煤矸石混凝土力学性能研究进展 (1).pdf

第 7 期 山 西 焦 煤 科 技 No.72023 年 7 月Shanxi Coking Coal Science&TechnologyJul.2023专题综述收稿日期:2023-02-26基金项目:吉林省科技发展计划项目(20210203178SF;20200602002ZP)作者简介:李九阳(1972),女,河南济源人,2005 年毕业于西安建筑科技大学,教授,主要从事建筑结构与抗震的研究(E-mail)429838648 煤矸石混凝土力学性能研究进展李九阳1,2,罗靖炜1,范辛美1,朱岳鹏1,陈立1,胡广朝1(1.长春工程学院 土木工程学院,吉林长春130012;2.吉林省建筑一体化集成技术科技协同创新中心,吉林长春130012)摘要煤矸石是煤矿开采伴随的固体废弃物,为了降低煤矸石的堆积对周围环境造成的污染,最有效的方式是使用煤矸石作为混凝土骨料。介绍了煤矸石混凝土的研究现状,对煤矸石混凝土的抗压强度、抗拉强度等力学性能指标进行了总结。通过归纳煤矸石混凝土的断面特征与破坏形式总结出其破坏规律,此外,介绍了煤矸石混凝土的不同改性方法,随着煤矸石取代率的增加,煤矸石混凝土的力学性能呈降低趋势,通过掺入一定的钢纤维、聚丙烯纤维、粉煤灰等材料或经过煅烧、研磨处理等手段可明显改善煤矸石混凝土力学性能。关键词煤矸石;混凝土;力学性能;抗压强度;抗拉强度中图分类号:TD849.5文献标识码:B文章编号:1672-0652(2023)07-0043-04煤炭是我国最主要的能源之一,其资源丰富,储量巨大,而煤矸石是煤矿开采过程中产生的固体废弃物。截至 2022 年我国煤矸石累计堆积量已突破 60亿 t,占用土地 1.3 万公顷1.露天堆放的煤矸石不但侵占大量的土地,而且会污染大气,同时雨水会溶解煤矸石中的有害物质并渗透到土壤里面,改变土壤的酸碱性2,治理过程会消耗大量的人力、物力、财力等。此外,在国家“双碳”政策的趋势下,为了实现经济的可持续发展和资源多元化应用,绿色建筑材料将会成为重要的研究方向。因此,如何将煤矸石及其产物应用到建筑工程中成为了当前的研究热点。早在 20 世纪 70 年代,我国就开始了对煤矸石的研究3-5,但是早期对煤矸石的利用率并不高,直到近 10 年对煤矸石的利用才逐渐多样化6,例如制陶、制砖、生产化工产品、农业肥料等,但这些处理方式利用率低、耗能高且不能大规模地利用,而把煤矸石作为混凝土中的骨料,是处理煤矸石最经济、最高效的利用方式7.但掺入煤矸石会导致混凝土的力学性能降低,因此研究分析煤矸石对混凝土力学性能的影响是研究煤矸石应用的首要问题。基于此,对国内外学者有关煤矸石混凝土力学性能的研究进行了总结,分析了煤矸石的掺入对立方体抗压强度、劈裂抗拉强度、抗折强度的影响。1煤矸石混凝土的力学性能1.1抗压强度抗压强度是混凝土最基本的力学性能之一,作为各种力学指标的基础,研究煤矸石混凝土抗压强度是分析煤矸石混凝土力学性能的第一步。陈本沛8的研究表明,未筛分的天然级配煤矸石所制成的混凝土,抗压强度明显低于普通混凝土。煤矸石混凝土的破坏机理与普通混凝土不同,当采用低强度的水泥基体时,其破坏的薄弱面主要出现在骨料与水泥基体接触界面,见图 1(a).当采用高强度的水泥基体时,破坏界面转为了煤矸石骨料的破坏,见图 1(b).朱泽忠9对淮南地区煤矸石强度的研究表明,煤矸石的强度只有普通石子的 52.04%,并从材料自身强度、压碎指标与实验结果等方面,综合确定了煤矸石作为粗骨料的适配强度是 C30.图 1普通混凝土和煤矸石混凝土破坏形式对比图8张金喜10和顾云11等通过煤矸石不同掺量下的抗压强度试验得出,煤矸石的掺入能略微提高早期强度,随着掺量的增加轴心抗压强度逐渐增大。白朝能等12通过煤矸石在 C30 混凝土骨料不同取代率的试验得出,随煤矸石粗骨料取代率的增加,混凝土的抗压强度呈线性降低的关系,在粗骨料取代率低于 45%时,降低的不明显。煤矸石由于自身强度指标低于普通碎石,多数早期研究的煤矸石骨料未经过筛分处理,导致针、片状含量较高,存在大量节理,在大多数情况下只适用于C30 及以下的混凝土。早期研究并未对煤矸石进行更细致的分类及研究,因此对不同矿区的煤矸石进行种类、尺寸的归类是十分必要的。王艳等13对不同矿区的煤矸石进行宏观指标和细观指标的分析,提出了用煤矸石粗骨料的形状统计指标(球度、角数、纹理)来分析工作性和强度。研究表明,压碎指标和吸水率越小的煤矸石粗骨料配制的混凝土强度越好;压碎指标相同时,球度越高且纹理和角数越小,粗骨料与水泥砂浆界面结合越差,抗压强度越低。段晓牧等14-15通过对自燃与非自燃煤矸石与不同级配、预处理方式对煤矸石集料力学性能的影响研究表明:非自燃煤矸石混凝土的抗压强度在不同龄期下均高于自燃煤矸石混凝土。因为自燃煤矸石活性较高,使用自燃煤矸石作细集料的混凝土拥有较好的早期抗 压 强 度。此 外,自 燃 煤 矸 石 粗 骨 料 在 经 过24 h 湿润处理后,抗压强度有明显提高。Yu Linli 等16使用煤矸石细骨料制备砂浆和混凝土并进行了微观分析,结果表明,使用煤矸石作细骨料后,对混凝土力学性能的影响主要表现在二次水化反应和改善微观结构,其中,与普通混凝土不同的是在水化过程中产生了一种新的水化产物“斜方钙沸石”。当煤矸石细骨料对天然河沙取代率为 25%时,煤矸石砂浆和煤矸石混凝土能到达最佳抗压强度。综上所述:煤矸石混凝土的早期强度增长较快。由于煤矸石自身的强度较低,煤矸石混凝土的抗压强度随着煤矸石掺量的增加而降低,只有当水泥砂浆的强度与煤矸石的强度相近时,才能充分利用煤矸石材料的强度;采用煤矸石作为粗骨料时,由于煤矸石疏松多孔的特性,混凝土的适配强度为 C30,并且掺量在 40%45%时,强度降低最少。采用煤矸石作为细骨料时活性较高,水化时能使混凝土孔隙趋于密实,特别是在 20%25%掺量的煤矸石细骨料能达到最佳的抗压强度。1.2劈裂抗拉强度劈裂抗拉强度是影响煤矸石混凝土抗裂性能的重要指标,试验中大多使用劈裂试验法测试煤矸石混凝土的抗拉强度。郝亮等17的研究表明:煤矸石混凝土抗拉破坏形式与普通混凝土不同,劈裂面单一,多数贯穿粒径较大的煤矸石,这是由于煤矸石表面粗糙且吸水率强,导致黏接界面的水灰比较小,使得水泥基体与骨料的黏接强度高,而煤矸石细骨料的强度要低于普通碎石骨料,所以煤矸石混凝土抗拉强度受煤矸石细骨料的影响较大。牛晓燕等18对煤矸石进行预处理后发现,当非自燃煤矸石混凝土的取代率为 50%时抗拉强度较大,饱和面干状态下的非自燃混凝土骨料会导致抗拉强度的降低,并且间 断级配的抗 拉 强 度 高 于 连 续级配。李文龙19通过掺入玻璃纤维、粉煤灰来改善煤矸石力学性能。研究表明,玻璃纤维的掺入能够产生复合效应,使得混凝土成为致密的均匀整体,减少薄弱界面,此外,混凝土的抗裂性能由于粉煤灰的掺入得到提高,从而综合提升煤矸石混凝土的劈裂抗拉强度。杨秋宁等20研究了聚丙烯纤维、聚乙烯醇纤维以及钢纤维煤矸石混凝土的力学性能。研究表明,适量的纤维掺入利于提高煤矸石混凝土的抗拉强度,强度增幅与龄期呈正相关,28 d 抗拉强度提升 101.7%,其中 2%掺量的钢纤维性能最佳,由于纤维端头锚固44山 西 焦 煤 科 技2023 年第 7 期作用能抑制裂缝开展从而增强抗拉强度。综上所述:煤矸石由于其疏松多孔的特点,导致以它为骨料的煤矸石混凝土抗拉强度比普通混凝土要低,并且煤矸石无论煅烧与否,其自身强度均小于普通碎石,纤维的掺入有助于提高煤矸石混凝土的抗拉性能,其中钢纤维的提升作用最高。此外不同学者在研究煤矸石混凝土的抗拉强度过程中,基于不同的煤矸石取代率试验参数,建立了劈裂抗拉强度与抗压强度的换算公式,并具有较高的拟合精度,见表 1.表 1煤矸石混凝土抗拉强度计算式表文献煤矸石取代率公式210%、30%、50%、70%、100%fspt=0.076f0.75c(1)220%、25%、50%、75%、100%fspt=0.19fc0.7(2)160%、25%、50%、75%、100%fspt=0.24f0.68c(3)230%、30%、50%、70%、100%经煅烧处理 fspt=0.407 23f0.491 43cu(R2=0.866)(4)注:fspt为劈裂抗拉强度;fc为轴心抗压强度;fcu为标准立方体抗压强度。1.3抗折强度抗折强度是梁在弯曲应力下,单位面积所能承担的最大荷载,也是煤矸石应用于建筑结构中的一项重要控制指标。张斌斌等24对煤矸石对混凝土力学性能的影响进行了总结,研究表明,煤矸石取代率的增加会导致混凝土基体内部的应力集中现象增加,从而导致抗折强度降低。苏煜翔21对煤矸石混凝土水灰比对抗折强度的影响进行研究,结果表明,随着水灰比的增大,抗折强度不断降低,当水灰比为 0.15 提高到 0.35 时,抗折强度降低 42.3%.刘瀚卿等25于 2022 年对不同矿源煤矸石混凝土的抗折强度进行了分析,研究表明煤矸石的含碳率影响混凝土的抗折强度,煤矸石含碳率越大,混凝土抗折强度越低,并得出了更为精确的不同矿源煤矸石混凝土的抗折强度拟合公式,见表 2.由于煤矸石疏松多孔的特性,导致增加煤矸石掺入将会降低混凝土基体的抗折强度,改善煤矸石的自身性能与增强煤矸石与水泥的界面黏接力逐渐成为研究的热点。周梅等26通过在自燃煤矸石混凝土中掺入剪切型钢纤维从而增强其力学性能,结果表明,钢纤维能够改善混凝土的脆性特征,并且随着钢纤维掺入增加,能够产生更强的“边壁效应”提高抗折强度。当钢纤维的掺量升高到 2%时到达峰值,抗折强度较未掺入增加 72.27%.杨秋宁等20的研究表明,抗拉强度高的纤维在混凝土开裂时桥接作用明显,另外,纤维长径对抗折强度提高作用比纤维本体抗压强度的提升作用明显。在钢纤 维 掺 量 为 2%,28 d 龄 期 下 抗 折 强 度 能 达5.6 MPa.李佳鑫等27使用物理活化和化学活化复合,激发煤矸石骨料的活性,使得试件在不降低早期强度的同时 提 高 中、后 期 强 度,其 中 抗 折 强 度 能 够 提 升5.97 MPa.综上所述:由于煤矸石内部的孔隙较多,导致其抗折强度相对较低,并且影响煤矸石混凝土的主要因素为孔隙率、含碳量和水泥基体强度。掺入纤维材料后产生的桥接效应能够明显提高基体的抗折强度与韧性,煤矸石在通过激发剂活化、研磨或煅烧处理后都能对混凝土的抗折强度有较大幅度的提升。不同学者在研究煤矸石混凝土的抗拉强度过程中,基于不同的煤矸石取代率试验参数,建立了抗折强度与抗压强度的换算公式,并具有较高的拟合精度,见表 2.2结论与展望2.1结论1)煤矸石质地疏松多孔,且自身强度比普通碎石低,掺入后会导致混凝土抗压强度降低,破坏时界面主要为煤矸石骨料的贯穿破坏,只有在水泥砂浆的强度与煤矸石的强度相近时,才能充分发挥煤矸石材料的强度。由于煤矸石孔隙率、吸水率较大,使其易吸收拌合时的水分,导致界面水灰比降低,从而提高混凝土的早期强度。2)不同地区产出的煤矸石的成分有较大差异,其强度指标也不相同。自燃煤矸石相较于非自燃煤矸石孔隙更大,强度更低,但自燃煤矸石有着更优的542023 年第 7 期李九阳等:煤矸石混凝土力学性能研究进展火山灰活性与更强的界面黏结力。岩质煤矸石在做粗骨料时要比自燃煤矸石拥有更好的抗压强度。表 2煤矸石混凝土抗折强度计算式表文献煤矸石取代率公式210%、30%、50%、70%、100%ff=rcfcu,c=-0.894 5x+0.839 7r=1.685 5r-0.008(5)250%、25%、50%、75%、100%ff=(-0.56r2+0.53r+0.8)exp(11.6C)fcu(6)230%、30%、50%、70%、100%经煅烧处理 ff=0.209 910.793 01fcu(7)注:ff为抗折强度;fcu为标准立方体抗压强度;r 为煤矸石取代率;C 为煤矸石骨料含碳率。3)煤矸石骨料预湿后能够较大提高混凝土的力学性能,且自燃煤矸石在预湿后强度拥有更明显的增幅,在浇筑后采用高温水养护能够激发火山灰活性从而提高基体强度。2.2展望1)我国不同地区产出的煤矸石化学成分、力学性能等指标有较大差异,即使是同一矿区产出的煤矸石也反映出不同的性能。因此,对于煤矸石骨料进行分类和归纳,并进行针对性研究是未来研究的趋势。2)由于煤矸石自身的性能,通常只能应用于强度等级不高的混凝土中,如何通过处理将煤矸石应用于高性能混凝土是当前未攻克的一大难题。3)目前对煤矸石混凝土的研究大多停留在材料的基础物、化性能上,如何通过合适的预处理或活化技术高效地将煤矸石应用于建筑结构、路基路面中是提高煤矸石利用率的关键。参考文献1王玉涛.煤矸石固废无害化处置与资源化综合利用现状与展望J.煤田地质与勘探,2022,50(10):54-66.2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):42-46.3张伟龙,刘刚.煤矸石资源化利用技术研究新进展J.陕西煤炭,2022,41(5):149-152.4佚名.轻质建筑材料的新品种自燃煤矸石陶粒及其混凝土建筑制品J.硅酸盐建筑制品,1977(2):4-10.5佚名.煤矸石无熟料水泥混凝土空心砌块J.硅酸盐建筑制品,1976(2):28-35.6杜恒.煤矸石处置与综合利用研究J.能源与环保,2022,44(3):139-145.7陈炜林.煤矸石作为水泥混凝土骨料可行性的基础研究D.北京:北京工业大学,2010.8陈本沛.煤矸石混凝土的强度J.工业建筑,1994(7):29-32,42.9朱泽忠.煤矸石混凝土的研制及其性能测试D.淮南:安徽理工大学,2014.10张金喜,陈炜林,杨荣俊.煤矸石集料基本性能的试验研究J.建筑材料学报,2010,13(6):739-743.11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):71-73.12白朝能,李霖皓,沈远,等.煤矸石作为粗骨料对混凝土力学性能的影响J.四川建材,2018,44(8):1-3.13王艳,左震,文波,等.煤矸石粗集料理化性质和形状特征对混凝土强度的影响J.矿业科学学报,2022,7(5):554-564.14段晓牧.煤矸石集料混凝土的微观结构与物理力学性能研究D.徐州:中国矿业大学,2014.15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):114-118.16YU Linli,XIA Junwu,XIA ze,et al.Study on the mechanical behavior and micro-mechanism of concrete with coal gangue fine and coarse aggregateJ.Construction and Building Materials,2022,338.17郝亮,谭小蓉.煤矸石混凝土力学性能试验研究J.中国煤炭,2016,42(11):116-121.18牛晓燕,高琦翔,李深圳,等.非自燃煤矸石粗骨料对混凝土力学性能的影响J.河北大学学报(自然科学版),2022,42(2):131-138.19李文龙.掺玻璃纤维粉煤灰煤矸石骨料混凝土强度与抗裂性能试验研究J.建筑结构,2020,50(13):49-53.20杨秋宁,景严谊,张东生.纤维及矿物掺合料对煤矸石混凝土力学性能的改性研究J.功能材料,2022,53(7):7150-7156.21苏煜翔.煤矸石混凝土基本力学性能试验研究D.西安:西安建筑科技大学,2021.22Gao S,Guo L.Utilization of coal gangue as coarse aggregates in structural concreteJ.Construction and Building Materials,2020.23董作超.煤矸石集料混凝土的力学性能与抗碳化试验研究D.徐州:中国矿业大学,2016.24张斌斌,秦原,谢刚.煤矸石混凝土的抗渗性能和力学性能分析J.江西建材,2020(6):5-6.(下转第 52 页)64山 西 焦 煤 科 技2023 年第 7 期间较长而使装置发生故障。3)在尾煤去粘连部分中的铁丝固定圆形铁片上,因为要分散的对象是粒度很小的尾煤,所以选择半径很小的细铁丝,而细铁丝在转动时会遇到尾煤带来的阻力发生弯曲现象,所以在铁丝的另一端加上了一圈铁皮,固定铁丝的同时也避免了弯曲的情况。4)选用双面筛进行尾煤运输提取,在获得尾煤样的同时还能够控制煤样的粒径,为后期进行图像处理提供了便利。5)选择调速电机,因为每次双面筛所接煤样的粘连度不同,需要根据实际情况调速控制铁丝的转速,实际转速应根据尾煤颗粒的大小与煤粒的粘连程度来确定。在实验阶段,若拍摄照片煤粒粘连的情况过多,需要人工改变转速。6)当双面筛进入到溢流堰时要控制双面筛在溢流堰中的移动速度,保证接到的尾煤样不能太多和太少,否则拍出的照片达不到效果。4应用效果分析为了了解装置的拍摄及图片情况,在实验室模拟现场工作环境采集了 50 组照片,由于采集时图像的清晰度问题,对采集图像进行了图像增强等一系列的预处理操作后得到特征明显的图像,并在这 50 组照片中选择了特征最为明显的同一煤种,同一状态下的两组图像进行分析对比。实验结果图见图 4.由图 4 可观察到手动采集的尾煤样明显粘连现象比较严重,煤粒之间间距比较近,而且数目较多,对图像识别带来了难度,但是经过该装置处理后煤粒的个数变少了,而且颗粒之间的粘连大部分得到了分离,达到了一定的拍摄效果。图 4实验结果对比图5结论尾煤识别图像装置中双面筛的传动装置的设计解决了图像识别煤样在溢流堰难以提取的问题,尾煤去粘连部分的装置一定程度上克服了在尾煤图像获取时煤样粘连现象严重的问题。此装置把自动控制和计算机视觉相互结合,在一定程度上解决了机器视觉检测尾煤的相关特征时出现的一些外在影响因素,降低了在尾煤图像识别拍摄过程中因颗粒粘连带来的误差。参考文献1白亚腾.基于机器视觉的煤质检测关键技术研究D.徐州:中国矿业大学,2020.2董志勇.浮选尾煤灰分和粒度特征的图像检测与建模研究D.太原:太原理工大学,2018.(上接第 46 页)25刘瀚卿,白国良,朱可凡,等.煤矸石粗骨料混凝土抗折强度试验研究J/OL.建筑材料学报:1-92022-12-02.http:/ 西 焦 煤 科 技2023 年第 7 期