陈雨晴 王斌 刘飞 柏青松 董叶顺 许诺 徐珂
宿州学院 资源与土木工程学院 安徽宿州 234000
摘要：本实验对普通混凝土与煤矸石混凝土的力学特性进行对比实验，试验结果表明：降低水灰比可以提高试件抗压强度，降低煤矸石混凝土由于反复冻融作用发生损伤的几率；得到影响损伤的变量、煤矸石混凝土在冬季正常使用的重要指标；在其他变量相同的情况下，冻融循环次数的规律性增长，会使得煤矸石混凝土的弹性模量在数值上呈不断下降趋势。
关键词：煤矸石混凝土；冻融循环；强度损失；质量损失
自全国人大会议提出了金山银山不如绿水青山的生态理念后，对煤矸石的研究处理以及其在冻融循环下的工程应用具有重要的现实意义。迄今为止，国内外各公司将煤矸石作为新的混凝土骨料的发展方向，探索其使用性能，并做了一系列试验。例如，西安科技学报中邱继生等通过比较取代率对煤矸石混凝土在冻融循环下的损伤，拟合得出煤矸石混凝土的损伤演化方程[1]；长安大学邢凯研究了冻融循环下混凝土力学性能及损伤演化规律的试验，利用传统工艺和现代科技CT 扫描两种手段，探索混凝土在冻融循环作用下的破损机理，并利用有限元 ANSYS 软件进行一系列的数值模拟[2]。
煤矸石是煤炭生产过程中产生的固体块状物，是煤形成过程的附属品，但其碳含量低于煤，是一块比煤坚硬的黑岩[3]。在自然状态下，煤矸石内部结构存在大量缺陷，如微缺陷。由于这些缺陷，当煤矸石暴露在冰冷环境中时，内部会有不同程度的伤害，力学特性[4]和弹性系数将在一定程度上发生变化。为了让煤矸石可以在冬季得到很好的回收利用，防止优质的资源浪费，并减少矿山废物占用的空间，降低对重要的农田用途产生的影响，本文在基于大量的试验和数据分析上得出冻融循环下煤矸石混凝土的损伤特性，为煤矸石混凝土在低温的环境下的工程应用提供了理论依据。
1材料准备及试件制作养护
1.1材料准备
原材料：42.5级硅酸盐水泥、2.36mm的天然砂、碎石、煤矸石为淮北矿业杨庄煤矸石场发电发热后产生的煤矸石；石子和煤矸石经机器和人工打碎、用筛子分离并及时清洗。
1.2试件制作养护
按设定的比例称取原材料，在模具内提前刷好一层油，以免混凝土试件的力学性能在脱膜时受到损伤。在搅拌缸内加入称取好的水泥、砂、煤矸石，在混凝土搅拌均匀后加入水继续搅拌，搅拌均匀后倒入模具中，在振动台振实成型后依据测量普通混凝土力学性能和耐久性能试验的标准[5]进行试件标准养护。本次测量抗压大小的试验设备是万能压力机，高低温湿热试验箱是冻融循环使用的仪器设备。
2、试验设计及数据分析
2.1煤矸石混凝土表面劣化分析
煤矸石混凝土是一种非均匀多种复合材料[6]。在生产过程中难以避免有微孔洞、微裂缝等不同的初始损伤。通过对煤矸石混凝土的立方体和棱柱实验现象的观察，得出煤矸石混凝土立方体和棱柱的冻裂性能相似。随着冻融循环次数的增加，煤矸石混凝土试件劣化程度逐渐加深，当循环冻融150次后会出现严重的掉粉，偶尔同时出现煤矸石和水泥脱落，整体结构分散。
2.2骨料替换对力学特性影响
制作水灰比分别为0.45和0.65的普通混凝土和煤矸石混凝土标准试件各10块，分别经过0，15，30，45，60，75，90，105，120，135次冻融循环，每次冻融循环的用时花费的时间固定为3.5-4.5小时之间，试件温度控制在常温左右，测定在试验机的作用下各自的受压破坏大小。
由上述试验的结果可分析出，控制其他变量不变的情况下，煤矸石骨料混凝土的抗压强度在一定程度上比普通混凝土随冻融次数增加而下降速率快得多，煤矸石混凝土的破坏更严重，试件强度和结构密实度变化[7]都与水灰比变化成反比，煤矸石混凝土与普通混凝土抵抗外部压力作用的能力和耐久性都在不断降低。
2.3冻融循环次数对力学性能的影响
分别测定冻融循环次数从0，50，再从100按每100次的向上叠加速度增加至400次，制作六块试件，试件水灰比控制为0.6，温度与上述试验保持一致，测量试件的受压表面积A（mm2），并在试验机的作用下测定出各自的受压破坏后，统计试验所得质量和抗压强度数据。
由试验数据分析得知：试件的质量减小量随着冻融循环次数增加不断变大，且冻融循环试验会增加材料发生脆性破坏的概率。当冻融循环次数从0次以50次每次的逐级递增至400次冻融循环时，单轴抵抗压力的能力在不断降低，这是由于循环过程中的一些裂痕和缺陷及毛孔[8]向样本内部结构的发展增加了抵抗煤矸石混凝土承载力的因素。
2.4冻融循环对弹性模量的的影响
制成的煤矸石混凝土试件杆，冻融循环用时及温度保持上述试验相同，分别进行0、25、50、75、100次冻融循环，且水灰比都为0.45，分别测定试件轴向压力Fn、面积A，计算σ=Fn/A；测定煤矸石混凝土在万能压力机作用下长度变化前后L，L1，计算ε=（L-L1）/L。
根据对试验研究数据结果可分析出，在其他变量相同的情况下，冻融循环次数的规律性增长，会使得煤矸石混凝土的弹性模量在数值上呈不断下降趋势。
2.5煤矸石混凝土棱柱体试样三点弯曲试验
煤矸石混凝土棱柱体试样尺寸为100mm×100mm×400 mm，在制备时做预留裂缝处理，裂缝所取点位于试样的中心位置，取其埋深为13mm，缝的宽度为3mm。分别从0次按每20次的不断向上递增，直至第100次冻融循环，对煤矸石标准试件采用三点弯曲试验[9]。
煤矸石混凝土试样表面特征变化和宏观冷冻损坏结果可得出：煤矸石混凝土表面破坏是一个循序渐进的过程，煤矸石混凝土表面破坏产生的原因主要是表面的骨料分离和内部的裂缝，致使力学性能失效。
3.结论
（1）煤矸石混凝土的劣化迹象随着冻融次数的增加而愈发严重；
（2）降低水灰比可以提高煤矸石混凝土抗压强度，相比较普通混凝土，随着冻融循环次数的增加，煤矸石混凝土破坏更严重。
（3）煤矸石混凝土的质量随着冻融次数的增加而减少，且呈加快趋势；冻融循环会增加煤矸石混凝土试件发生脆性破坏的概率；
（4）煤矸石混凝土表面的破坏是一个渐进过程，其主要原因是骨料的分离和内部裂缝的形成。
4.展望
中国的煤矿储存及产量常居世界首位，煤的品种丰富，分布范围广。不言而喻煤现在是作为我们国家的主要能源，其使用状态将长期维持不变，而随着时代的发展，废物回收再利用等观念深入人心，煤矸石作为一种工业固体废弃物，在对环境产生污染的同时也造成巨大的资源浪费。而目前我国的煤矸石再利用的技术装配水平还远不及国外，据统计，我国每年的煤矸石开发率不及1%，产业化严重滞后，为此，煤矸石的开发和研究极具理论价值和实用价值。
参考文献
[1]邱继生,潘杜,关虓,等. 冻融环境下煤矸石混凝土损伤演化规律研究[J]. 西安建筑科技大学学报( 自然科学版)，2017,49(5)：654-658.
[2]马德群. 冻融循环作用下混凝土内部变形监测及模拟[D].东北：哈尔滨工业大学.2016.
[3]李永靖, 韩俊俊, 邢洋,等. 煤矸石骨料混凝土的冻融循环试验研究[J]. 混凝土, 2013(12). 100-102.
[4]武海荣, 金伟良, 张锋剑, 等. 关注环境作用的混凝土冻融损伤特性研究进展[J]. 土木工程学报, 2018, v.51(08):41-50.
[5]普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准：GB／T50082—2009[s]. 北京：中国建筑工业出版社,2009.
[6]朱泽忠. 煤矸石混凝土的研制及其性能测试[D]. 安徽：安徽理工大学,2014.
[7]宁作君. 冻融作用下混凝土的损伤与断裂研究[D]. 东北：哈尔滨工业大学, 2009.
[8]张连水. 冻融环境下混凝土内外损伤特性研究[D]. 山东：青岛理工大学, 2010.
[9]邢凯. 冻融循环下混凝土力学性能试验及损伤演化研究[D]. 陕西：长安大学,2015.