煤矸石混凝土性能研究

中国矿业大学

2013级博士研究生课程考试试卷

考试科目新型土木工程材料

考试时间2014.1

学生姓名陈晓淼

学号ZS********

所在院系力建学院

任课教师吕恒林教授

中国矿业大学研究生院培养管理处印制

煤矸石混凝土性能研究

陈晓淼 ZS13030029 力建学院

摘要：煤矸石是煤炭行业发生的废物之一，对环境有严重的污染。目前我国现有煤矸石储量巨大，且逐年剧增，若不进行合理的利用，将产生巨大的社会、经济和环境的损失。利用煤矸石生产集料来拌制水泥混凝土，可以大量减少土木工程中对天然集料的使用量，具有较好的经济效益和社会效益。煤矸石混凝土主要包括两种，一种是掺入水泥中作为胶凝材料；另一种是作为粗细骨料替代天然砂和天然石。煤矸石混凝土的性能主要包括耐久性和力学性能，力学性能主要以抗压强度和抗折强度作为衡量指标，耐久性主要以抗渗、抗冻、干燥收缩、透水系数、抗裂性、抗氯离子渗透、耐磨性、护筋性、碱骨料反应等作为衡量指标。本文主要从煤矸石混凝土的耐久性和力学性能两方面对现有两种煤矸石混凝土的研究进行综述，分析利用煤矸石进行制作混凝土的可行性，为实际中进一步应用煤矸石混凝土提供可用的配比和应用指导。

关键词：煤矸石；混凝土；耐久性；力学性能；

1引言

煤矸石是煤炭开采和加工过程中排出的废弃岩石，是一种在煤形成过程中与煤层伴生的含碳量较低的岩石。当煤矸石受到降雨等因素而处于浸水状态时，其中的粉尘和有害离子就会污染环境[1]。综上所述，今后相当长时间内，煤炭在能源中将仍占主要地位，其产生的煤矸石严重危害生态环境，如能对其进行开发利用，便可实现废弃物重利用且减少对环境的危害，具有显著经济社会环境效益，用煤矸石生产混凝土是一条很好的路径。目前已有许多学者进行相关研究，然而目前为止的研究，其内容过于复杂，本文仅从宏观上对煤矸石混凝土力学性能和耐久性进行研究综述。分析影响煤矸石混凝土力学性能和耐久性的影响因素，以期通过改变优化影响因素实现煤矸石混凝土性能的提升，并提出适合实际工程的优化配合比，对实际工程应用提出指导建议。

2 煤矸石在混凝土应用现状

煤矸石的化学成分主要是2SiO 、23Al O 和C 。其次是23Fe O 、CaO 、MgO 、

2Na O 、2K O 、3SO 、25P O 、N 和H 等。此外，也常含有少量 Ti 、V 、Co 和Ga 等金属元素[2]。煤矸石的矿物成分以黏土矿物和石英为主，常见矿物为高岭土、蒙脱石、伊利石、石英、长石、云母和绿泥石类。现在对于煤矸石在混凝土中的应用主要包括两种，一种是将煤矸石作为粗细骨料掺入混凝土中，另一种是将煤矸石作为胶凝材料掺入混凝土中。

2.1煤矸石作为粗细骨料

煤矸石经破碎后，粒径在0.16mm~4.75mm 的经过筛分试配制成煤矸石砂，也称为矸砂，用矸砂替代天然砂的使用，可减少对于河砂等得使用，避免环境损

坏。而破碎后粒径大于4.75mm的颗粒作为粗骨料使用。现应用较多的是将煤矸石破碎后作为粗细骨料同时使用，以达到最大限度的使用煤矸石的目的。

（a）煤矸石粗骨料（b）煤矸石细骨料

图1 煤矸石骨料

2.2煤矸石作为胶凝材料

煤矸石作为胶凝材料应用主要分为两方面，其一是作为矿物掺合料，与水泥及其他掺合料共同作为混凝土中的胶凝材料，许多学者考查了掺煤矸石混凝土的耐久性，发现掺入煤矸石后，混凝土密实度提高，具有较好的抗冻性，抗渗性，抗硫酸盐侵蚀，较低的氯离子扩散速度和护筋能力[34]。

另一种是代替水泥原料生产煤矸石水泥，由于煤矸石是一种富铝的黏土质原料，易磨，易烧性好，适于水泥厂作原料全部或者部分代替黏土生产水泥。而且煤矸石本身也还有一定量的炭，这在水泥熟料煅烧的过程中还能提供热量，节省一部分煅烧燃料。

目前大部分的研究都集中于将煤矸石作为矿物掺合料和粗细骨料进行砂浆和混凝土的研究，而对于将其作为煤矸石水泥的研究比较少，后续的研究可针对此方向进行深入研究。

3 煤矸石混凝土力学性能研究

3.1力学性能相关研究

曹露春与张志军[5]采用正交试验方法分析讨论主要原材料和配比对煤矸石透水混凝土抗压强度的影响。采用水灰比分别为0.30、0.35、0.40三个水平；骨料粒径分别为2.5~5mm、5~10mm、10~15mm三个水平；骨胶比（骨料与胶凝材料之比）选用4.0、4.5、5.0三个水平，通过对试验结果分析认为使用煤矸石骨料代替天然骨料是完全可行的，煤矸石骨料粒径是决定混凝土强度的重要因素，且两者为正比关系，水灰比直接决定煤矸石骨料颗粒之间接触水泥浆体的强度以及水泥浆体与集料的粘结强度，间接决定透水混凝土的整体强度和透水系数。他们[6]又采用水洗过的煤矸石做了相同变量的试验，通过对试验结果进行分析得出

相同的结论，即煤矸石骨料粒径的决定混凝土强度的主要因素。

揣丹[7]采用煤矸石为主要原料，制备了一种新型的泡沫混凝土。设计42.5级水泥与煤矸石4组配合比，做成混凝土砌块并进行相关强度试验。按照国家标准GB/T50081—2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》的方法进行硬化混凝土的3、7、28d抗压强度和抗弯拉（折）强度测试。研究认为随着龄期的增加，强度增加趋势都很明显，混凝土强度随着煤矸石用量增大而下降。

蔺喜强等[8]的试验采用C40和C60两种强度混凝土，每种强度的混凝土共设4组，其中三组分别掺入煤矸石，粉煤灰，矿粉与纯水泥进行比较。试验可得活化煤矸石掺合料的需水量较粉煤灰和矿粉高，煅烧煤矸石粉对混凝土有早期的增强作用，且具有后期的强度增长保持能力；其活性介于粉煤灰和矿渣之间，比较接近矿渣。蔺喜强等[9]还对活化后的煤矸石进行研究，分析其对煤矸石混凝土力学性能的影响，得出煤矸石最佳活化煅烧温度为900℃，煅烧后的煤矸石具有良好的易磨性，最佳粉磨时间为15 min，比表面积达5502

m/kg左右为宜。煤矸石经过900℃的高温煅烧其结构膨胀及成分挥发，出现较为明显的颗粒状结构并伴有一定的孔洞结构。孔洞和颗粒状结构最适于煤矸石活性作用的发挥。煤矸石掺合料的需水量较粉煤灰和矿粉高，在一般混凝土中活化煤矸石粉对混凝土工作性影响小，在高强混凝土中对混凝土工作性影响较大。

孟文清等[10]利用回归方程分析粉煤灰、石灰粉掺量对煤矸石混合料劈裂强度的影响。粉煤灰相对于石灰粉的掺量不宜过小，否则将对煤矸石混合料劈裂强度产生不利影响。粉煤灰通过与足量的石灰粉发生作用来提高煤矸石混合料的劈裂强度，因此，石灰粉的掺量不宜太小。但是，当石灰粉相对于粉煤灰的掺量过大时，将对煤矸石混合料劈裂强度产生不利影响。

孙家瑛[11]对煤矸石炉渣取代天然砂的混凝土进行了相关试验，通过分析抗压强度、抗折强度研究煤矸石炉渣对混凝土性能的影响。孙家瑛先研究煤矸石炉渣对水泥砂浆强度的影响，设定煤矸石炉渣取代天然砂用量为30%，50%和80%，分析得煤矸石炉渣掺量的增加使得需水量增加，从而使水泥砂浆强度有所下降。与基准砂浆28d抗压强度（53.8MPa）相比，掺80%煤矸石炉渣砂浆的28d抗压强度下降至32.2MPa，下降幅度达40%左右。从试验结果还可以发现，在保持需水量不变的条件下，随煤矸石炉渣掺量的增加，水泥砂浆强度先有明显提高，后逐渐降低。究其原因是煤矸石炉渣具有潜在的水硬活性，可以参与水泥水化，所以宏观上表现出水泥砂浆强度先扬后抑。再对掺入不同量煤矸石的混凝土强度进行研究，研究发现随着煤矸石炉渣掺量增加水泥混凝土强度也是先扬后抑。这主要是由于煤矸石炉渣替代天然砂，对混凝土起到两个互为相反的作用所决定的：一方面是煤矸石炉渣具有潜在的水硬活性，在混凝土成型、凝结过程和硬化过程中可参与水泥水化，改善混凝土水泥浆与集料间界面结构与性能，所以在宏观上表现出混凝土强度提高；另一方面，煤矸石炉渣吸水率高达10%以上，使混凝土在大量使用煤矸石炉渣替代天然砂时成型困难，水泥水化不充分，导致混凝土强度明显下降。