摘要：對陜北某煤礦所排出石英巖煤矸石破碎制得人工砂替代河砂配制砌筑砂漿的拌合物性能和力學性能進行試驗研究。研究結果表明，煤矸石破碎過程中產生的細粉可以作為惰性填料摻入砂漿；摻入水泥用量20%的煤矸石細粉可改善砂漿拌合物和易性，同時可提高砂漿的立方體抗壓強度和軸心抗壓強度；用50%石英巖煤矸石人工砂替代河砂時，砂漿分層度最小，70%替代河砂時軸心抗壓強度和彈性模量均達到最小值。
關鍵詞：石英巖煤矸石；砌筑砂漿；人工砂；力學性能；煤粉
0 前言
近年來，隨著我國基礎設施建設規模的不斷擴大，建筑材料使用量不斷增大。砂作為一種自然資源，是配制混凝土及砂漿制品的重要材料，但砂的再生周期長，長期開采使得儲量日趨枯竭。自人工砂替代河砂配制混凝土及砂漿制品以來，國內外學者對所配制混凝土及砂漿制品的性能進行了一系列試驗研究，取得眾多研究成果
[1-5]，并在北京世紀財富中心C60 混凝土
[6]、重慶嘉陵江黃花園大橋主體箱梁結構
[7]等工程中等到應用，均取得了較好的應用效果，這在一定程度上緩解了河砂資源緊缺的局面，但開山采石同樣需要消耗大量的自然資源。
石英巖煤矸石是煤炭生產過程中的副產品之一，將其破碎成不同粒徑的粗細骨料，替代目前建筑工程中廣泛使用的砂石骨料，不僅可以有效地解決矸石自身的處理問題，還可減少其在自燃過程中對環境造成的危害。有關這方面的研究目前國內外的相關報道還較少。本文研究了石英巖煤矸石人工砂替代河砂配制砌筑砂漿時的各項性能，可為該類煤矸石在砂漿及混凝土制品中的應用提供試驗依據。
本文研究了煤矸石粉（粒徑小于0.075mm）的摻入以及煤矸石人工砂不同替代率代替河砂對砌筑砂漿性能的影響。通過試驗方案設計、原材料制備、試驗數據測試與結果分析，研究了該類煤矸石作為惰性填料和替代河砂時對砌筑砂漿性能的影響，可為該類煤矸石在砂漿中的應用提供技術依據。
1 試驗概況
1.1 試驗原材料
砂：陜西渭河河砂，堆積密度ρ=1370kg/m3；堅固性試驗質量損失P=7%，篩分結果見表1。
石英巖煤矸石（HG）：取自陜北某煤礦，熱重-差熱（DSC-TG）聯合測試采用美國TA 儀器公司生產的SDTQ600型熱重差熱聯用熱分析儀，測試結果如圖1 所示。升溫速率10℃/min， 升溫區間50——1200℃。由圖1 可知， 在562.84℃時出現一個吸熱峰， 由無機非金屬材料圖譜手冊
[8] 可知： 石英在573℃時吸熱，α-石英變成β-石英。推測該煤矸石以石英巖為主。X光衍射（XRD）測試采用日本理學公司生產的D/MAX-2400型X光粉粒衍射儀（工作條件：Cu、Kα 線）。利用Jade5.0軟件分析XRD譜并完成礦物識別，如圖2所示。由圖2 可知，該煤矸石的主要礦物成分有石英、高嶺土、白云母等，其中石英含量明顯高于其他礦物，表明該煤矸石屬于石英巖類煤矸石。
水泥：甘肅祁連山P·C 32.5 級水泥，初凝時間為65min，終凝時間為360min，安定性合格，抗折、抗壓強度均滿足標準要求。
水：普通自來水。
1.2 試驗方案
（1）對河砂進行篩分試驗，得到各級篩分結果，計算細度模數，確定級配區。
?。?）將石英巖煤矸石洗凈烘干后置于試驗小磨中破碎， 用方孔篩將破碎后的試樣分成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 以下七個粒徑等級。煤矸石含碳量測試參考粉煤灰燒失量測試方法
[9]，經檢測，該煤矸石含碳量約為12%。
?。?）將不同粒徑的石英巖煤矸石按照河砂的級配情況配成與河砂級配相當的人工砂（簡稱HG人工砂）保存備用，經檢測，該煤矸石人工砂壓碎指標為19%。
?。?）將HG 人工砂分別按照0、30%、50%、70%和100%替代河砂， 按表2 所示的配比配制M10 砌筑砂漿（稠度控制在70-90mm），研究摻入水泥用量20%（內摻）的HG 人工砂粉（小于0.075mm）對砂漿拌合物性能的影響規律以及HG 人工砂0、30%、50%、70%和100%替代河砂時， 在控制拌合物稠度近似相等的情況下，砂漿拌合物性能的變化規律。
?。?）依據JGJ/T 70-2009《建筑砂漿基本性能試驗方法標準》
[10]中的規定，分別測試28d 齡期時立方體抗壓強度、軸心抗壓強度和彈性模量，研究摻入水泥用量20%（內摻） 的HG 人工砂粉（小于0.075mm） 對砂漿力學性能的影響規律以及HG 人工砂0、30%、50%、70%和100%替代河砂時，在控制拌合物稠度近似相等的情況下，砂漿力學性能的變化規律。
2 主要試驗結果及分析
2.1 砂漿拌合物性能
試驗測得摻入水泥用量20%（內摻）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漿的干容重、濕容重、稠度、分層度和保水率等指標，砂漿稠度試驗及分層度試驗如圖3 所示，試驗結果如表3 所示。
摻入HG人工砂粉后， 在控制稠度相近的情況下， 砂漿用水量增大。隨著HG 人工砂替代率的提高，砂漿需水量不斷增大。這一方面是由于煤矸石人工砂顆粒較河砂粗糙且有棱角, 堆積后空隙率大，達到一定稠度時需水量較多；另一方面，隨著人工砂替代率的提高， 摻入砂漿中的碳不斷增多，碳粒子具有開放性氣孔，能夠吸附大量的水，因此，碳含量的增加會導致需水量增多。
HG 人工砂未替代河砂時， 摻入HG 人工砂粉砂漿的分層度減小，保水率變化不明顯。隨著煤矸石人工砂替代率的提高， 分層度先減小后增大，替代率為50%時最??；保水率隨煤矸石人工砂替代率的提高，先增大后減小，替代率為50%時達到最大。由《砌筑砂漿配合比設計規程》可知：對于保水性良好的砌筑砂漿，其分層度應為10-20mm，分層度大于20mm的砂漿容易離析，不便于施工；但分層度小于10mm者，硬化后易產生干縮開裂。故煤矸石人工砂代替河砂的替代率為50%時，砌筑砂漿的拌合物工作性能最好。
2.2 砂漿力學性能
砌筑砂漿是將磚、石及砌塊粘結成砌體的砂漿，是砌體的重要組成部分，在砌體結構中起傳遞荷載、協調變形的作用。作為表征砌筑砂漿傳遞荷載和協調變形的主要指標，砂漿的力學性能測試顯得尤為關鍵。
分別對摻入水泥用量20%（內摻）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漿進行了立方體抗壓強度、軸心抗壓強度和彈性模量測試，試驗過程如圖4 所示，試驗結果如表4所示。
HG 人工砂未替代河砂時， 摻入水泥用量20%的HG人工砂粉后，砂漿28d 立方體抗壓強度、軸心抗壓強度和彈性模量均增大， 表明HG 人工砂粉中所含的煤未對砂漿的力學性能產生影響，這可能是因為摻量較少，還不足以影響砂漿的性能。總體而言，HG 人工砂粉的摻入有效填補了砂漿骨料之間的空隙，改善了砂漿的和易性，提高了砂漿的密實性，同時砂漿的強度和彈性模量也有所提高。適量HG人工砂粉摻入砂漿后能起到與礦物細摻料相似的作用，對砂漿力學性能不會產生不利影響，故可作為惰性摻合料加入砂漿中使用。
HG 人工砂不同替代率代替河砂所配制砌筑砂漿的28d 立方體抗壓強度、軸心抗壓強度和彈性模量隨替代率的變化規律如圖5——圖7 所示。由圖可見， 砂漿立方體抗壓強度隨HG人工砂替代率的增大，不斷減小，且30%替代率和50%替代率的抗壓強度值接近；細骨料全部采用HG人工砂時，砂漿立方體抗壓強度只有8.8MPa，未達到設計強度；砂漿軸心抗壓強度在70%替代率之前，隨替代率的增大而降低，70%替代率時達到最小值， 之后又增大；砂漿彈性模量變化規律與軸心抗壓強度較為相似，70%替代率時為拐點， 之前隨著替代率的增大而降低，之后呈增大趨勢。
人工砂在混凝土中應用的研究成果表明，人工砂替代河砂后，其抗壓強度和彈性模量均大于單獨使用河砂時的強度，由于集料的顆粒形貌及表面粗糙程度影響集料與硬化水泥石的粘結作用，人工砂表面粗糙， 與硬化水泥石之間有較好的粘結作用，故人工砂可提高混凝土的抗折、抗壓強度和彈性模量
[11-13]。砂漿強度產生原理與混凝土類似，因此，人工砂配制的砂漿強度也相應高于河砂配制的砂漿強度。盡管煤矸石人工砂也屬于人工砂的范疇，但與普通人工砂有所不同，煤矸石人工砂中含有部分顆粒較細的煤粉， 煤粉的存在導致水泥需水量增大，進而增加了水灰比，影響了砂漿的強度。由試驗結果可知，隨著煤矸石人工砂替代率的增大，加入砂漿的煤粉含量也不斷增加，引入的煤粉可能會對砂漿性能產生負面影響，所以，在使用煤矸石人工砂時，應關注煤矸石中煤粉含量的變化。
3 結論
?。?）石英巖類煤矸石破碎過程中會產生部分煤矸石細粉（粒徑小于0.075mm），將其作為惰性填料摻入砂漿后，可改善砂漿拌合物和易性，同時，砂漿的立方體抗壓強度和軸心抗壓強度有所提高，彈性模量變化不大。
?。?）提高煤矸石人工砂替代率會導致砂漿需水量增大，而分層度先較小，至50%替代率后增大。
?。?）煤矸石人工砂替代率低于50%時，砂漿立方體抗壓強度降幅較小，高于50%替代率后，降幅較為明顯；隨替代率增加，軸心抗壓強度和彈性模量變化趨同，均為先減小后增大，并在70%替代率時達到最小值。
（4）煤矸石人工砂中含有顆粒較細的煤粉，引入的煤粉會導致砂漿需水量的增大，影響砂漿的性能，使用時應特別注意。
參考文獻:
[1] 蔡基偉,李北星,周明凱,等.石粉對中低強度機制砂混凝土性能的影響[J].武漢理工大學學報,2006,28(4):27-30.
[2] 常江,蔣元海,柳剛,等.人工砂是配制優質混凝土和砂漿的理想材料[J].混凝土與水泥制品,2005,(3):14-17.
[3] Anne-Mieke Poppe,Geert De Sehutter. Cement hydration in the Presence of high filler contents[J].Cement and Concrete Re≥ search,2005,35:2290-2299.
[4] 楊文烈,邸春福.機制砂的生產及在混凝土中的應用[J].混凝土,2008(6):113-117.
[5] 李興貴.高石粉含量人工砂在混凝土中的應用研究[J].建筑材料學報,2004(3):66-77.
[6] 何涌東,于鳴新,段雄輝.機制砂在商品混凝土中的工程應用[J].建筑技術開發,2005(11):67-70.
[7] 唐亮. 機制砂在黃花園大橋主橋箱梁C50 砼工程中的應用[J].重慶交通學院學報,2000(6):44-49.
[8] 楊南如,岳文海.無機非金屬材料圖譜手冊[M].武漢:武漢工業大學出版社,2000.
[9] 中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局,中國國家標準化管理委員會.GB/T1596-2005 用于水泥和混凝土中的粉煤灰[S].北京：中國標準出版社,2005.
[10] 中華人民共和國城鄉建設部. JGJ/T70-2009 建筑砂漿基本性能試驗方法標準[S] .北京:中國建筑工業出版社,2009.
[11] 何盛東,劉立新,王華,等.不同替代率下機制砂混凝土抗壓強度的試驗研究[J].混凝土,2010(10):109-111.
[12] 何盛東,劉立新,王俊,等.不同替代率下機制砂混凝土彈性模量試驗研究[J].廣西大學學報:自然科學版,2010,35(4):698-701.
[13] Jr.J.E.Galloway.Grading,Shape,and Surface Properties [C].ASTM Special Technical Publication No.169C.Philadelphia,1994,401-410.
編輯：金哲
