磨細煤矸石粉在混凝土中應用的試驗研究

2014-03-31 06:43:36李建勇李榮江

江西建材 2014年12期

李建勇李榮江

（北京奧潤開元環保科技研究院北京 100076）

前言

在我國，煤矸石是年產量最大、堆存最多的工業廢物。對煤矸石的資源化利用是實踐循環經濟、節能減排的重要方向和內容，具有廣泛的現實意義和社會經濟利益。其中，對煤矸石在建材方面的資源化利用將是最大量、最有效的利用途徑[1]。

礦物摻合料已經成為現代混凝土特別是預拌混凝土生產中不可或缺的原材料之一。隨著國內預拌混凝土產業的飛速發展，粉煤灰和礦渣粉等常用的礦物摻合料在很多地區已經出現資源短缺、供應緊張、價格上漲的局面。將磨細煤矸石粉用作混凝土礦物摻合料，不僅充分利用了固體廢棄物、變廢為寶，緩解粉煤灰、礦粉等摻合料供應不足、價格上漲的局面，還可以節約大量的水泥，大大降低了混凝土成本，又可以解決煤矸石給環境帶來的諸多問題[2]。因此，研究煤矸石用作混凝土礦物摻合料的技術，對于煤矸石的資源化綜合利用有著極其重要的意義。

國內對于煤矸石用作水泥混合材的研究較為普遍與成熟[3]，而對于磨細煤矸石粉作為礦物摻合料在混凝土中的應用試驗研究相對較少，在很大程度上制約煤矸石在混凝土中的規模化應用。

本文利用兩種不同產地的自燃煤矸石和煅燒煤矸石為原料，通過磨細加工制備了磨細煤矸石粉，對摻加磨細煤矸石粉的混凝土的拌合物性能、力學性能、抗凍性能和抗氯離子滲透性能等進行了試驗研究，并較為全面地檢測了復合摻加磨細煤矸石粉和II粉煤灰的C30混凝土的各項性能。本研究所得的試驗結果，可以為磨細煤矸石粉礦物摻合料的在預拌混凝土中的應用提供一定的借鑒和指導。

1 原材料和配合比設計

1.1 原材料

（1）煤矸石

選用河北產煅燒煤矸石和內蒙古產自燃煤矸石兩種原狀煤矸石。兩種煤矸石的化學成分見表1。化學分析表明：煅燒煤矸石的SiO2含量在40%～60%之間，Al2O3含量在15%～30%之間，鋁硅比（Al2O3/SiO2）小于0.5，屬于粘土巖類煤矸石；自燃煤矸石的SiO2含量大于60%，鋁硅比（Al2O3/SiO2）小于0.5，屬于砂巖類煤矸石。另外，兩種煤矸石中有害、有毒及放射性元素很少，對健康和安全沒有危害。

（2）水泥和粉煤灰

選用北京金隅PO42.5普通硅酸鹽水泥，比表面積340m2/kg，28天抗壓強度為51MPa，化學成分見表1。

選用河北產II粉煤灰，細度23%，燒失量6.3%，需水量比101%，化學成分見表1。

（3）細集料

選用河北產Ⅱ區中砂河砂，細度模數2.7，含石量6%，含泥量2.2%，表觀密度2670kg/m3。

（4）粗集料

選用北京產5mm～25mm礦山廢石碎石，連續級配，含泥量1.2%，壓碎指標4.5%，表觀密度2630kg/m3。

（5）外加劑

選用TGC-YS聚羧酸高性能減水劑，含固量12%，減水率29%。

（6）拌合水

自來水。

1.2 混凝土配合比方案

（1）混凝土拌合物性能和抗壓強度試驗

使用HJW-60混凝土攪拌機進行混凝土的拌合試驗。設計了C10、C30、C40和C60等四個強度等級的單摻磨細煤矸石粉或雙摻磨細煤矸石粉和粉煤灰的混凝土的配合比方案，見表2。其中，C30和C40兩個等級的單摻煤矸石粉配合比以及雙摻煤矸石粉和粉煤灰配合比用于混凝土拌合物坍落度性能試驗。

（2）單摻磨細煤矸石粉混凝土抗凍性能和抗氯離子滲透性能試驗

使用HJW-60混凝土攪拌機進行混凝土的拌合試驗。選取C30等級的混凝土，試驗研究在單摻磨細煤矸石粉的條件下，不同煤矸石粉摻量對混凝土抗凍融性能的影響，以及單摻30%煤矸石粉時混凝土的抗氯離子滲透性能。配合比方案見表3。

表1 原材料化學成分

表2 混凝土拌合物和抗壓強度試驗配合比方案

2 混凝土性能試驗結果

2.1 磨細煤矸石粉的粉磨

將原狀煤矸石進行水洗后烘干，使用XPS-100×60顎式破碎機破碎，然后使用SM-500球磨機進行粉磨加工，粉磨時間為30m in和40m in，制備了4種磨細煤矸石粉。表4給出了磨細煤矸石粉比表面積的測定結果。

結果表明，自燃煤矸石比煅燒煤矸石容易粉磨，相同粉磨時間下自燃煤矸石粉具有更高的比表面積。同時，這4種磨細煤矸石粉的比表面積均在550m2/kg以上，粉磨40min的煤矸石粉更是達到了超細狀態。

2.2 磨細煤矸石粉對混凝土拌合物性能的影響

按照表2中C30和C40等級的單摻煤矸石粉以及雙摻煤矸石粉和粉煤灰的配合比，使用HJW-60混凝土攪拌機攪拌混凝土，攪拌時間為120s。按GB/T 50080的規定測定混凝土拌合物出機坍落度和坍落擴展度，試驗結果見圖1和圖2。

從圖1和圖2可以看出：（1）不論是煅燒煤矸石還是自燃煤矸石，磨細煤矸石粉的細度（比表面積）越大，則混凝土的坍落度和擴展度越小，這說明磨細煤矸石粉的細度對混凝土拌合物的工作性有明顯影響；（2）不論是煅燒煤矸石還是自燃煤矸石，由于雙摻磨細煤矸石粉和粉煤灰時混凝土中的礦物摻合料總量顯著提高，因此混凝土拌合物的坍落度和擴展度均比單摻磨細煤矸石粉時有一定程度的降低，這說明在復合使用磨細煤矸石粉和粉煤灰時需要注意調整混凝土用水量或減水劑用量，以彌補工作性方面的下降；（3）在同樣摻量下，與摻加磨細煅燒煤矸石粉的混凝土相比，摻加磨細自燃煤矸石粉的混凝土拌合物的坍落度和擴展度的降低幅度更大更快，這說明磨細自燃煤矸石粉對混凝土坍落度和擴展度的影響更大。

表3 混凝土抗凍性能和抗氯離子滲透性能試驗配合比方案

表4 煤矸石粉比表面積

圖1 煅燒煤矸石粉混凝土坍落度試驗結果

圖2 自燃煤矸石粉混凝土坍落度試驗結果

2.3 磨細煤矸石粉對混凝土抗壓強度的影響

按表2給出的四個等級的混凝土配合比，使用HJW-60混凝土攪拌機攪拌混凝土，攪拌時間為120s。按GB/T 50080的規定測定出機后混凝土拌合物坍落度、擴展度，通過調整減水劑摻量控制混凝土拌合物坍落度/擴展度在（220±10mm）/（570±10mm）的范圍內。成型邊長為100mm×100mm×100mm的立方混凝土試件，標準養護至規定齡期（3d、7d、28d三個齡期），按GB/T 50081的規定測定混凝土抗壓強度。以摻煤矸石粉混凝土的抗壓強度與相應等級的單摻粉煤灰的基準混凝土抗壓強度的百分比值作為評價指標。結果見圖3。

從圖3中可以看出：（1）摻加磨細煤矸石粉后，四個等級混凝土的各齡期抗壓強度的發展趨勢基本接近，這說明磨細煤矸石粉對于不同強度等級混凝土抗壓強度的發展規律的影響沒有明顯差異；（2）相同摻量條件下，摻加自燃煤矸石粉的混凝土的各齡期抗壓強度均高于摻加煅燒煤矸石粉的混凝土，這說明磨細自燃煤矸石粉比磨細煅燒煤矸石粉在混凝土中具有更好的活性效應；（3）相同摻量下，摻加磨細30min煅燒煤矸石粉的混凝土的抗壓強度稍高于摻加磨細40min煅燒煤矸石粉的混凝土，而摻加磨細30min自燃煤矸石粉的混凝土與摻加磨細40min自燃煤矸石粉混凝土的強度非常接近，因此，從經濟性和活性效應綜合考慮，對于煅燒煤矸石和自燃煤矸石，30min應該是更好的粉磨時間。

有一點需要說明，雖然結果表明磨細自燃煤矸石粉具有更好的活性效應，但其需水量要高于磨細煅燒煤矸石粉。在混凝土攪拌過程中，摻加磨細自燃煤矸石粉時一般需要多加0.2%的減水劑，來達到與摻加磨細煅燒煤矸石粉混凝土相同的坍落度與擴展度。

2.4 混凝土抗凍性能實驗

按表3中的混凝土配合比，研究了不同摻量磨細煤矸石粉對混凝土抗凍性能的影響。混凝土試件標準養護至28d齡期后，使用CABR-HDK9混凝土快速凍融試驗機進行50次凍融循環試驗。試驗結果見圖4。

圖3 摻煤矸石粉混凝土抗壓強度試驗結果

從圖4中可以看出：（1）在0～40%的磨細煤矸石粉摻量范圍內，經過50次快速凍融循環，混凝土的強度損失率均隨磨細煤矸石粉摻量的增大而增大；（2）摻加磨細自燃煤矸石粉時，摻量高于20%后混凝土的強度損失率有顯著增大；摻加磨細煅燒煤矸石粉時，摻量高于30%后混凝土的強度損失率有顯著增大；（3）相同摻量下，摻自燃煤矸石粉混凝土的抗凍性能明顯優于摻磨細煅燒煤矸石粉混凝土的抗凍性能。

磨細煤矸石粉摻量的增大過程，實際上是混凝土漿體總孔隙體積逐漸增大的過程，孔體積的增大與孔結構的變化使混凝土的抗凍性能降低。前述的試驗結果表明，磨細自燃煤矸石粉比磨細煅燒煤矸石粉在混凝土中具有更好的活性效應，因此混凝土的結構會更加密實。所以，摻加磨細自燃煤矸石粉混凝土的抗凍性能會優于摻加磨細煅燒煤矸石粉混凝土。雖然摻入磨細煤矸石粉會降低混凝土的抗凍性能，但只要調整好混凝土配合比，保證混凝土具有較高的密實度，應當可以使摻磨細煤矸石粉混凝土具有適宜的抗凍性。

2.5 混凝土抗氯離子滲透性能實驗

按表3中單摻30%磨細煤矸石粉的混凝土配合比，成型混凝土試塊，標準養護至28天和56d齡期，鉆芯取樣制作圓盤形試件，按GB/T 50082的規定測定，使用CABR-RCMP混凝土氯離子電通量測定儀進行電通量測定，研究磨細煤矸石粉對混凝土抗氯離子滲透性能的影響。試驗結果見圖5。

從圖5中可以看出：（1）在30%磨細煤矸石粉摻量下，摻磨細煅燒煤矸石粉和磨細自燃煤矸石粉的混凝土的電通量均低于未摻煤矸石粉的混凝土，并且56天齡期時電通量下降更為明顯，這說明磨細煤矸石粉可以明顯改善混凝土的抗氯離子滲透性能；（2）相同齡期和煤矸石粉摻量的條件下，摻加磨細自燃煤矸石粉混凝土的抗氯離子滲透能力優于摻加磨細煅燒煤矸石粉混凝土。