随着全球城市化进程的加速和基础设施建设的蓬勃发展,对混凝土等建筑材料的需求呈现爆发式增长,其中天然砂石骨料作为混凝土最主要的组成部分,其消耗量巨大且日益面临资源枯竭、开采受限以及长距离运输带来的高昂经济成本等问题
[1-3]。与此同时,煤炭作为重要的基础能源,在其开采和洗选过程中产生了巨量的煤矸石废弃物
[4-6]。这些堆积如山的煤矸石不仅侵占大量宝贵的土地资源,其长期露天堆放极易自燃引发一系列严峻的环境问题
[7-8]。因此,如何规模化地处置与利用煤矸石,已成为煤炭产区实现可持续发展和环境保护的迫切需求。
在此背景下,将煤矸石破碎后作为骨料替代天然砂石制备混凝土
[9-11],被视为一种“变废为宝”的理想解决方案,引起了中外学者的广泛研究兴趣。总体而言,现有研究已从宏观层面初步揭示了煤矸石集料混凝土的基本力学性能与可行性
[12-14]。大量试验表明,煤矸石集料混凝土的力学强度普遍随着煤矸石替代率的增加而呈现下降趋势,这主要归因于煤矸石骨料自身强度较低、孔隙率较高,以及骨料-水泥浆体界面过渡区性能较弱等固有缺陷
[15-19]。为改善这一状况,研究者们尝试了多种物理与化学改性方法,如对煤矸石骨料进行机械活化、酸液浸泡或表面聚合物包裹等预处理,以期强化骨料本体及其与胶凝材料的界面黏结性能
[20-22]。此外,也有学者提出,通过外部压实力和内部胶结作用协同强化的技术路径,即制备“压实胶结体”,可能是提升煤矸石基材料密实度与整体承载力的有效手段
[23-25]。然而,尽管这些研究为煤矸石的资源化利用奠定了坚实基础,但多数成果仍集中于宏观力学性能的表征与分析,对于压实力、胶结作用与骨料粒径等多因素耦合影响机制的认识尚不清晰。更重要的是,材料在外部荷载作用下的破坏本质始于内部微裂纹的萌生、扩展与贯通
[26-27],而当前对煤矸石压实胶结体这一动态损伤破裂过程的细观演化机制研究仍相对匮乏,使得难以从根源上优化其性能设计。
基于此,为了弥补当前研究的不足,现重点探讨煤矸石压实胶结试件的单轴加载力学特性及其细观损伤规律。试验通过系统控制水灰比、压实力和矸石粒径3个关键因素,综合揭示各因素及其交互作用对试件宏观力学特性的影响。并结合颗粒流数值模拟技术,构建能够反映煤矸石颗粒形状、胶结界面特性的细观模型,直观再现加载过程中内部微裂纹的演化规律,从细观角度深入揭示其损伤累积直至宏观破裂的内在机制。这对于推动煤矸石的大规模、高值化利用具有重要的理论与实践意义。
1 试验方案设计
1.1 试验材料
胶结材料选用强度等级为P·S·A32.5的矿渣硅酸盐水泥,28 d强度为32.5 MPa。煤矸石是柏林煤矿现场产生的天然煤矸石,经过筛分选取后粒径分别为0~5 mm,5~10 mm,10~15 mm。水是符合标准的本地自来水。试验材料具体如
图1所示。
1.2 试件的制备
本次试验通过控制水灰比、压实力和矸石粒径3个因素,研究各因素对煤矸石压实胶结试件的单轴抗压强度的影响。水灰比设计梯度为0.4、0.45、0.5。压实力设计梯度为50、60、70 kN。粒径设计梯度为0~5 mm,5~10 mm,10~15 mm。具体方案设计如
表1所示。
按照
表1的试验方案进行试件制作,每组方案制作3块试件。首先,将煤矸石破碎后通过电动筛筛取出所需的粒径;然后称量好各试验材料并进行充分的搅拌,将搅拌均匀的试验材料装入直径200 mm、高度200 mm的圆柱体钢制模具中;然后利用RMT-150C岩石力学试验系统施加压力对试验材料进行压实,等到试件成形后停止施加压力;待试件初凝后进行拆模,并养护28 d。具体流程如
图2所示。
1.3 单轴加载试验
将养护好的煤矸石压实胶结试件通过RMT-150C岩石力学试验系统进行单轴压缩试验,试验采用位移控制方式,加载速率为0.01 mm/s,加载至煤矸石压实胶结试件破坏。在加载过程中通过布置电阻应变计监测试件的应变。
2 试验结果与分析
2.1 强度特征
图3为不同水灰比胶结试件的单轴抗压强度变化情况。由
图3可知,当压实力50 kN,粒径0~5 mm时,水灰比0.5的胶结试件的抗压强度值为11.716 MPa,比水灰比0.45和水灰比0.4的胶结试件分别提高25.2%和74.7%。当压实力60 kN,粒径0~5 mm时,水灰比0.5的胶结试件的抗压强度值为12.817 MPa,比水灰比0.45和水灰比0.4的胶结试件分别提高49.8%和80.0%。当压实力70 kN,粒径0~5 mm时,水灰比0.5的胶结试件的抗压强度值为14.42 MPa,比水灰比0.45和水灰比0.4的胶结试件分别提高29.9%和93.6%。
通过对试验数据进行分析可知,水灰比对煤矸石压实胶结试件的抗压强度值影响非常显著,随着水灰比的增大,煤矸石压实胶结试件的强度值随之大幅升高。通常来讲水灰比越高,试件的抗压强度值越低,但是煤矸石具有一定的吸水能力,当浆液的水灰比较低时,煤矸石周围浆液的水分被快速吸干,导致浆液的流动性变差,当试件被压实的时候,浆液呈被动的挤压式充填试件内部缝隙,而不是主动地流动充满试件内部缝隙,造成浆液的胶结作用减弱;同时水分的减少降低了水泥的水化作用,导致胶结物内部结构减弱,同样造成浆液的胶结作用减弱。因此,煤矸石压实胶结试件的抗压强度值随着水灰比的增大而显著升高。
图4为不同煤矸石粒径胶结试件的单轴抗压强度变化情况。由
图4可知,当压实力50 kN、水灰比0.5时,煤矸石粒径10~15 mm的胶结试件的抗压强度值为7.503 MPa,比粒径5~10 mm和粒径0~5 mm的胶结试件分别降低19.8%和40.0%。当压实力60 kN、水灰比0.5时,煤矸石粒径10~15 mm的胶结试件的抗压强度值为10.364 MPa,比粒径5~10 mm和粒径0~5 mm的胶结试件分别降低9.4%和19.1%。当压实力70 kN、水灰比0.5时,煤矸石粒径10~15 mm的胶结试件的抗压强度值为7.068 MPa,比粒径5~10 mm和粒径0~5 mm的胶结试件分别降低43.0%和51.0%。
通过对试验数据进行分析可知,煤矸石粒径对煤矸石压实胶结试件的抗压强度值影响较为显著,随着煤矸石粒径的增大,煤矸石压实胶结试件抗压强度值随之逐渐降低。当煤矸石粒径较小时,试件压实前的集料混合物孔隙度较低,试件极易被压实,试件内部浆液分布也较为均匀。随着煤矸石粒径的增大,试件压实前的集料混合物孔隙度升高,当试件进行压实时,部分大粒径煤矸石被压碎充填进集料混合物内部的空腔中,浆液不能很好地流动到大粒径破碎后的缝隙中,导致试件内部含有较多的微裂隙。同时,煤矸石的强度本就远低于水泥的强度,煤矸石压实胶结试件内部的大粒径煤矸石在加载时极易发生破坏形成裂隙,进而影响到试件的整体强度。因此,煤矸石压实胶结试件的抗压强度值随着煤矸石粒径的增大而明显降低。
图5为不同压实力胶结试件的单轴抗压强度变化情况。由
图5可知,在水灰比0.4、粒径0~5 mm时,压实力70 kN的胶结试件的抗压强度值为7.45 MPa,比压实力60 kN和压实力50 kN的胶结试件分别提高4.6%和11.1%。在水灰比0.45、粒径0~5 mm时,压实力70 kN的胶结试件的抗压强度值为11.097 MPa,比压实力60 kN和压实力50 kN的胶结试件分别提高29.7%和18.6%。在水灰比0.5、粒径0~5 mm时,压实力70 kN的胶结试件的抗压强度值为14.42 MPa,比压实力60 kN和压实力50 kN的胶结试件分别提高12.5%和23.1%。
通过对试验数据进行分析可知,压实力对煤矸石压实胶结试件的抗压强度值影响较为显著,随着压实力的增大,煤矸石压实胶结试件抗压强度值随之逐渐升高。当压实力较小时,煤矸石压实胶结试件内部孔隙率相对较高,试件内部微裂隙也就相对较多。随着压实力的增大,煤矸石压实胶结试件在压实过程中,较大的压实力会将煤矸石压碎,并充填进集料混合物内部的空腔中,使得试件内部孔隙率相对较低,试件内部微裂隙也就相对较少。并且,加载时易发生破坏形成裂隙的大粒径煤矸石,在较大压实力的作用下会破碎形成较多的小粒径煤矸石,并在浆液的包裹下随之一起胶结,从而提高试件的整体强度。因此,煤矸石压实胶结试件的抗压强度值随着压实力的增大而明显升高。
2.2 破坏特征
图6为煤矸石压实胶结试件单轴加载破坏特征图。由
图6可知,胶结试件的破坏模式主要受水灰比的影响,煤矸石粒径和压实力对试件的破坏模式几乎无影响。水灰比为0.4时试件出现多条竖向劈裂破坏裂隙,试件以拉伸破坏为主;水灰比为0.45时试件大多出现Y形破坏裂隙,试件呈现拉伸与剪切混合破坏的模式;水灰比为0.5时试件大多出现X形破坏裂隙或单一斜剪裂隙,试件呈现剪切破坏的模式。因此,随着水灰比的增大,试件由拉伸破坏逐渐过渡到拉伸与剪切混合破坏,最后表现为剪切破坏。
2.3 浆岩胶结特征
由前述分析可知,煤矸石压实胶结试件的抗压强度和破坏模式主要受水灰比的影响,为进一步分析不同水灰比对煤矸石压实胶结试件的影响,开展了不同水灰比试件浆-岩界面过渡区的扫描电镜试验,如
图7所示。当水灰比为0.4时,水泥胶结物呈现明显的松散状结构,内部存在较多的微裂隙和孔隙;当水灰比为0.45时,水泥胶结物稍显松散,内部微裂隙和孔隙相比于水灰比0.4时明显减少;当水灰比为0.5时,水泥胶结物明显更加致密,内部微裂隙和孔隙相对较少。从微观形貌来看,当水灰比为0.4时,由于煤矸石具有吸水性,消耗了较多的自由水,水泥的水化作用较弱,水泥颗粒周围以纤维状水化物为主,并且煤矸石表面水泥包裹较少;随着水灰比升高至0.45,胶结物内的自由水相对增多,水泥的水化作用有一定的提升,水泥颗粒周围纤维状水化物减少,层状水化物增多,并且煤矸石表面包裹了一定量的水泥;随着水灰比升高至0.5,胶结物内的自由水进一步增多,水泥的水化作用也相应随之提升,水泥颗粒周围纤维状水化物较少,以层状水化物为主,并且煤矸石表面包裹了较多的水泥。
3 颗粒流细观分析
3.1 数值模型的建立
根据单轴加载试验并结合电镜扫描试验,煤矸石压实胶结试件的抗压强度和破坏模式主要受水灰比的影响,因此有必要针对水灰比这一重要因素进行更加深入的分析。PFC(particle flow code)颗粒流数值模拟软件是基于细观非连续力学理论开发的,适用于分析颗粒集合体材料的力学特性以及裂隙扩展规律。由于本次试验是以煤矸石压实胶结试件为研究对象,此类试件的宏观力学性质主要由内部矸石颗粒以及水泥颗粒的胶结强度决定,因此选用平行胶结模型来模拟煤矸石压实胶结试件的力学行为
[28-29]。根据试件尺寸确定模型尺寸为200 mm×200 mm。根据前述试验中的材料配比计算得到煤矸石和水泥颗粒的体积占比,按照煤矸石实际粒径生成相应体积的大颗粒,导入煤矸石轮廓模型并按照等体积法对大颗粒进行替换,然后利用小颗粒按照煤矸石轮廓聚合为煤矸石大颗粒。水泥颗粒采用小颗粒构建。通常10 000个颗粒即可达到较好的模拟效果,本次构建的数值模型中颗粒数量为24 050个,能够满足本次数值模拟的需要。数值模型如
图8所示。
3.2 模型参数标定
在PFC数值模拟参数标定方面,“试错法”虽然有耗时较长的缺点,但因其力学特性结果以及宏观破坏结果与试验结果一致的优点,逐渐成为主流方法
[30]。即通过不断调整PFC数值模型细观参数,使得数值模拟的应力应变曲线以及破坏结果与试验结果达成一致,即可视为参数标定完成。根据上述方法获取了不同水灰比胶结试件的细观力学参数,具体如
表2所示。按照力学参数得到的应力应变曲线结果如
图9所示。
3.3 数值模拟结果
3.3.1 胶结试件接触力链特征
在颗粒流数值模拟中,力链是颗粒间接触力形成的网络结构,其分布特征直接反映材料的力学行为。
图10为不同水灰比胶结试件峰值点的接触力链分布特征图,接触力链的不同颜色以及粗细程度直接表征接触力的强弱。由
图10可知,当水灰比为0.4时,接触力链的数量为59 939,最大接触力为30.36 kN; 当水灰比为0.45时,接触力链的数量为60 078,最大接触力为30.91 kN; 当水灰比为0.5时,接触力链的数量为60 225,最大接触力为42.34 kN。
随着水灰比的增大,数值模型的整体强度随之增大,试件内部接触力链总数量随之增多。接触力链内部可分为强接触力链和弱接触力链,随着水灰比的增大,内部的弱接触力链减少或者多个弱接触力链合并形成更强的强接触力链,形成更密实的强接触力链网络。虽然强接触力链比弱接触力链在数量上少得多,但是强接触力链承载了大部分的荷载。因此,随着水灰比的增大,煤矸石胶结试件的接触力链总数量随之增多,强接触力链的接触力随之增大。
3.3.2 胶结试件裂纹分布特征
颗粒流数值模拟可以精确提取模型内部的裂纹角度和裂纹数量等信息,能够为研究试件内部裂纹发育扩展提供关键数据。
图11为不同水灰比胶结试件峰值点的裂纹倾角分布特征图,取水平向右方向为0°,随着逆时针方向旋转倾角增加至180°,按照每个区间设定梯度为10°划分出18个统计区间。由
图11可知,当水灰比为0.4时,裂纹的总数量为1 086,其中70°~110°范围内的裂纹数量占总裂纹数量的59.8%,50°~70°和110°~130°范围内的裂纹数量占总裂纹数量的28.5%; 当水灰比为0.45时,裂纹的总数量为930,其中70°~110°范围内的裂纹数量占总裂纹数量的62.2%,50°~70°和110°~130°范围内的裂纹数量占总裂纹数量的26.9%; 当水灰比为0.5时,裂纹的总数量为727,其中70°~110°范围内的裂纹数量占总裂纹数量的65.7%,50°~70°和110°~130°范围内的裂纹数量占总裂纹数量的25.6%。随着水灰比的增大,数值模型的整体强度随之增大,试件需要更高的荷载才会进入屈服阶段发生破坏,由于颗粒之间的接触力链抑制试件的变形破坏,内部的微裂纹总数量也随之减少;虽然裂纹总数量持续减少,但竖直方向的竖裂纹和接近竖直方向的斜裂纹数量占比持续升高,这与试件单轴压缩时的荷载加载方向有关。因此,随着水灰比的增大,矸石胶结试件的裂纹数量随之减少,裂纹扩展由竖向劈裂破坏转换为层状剥离剪切破坏。
3.3.3 胶结试件裂纹演化规律
图12为不同水灰比胶结试件裂纹渐进发育过程,其中红色为加载过程中出现的裂纹。由
图12可知,随着荷载的逐渐升高,裂纹进入稳定发育阶段,此阶段的裂纹发育速度较为缓慢,裂纹数量出现较少,并且裂纹大多出现在聚合的大颗粒矸石内部以及矸石和水泥的胶结部位。随着荷载的持续增加,裂纹进入充分发育阶段,裂纹发育速度开始加快,试件的内部出现大量细密裂纹,在水灰比较小的情况下,裂隙极易竖向发育贯通并形成主控裂缝;随着水灰比的增大,水泥胶结物的胶结能力增强,能够抑制裂纹的继续发育,试件内部继续积聚细密裂纹,最后斜向发育贯通并形成斜剪主控裂缝。随着裂纹进入峰后阶段,裂纹发育保持着较快的速度,此时已贯通的主控裂缝继续发育拓展,同时试件内不断产生新的裂纹并持续相互贯通,最后应力得到释放泄压,试件发生破坏;随着水灰比的增大,试件破坏模式由竖向劈裂破坏转换为Y形拉伸与剪切混合破坏,最终表现为X形层状剥离剪切破坏。
4 讨论
通过系统的室内试验,深入探讨了水灰比、压实力和煤矸石粒径对煤矸石压实胶结试件单轴抗压强度、破坏模式及细观力学行为的影响。研究表明,在煤矸石压实胶结体系中,水灰比是控制其力学性能的最关键因素,其作用机制与传统水泥基材料有本质不同,核心在于煤矸石的强吸水性显著改变了浆体的工作性能和水化环境。当水灰比较低时,浆液中的自由水被煤矸石迅速吸收,导致浆体流动性急剧下降。这种低流动性的浆体在压实过程中难以充分、主动地填充集料间隙,形成“被动挤压”状态,造成胶结不充分、不均匀。自由水的快速消耗严重限制了水泥的水化反应。扫描电镜结果清晰地显示,当水灰比较低时,水化产物以纤维状为主,这标志着水化作用不充分,且煤矸石表面水泥包裹极少,胶结物结构松散、微裂隙多,这直接削弱了胶结基体的强度。因此,在利用强吸水性骨料进行胶结充填或制备混凝土材料时,不能直接套用常规混凝土的水灰比强度关系。必须充分考虑骨料吸水性对浆体工作性能和水化环境的影响,可能需要适度提高水灰比以获得更优的力学性能。
此外,数值模拟从细观角度有力佐证了试验现象,揭示了力链分布特征和裂纹扩展的规律,深化了对宏观力学响应的理解。低水灰比时,胶结基体弱且不均质,内部缺陷多,试件整体脆性明显。裂纹易沿薄弱面和微裂纹快速垂直扩展,表现为拉伸破坏。随着水灰比减小,胶结基体强度显著提高且更均匀致密。这使得材料能够承受更高的荷载,裂纹发育更受限制。数值模拟清晰地展示了这一过程:裂纹总数减少,但裂纹扩展由竖向劈裂破坏转换为层状剥离剪切破坏。高水灰比时,强韧的胶结基体迫使裂纹沿着最大剪应力面发展,形成典型的剪切破坏。
这些发现对于优化煤矸石废弃物的资源化利用中的材料配比与工艺参数具有直接的指导意义。未来研究可考虑更复杂应力路径、长期性能、不同水泥种类或掺合料的影响,以及配筋或加锚等控制手段对强度和破坏模式的影响。
5 结论
(1)煤矸石压实胶结试件的抗压强度主要受水灰比影响,受压实力和煤矸石粒径的影响较小。煤矸石压实胶结试件的抗压强度值随着水灰比的增大而显著升高,随着煤矸石粒径的增大而降低,随着压实力的增大而升高。
(2)电镜扫描结果表明,水灰比决定了微观胶结结构的致密性和界面质量。随着水灰比的增大,水泥的水化作用随之增强,胶结界面的微裂隙随之减少。
(3)数值模拟结果表明,随着水灰比的增大,矸石胶结试件峰值点的接触力链数量随之增多,强接触力链的接触力随之增大,裂纹数量随之减少。
(4)煤矸石胶结试件破坏模式主要受水灰比的影响。随着水灰比的增大,煤矸石压实胶结试件由拉伸破坏逐渐过渡到拉伸与剪切混合破坏,最后表现为剪切破坏。
PDF
(37981KB)
