孙韬，张领雷

( 1.江苏建筑职业技术学院，建筑建造学院，江苏 徐州 221116；2.江苏建筑节能与建造技术协同创新中心，江苏 徐州 221116 )

煤矸石是煤炭开采使用过程中产生的固体废弃物，通常对其进行简单破碎，然后部分替代或者全部替代天然砂石制备混凝土。其级配同砂石相近，并未考虑集料间的级配问题，且相对于普通砂石，煤矸石集料具有质量轻、强度低、表面多孔、吸水率大等特点。由此造成煤矸石混凝土强度大幅降低，工作性能变差[1-4]。集料作为混凝土的重要组成部分，占其体积的70%以上。传统的混凝土使用的是典型的粗、细二元集料，两者都有各自的级配。但通常在两者之间缺乏2.36～9.5 mm粒径范围的颗粒(即中间集料)，使得集料形成“间断级配”，堆积密度降低。为保证混凝土性能，往往增加水泥用量，造成生产成本的提高[5-6]。

因此，在保证混凝土各性能的基础上，合理使用煤矸石集料，达到优化混凝土集料级配、减少水泥用量的目的，具有重要的研究意义。国内外研究人员采用如基于混合料密度和孔隙率、粗糙度系数、8-18分布图等不同的方法，对集料的级配优化进行了多方面的研究[7-9]。

本文结合普通砂石的粒径分布，以煤矸石破碎后特定筛的筛余量配置成的煤矸石集料作为中间集料，以期达到优化普通砂石的级配的目的。并考虑石灰石粉优良的减水作用对煤矸石吸水率大等问题，掺加一定量的石灰石粉改善煤矸石混凝土的工作性能，在满足混凝土各性能要求的前提下，减少煤矸石混凝土的水泥用量。

1 原材料选配

1)水泥选用徐州中联水泥厂生产的P·C 32.5普通硅酸盐水泥(C)，其基本性能见表1。石灰石粉(LP)取自徐州市铸本混凝土公司，密度约为2.7 g/cm3，比表面积约为300 m2/kg。

表1 水泥的基本性能

2)细集料(S)选用细度模数为2.55的天然河砂，粗集料(G)为普通碎石。煤矸石(CG)取自徐州大屯煤电集团公司龙东煤矿的未自燃煤矸石，其粒径分布为0.6、1.18、2.36、4.75 mm筛网的筛余各占25%，作为砂石的中间集料(M)使用，以达到优化粗细集料级配的目的。具体砂石级配详见图1。

3)减水剂为徐州鑫固建材公司生产的聚羧酸减水剂(J)，拌和水(W)采用自来水。

2 试验方案

2.1 确定煤矸石作中间集料的最佳掺量

为实现集料的良好级配，试验通过添加煤矸石作为中间集料来优化砂石二元集料，具体试验中共制作了5类不同集料配比的试件，配合比方案详见表2。其中A0组与A1组使用砂石二元集料，且A1组的水泥用量相对减少8.3%。A0、A1组作为对照组，验证集料级配优化后，是否能够在满足混凝土使用要求的基础上，减少水泥的用量。A2组～A4组使用煤矸石作中间集料，通过控制砂石和煤矸石的组成比例得到不同的混合集料，研究煤矸石掺量对混凝土性能的影响。混凝土试件成型尺寸为100 mm×100 mm×100 mm，每个配比浇筑成型两组，每组3个试件，标准养护(温度为20±2 ℃、相对湿度为95%以上)后，测定3 d、28 d的混凝土抗压强度。浇筑过程中，观测新拌混凝土的流动性、黏聚性、保水性等工作性能，并按照规范《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》(GB/T 50080—2002)[10]，测量混凝土的坍落度或坍落扩展度。

2.2 石灰石粉对煤矸石混凝土工作性能的影响

由于煤矸石具有孔隙率大、吸水明显等特征，其掺入必然使混凝土的自由水量减少，易造成新拌混凝土干稠，流动性变差[11]。另外，混凝土中除了部分水泥和矿物掺合料参与水化反应形成水化产物，其他起填充作用。而惰性的石灰石粉可以发挥填充作用，且具有良好的减水作用。因此，将石灰石粉作为掺合料应用到煤矸石混凝土中，既能代替部分水泥起填充作用，又能代替部分细集料增加煤矸石混凝土的流动性能。试验选择表2中性能良好的方案，掺入石灰石粉，研究石灰石粉掺量对煤矸石混凝土工作性能的影响，具体实验方案如图2所示。其中A5组相比A0、A1组，水泥用量继续减少，用以验证集料级配优化后，节约水泥的上限值。A6为选定的煤矸石最佳掺量下的混凝土配合比，A7、A8组在A6组的基础上，用石灰石粉取代部分水泥和砂，以期达到普通混凝土的使用要求并能够进一步减少水泥用量。

图2 煤矸石混凝土配合比优化方案

2.3 石灰石粉对煤矸石混凝土力学性能的影响

按图2所示的煤矸石混凝土配合比优化方案成型混凝土，混凝土试件成型尺寸为100 mm×100 mm×100 mm，每个配比浇筑成型两组，每组3个试件，标准养护后，测定3 d、28 d的混凝土抗压强度，研究石灰石粉掺量对煤矸石混凝土力学性能的影响。

综上所述，为达到试验目的，整个试验过程中对每组试件均需测定表3中的参数。

表3 试验待测参数列表

3 试验结果分析

3.1 煤矸石作中间集料的最佳掺量

1)集料的级配曲线。结合普通混凝土粗细集料级配曲线、中间集料的分计筛余以及三者在混合集料中的比例(表2)，计算得到的各组混合集料的级配数据见图3。从图中可以看出，随着煤矸石掺量的增加，混合集料的中间粒径区逐渐被填充，级配曲线由间断级配的“峰-谷-峰”型逐步转化为良好级配的“干草堆”型。从混合集料的级配曲线可以看出A3、A4组基本达到良好级配的要求，集料颗粒在各粒径范围内包括中间粒径均分布良好。

图3 混合集料级配

2)煤矸石混凝土的工作性能。在对煤矸石混凝土工作性能分析之前，先对煤矸石的化学组成进行分析。利用X射线荧光分析，测得煤矸石的化学组成见表4，从表4中可以看出，该煤矸石的化学成分以SiO2和Al2O3为主，还含有部分Fe2O3及少量的CaO和MgO。利用X射线衍射分析，测得该煤矸石的矿物相主要为石英、高岭石、白云母等。

表4 煤矸石化学组成

煤矸石混凝土的工作性能变化情况见表5。随着煤矸石掺量的增加，混凝土的混合集料级配由间断级配向良好级配转变。从表5可以看出，使用煤矸石优化后的混合集料能够有效地改善混凝土拌合物的离析状态。但混凝土拌合料的塌落度明显降低，流动性能变差。相比未加煤矸石中间集料的A1组，煤矸石掺量为20%时，坍落度变为180 mm，降幅达到18.2%。添加量为30%时，坍落度为170 mm，降幅达到22.7%，流动性明显变差。这与煤矸石材料本身特点有关，煤矸石与轻集料一样，颗粒孔隙率和吸水率大。在混凝土拌和过程中，煤矸石吸水明显，减少了体系中的自由水量。煤矸石掺量越大，体系的自由水量相对越少，流动性能越差。

表5 煤矸石混凝土的工作性能比较

3)煤矸石混凝土的力学性能。从图4中可以看出，A1组的28 d抗压强度32.11 MPa要低于A0组的33.25 MPa。这是由于A1组中的水泥用量相对A0组减少了8.3%，使得包裹集料的浆体减少，试件成型不密实，造成抗压强度降低。

图4 煤矸石混凝土强度变化

随着煤矸石掺量的增加，混凝土强度呈现先上升后下降的趋势。当煤矸石中间集料添加量为混合集料的20%左右时，混凝土28 d抗压强度均达到最高，为41.55 MPa。与同胶凝材料用量的A1组相比提高了29.4%。与胶凝材料用量多8.3%的A0组相比提高了25%。主要原因有如下两点：一是添加的煤矸石中间集料改善了混凝土集料的级配，使得内部形成密实的集料骨架，内部孔隙率减小。从而使包裹集料所需的水泥浆减少，提高强度，节约水泥用量。二是未自燃煤矸石内部孔隙较多，表面粗糙，吸水率大。这就使得混凝土局部的水灰比降低，一定程度上提高了强度。综合考虑混凝土的工作性能和力学性能，试验选择20%煤矸石的最佳掺量。

3.2 石灰石粉对混凝土工作性能的影响

石灰石粉对煤矸石混凝土工作性能的影响见表5。从表5可以看出，普通混凝土中，A5组相对A0、A1组水灰比不变，水泥用量减少，坍落度降低幅度较大。这是由于随着水泥用量的减少，水泥浆体不能完全包裹混凝土集料，混凝土流动性能变差。A6组是在A3组的基础上减少水泥用量，混凝土坍落度降低，流动性能变差。A7、A8组掺入石灰石粉后减水效果明显，坍落度增加较大，尤其是A8组流动性能同普通混凝土A1组基本相当。这说明掺加石灰石粉可以明显改善煤矸石混凝土的工作性能。

3.3 石灰石粉对混凝土强度的影响

石灰石粉对煤矸石混凝土抗压强度的影响见图5。从图5可以看出，在普通混凝土中，A5组混凝土强度为30.27 MPa，较A0、A1组则强度明显降低，降幅分别为8.9%、5.7%。这是由于随着水泥用量减少，水泥浆体不能完全包裹混凝土集料，导致混凝土浇筑成型不密实。

图5 石灰石粉对混凝土强度的影响

同等水泥用量情况下，掺煤矸石的混凝土A6组混凝土强度为34.79 MPa，明显高于普通混凝土A5组。A7、A8组是在A6组煤矸石混凝土中掺加不同质量的石灰石粉，进一步减少水泥用量。A7、A8组混凝土强度相差不大，分别为34.17 MPa、34.0 MPa，但均高于普通混凝土的A0、A1和A5组。这由于石灰石粉填充了水泥和砂粒径的中间区域，使混凝土从粗集料、细集料到胶凝材料的整个体系的颗粒级配更加合理，提高了混凝土的强度。

3.4 煤矸石混凝土经济效益分析

A8组在普通混凝土的基础上使用煤矸石作中间集料，优化了混凝土的集料级配；并利用石灰石粉的减水效应，调节了煤矸石混凝土的工作性能。A8组既满足了普通混凝土的工作性能和力学性能的使用要求，又使水泥用量由最初的360 kg/m3降至270 kg/m3，降低幅度高达25%，大大降低了混凝土生产成本。其主要原因有两个方面：一方面，石灰石粉代替了混凝土中不发生反应仅起填料作用的水泥和部分细集料砂，这样既能降低水泥用量又能达到减水效果，保证流动性能。另一方面，煤矸石作为中间集料改善了混凝土集料的级配，使得其内部形成密实的集料骨架，提高了混凝土强度并减少了水泥用量。

4 结论

通过多组试验对比和对试验数据的理论分析，最终可以得出以下关于煤矸石混凝土集料配比与其性能关系的结论。

1)煤矸石作中间集料可以明显优化砂石二元集料的级配，使其由“间断级配”逐步变为“良好级配”，浇筑成型的煤矸石混凝土的力学性能明显高于仅含砂石二元集料的普通混凝土。煤矸石掺量20%时，混凝土的强度最高且水泥用量减少8.3%以上。

2)在煤矸石优化混凝土集料级配的基础上，石灰石粉替代部分水泥和砂使用，进一步优化混凝土整体组成的级配，从粗集料石、中间集料(煤矸石)、细集料砂到胶凝材料水泥、石灰石粉形成所有原材料连续级配的结构体系，获得工作性能和力学性能与对照组相当、成本进一步降低的混凝土配合比设计。

3)相对普通混凝土，掺加石灰石粉和煤矸石后的混凝土，水泥用量减少25%，大大降低了混凝土生产成本，具有明显的经济效益。