含冶金煤集料的结构轻集料混凝土的力学性能

把煤炭废料变成建筑构件

现代城市离不开混凝土，但生产与运输大量这种材料对预算和环境意味着沉重负担。本研究探讨了一个不同寻常的想法：将钢铁生产过程中产生的煤炭残渣——不是作为燃料，而是作为混凝土中的轻质骨料。通过把冶金煤废料加工成类似砾石的颗粒，研究者们提出了一个问题：我们能否在降低成本并循环利用本应堆成黑色山丘的工业废物的同时，建造更安全、更轻的结构？

为什么轻质混凝土很重要

混凝土中更多的是骨料而非胶粘剂；其体积的60–80%由砂砾等骨料构成。用更轻的材料替代这些石料可以大幅降低建筑必须承受的“自重”，从而允许设计更细的柱、更小的基础和更少的配筋。结构轻质混凝土自罗马时代就已使用，常见于桥梁、高层建筑和大跨度屋盖。近年来，工程师尝试用多种工业废弃物——如钢渣、塑料碎片和农业灰烬——替代天然砾石。冶金煤废料在开采和加工过程中大量产生，具有多孔且比普通岩石轻得多的特性，因此是一个有前景的候选材料。

从煤渣到混凝土配合比

研究团队从埃及采石场收集冶金煤废料并将其粉碎成粗骨料。随后他们设计了五种混凝土配合比，使这种基于煤的骨料按质量替代普通砾石0%、25%、50%、75%或100%。其他所有材料——水泥、砂、水，以及搅拌和养护条件——保持不变，以便仅比较骨料类型的影响。在制备混凝土之前，他们测量了煤集料的密度、吸水率和矿物成分。结果显示其极为轻质，体积密度约为普通砾石的三分之一，孔隙率明显更高，意味着吸水性更强且含有大量富碳物质。

新型混凝土的性能如何

新拌混凝土首先进行了施工性能检查，这是衡量混合物在工地上易于浇筑和压实的重要指标。随着煤含量增加，坍落度——一种简单的流动性锥形试验——显著下降，表明多孔煤颗粒吸收了水分使混合物变得更黏稠。养护后，对硬化混凝土进行了若干关键性能测试：自重、抗压强度（抗压碎的能力）、抗弯强度（抗弯曲能力）和刚度（弹性模量）。如预期，煤集料用量越多，混凝土越轻：单位体积重从约2168降至1642千克每立方米，足以将这些配合比归类为结构轻质混凝土。但这种减重是有代价的。立方体抗压强度从0%煤时的37.6兆帕降至100%煤时的20.7兆帕，弯曲强度也随之下降。煤颗粒的内部结构及其与水泥浆之间较弱的粘结引入了更多微小空隙和微裂纹，降低了混凝土的承载能力和刚度。

热、火与现实经济性

鉴于建筑必须能耐受火灾，研究者还将含煤量为0%、25%和50%的试件加热到200°C、400°C和600°C并维持两小时，然后测量其剩余强度。所有配合比随着温度上升都损失强度——在600°C时约下降40–43%——但仍符合结构安全极限。这表明尽管具有多孔性，基于煤的轻质混凝土在现实的火灾情景下仍能保持生存能力。团队还用一个包含楼板、梁和柱并按国家规范设计的小型建筑模型进行了成本分析。由于较轻的混凝土能减少自重，所需配筋也减少。含75%煤的配合比将钢筋用量削减约12%，并使整体混凝土成本略有降低（相比普通混凝土约每立方米节省23埃镑），且仍满足强度要求。

对未来建筑的意义

对非专业读者而言，结论是：长期被视为环境负担的煤矿废料可以转化为有用的建筑材料。当煤集料替代25–75%的天然砾石时，混凝土显著变轻，同时仍能满足多层建筑中许多结构构件的强度要求，并在高温下表现可接受。在100%替代时，混凝土非常轻，但不再足以用于主要承重构件，更适合用于非结构性的用途，如隔断墙或保温砌块。总体而言，该研究表明，经过精心设计的配合比使用冶金煤废料，可以保护天然石料资源、降低钢筋和运输需求，并为一种工业副产物赋予新用途——只要在结构中用于合适的位置，安全性并不受损。

引用: Waleed, T., Rady, M., Mashhour, I.M. et al. Mechanical performance of structural lightweight concrete with metallurgical coal aggregates. Sci Rep 16, 7484 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-37929-6

关键词: 轻质混凝土, 煤炭废弃物回收, 可持续建筑, 结构性能, 工业副产物