张宇涵 倪晓燕 周意人 杨俊虎 孙浩杰
江苏建筑职业技术学院 建筑建造学院 江苏徐州 221116
摘要：煤矿开采过程中会产生大量的煤矸石堆积于地表，占用大量土地，破坏局部地区生态环境和自然景观。因此，加强对煤矸石综合治理、综合利用的研究是当前燃煤大国的重要研究内容，也是环境发展的需要。本文通过试验的手段研究了矸石混凝土的强度特性。按照国家相关标准制备和养护试样，通过单轴压缩试验得到了矸石混凝土的应力-应变关系、弹性模量、强度极限和破坏特征。
关键词：矸石混凝土；力学性能；试验研究
引言
煤矸石是煤炭开采和洗选加工过程中排出的固体废弃物，其数量约占原煤产量的15%左右。目前累计堆有煤矸石山1500多座[1-4]，约40亿吨，占地30万亩以上，而且每年约以1亿吨的速度递增，每年形成新增占地6000多亩。同时矸石山的煤矸石被日晒雨淋，经过空气和水的综合作用，发生一系列物理、化学和生物化学变化，严重污染大气、土壤和水体，对煤矿周边地区和流域的环境造成一定污染，影响了煤矿的可持续发展[5-8]。煤矸石已是我国排放量最大的工业固体废弃物之一。
煤矸石的堆积不但占用大量土地，而且煤矸石中所含的硫化物散发后会污染大气、土壤和水源，造成严重的后果。尤其矸石山受雨水淋溶，常使附近河流的河床淤积，河水受到污染。国内外都曾发生煤矸石堆滑坡事故，以致埋没村庄等，造成多人伤亡事故。
随着煤矸石大量用做填充材料、堤坝、筑路基等工程日益增加，根据一些学者的试验分析[9，10]，用煤矸石代替天然骨料配制混凝土强度能满足工程使用的要求，有些指标还高于普通混凝土指标。因此，加强矸石混凝土力学性能的研究越来越迫切。
1试验设备
在测定矸石混凝土单轴压缩特性的试验中，主要试验设备有：
（1）CSS-55000电子万能试验机
主要技术参数：
型号：CSS-55000
最大试验力：500kN
横梁速度范围：0.0025～250mm/min
位移速度精度：优于±0.5﹪（空载、检测距离大于20mm）
（2）其他设备
烧杯、量筒、天平、模具（规格：150mm×150mm×150mm）
2 试验方案设计
2.1试样制备
试验材料：水泥、矸石（直径小于50mm）、水、润滑油。
试样规格：长×宽×高＝150mm×150mm×150mm。
拌料：根据试样配比方案，用天平称取对应质量的水泥、矸石，先将水泥和矸石在橡胶垫上混合均匀，再用量筒、烧杯量取相应体积的水，进行搅拌。
浇筑试样：首先清理好模具，将模具内表面涂刷润滑油（便于成型后拆除模具），然后进行填筑、捣实，防止内部有孔隙出现，影响强度试验结果。浇捣成型后，将试样表面刮平。
试样养护：矸石混凝土浇捣后，之所以能逐渐凝结硬化，主要是因为水泥水化作用的结果，而水化作用则需要适当的温度和湿度条件，因此为了保证矸石混凝土有适宜的硬化条件，使其强度不断增长，必须对矸石混凝土进行养护。矸石混凝土的养护目的，一是创造各种条件使水泥充分水化，加速矸石混凝土硬化；二是防止矸石混凝土成型后暴晒、风吹、寒冷等条件而出现的不正常收缩、裂缝等破损现象。试件成型后应覆盖表面，以防止水分蒸发，并应在温度20℃左右情况下静置一昼夜后拆模。之后每12小时喷水一次。
2.2试验方案设计
（1）试样型号配比
本次试验根据水灰比的不同，设计了8种试样型号，每种型号分为含一定比例矸石骨料和不含矸石骨料两种，对每种配比制备9块试样。
（2）矸石混凝土试样龄期的方案设计
每种型号配比的9种试样中龄期分为7天（3块）、14天（3块）、28天（3块）测定每组试样的强度特性。研究矸石混凝土抗压强度随时间的变化规律。
（3）数据采集
在本次矸石混凝土试验中，主要采集的数据为载荷、位移，同时对单轴压缩试验过程中试样的破坏特征进行拍照记录。
（4）数据分析
对单轴压缩试验中采集的试验数据和图像资料进行分析，主要包括以下几个方面：矸石混凝土试样的应力—应变曲线、弹性模量、载荷—位移曲线、强度极限、破坏特征。
3 试验结果及分析
在试样达到抗压强度极限之前，试样的应力—应变曲线呈现线性变化，说明试样处于弹性阶段，并且实验过程中可以观察到，在这一阶段矸石混凝土试样表面只有细小裂纹，并没有出现剥落；在弹性阶段后，混凝土试样随变形量的增大逐步破坏并且缓慢卸载。随试验龄期的增大，混凝土的强度极限有增大趋势。
通过纯水泥试样的应力—应变曲线，可以得到28d纯水泥试样的强度极限平均值为14.8MPa，其数值相对于含有矸石骨料的混凝土要大，即抗压强度相对较大。由图2.11可以得到龄期28d的纯水泥试样的弹性模量平均值为156.3GPa，与含矸石骨料的混凝土试样相差不大。这说明了龄期对弹性模量的影响的关键时段为0-14d.
结合应力—应变特征曲线可以看出矸石混凝土的破坏是相对缓慢的过程，先出现细小裂纹，然后是局部表面的剥落，最后可以看到试样由于变形过大而破坏。
结合应力—应变特征曲线可得纯水泥试样的破坏特征为：弹性阶段之后并没有与矸石混凝土试样相似的卸载过程，一旦达到强度极限，试样就会破坏，可变形量很小，是类似于铸铁的脆性材料。显然，在沿空留巷的工程实践中，从安全与经济的角度考虑，矸石混凝土材料都具有明显优势。
结论
本文主要对矸石混凝土的力学特性开展了全面的研讨。研究结果表明：
（1）随试验龄期的增大混凝土的强度极限有增大趋势。
（2）弹性模量与龄期的正相关关系主要体现在0—14d，之后弹性模量趋于稳定。
（3）纯水泥试样在弹性阶段之后并没有与矸石混凝土试样相似的缓慢卸载过程，一旦达到强度极限，试样很容易破碎，可变形量很小，是类似于铸铁的脆性材料。从安全与经济的角度考虑，矸石混凝土材料都具有明显优势。
参考文献：
[1] 贾冰媛，王学军. 东北地区煤矸石环境危害及对策[J]. 地理科学，2002，22（4）：110-113.
[2] 张长森. 煤矸石资源化综合利用新技术[M]. 化学工业出版社，2008.
[3] 李永生，郭金敏，王凯. 煤矸石及其综合利用[M]. 中国矿业大学出版社，2006.
[4] 边炳鑫.煤系固体废物资源化技术[M].化学工业出版社，2005. [5] 刘桂建，杨萍明，彭子成，等.煤矸石中潜在有害微量元素淋溶析出研究[J].高校地质学报，2001，7（4）：449-457.
[6] 潘志刚，姚艳斌，黄文辉. 煤矸石的污染危害与综合利用途径分析[J]. 资源：产业，2005（01）：46-49.
[7] 王心义，杨建，郭慧霞. 矿区煤矸石堆放引起土壤重金属污染研究[J]. 煤炭学报（6）：808-812.
[8] 余运波，汤鸣皋，钟佐燊，等. 煤矸石堆放对水环境的影响——以山东省一些煤矸石堆为例[J]. 地学前缘，2001（01）：163-169.
[9]陈炜林，张金喜，金珊珊，等. 煤矸石砂浆的孔结构与强度的关系[J]. 混凝土，2001，8（250）：113-117.
[10] 柏建彪，周华强，侯朝炯，等.沿空留巷巷旁支护技术的发展[J]. 中国矿业大学学报，2004，02：59-62.
基金项目：2019年度江苏建筑职业技术学院实践创新专项（JYSCZ19-12）
作者简介：张宇涵（2000-），男，江苏徐州人，专科生。