打开文本图片集

摘要：本文以煤矸石作为煤矸石细骨料砂浆为研究对象，通过改变砂浆细骨料种类以及硅灰的掺入量来开展试验，在试验后分析煤矸石细骨料砂浆试块的抗压强度以及SEM图，总结细骨料改变以及硅灰掺入量对试块强度的影响规律。研究结果表明：煤矸石作为细骨料会使试块的抗压强度下降，随着硅灰掺入量的增加，试块的抗压强度下降的幅度越大。

关键词：煤矸石;细骨料;抗压强度;微结构

0引 言

煤矸石是煤矿生产过程中的废弃物。因为我国是世界上最大煤炭开采与使用国，所以有着巨大的煤矸石产量[1]， 但是生产出的煤矸石的堆积排放问题，严重影响着土地资源利用和周边的生态环境[2-4]。随着人们环保意识到增强和新型建筑材料技术的发展，人们开始意识到可以将新型建筑材料的研究与环保相结合，在国家大力推行可持续发展战略的背景下，新型环保建材领域也是当今发展的热点之一。目前，已经有许多学者开展了对煤矸石混凝土的利用的研究[5-7]。

但这些研究大多涉及煤矸石作为粗骨料的混凝土的性能研究，对于煤矸石作为细骨料的研究很少。为填补煤矸石作为混凝土细骨料使用方面的空白，本文章通过开展不同细骨料种类以及不同硅灰掺入量条件下的试块抗压强度测试和SEM测试，来分析其抗压强度和微结构的变化规律，并以此评价煤矸石作为细骨料的实用性。研究成果可以为加快煤矸石的应用，减少煤矸石堆放对环境污染提供重要依据。

1实验

1.1材料

煤矸石产自涡阳涡北煤矿，基本元素组成见表1;水泥采用安徽海螺水泥股份有限公司生产的P·O42.5级水泥，水泥表观密度及化学成分见表2;水为普通自来水;砂为普通河砂，硅灰为普通硅灰。

1.2配合比

本实验共设计了5组配比，变量为细骨料种类和硅灰含量（0%、3%、5%和10%），分别编号为S、GR0、GR3、GR5和GR10，如表3所示。煤矸石砂浆的制备方法为：按表2称取水泥，细骨料和硅灰，使用搅拌机搅拌3min充分混合，之后将水缓慢加入，搅拌5min后制得煤矸石新拌浆体。

1.3测试方法

根据GB/T 17671[8]，采用50mm3试块测试煤矸石砂浆试块的抗压强度，试验方法为：将搅拌好的煤矸石新拌砂浆浇入准备好的塑料试模中，在温度为（20±3）℃、相对湿度≥95%的环境中进行标准养护。24h后拆模，之后继续进行标准养护。4个试块为一组，测试煤矸石砂浆的3d、7d和28d抗压强度，结果取平均值。在试块28d抗压强度测试完毕后，取各组代表性试块，将其破碎成块后浸泡至无水乙醇中停止矿渣继续水化，采用Flex1000扫描电镜（SEM）分析碱矿渣砂浆的微结构特征。在进行SEM分析前，将样品从无水乙醇中取出并真空干燥，喷金120s以提高样品导电性。

2结果与讨论

2.1抗压强度

图1是煤矸石砂浆的抗压强度与细骨料种类和硅灰掺量之间的关系图。从图中可以看到，当用煤矸石100%取代砂为细骨料时，试块的抗压强度几乎都有所降低，虽然在龄期为7d时GR0组试块抗压强度有所增加，但从总体来看，试块均因更换细骨料种类而强度下降。在龄期为3d时，随着硅灰掺量的增加试块的强度有所增加，但是随着养护龄期的增加，在7d和28d时，试块强度随着硅灰掺量的增大，试块强度也就降低的越多。

造成以上实验现象的主要原因是由于煤矸石自身力学性能决定的。试验所用的骨料煤矸石材料的强度水平明显低于天然骨料，煤矸石过量的压缩变形，会引起抗压承载力的降低[6] 。但是在7d时GR0试块强度升高，这是因为煤矸石自身吸水性能较强，骨料与水泥石的界面黏接强度得到了提升。而且煤矸石表面粗糙多孔，水泥水化的产物渗入到骨料的表面孔隙中，骨料与界面的黏接能力提高，从而界面的黏接强度也得以增加[7]。

2.2微结构分析

图2是GR0和GR3组的SEM图，通过观察3d和28d的SEM图来对煤矸石砂浆材料进行微结构分析。从图2a中可以看出，当龄期为3d且不掺入硅灰时，煤矸石砂浆中存在较多孔隙，水泥与煤矸石颗粒未水化完全。再观察图2b，由于加入了3%的灰，煤矸石砂浆微结构中孔隙相对减少，微结构明显较不掺硅灰时密实，所以此时的试块强度比不掺入硅灰的试块大。当养护龄期为28d时，如图2c和图2d所示，两组煤矸石试块的微结构表面水化颗粒均较龄期为3d时有大幅增加，结构孔隙体积有明显减少，这也使此时的煤矸石试块结构更加密实，强度有所提升。对比图2c和图2d可以看出，硅灰含量的增加使煤矸石试块的微结构水化颗粒减少，从而使孔隙体积减小速度变缓，最终导致了试块密实度相对较差，不利于强度的发展。

3结论

本文将煤矸石作为细骨料与掺入的硅灰一同制备试块，通过分析煤矸石试块的抗压强度以及SEM图。发现煤矸石作为细骨料制备砂浆试块后，试块的抗压强度有所降低，随着硅灰掺量的增大，其7d和28d强度降低的幅度也就越大。

最终发现，其强度降低的原因是煤矸石的材料强度低于天然骨料，在外力作用下煤矸石产生过量变形，引起其承载力的降低;在加入硅灰后，其水化程度相对降低，微结构密实度变差，进而导致强度降低。

参 考 文 献

[1] 孙春宝，张金山，董红娟，等.煤矸石及其国内外综合利用[J].煤炭技术，2016，35（3）：286-288.

[2]  LIU B，TANG Z，DONG S，et al. Vegetation recovery and ground-water pollution control of coal gangue field in a semi-arid area for a field application[J].  International Biodeterioration & Biodegrada - tion，2017.

[3] 徐书杰， 吕恒林， 夏大明， 等. 徐州矿区煤矸石堆放的生态危害及其烧结模数多孔砖的开发[J]. 甘肃科技， 2006， （第4期）.

[4] 戚赏， 吕灯， 杜丹， 刘磊. 煤矸石场地重金属元素空间分布与迁移过程研究[J]. 西部资源， 2020， （第6期）.

[5] 王金涛， 毛爱兰. 煤矸石混凝土的渗透性影响研究[J]. 山西建筑，2014，（第33期）.

[6] 沈海昌. 煤矸石混凝土力学性能试验研究[J]. 中国建材科技， 2016， （第2期）.

[7] 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 （第7期）.

[8] 中国建筑材料科学研究总院有限公司. 水泥胶砂强度检验方法（ISO）法： GB/T 17671[S]. 北京： 中国标准出版社， 1999.