张战波，刘 辉，侯世林，陈 菲

(1.陕西陕煤陕北矿业有限公司,陕西 榆林 719300；2.中国矿业大学(北京) 深部岩土力学与地下工程国家重点实验室,北京 100083)

0 引 言

煤矸石是一种固体废弃物，其产生于煤炭开采、分选和加工过程中，总量占煤炭产量的10%～15%，占我国工业固体废弃物总产量的40%以上，是我国排放量最大的工业固体废弃物[1-3]。很长一段时间内，我国煤炭企业处理煤矸石的方法主要是堆积丢弃，煤矸石长期露天堆积不仅占用大面积土地，浪费资源，而且在阳光、雨水和风化等作用下会产生大量酸性水或含重金属的离子水，污染地下水和土壤，同时，煤矸石暴露在空气中容易自燃，产生的有害气体会污染大气[4-9]。大量堆存煤矸石给煤炭企业的经济效益和环境保护都带来了沉重的压力。

随着国家对生态环境保护和土地资源管理的重视，绿色矿山建设已上升为国家战略，煤矸石的综合利用也已成为煤矿企业必须解决的问题。煤矸石基本结构中富含SiO2与Al2O3，而混凝土组成骨料主要为砂、石集料，两者从基本组成上具有一定程度的相似性[10-14]。将煤矸石与天然砂作为骨料配制混凝土，不仅能够缓解天然骨料匮乏的压力，还能大幅减少煤矸石的堆积量，降低对生态环境的污染，提高煤矿企业的经济效益[15-17]。

近年来，已有研究对煤矸石混凝土材料与结构的性能进行了多方面探索。例如，刘宁等[18]对煤矸石制备建筑材料的种类、粒径、级配等问题进行了研究。周梅等[19]研究了砂率、颗粒级配和附加用水量等因素对自燃煤矸石砂轻混凝土拌合物工作性和强度的影响；段晓牧[20]分析了煤矸石集料的掺入对混凝土微观结构和宏观物理力学性能的影响，明确了该状态下混凝土早期收缩性能及基本力学性能；白国良等[21]对煤矸石混凝土梁的受剪性能进行了试验研究，分析了煤矸石混凝土梁斜截面的破坏形态、开裂荷载和受剪承载力；王庆贺等[22]研究了自燃煤矸石粗、细骨料掺量对钢筋混凝土梁受弯性能的影响。已有研究成果对于指导矸石混凝土材料应用起到了关键作用。然而，由于不同地区的煤矸石性质存在明显差异性，其制备的混凝土材料和结构也将具有不同力学性能，煤矸石混凝土配比方案仍需根据具体的应用环境确定。

柠条塔煤矿是陕北矿区典型特大型生产矿井之一，每年产生煤矸石180万～220万t，利用煤矸石制备混凝土材料是该矿进行煤矸石绿色处理的有效途径。因此，以柠条塔煤矿排出矸石为原材料，通过正交设计试验方法，对不同水灰比、取代率及材料用量等多因素条件下煤矸石混凝土力学性能进行系统研究，进而获得柠条塔煤矿煤矸石混凝土配比典型方案，可为陕北矿区煤矸石混凝土应用提供试验支撑。

1 力学性能试验方案

1.1 主要试验材料

1)煤矸石、特细砂。试验所用的煤矸石、特细砂均取自陕煤集团柠条塔矿。煤矸石在破碎后首先经过5 mm的筛网筛去细末，而后挑选出可见杂物、片状煤矸石以及破碎后粒径仍然过大的煤矸石，最后制备成满足级配要求的煤矸石粗骨料。

2)硅酸盐水泥。为保证原材料的易取性，试验选取普通硅酸盐水泥(PO.42.5强度等级)，用于制备强度等级为C20、C30及C40的煤矸石混凝土。

3)水。试验直接采用符合JGJ 63—2006《混凝土拌合物用水标准》的陕西西安地区的居民生活用水。

4)减水剂。试验采用萘系高效减水剂。

5)天然粗骨料。此次试验所用的粗骨料为西安本地的粗骨料，其各项物理指标均满足国家规范要求。

1.2 试验方案

试验以水灰比大小，煤矸石取代率(煤矸石粗骨料质量占全部粗骨料质量的百分比)，外加剂掺量为主要因素，通过三因素三水平正交试验设计试验方案，研究上述3种因素对C20、C30、C40三种强度下煤矸石混凝土立方体单轴抗压强度的影响，以期得出普通煤矸石混凝土的最佳配合比。正交设计因素水平设计方案详见表1。

表1 正交设计因素水平

依据JGJ 55—2011《普通混凝土配合比设计规程》，计算基准混凝土的配合比，并参考国内外相关研究成果，最终确定C20、C30、C40煤矸石混凝土力学性能正交试验配合比设计分别见表2—表4。

表2 C20煤矸石混凝土力学性能正交试验

表3 C30煤矸石混凝土力学性能正交试验

表4 C40煤矸石混凝土力学性能正交试验

1.3 试件制作及养护

按照上述配合比制备煤矸石混凝土试件，参照《普通混凝土力学性能试验方法标准》GB/T 50081—2002，每种配合比需制作立方体试块(规格：150 mm×150 mm×150 mm)12个，棱柱体试块(规格：150 mm×150 mm×300 mm)9个，每种强度等级的煤矸石混凝土有9种配合比，共制作试块189个，3种强度等级共计制作试块567个。所制试块每3块一组，其中立方体试块用于测定煤矸石混凝土7、28 d的立方体抗压强度和轴心抗拉强度，棱柱体试块用于测定煤矸石混凝土7、28 d的轴心抗压强度和28 d的弹性模量和泊松比。试件制作步骤如下：

1)清洗试模。开始制作试件前，根据试件设计尺寸准备好试模，通过人工擦拭的方法将试模内外表面擦拭干净，并在试模内表面涂一层脱模剂。

2)通过搅拌工具将混凝土搅拌均匀，确保材料充分混合，并均分为2层装入特制试件模具内；通过特制工具以顺时针方向从模具边缘向中心进行插捣作业，以求排出材料中多余气体，避免出现空心结构；作业过程中，捣棒应确保始终插捣至模具底部，捣棒应时刻保持垂直，避免倾斜；然后用抹刀沿试模内壁插捣数次；每一层中每10 000 mm2截面积内的插捣次数不得少于12次。

3)振动并抹平表面。混凝土通过捣棒充分捣实以后，将试件与试模整体放置于振动台上，同时，将抹刀压紧于混凝土试件上表面，挤出块体内多余气泡，保证试件整体平滑，随后使用铲板将多出部分抹平。

4)拆模养护。试件成型后，立即用塑料薄膜覆盖试件表面，以防止试件内部水分挥发；随后将试件静置于外部温度为(20±5) ℃的环境下，时间周期为24～48 h，之后对试件进行编号并拆模，如图1所示。拆模后，在光照良好的环境中检测试件整体成型情况，并根据外观光滑度判断其是否存在缺陷，将存在缺陷的试件废弃，将成型良好的试件静置于相对湿度为95%以上、环境温度为(20±5) ℃的标准养护室中进行养护。

图1 试件制作Fig.1 Specimen production

2 煤矸石混凝土力学性能试验

2.1 立方体试件抗压强度试验

将立方体试件放置于TYA-2000型电液式压力试验机试验台，对立方体抗压强度进行测试。按式(1)求取立方体抗压强度[23]：

(1)

式中：fcu为试件抗压强度，MPa；F为破坏荷载，N；A为试件承压面积，mm2。

2.2 试件劈裂强度试验

由于劈裂抗拉试验结果与材料轴心抗拉强度相近，且该试验方法相对简单，因此本次试验通过劈裂试验来确定混凝土的轴心抗拉强度，所采用的设备仍为TYA-2000型电液式压力试验机。立方体混凝土试件整体劈裂强度应按式(2)计算：

(2)

式中，fts为混凝土劈裂抗拉强度，MPa。

2.3 轴心抗压强度试验

由于摩擦约束作用的影响，试件承压面难以处于理想的单轴受压状态。将承压面的摩擦约束影响尽可能降低，才能使试件得到近似理想的单轴受力状态，试验采用棱柱体轴心抗压强度作为混凝土的单轴抗压强度，利用TYA-2000型电液式压力试验机进行轴心抗压强度试验加载。混凝土轴心抗压强度按式(3)计算：

(3)

式中，fc为混凝土轴心抗压强度，MPa。

2.4 弹性模量与泊松比试验

煤矸石混凝土弹性模量与泊松比试验采用WAW-1000型微机控制电液伺服万能试验机，数据采集采用TDS-530型数据采集仪。

在测定混凝土弹性模量与泊松比时，通过在煤矸石混凝土试块表面粘贴应变片测量其横向与纵向应变。由于混凝土试块在浇筑时其上表面与底面不均匀性较大，因此将应变片粘贴于试件侧面。应变片沿中线分别粘贴于试件的2个侧面，其中一个侧面竖向粘贴应变片以测量其竖向应变，另一个侧面横向粘贴应变片以测量其横向应变。

混凝土弹性模量按式(4)计算：

(4)

式中：Ec为混凝土弹性模量，MPa；F0为应力为0.5 MPa时的初始荷载值，N；Fa为应力为1/3轴心抗压强度时的荷载，N；L为测量标距，mm；n=εa-ε0，其中εa为荷载为Fa时试件的变形值，ε0为荷载为F0时试件的变形值。

试验中，每次加载过程都应在恒定压力F0和Fa作用下，记录对应的横向应变和竖向应变，并按式(5)计算泊松比：

μ=εlat/εax

(5)

式中：μ为泊松比；εlat、εax分别为试件横向/纵向应变差值的绝对值，mm。

力学试验过程如图2所示。

图2 力学性能试验Fig.2 Mechanical properties test

3 试验结果与分析

将煤矸石混凝土试块养护至指定龄期(7、28 d)后，按照上述试验方法进行试验、计算，最终得到试验结果。

3.1 立方体抗压强度试验

C20、C30及C40煤矸石混凝土立方体抗压强度试验结果见表5。

由表5可知，对于本次试验浇筑的C20、C30、C40三种强度等级的煤矸石混凝土，取代率为80%的28 d混凝土立方体抗压强度分别为取代率为0时的64.1%、63.4%、62.2%，而取代率为100%的28 d混凝土立方体抗压强度分别为取代率为0时的53.0%、56.8%、61.5%。取代率为100%的煤矸石混凝土强度并没有达到预期，C20煤矸石混凝土的实际强度为C15；C30煤矸石混凝土的实际强度在C20～C25；C40煤矸石混凝土的实际强度在C25～C30，总体上强度偏低。分析其原因，主要由于本次煤矸石混凝土试验采用的是特细砂，由其物理指标可以看出，特细砂的颗粒级配较差，含泥量偏大，表观密度偏小，这将对混凝土强度产生不利影响。

由表5同样可知，对混凝土立方体抗压强度影响最显著的因素是煤矸石取代率，其次为水灰比，而对混凝土立方体抗压强度影响程度最小的因素为减水剂掺量。基于陕北矿业柠条塔煤矿现场条件，结合实际需要浇筑强度等级为C20的巷道地坪，对比本次普通煤矸石混凝土力学性能试验结果，确定选取C30普通煤矸石混凝土，其最佳配合比为：煤矸石取代率为100%、水胶比为0.45、不掺加减水剂，即水泥、水、黄砂、煤矸石质量比为1∶0.45∶1.31∶2.67。

3.2 劈裂强度试验

C20、C30及C40煤矸石混凝土劈裂强度试验结果见表6。

表6 立方体劈裂强度

由表6可知，试样中，28 d龄期中煤矸石取代率为0的混凝土的劈裂强度基本满足《混凝土结构设计规范》GB 50010—2010中规定的混凝土抗拉强度标准值要求，而取代率为80%、100%的煤矸石混凝土劈裂强度不能达到规范要求。煤矸石本身具备较低的抗拉强度，当其作为骨料的配比越高时，相应试件抗拉强度也将越低。

3.3 轴心抗压强度试验

C20、C30及C40煤矸石混凝土轴心抗压强度试验结果见表7。

表7 轴心抗压强度

根据表5、表7的试验结果，对2种龄期(7、28 d)取代率分别为80%和100%的煤矸石混凝土的立方体抗压强度和轴心抗压强度进行回归分析，得到的回归曲线如图3所示。

图3 抗压强度与轴心抗压强度的回归分析Fig.3 Regression analysis of compressive strength and axial compressive strength

煤矸石取代率为80%和100%的回归方程分别为fc=0.769 77fcu(决定系数R2=0.912 59)、fc=0.768 67fcu(决定系数R2=0.869 25)。回归分析结果与现行国家规范中对普通混凝土的要求(fc=0.76fcu)相近，说明煤矸石取代率为80%和100%的混凝土轴心抗压强度能够满足现行国家规范的要求。

3.4 弹性模量与泊松比试验

利用WAW-1000型微机控制电液伺服万能试验机，得到C20、C30和C40三个强度等级2种取代率(80%、100%)的煤矸石混凝土的应力-应变曲线，如图4所示。

由图4可知，煤矸石混凝土的全应力-应变曲线总体形状与普通混凝土相似。弹性上升阶段，应力与应变基本呈现线性增长，随着应力的增加，相应的试件应变也在增加，试件中逐渐出现了塑性变形，开始出现微裂隙，曲线的斜率逐渐减小，此时，试件纵向应变为负值，横向应变为正值，表明试件竖向产生压缩变形，横向产生拉伸变形；当试件所受应力达到(0.8～0.9)fc时，体积压缩变形达到极值，此后，试件承受应力达到峰值，此时的应力被称为峰值应力，表明试件达到极限受力状态，峰值应力体现为试件的抗压强度值，峰值应力状态下的应变被称为峰值应变；此后随着试件应变的增大，应力反而不断减小，曲线呈现下降状态，随着变形的发展，微裂缝逐渐扩展，试件表面形成若干条裂缝，此时应力-应变曲线出现突然下降，且坡度较陡，越过拐点后，随着变形增大，应力-应变曲线逐渐趋于水平，进入残余强度阶段。

本次不同取代率、不同强度等级的煤矸石混凝土弹性模量试验值见表8。

表8 弹性模量试验值

由表8可知，2种取代率的煤矸石混凝土的弹性模量随着强度等级的增大而增大。取代率为100%的煤矸石混凝土的弹性模量低于取代率为80%的煤矸石混凝土，对比普通混凝土弹性模量规范值，普通混凝土的弹性模量明显大于上述2种取代率煤矸石混凝土的弹性模量。

取代率分别为80%和100%的煤矸石混凝土的泊松比试验值见表9。

由表9可知，煤矸石混凝土的泊松比试验值离散性很大，变化规律不明显，这也说明煤矸石粗骨料的力学性能波动性较大。

表9 泊松比试验值Table 9 Test value of Poisson’s ratio

4 结 论

1)煤矸石取代率对立方体抗压强度影响最为显著，对于C20、C30、C40三种强度等级的煤矸石混凝土，取代率为80%的28 d混凝土立方体抗压强度分别为取代率为0时的64.1%、63.4%、62.2%，而取代率为100%的28 d的混凝土立方体抗压强度分别为取代率为0时的53.0%、56.8%、61.5%。与天然骨料混凝土相比，煤矸石混凝土力学性能较差，总体上强度偏低。

2)基于陕北矿业公司柠条塔煤矿实际需要浇筑强度等级为C20的巷道地坪，对比本次普通煤矸石混凝土力学性能试验结果，确定普通煤矸石混凝土的最佳配合比为：煤矸石取代率为100%、水胶比为0.45、不掺加减水剂，即水泥、水、黄砂、煤矸石质量比为1∶0.45∶1.31∶2.67。

3)对7、28 d两种龄期，取代率分别为80%和100%的煤矸石混凝土的立方体抗压强度和轴心抗压强度进行回归分析，得到的回归方程分别为fc=0.769 77fcu(决定系数R2=0.912 59)、fc=0.768 67fcu(决定系数R2=0.869 25)。回归分析结果与现行国家规范中对普通混凝土的要求(fc=0.76fcu)相近，说明煤矸石取代率为80%和100%的混凝土轴心抗压强度能够满足现行国家规范的要求。

4)由于煤矸石骨料自身力学性能较差，导致煤矸石混凝土劈裂强度不能达到规范要求，弹性模量明显低于普通混凝土，泊松比试验值离散性较大，变化规律不明显。