煤矸石粗骨料混凝土力学及耐久性能的研究进展

煤矸石是我国排放量最大的固体废渣之一，将煤矸石作为粗骨料应用在混凝土中，符合绿色环保节能减排的理念，并受到建筑行业和研究人员的广泛关注。通过对煤矸石粗骨料混凝土研究进展的总结，介绍了我国不同地区煤矸石的化学组成和物理性质，总结了煤矸石粗骨料掺量对混凝土的塌落度、力学性能、耐久性能、微观结构的影响，并通过现有煤矸石粗骨料混凝土研究成果的分析，对煤矸石粗骨料混凝土未来的研究方向作出展望。     

自燃煤矸石轻骨料混凝土碳化性能综述

为了讨论自燃煤矸石骨料混凝土碳化性能，特别是长期自然环境下的碳化性能，通过对自燃煤矸石混凝土与其他品种混凝土快速碳化性能对比，以及长期自然环境下碳化试验及调查，说明只要制定合理的标准。严格执行、精心设计、合理选材、加强管理。自燃煤矸石混凝土是可以满足结构耐久性要求的。     

煤矸石粗集料混凝土抗碳化性能研究

探究了水灰比(质量比)、煤矸石粗集料掺量(质量分数)、碳化时间以及煤矸石粗集料是否煅烧等对煤矸石粗集料混凝土抗碳化性能的影响规律,借助扫描电镜分析了煅烧与未煅烧煤矸石粗集料混凝土微观结构对其抗碳化性能的影响机理,建立了适用于不同水灰比、煤矸石粗集料掺量以及碳化时间下的多参数混凝土碳化模型,并将碳化模型在隧道工程结构的耐久性设计中进行了应用.结果显示:煅烧与未煅烧煤矸石粗集料混凝土的碳化深度均随煤矸石粗集料掺量增加而增大,且均与煤矸石粗集料掺量和碳化时间的平方根呈线性正相关;在低水灰比(0.35)时,煅烧煤矸石粗集料混凝土抗碳化性能明显优于未煅烧煤矸石粗集料混凝土.扫描电镜显示,煅烧煤矸石粗集料混凝土内部结构比未煅烧煤矸石粗集料混凝土更密实,二氧化碳的渗入通道减少;在进行隧道工程结构耐久性设计时泵送混凝土中未煅烧煤矸石粗集料的掺量不应大于25%.研究结果为煤矸石粗集料混凝土的抗碳化性能分析及其工程应用提供了理论依据.     

掺煤矸石混凝土在ASR、氯盐腐蚀双因素作用下耐久性

以膨胀率、动弹性模量为损伤参量,研究了碱硅酸反应、氯盐腐蚀双重破坏因素作用下混凝土损伤规律,同时测试了混凝土中氯离子扩散情况。通过对掺、不掺煤矸石混凝土性能比较,着重考察煤矸石对混凝土耐久性的影响。试验结果显示,煤矸石的掺入能有效延迟和减缓混凝土ASR膨胀;普通混凝土经受ASR、氯盐腐蚀两者短期破坏作用后即处于濒临失效状态,掺煤矸石混凝土同期损伤程度小,动弹性模量下降缓慢,结构寿命延长;因煤矸石对混凝土孔结构的改善,其抗氯离子渗透性能明显优于普通水泥混凝土。火山灰反应优先消耗水化体系中OH-以及因结构致密化ASR反应速率受扩散过程控制是煤矸石延迟和减缓混凝土ASR膨胀的主要原因。     

活化煤矸石水泥混凝土性能的研究

比较了徐州煤矸石在500～900℃5种不同的温度下活化后的水泥胶砂强度,综合评价后,确定600℃为徐州煤矸石实验室的合理活化温度。以此温度下活化的煤矸石作水泥的混合材,在孔结构分析的基础上,对比研究了活化煤矸石对混凝土抗氯离子渗透性能的影响。研究结果表明,在相同条件下活化煤矸石水泥混凝土的抗渗性能略优于普通水泥混凝土。     

煤矸石玻化微珠保温混凝土试验研究

鉴于普通混凝土自重大、保温性能差等缺陷,研制出一种新型建筑节能材料煤矸石玻化微珠保温混凝土。试验采用煤矸石取代部分或全部石子作为粗骨料制成煤矸石玻化微珠保温混凝土,对不同煤矸石取代率玻化微珠保温混凝土的制作工艺、和易性能以及抗压强度和导热系数进行了研究和分析。试验结果表明:煤矸石玻化微珠保温混凝土满足可泵性能对坍落度的要求;煤矸石取代率不超过50%时,抗压强度能达到C40级以上;导热系数相对于普通混凝土下降50%以上,热工性能良好。从而验证了掺加煤矸石玻化微珠保温混凝土的可行性,对于后期煤矸石玻化微珠保温混凝土的优化设计具有重要参考价值。     

煤矸石骨料混凝土的干燥收缩性能试验研究

尝试采用煤矸石为骨料制备混凝土,对其耐久性重要指标之一干燥收缩性能进行试验,结果表明:在常用水灰比情况下,煤矸石骨料混凝土试件早期干燥收缩长度变化率及质量损失率均较大,后期逐渐趋于稳定,180 d后,煤矸石骨料混凝土的干燥收缩值及质量损失率约为普通碎石混凝土的两倍,但试件结构整体性完好,说明煤矸石骨料混凝土应用在次要建筑结构是可行的;由于煤矸石骨料吸水率较大,在选用煤矸石骨料制备混凝土时,宜选用高性能减水剂,并需采取措施防止早期干燥收缩裂缝过大,这为煤矸石骨料混凝土的工程应用提供了参考依据。     

纤维增强煤矸石轻骨料混凝土路用性能研究

以煤矸石为粗骨料,掺入不同掺量的聚丙烯纤维配制路面水泥混凝土,对混凝土的路用性能和微观结构进行了试验研究,分析了纤维的增强机理。结果表明,聚丙烯纤维可以减少混凝土中微裂缝的产生,抑制连通裂缝的发展,在一定掺量范围内能够有效提高煤矸石轻骨料混凝土的抗折强度和耐磨性,随着掺量的增加显著提高混凝土的抗渗性和抗冻性。煤矸石轻骨料混凝土中掺入聚丙烯纤维,可获得良好的路用性能。     

煤矸石保温混凝土力学及保温性能试验研究

对不同煤矸石掺量下的煤矸石保温混凝土进行了抗压、抗拉及保温性能试验研究。结果表明,煤矸石的加入不利于混凝土的强度,且随着掺量的增加,强度逐渐下降;但随着龄期的增加,不同煤矸石掺量的煤矸石保温混凝土的立方体抗压强度呈现一定的上升趋势;随着煤矸石掺量的增加,煤矸石混凝土的导热系数呈下降趋势,保温性能逐渐增强。当煤矸石掺量为30%时,C30煤矸石保温混凝土的强度和保温性能均满足使用要求,即煤矸石替代部分粗骨料应用于保温混凝土是可行的。     

自燃煤矸石作活性掺合料配制高强混凝土的试验研究

自燃煤矸石具有火山灰活性，粉状的自燃煤矸石常温下就可与碱或碱性盐发生化学反应，生成具有水硬胶凝性能的化合物。以自燃煤矸石粉部分取代水泥配制混凝土，测定其坍落度、抗硫酸盐侵蚀性能和力学性能。结果表明：掺入自燃煤矸石粉的混凝土流动性能有所改善，抗硫酸盐侵蚀能力增强，混凝土的强度随煤矸石取代水泥量的增加而减小，取代量在20％以下时，其强度下降辐度很小。利用磨细自燃煤矸石取代20％水泥，加入适量减水剂，可以配制C60级高强混凝土。     

自燃煤矸石活性对水泥砂浆性能的影响

利用X-射线荧光光谱仪、X-射线衍射仪以及强度法对自燃煤矸石的活性进行了研究,将自燃煤矸石部分替代水泥制备成水泥砂浆,研究自燃煤矸石活性、用量对水泥砂浆性能的影响。结果表明,煤矸石中在自燃过程中形成的活性物为α-石英、无定形SiO2、κ-Al2O3和无定形Al2O3。自燃煤矸石的疏松程度会影响其活性;晶相结晶度的高低决定自燃煤矸石活性的高低;自燃煤矸石活性越高,其水泥基复合材料体系强度越高。     

煤矸石掺合料对水泥浆体结构与性能的影响

研究了煤矸石作为掺合料对水泥浆体强度及孔结构的影响。结果表明:与基准水泥浆体相比,煤矸石水泥浆体早期强度较低,但后期强度发展较快,低掺量(<30%)煤矸石水泥浆体后期(28d)强度可接近或达到基准水泥浆体强度;相同掺量条件下,与粉煤灰水泥浆体相比,煤矸石水泥浆体各龄期强度均较高;与矿粉水泥浆体相比,煤矸石水泥浆体早期强度较高,后期两者强度相当;与基准水泥浆体相比,煤矸石水泥浆体总孔隙率有所上升,但其孔径后期有所细化。     

煤矸石对水泥基材料化学稳定性的影响

研究了煤矸石对水泥砂浆强度的影响,以及在酸性NH4NO3溶液中的化学稳定性。试验结果表明,水泥砂浆的强度随煤矸石增加而明显降低,但掺煤矸石改善了水泥砂浆的孔结构和在酸性溶液中的化学稳定性。     

基于徐州矿区煅烧煤矸石细集料活性的砂浆孔结构研究

 采用X射线衍射法(XRD)、压汞法(MIP)以及环境扫描电镜(SEM)分析方法,研究煤矸石细集料在不同煅烧温度下的活性,并对不同活性的煤矸石细集料水泥硬化砂浆的孔结构进行探讨,并进一步分析孔结构与砂浆强度之间的关系。试验结果研究表明：不同活性的煤矸石细集料,在水化初期可以与水泥水化产物发生不同程度的二次水化反应,煤矸石细集料活性会对水泥硬化砂浆的孔径分布和孔隙率产生一定影响。采用较高活性的煅烧煤矸石细集料,可以降低水泥硬化砂浆的孔隙率和优化孔径分布,且大于200 nm的有害孔明显减少,100,20 nm以下的无害孔和少害孔相应增加,水泥硬化砂浆的水化产物相应增多。煅烧煤矸石细集料的活性由低到高,可以使砂浆的孔隙得到细化,更能有效地改善砂浆的孔结构,降低其孔隙率,能够提高砂浆的强度。     

季冻区煤矸石路用性能试验研究

以双鸭山煤奸石作为主要研究对象,通过室内试验对其化学成分、颗粒级配、压碎值、承载比、冻稳定性等路用性能进行了系统的研究。结果表明:七星与四方台矿区煤矸石为级配连续不均匀土。四种煤矸石的压碎值均较高,但均不超过30%。煤矸石的强度随着煅烧温度的升高呈先减小后增大的趋势。煤矸石的CBR随着压实度的提高而增大,93%压实度条件下在20.9%~35.9%之间。在冻融作用下煤矸石CBR显著降低;10次冻融时,新立与四方台矿区煤矸石的CBR分别为28.9%和47.2%。     

煤矸石混凝土梁受剪性能试验研究

为研究煤矸石混凝土梁受剪性能,对9个煤矸石混凝土梁和1个普通混凝土对照梁进行了受剪试验,分析了煤矸石混凝土梁斜截面破坏形态、开裂荷载和受剪承载力。结果表明：煤矸石混凝土梁和普通混凝土梁受剪破坏形态相似;在同一荷载等级下,煤矸石混凝土梁试件跨中挠度随煤矸石取代率的增加而增大,而达到各试件极限荷载时其挠度值相差不大;斜向开裂荷载随煤矸石取代率的增加而减小,煤矸石混凝土梁较普通混凝土梁降低了19.6%~31.5%;受剪承载力随煤矸石取代率的增加也有降低趋势,煤矸石混凝土梁较普通混凝土梁降低了8.9%~24.0%;此外,剪跨比和配箍率对煤矸石混凝土梁受剪性能的影响与普通混凝土梁相似,受剪承载力随剪跨比的增加而减小,随配箍率的增加而增加;煤矸石混凝土梁受剪承载力计算可采用GB 50010—2010《混凝土结构设计规范》中公式,且计算结果有一定的安全储备。     

煤矸石在干旱黄土地区高等级公路路基中的应用研究

为实现甘肃干旱地区煤矸石在道路路基中的应用,选择三种来源煤矸石作为研究对象,分析其物化特性、环境安全性、水稳定性、均质性及作为路基填料的力学特性。结果表明,采用岩石耐崩解指数评价煤矸石的水稳定性,样本2耐崩解性最好,样本1次之,样本3不满足路基填筑要求。对于均质性,煤矸石作为路基填筑材料,利用前处理只需一级鄂式破碎即可满足级配特征要求。随着煤矸石填筑混合料中0-5mm细集料含量的增大,最大干密度逐渐减小。击实过程中,煤矸石颗粒逐渐发生破碎,级配走向更细,2mm基本是变化的临界点。分析煤矸石击实过程压实度的变化,样本1更易达到压实度要求,这取决于煤矸石自身强度。分析不同级配煤矸石的CBR承载比及浸水膨胀,适宜煤矸石用于路基填筑的级配中5mm以下细集料含量应为30%~50%。煤矸石作为路基填筑,在水的作用下除部分崩解外,整体体积较为稳定。     

掺活化煤矸石细粉对混凝土抗氯离子渗透性能的影响

研究了活化煤矸石细粉的制备及掺煤矸石细粉对水泥力学性能的影响.以10%活化煤矸石细粉替代水泥,水泥的28d抗压强度接近于或高于基准水泥;当掺量高于30%时,水泥强度的下降很明显.将30%的活化煤矸石细粉取代水泥掺入混凝土中,混凝土的力学性能要优于对比的空白混凝土.7d龄期单掺活化煤矸石细粉和复掺活化煤矸石细粉的混凝土相对氯离子扩散系数均高于空白混凝土,到了180d龄期,无论是单掺活化煤矸石细粉还是复掺活化煤矸石细粉的混凝土相对氯离子扩散系数则降为不到空白混凝土的一半.     

热激发煤矸石活性影响因素研究

全面探讨了煤矸石的产出地理条件、地质年代、化学组成、矿物成分、高岭石含量及其结晶程度、热激发工艺制度等因素对热激发煤矸石活性的影响.结果表明:我国北方热激发煤矸石的活性普遍高于南方热激发煤矸石;随着地质年代由老到新,不同地质年代的热激发煤矸石活性呈马鞍状特征变化;煤矸石化学组成与其活性的相关性受地域分布的控制;煤矸石中高岭石的含量与其活性正相关,而高岭石的结晶程度与其活性负相关;在煤矸石的热激发过程中,煅烧温度、恒温时间、冷却方式三者之间存在着最佳的匹配关系.     

煤矸石压缩试验的颗粒流模拟

 根据煤矸石颗粒材料的特点,采用三维颗粒流方法PFC3D的接触连接本构模型模拟煤矸石的压缩特性,再现其复杂的非线性本构关系。设计单一级配和泰波理论级配方案,并用Fish语言生成级配颗粒模型。对煤矸石的三轴压缩试验过程进行数值模拟,比较不同围压下的应力–应变曲线、体积应变曲线和微裂纹发展曲线,从细观角度验证不同级配煤矸石试样的强度及变形规律。研究结果显示,优化的级配方案能提高矸石的峰值强度,降低其压缩量,这对优化矸石充填的级配设计有一定的参考价值。