煤矸石集料混凝土抗硫酸盐侵蚀性能研究
白金婷 李国栋
摘 要：为了探讨煤矸石作为集料配制混凝土的抗硫酸盐侵蚀性能，采用干湿循环试验方法，对普通混凝土、煤矸石混凝土、煤矸砂混凝土、煤矸石全集料混凝土的抗压强度及抗压耐蚀系数进行了研究，结果表明，在91次干湿循环硫酸盐侵蚀后，普通混凝土与煤矸石混凝土、煤矸砂混凝土以及煤矸石全集料混凝土的抗压强度基本呈现出下降趋势，煤矸石混凝土、煤矸砂混凝土以及煤矸石全集料混凝土的抗压耐蚀系数都能达到0.75以上，同时结合扫描电镜分析了煤矸石集料混凝土的微观情况。
关键词：煤矸石;抗硫酸盐侵蚀;抗压耐蚀系数
煤矸石是在成煤过程中与煤层伴生的岩石，我国每年每生产1亿吨煤炭，就会伴随着1500万—2000万吨煤矸石的排放，根据国家统计局发布的数据，2016年原煤产量为33.64亿吨，意味着会伴生有至少5亿吨煤矸石的产出。大量煤矸石露天堆放，已形成2600余座煤矸石山，累积堆存量达50多亿吨，占地20余万亩，而且这个数量还在增加。煤矸石不断地伴随生产增加并且长期的露天堆放在地面上，占用了大量的耕地、林地，并且严重危害了矿区周围的生态环境。为废弃矸石寻找堆放用地已成为多数洗煤厂亟待解决的问题。将煤矸石變废为宝，节能节地，增加产值，是未来煤矸石发展的必然趋势。因此，基于煤矸石与砂石骨料的共性，进行煤矸石混凝土的研究，对于节省天然骨料资源，改善环境等都具有重大的现实意义。
史明月[1]等以四因素三水平正交试验，对不同侵蚀环境下的煤矸石混凝土抗硫酸盐侵蚀性能进行研究，结果表明干湿循环较长期浸泡对试件劣化更加明显，粉煤灰和煤矸石的掺入对混凝土性能的劣化有一定的抑制作用。李永靖[2]等研究了粉煤灰掺量、干湿循环次数及水胶比对煤矸石混凝土抗硫酸盐侵蚀性能的影响，结果表明煤矸石混凝土抗硫酸盐侵蚀性能满足一般建筑物的要求;郭金敏[3]等以煤矸石替代碎石、粉煤灰，矿渣替代水泥配制煤矸石混凝土，采用正交试验法和综合平衡法得出了煤矸石混凝土的最佳配合比，结果表明，硫酸盐侵蚀对煤矸石混凝土强度的影响并不大。王金涛[4]等对大掺量条件下煤矸石混凝土硫酸盐侵蚀和氯盐侵蚀性能进行了研究，结果表明，碎石掺量与硫酸盐侵蚀前后混凝土抗压强度存在三次方函数关系。袁猛[5]对非自燃煤矸石混凝土在单一冻融、硫酸盐侵蚀以及冻融和硫酸盐侵蚀偶合条件下的破坏情况进行了研究，研究表明，损伤最严重的是冻融与硫酸盐侵蚀偶合，次之是冻融，最后是硫酸盐侵蚀。本文针对煤矸石混凝土耐久性问题，配制煤矸石混凝土g、煤矸砂混凝土s、煤矸石全集料混凝土q与普通混凝土p，研究其抗硫酸盐侵蚀性能。
1 试验部分
1.1 试验材料
本试验采用的水泥为大鹰牌42.5强度等级的普通硅酸盐水泥;所用粉煤灰为F类一级灰;采用S95级磨细矿渣;所用砂子为河砂，级配Ⅱ区;所用石子为石灰石质5～20mm碎石，级配良好。煤矸石经破碎筛分后，得到连续级配5～20mm的碎石;煤矸砂经过人工处理后，得到Ⅱ区连续级配煤矸砂;水为普通自来水;所用化学试剂为天津市化学试剂三厂生产的无水硫酸钠分析纯。
1.2 试验方法
参照GB/T50082-2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》，制作100mm×100mm×100mm的立方体试块，采用干湿循环试验方法，进行抗硫酸盐侵蚀试验。具体试验过程：配制普通混凝土p、煤矸石混凝土g、煤矸砂混凝土s以及煤矸石全集料混凝土q，煤矸石与煤矸砂在拌制前均需润湿，附加用水量为60%[6-8]。将试件养护至28d前2d取出，在（80±5）℃下烘48h，试件冷却后，放入5%的硫酸钠溶液中浸泡（15±0.5）h，试件风干后，开始在（80±5）℃下烘6h，如此为一个循环。在试验过程中，循环28d、63d、91d时试件进行抗压强度测试。抗压强度耐腐蚀系数K按照公式（1）进行计算。
2 试验结果分析
2.1 抗压强度与干湿循环次数的关系
煤矸石混凝土g、煤矸砂混凝土s、煤矸石全集料混凝土q与普通混凝土p28d烘干后的抗压强度分别为44MPa，60MPa，45MPa与57MPa。煤矸石集料混凝土与普通混凝土的强度与干湿循环次数的关系如图1所示，由图可以看出，随着循环次数的增加，煤矸石集料混凝土与普通混凝土的强度基本呈递减趋势，普通混凝土经过91d硫酸盐侵蚀循环后抗压强度下降22.7%，煤矸砂混凝土强度下降7.1%，煤矸石混凝土强度下降22.0%，煤矸石全集料混凝土下降15.9%，这主要是由于硫酸盐的侵蚀，混凝土中的氢氧化钙和水化铝酸钙与硫酸盐发生反应生成水化硫铝酸钙，也就是钙矾石，其体积增大产生内应力导致混凝土强度的下降，后面的微观分析也会对此做进一步的分析。
2.2 抗压强度耐蚀系数与干湿循环次数关系
煤矸石集料混凝土与普通混凝土的抗压强度耐蚀系数与干湿循环次数的关系如图2所示，随着循环次数的增加，抗压耐蚀系数呈递减趋势，91次干湿循环硫酸盐侵蚀之后，普通混凝土抗压耐蚀系数为0.72，煤矸砂混凝土为0.97，煤矸石混凝土为0.77，煤矸石全集料混凝土为0.86，由此可以看出，除普通混凝土抗压耐蚀系数下降到75%以下，煤矸石集料混凝土的抗压耐蚀系数都在0.75以上。因此煤矸石作为粗细集料配制混凝土是能够满足抗硫酸盐侵蚀性能要求的。
3 微观分析
4 结论
（1）煤矸石混凝土、煤矸砂混凝土、煤矸石全集料混凝土经过91次干湿循环硫酸盐侵蚀后，抗压耐蚀系数都在0.75以上，满足抗硫酸盐侵蚀性能要求。
（2）对掺煤矸石与煤矸砂的混凝土进行了SEM分析，发现煤矸石与煤矸砂混凝土在经过硫酸盐侵蚀后，会产生钙矾石，从而导致混凝土产生微小裂缝而使强度降低。
参考文献：
[1]史明月.煤矸石集料混凝土抗硫酸盐侵蚀性能劣化规律试验研究[D].辽宁工程技术大学，2017.
[2]李永靖，邢洋煤矸石混凝土抗硫酸盐侵蚀试验研究[J].非金属矿，2016，39（1）：8-10.
[3]郭金敏，朱伶俐.煤矸石混凝土耐久性的正交试验研究[J].辽宁工程技术大学学报（自然科学版），2011，30（4）：566-570.
[4]王金涛，尤培波.硫酸盐与氯盐环境下大掺量煤矸石混凝土性能[J].山西建筑，2015，41（2）：96-97.
[5]袁猛.非自燃煤矸石混凝土在冻融硫酸盐侵蚀下的耐久性研究[D].中国矿业大学，2019.
[6]周梅，浦倍超，徐秒，田博宇，钟琪.附加水及预湿时间对自燃煤矸石砂轻混凝土性能影响[J].硅酸盐通报，2013，32（12）：2421-2426.
[7]周梅，王强，牟爽.自燃煤矸石粗集料特性对混凝土拌合物工作性影响研究[J].非金属矿，2013，36（1）：8-11.
[8]周梅，赵华民，路其林，浦倍超.自燃煤矸石集料预处理对混凝土工作性及强度影响[J].工业建筑，2014，44（12）：113-117.
