC-100-0100037CGCCGC-100-501005031.2 材料性能试验所用的用于制备煤矸石混凝土的矸石选自国家能源集团乌兰木伦煤矿,天然骨料、水泥和其他的相关材料采购于广州市本地建材市场。为保证煤矸石混凝土和天然骨料混凝土物理力学性能和工作性能的可比性,在开始试验前,对煤矸石骨料进行了筛分与清洗。对去除明显杂质的煤矸石骨料进行自然晾晒风干,具体流程如图 1 所示。图 1 煤矸石骨料预处理2 第 32 卷 从图 2 可以看出,煤矸石骨料和天然砂石骨料在外观形态方面的区别主要体现在颜色和形状方面。其中,煤矸石骨料的颜色相对偏深且颗粒以片状为主。为进一步比较煤矸石骨料和天然骨料的区别,通过实验室试验的方法测定了两种骨料的密度、吸水率和岩石破碎系数。图 2 煤矸石骨料和天然砂石骨料外观形态对比分析试 验 结 果 表 明:煤 矸 石 粗 细 骨 料 的 密 度(2 380 kg/m3和 2 440 kg/m3)与 天 然 骨 料(2 660 kg/m3和 2 630 kg/m3)的差别不是很大,这与前人研究的结果基本保持一致。然而,煤矸石粗细骨料的饱和吸水率(8.4%和 11.65%)明显高于天然粗细骨料(1.8%和 2.3%)。考虑到煤矸石骨料的破碎系数约为天然骨料的 2 倍,侧面反映出煤矸石骨料具有较小的自身强度。1.3 煤矸石混凝土配比设计参照天然骨料混凝土配合比设计规范,按照水灰比为 0.5 的标准,结合煤矸石骨料和天然砂石骨料密度、吸水率等参数,确定表 2 所示的配比方案。表 2 中所述的组成混凝土的材料重量为理论计算得到的单位体积(每立方米)混凝土所需要的原材料的使用量。考虑到煤矸石骨料和天然砂石骨料密度方面的差异性,本文选取体积替代率作为研究变量,研究不同煤矸石骨料掺量条件下的煤矸石混凝土力学性能的差异性。表 2 中煤矸石骨料取代天然骨料的比例为体积替代率。表 2 煤矸石混凝土配比设计组别自由水/kg添加水/kg水泥/kg粉煤灰/kg天然骨料细骨料/kg粗骨料/kg煤矸石粗骨料/kg细骨料/kg塌落度/mmNAC2300368925821 03500240CGC-25-023019.4536892582776.25231.50270CGC-25-12.523027.3136892509.25776.25231.567.49240CGC-50-023038.8936892582517.54630240CGC-50-2523054.6236892436.5517.5463135270CGC-100-023077.79368925820926.10280CGC-100-50230109.25368922910926.12702701.4 试验装置及加载方式如图 3(a)所示,所有混凝土试件均在 MATEST微机控制电液伺服万能试验机上完成。试验采用位移加载的方式,设定平均加载速率 0.18 mm/min.在测试开始之前采用高强石膏对所有混凝土试件的上下端头进行处理,以保证混凝土试件在加载过程中的良好受力状态。为了更好地记录试件的变形情况,分别采用应变片和位移计测定试件在轴压作用下的位移和应变情况。包括压力、位移和应变在内的数据通过 TDS-530 静态数据采集仪自动完成。采用图 3(b)所示的混凝土塌落度测试仪器对不同配比条件下混凝土的工作性能进行测试,结果表明:煤矸石混凝土的整体工作性能优于普通混凝土。图 3 主要仪器设备3第 9 期 张道平:矿用煤矸石混凝土力学性能试验研究 2 试验测试结果分析2.1 典型试件破坏模式图 4 为典型煤矸石混凝土试件的破坏模式。图 4 典型试件破坏模式示意从图 4 可以看出:煤矸石混凝土的破坏模式与天然砂石骨料混凝土试件并没有本质的区别,两者均以剪切破坏模式为主。随着煤矸石掺量的增加,对于煤矸石混凝土的剪切破坏的程度有所降低,具体表现为沿着剪切破坏面周围出现一定程度的分布不规律的裂纹。造成这种破坏模式的主要原因在于煤矸石骨料的低强度,导致了变形破坏过程中骨料自身的不规律性破坏。2.2 骨料替代率对混凝土单轴抗压强度的影响图 5 为不同煤矸石骨料替代率对应的煤矸石混凝土强度参数。可以看出:1)与天然骨料混凝土相比,煤矸石混凝土试件的单轴抗压强度普遍较低,且随着骨料替代率的增加呈显著下降的趋势。当煤矸石粗细骨料替代率分别为 100%和 50%时,试件的单轴抗压强度仅为天然骨料混凝土的 20%.2)对于具有相同煤矸石粗骨料替代率的试件而言,其抗压强度的差异性不是十分明显,表明煤矸石细骨料的替代率对其单轴抗压强度的影响不是十分明显。造成上述现象的主要原因在于煤矸石粗骨料自身较低的强度和其内部的多孔结构。不同于天然砂石骨料混凝土,煤矸石混凝土的破坏主要集中在骨料的破坏而非水泥-骨料胶结面的破坏。尽管如此,煤矸石混凝土的强度依然可以满足井下充填和沿空留巷构筑物对强度的基本要求。图 5 煤矸石骨料替代率对抗压强度的影响2.3 骨料替代率对混凝土轴向峰值应变的影响图 6 为不同煤矸石骨料替代率条件下混凝土的峰值应变。从图中可以看出:对于煤矸石骨料替代率较大的煤矸石混凝土试件而言,其轴向峰值应变相对较大。尤其当煤矸石粗骨料替代率为 100%,细骨料替代率为 50%时,煤矸石混凝土的纵向应变比天然砂石骨料混凝土增加了 50%以上。上述现象表明,通过增加煤矸石混凝土中煤矸石骨料的含量可以有效地改善混凝土的脆性特征,进一步提高了混凝土的变形能力。图 6 煤矸石骨料替代率对轴向应变影响4 第 32 卷2.4 煤矸石骨料替代率对混凝土弹性模量的影响图 7 为不同煤矸石骨料替代率条件下混凝土弹性模量的变化规律。可以看出:与天然砂石骨料混凝土相比,煤矸石混凝土的弹性模量普遍较低。随着煤矸石骨料掺量的增加,煤矸石混凝土的弹性模量呈现出显著降低的趋势。当煤矸石粗骨料替代率分别为 25%、50%和 100%时,混凝土弹性模量分别减少了 47.7%、65.8%和 88.6%.主要原因在于:煤矸石骨料(特别是粗骨料)的多孔结构,使得制备的煤矸石混凝土内部存在一定的空洞,轴向荷载作用下容易出现变形;煤矸石骨料特殊的片状结构和较低的强度,导致其在混凝土制备过程中发生破坏。破坏后的煤矸石骨料级配比变差,骨料较大地比表面积使其无法有效地聚集足够的砂浆,影响到混凝土的致密性。图 7 煤矸石骨料替代率对弹性模量的影响3 结 语本文介绍了一种面向矿山工程应用领域的大体积掺量煤矸石混凝土。在系统测试煤矸石骨料物理力学性能的基础上,通过对 21 个标准圆柱试样轴压力学性能的试验研究,对不同煤矸石掺量条件下的破坏模式、抗压强度、极限应变和弹性模量等参数进行分析,得到以下结论:1)煤矸石骨料和天然砂石骨料由类似的矿物组成,但其吸水率和破碎系数相对偏大;2)轴向荷载作用下煤矸石混凝土的破坏模式以剪切破坏为主,伴随着不同程度的劈裂破坏;3)煤矸石混凝土的强度和弹性模量与煤矸石骨料掺量具有显著的呈负相关特性;4)煤矸石混凝土的变形能力与煤矸石骨料掺量具有一定的正相关特性。参考文献:1 常允新,朱学顺,宋长斌,等.煤矸石的危害与防治J.中国地质灾害与防治学报,2001(2):42-46.2 郭彦霞,张圆圆,程芳琴.煤矸石综合利用的产业化及其展望J.化工学报,2014,65(7):2 443-2 453.3 王 辰,梁惠祺,别泉泉,等.煤矸石制备机制砂的研究进展J.中国煤炭,2021,47(7):68-76.4 黄艳利,王文峰,卞正富.新疆煤基固体废弃物处置与资源化利用研究J.煤炭科学技术,2021,49(1):319-330.5 孙志军,李贞,赵俊吉,等.山西省典型煤电基地煤基固废综合利用研究与资源化分析J.中国煤炭,2021,47(4):70-80.6竹涛,韩一伟.煤基固废高值化利用研究J.中国煤炭,2020,46(12):86-94.7 孙 坚,耿春雷,张作泰,等.工业固体废弃物资源综合利用技术现状J.材料导报,2012,26(11):105-109.8 段晓牧,夏军武,杨风州,等.煤矸石集料性质对混凝土力学性能影响的试验研究J.工业建筑,2014,44(3):114-118.9 段晓牧,夏军武,杨建平.煤矸石细集料对水泥浆体微观结构的影响及其作用机理J.建筑材料学报,2014,17(4):700-705.10 李永靖,邢 洋,张旭,等.煤矸石骨料混凝土的耐久性试验研究J.煤炭学报,2013,38(7):1 215-1 219.11 朱愿愿,王爱国,孙道胜,等.煅烧煤矸石细骨料特性及其对砂浆性能的提升作用J.煤炭报,2021,46(11):3 657-3 669.12 顾 云,张 彬.煤矸石集料混凝土工作与力学性能研究J.混凝土,2019(7):71-73.13 白国良,朱 超,王建文,等.煤矸石混凝土梁受剪性能试验研究J.建筑结构学报,2020,41(12):49-55.14 潘 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