关键词：石英岩煤矸石；砌筑砂浆；人工砂；力学性能；煤粉

　　0 前言

　　近年来，随着我国基础设施建设规模的不断扩大，建筑材料使用量不断增大。砂作为一种自然资源，是配制混凝土及砂浆制品的重要材料，但砂的再生周期长，长期开采使得储量日趋枯竭。自人工砂替代河砂配制混凝土及砂浆制品以来，国内外学者对所配制混凝土及砂浆制品的性能进行了一系列试验研究，取得众多研究成果^[1-5]，并在北京世纪财富中心C60 混凝土^[6]、重庆嘉陵江黄花园大桥主体箱梁结构^[7]等工程中等到应用，均取得了较好的应用效果，这在一定程度上缓解了河砂资源紧缺的局面，但开山采石同样需要消耗大量的自然资源。

　　石英岩煤矸石是煤炭生产过程中的副产品之一，将其破碎成不同粒径的粗细骨料，替代目前建筑工程中广泛使用的砂石骨料，不仅可以有效地解决矸石自身的处理问题，还可减少其在自燃过程中对环境造成的危害。有关这方面的研究目前国内外的相关报道还较少。本文研究了石英岩煤矸石人工砂替代河砂配制砌筑砂浆时的各项性能，可为该类煤矸石在砂浆及混凝土制品中的应用提供试验依据。

　　本文研究了煤矸石粉（粒径小于0.075mm）的掺入以及煤矸石人工砂不同替代率代替河砂对砌筑砂浆性能的影响。通过试验方案设计、原材料制备、试验数据测试与结果分析，研究了该类煤矸石作为惰性填料和替代河砂时对砌筑砂浆性能的影响，可为该类煤矸石在砂浆中的应用提供技术依据。

　　1 试验概况

　　1.1 试验原材料

　　砂：陕西渭河河砂，堆积密度ρ=1370kg/m3；坚固性试验质量损失P=7%，筛分结果见表1。

　　石英岩煤矸石（HG）：取自陕北某煤矿，热重-差热（DSC-TG）联合测试采用美国TA 仪器公司生产的SDTQ600型热重差热联用热分析仪，测试结果如图1 所示。升温速率10℃/min， 升温区间50——1200℃。由图1 可知， 在562.84℃时出现一个吸热峰， 由无机非金属材料图谱手册^[8] 可知： 石英在573℃时吸热，α-石英变成β-石英。推测该煤矸石以石英岩为主。X光衍射（XRD）测试采用日本理学公司生产的D/MAX-2400型X光粉粒衍射仪（工作条件：Cu、Kα 线）。利用Jade5.0软件分析XRD谱并完成矿物识别，如图2所示。由图2 可知，该煤矸石的主要矿物成分有石英、高岭土、白云母等，其中石英含量明显高于其他矿物，表明该煤矸石属于石英岩类煤矸石。

　　水泥：甘肃祁连山P·C 32.5 级水泥，初凝时间为65min，终凝时间为360min，安定性合格，抗折、抗压强度均满足标准要求。

　　水：普通自来水。

　　1.2 试验方案

　　（1）对河砂进行筛分试验，得到各级筛分结果，计算细度模数，确定级配区。

　　（2）将石英岩煤矸石洗净烘干后置于试验小磨中破碎， 用方孔筛将破碎后的试样分成4.75——2.36mm、2.36——1.18mm、1.18——0.60 mm、0.60——0.30mm、0.30——0.15mm、0.15——0.075mm 和0.075mm 以下七个粒径等级。煤矸石含碳量测试参考粉煤灰烧失量测试方法^[9]，经检测，该煤矸石含碳量约为12%。

　　（3）将不同粒径的石英岩煤矸石按照河砂的级配情况配成与河砂级配相当的人工砂（简称HG人工砂）保存备用，经检测，该煤矸石人工砂压碎指标为19%。

　　（4）将HG 人工砂分别按照0、30%、50%、70%和100%替代河砂， 按表2 所示的配比配制M10 砌筑砂浆（稠度控制在70-90mm），研究掺入水泥用量20%（内掺）的HG 人工砂粉（小于0.075mm）对砂浆拌合物性能的影响规律以及HG 人工砂0、30%、50%、70%和100%替代河砂时， 在控制拌合物稠度近似相等的情况下，砂浆拌合物性能的变化规律。

　　（5）依据JGJ/T 70-2009《建筑砂浆基本性能试验方法标准》^[10]中的规定，分别测试28d 龄期时立方体抗压强度、轴心抗压强度和弹性模量，研究掺入水泥用量20%（内掺） 的HG 人工砂粉（小于0.075mm） 对砂浆力学性能的影响规律以及HG 人工砂0、30%、50%、70%和100%替代河砂时，在控制拌合物稠度近似相等的情况下，砂浆力学性能的变化规律。

　　2 主要试验结果及分析

　　2.1 砂浆拌合物性能

　　试验测得掺入水泥用量20%（内掺）的HG人工砂粉以及HG人工砂不同替代率代替河砂配制砌筑砂浆的干容重、湿容重、稠度、分层度和保水率等指标，砂浆稠度试验及分层度试验如图3 所示，试验结果如表3 所示。

　　掺入HG人工砂粉后， 在控制稠度相近的情况下， 砂浆用水量增大。随着HG 人工砂替代率的提高，砂浆需水量不断增大。这一方面是由于煤矸石人工砂颗粒较河砂粗糙且有棱角, 堆积后空隙率大，达到一定稠度时需水量较多；另一方面，随着人工砂替代率的提高， 掺入砂浆中的碳不断增多，碳粒子具有开放性气孔，能够吸附大量的水，因此，碳含量的增加会导致需水量增多。

　　HG 人工砂未替代河砂时， 掺入HG 人工砂粉砂浆的分层度减小，保水率变化不明显。随着煤矸石人工砂替代率的提高， 分层度先减小后增大，替代率为50%时最小；保水率随煤矸石人工砂替代率的提高，先增大后减小，替代率为50%时达到最大。由《砌筑砂浆配合比设计规程》可知：对于保水性良好的砌筑砂浆，其分层度应为10-20mm，分层度大于20mm的砂浆容易离析，不便于施工；但分层度小于10mm者，硬化后易产生干缩开裂。故煤矸石人工砂代替河砂的替代率为50%时，砌筑砂浆的拌合物工作性能最好。

　　2.2 砂浆力学性能

　　砌筑砂浆是将砖、石及砌块粘结成砌体的砂浆，是砌体的重要组成部分，在砌体结构中起传递荷载、协调变形的作用。作为表征砌筑砂浆传递荷载和协调变形的主要指标，砂浆的力学性能测试显得尤为关键。

　　分别对掺入水泥用量20%（内掺）的HG人工砂粉及HG人工砂不同替代率代替河砂配制砌筑砂浆进行了立方体抗压强度、轴心抗压强度和弹性模量测试，试验过程如图4 所示，试验结果如表4所示。

　　HG 人工砂未替代河砂时， 掺入水泥用量20%的HG人工砂粉后，砂浆28d 立方体抗压强度、轴心抗压强度和弹性模量均增大， 表明HG 人工砂粉中所含的煤未对砂浆的力学性能产生影响，这可能是因为掺量较少，还不足以影响砂浆的性能。总体而言，HG 人工砂粉的掺入有效填补了砂浆骨料之间的空隙，改善了砂浆的和易性，提高了砂浆的密实性，同时砂浆的强度和弹性模量也有所提高。适量HG人工砂粉掺入砂浆后能起到与矿物细掺料相似的作用，对砂浆力学性能不会产生不利影响，故可作为惰性掺合料加入砂浆中使用。

　　HG 人工砂不同替代率代替河砂所配制砌筑砂浆的28d 立方体抗压强度、轴心抗压强度和弹性模量随替代率的变化规律如图5——图7 所示。由图可见， 砂浆立方体抗压强度随HG人工砂替代率的增大，不断减小，且30%替代率和50%替代率的抗压强度值接近；细骨料全部采用HG人工砂时，砂浆立方体抗压强度只有8.8MPa，未达到设计强度；砂浆轴心抗压强度在70%替代率之前，随替代率的增大而降低，70%替代率时达到最小值， 之后又增大；砂浆弹性模量变化规律与轴心抗压强度较为相似，70%替代率时为拐点， 之前随着替代率的增大而降低，之后呈增大趋势。

　　人工砂在混凝土中应用的研究成果表明，人工砂替代河砂后，其抗压强度和弹性模量均大于单独使用河砂时的强度，由于集料的颗粒形貌及表面粗糙程度影响集料与硬化水泥石的粘结作用，人工砂表面粗糙， 与硬化水泥石之间有较好的粘结作用，故人工砂可提高混凝土的抗折、抗压强度和弹性模量^[11-13]。砂浆强度产生原理与混凝土类似，因此，人工砂配制的砂浆强度也相应高于河砂配制的砂浆强度。尽管煤矸石人工砂也属于人工砂的范畴，但与普通人工砂有所不同，煤矸石人工砂中含有部分颗粒较细的煤粉， 煤粉的存在导致水泥需水量增大，进而增加了水灰比，影响了砂浆的强度。由试验结果可知，随着煤矸石人工砂替代率的增大，加入砂浆的煤粉含量也不断增加，引入的煤粉可能会对砂浆性能产生负面影响，所以，在使用煤矸石人工砂时，应关注煤矸石中煤粉含量的变化。

　　3 结论

　　（1）石英岩类煤矸石破碎过程中会产生部分煤矸石细粉（粒径小于0.075mm），将其作为惰性填料掺入砂浆后，可改善砂浆拌合物和易性，同时，砂浆的立方体抗压强度和轴心抗压强度有所提高，弹性模量变化不大。

　　（2）提高煤矸石人工砂替代率会导致砂浆需水量增大，而分层度先较小，至50%替代率后增大。

　　（3）煤矸石人工砂替代率低于50%时，砂浆立方体抗压强度降幅较小，高于50%替代率后，降幅较为明显；随替代率增加，轴心抗压强度和弹性模量变化趋同，均为先减小后增大，并在70%替代率时达到最小值。

　　（4）煤矸石人工砂中含有颗粒较细的煤粉，引入的煤粉会导致砂浆需水量的增大，影响砂浆的性能，使用时应特别注意。

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编辑：金哲