輕質(zhì)煤矸石泡沫混凝土的強(qiáng)度研究★

李月香，馬軍霞，李超剛

(1.河北工程技術(shù)學(xué)院，河北 石家莊 050000； 2.河北浚源工程勘察設(shè)計(jì)有限公司，河北 石家莊 050000)

泡沫混凝土具有質(zhì)輕、保溫、抗震性能好可減少噪聲以及調(diào)節(jié)室內(nèi)濕度的優(yōu)點(diǎn)，目前已經(jīng)在建筑中廣泛應(yīng)用[1]。一般的泡沫混凝土多用早強(qiáng)型高標(biāo)號(hào)水泥作為膠凝材料，也有加入少量的粉煤灰、礦渣等礦物摻合料的[2]。我們?cè)谠囼?yàn)中加入了粉磨后的煤矸石，摻入煤矸石之后，泡沫混凝土的工作性和力學(xué)性能與水泥泡沫混凝土相比不會(huì)出現(xiàn)明顯的降低，甚至還有不同程度的優(yōu)化，那么泡沫混凝土生產(chǎn)中加入煤矸石，當(dāng)然是求之不得的好事，既能降低成本又可以利費(fèi)減排，與我國(guó)政策相順應(yīng)。

我們知道煤矸石摻量對(duì)泡沫混凝土的流動(dòng)性、成型時(shí)的體積穩(wěn)定性、凝結(jié)時(shí)間、強(qiáng)度等性能都有影響。在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下，通過調(diào)整合適的煤矸石摻量，可以解決早期強(qiáng)度低，易破損的問題。為了減少養(yǎng)護(hù)時(shí)間，提高強(qiáng)度，考慮了更換養(yǎng)護(hù)條件，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在不同養(yǎng)護(hù)條件下，煤矸石摻量對(duì)泡沫混凝土強(qiáng)度的影響也是不同的。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 原材料

水泥：重慶法拉基水泥廠P.O52.5R硅酸鹽水泥，其化學(xué)成分及性能見表1，表2。

表1 水泥的化學(xué)成分 %

煤矸石：重慶中梁山煤礦的煤矸石，破碎后，750 ℃煅燒2 h，磨細(xì)制得比表面積為971.6 m2/kg的活性煤矸石粉，其化學(xué)成分見表2。

表2 煤矸石的化學(xué)成分 %

石灰：重慶歌樂山山洞所產(chǎn)生石灰，磨細(xì)后使用。其有效CaO質(zhì)量分?jǐn)?shù)81.45%。

石膏：普通建筑石膏，四川眉山產(chǎn)，規(guī)格180目，CaSO4質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于98%，執(zhí)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 9776—88。

泡沫劑：合成泡沫劑，發(fā)泡倍數(shù)20左右，泡沫穩(wěn)定性好，不出現(xiàn)泌水現(xiàn)象。

減水劑：FDN高效減水劑，摻量1.0%時(shí)，減水率為14%。

1.2 試樣制備

按照所定的B04級(jí)泡沫混凝土的配合比見表3，稱取原材料，先加入攪拌機(jī)混合均勻，再加入水(減水劑用水稀釋后，與水一并加入)，同時(shí)用高速攪拌機(jī)制泡，將制成的泡加入漿體內(nèi)，至攪拌均勻即可，攪拌時(shí)間不宜過長(zhǎng)，會(huì)造成泡沫的損失。注模后在自然狀態(tài)下放置48 h，然后拆模，再進(jìn)行不同的養(yǎng)護(hù)。本文中所指的齡期均從成型之日起算，不是從養(yǎng)護(hù)之日起算的。試件規(guī)格為160 mm×40 mm×40 mm。

表3 B04級(jí)泡沫混凝土配合比

本次試驗(yàn)主要運(yùn)用三種養(yǎng)護(hù)方法：1)標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)，溫度(20±3)℃，相對(duì)濕度90%；2)低溫蒸汽養(yǎng)護(hù)，升溫5 h，在125 ℃，0.12 MPa氣壓下恒定2 h,再自然降溫，然后再標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)；3)60 ℃溫養(yǎng)，將試件密封，放入60 ℃的水浴箱中養(yǎng)護(hù)。

1.3 性能測(cè)試

抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度按照《泡沫混凝土標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行，在達(dá)到齡期后，把所測(cè)試的試件從養(yǎng)護(hù)條件下拿出，放置在25 ℃，相對(duì)濕度(60±3)%的環(huán)境中24 h，然后再進(jìn)行相關(guān)的測(cè)試。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)

標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)下，試件的強(qiáng)度結(jié)果見表4。

表4 標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)下強(qiáng)度

從表4中可以看出，在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下，B04煤矸石泡沫混凝土的最大抗折強(qiáng)度是C∶CG為2.5∶1的一組，最大值為0.70 MPa，最小的是C∶CG為1∶5的一組，最小值為0.41 MPa；最大抗壓強(qiáng)度為C∶CG為2.5∶1的一組，最大值為1.64 MPa，最小的是C∶CG為5∶1的一組，最小值為1.35 MPa。

隨著煤矸石摻量的增加，泡沫混凝土3 d的抗折強(qiáng)度逐漸降低，煤矸石的質(zhì)量分?jǐn)?shù)最大的一組，3 d抗折強(qiáng)度只有0.20 MPa。隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增長(zhǎng)，雖然各組試件的抗折強(qiáng)度也在不斷的提高，但是增長(zhǎng)率并不相同，到28 d時(shí)，C∶CG為2.5∶1的一組抗折強(qiáng)度最大達(dá)到0.70 MPa。這說明活化煤矸石的火山灰活性在早期并沒有發(fā)揮多大的作用[3]，因此煤矸石的質(zhì)量分?jǐn)?shù)越高抗折強(qiáng)度越低，但是隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增長(zhǎng)，活性煤矸石逐漸水化，同時(shí)也可以促進(jìn)水泥的水化，從而試件的抗折強(qiáng)度也在增大。但是煤矸石的質(zhì)量分?jǐn)?shù)過高，則煤矸石未水化部分就越多，相對(duì)而言膠凝作用就少，抗折強(qiáng)度反而會(huì)降下來。

隨著煤矸石摻量的增大，3 d和7 d的抗壓強(qiáng)度逐漸降低，C∶CG為1∶5的一組3 d抗壓強(qiáng)度只有0.34 MPa。隨著養(yǎng)護(hù)齡期的延長(zhǎng)，到14 d 時(shí)已經(jīng)表現(xiàn)出C∶CG為2.5∶1的一組強(qiáng)度最高，水泥的質(zhì)量分?jǐn)?shù)高的泡沫混凝土的強(qiáng)度增長(zhǎng)的并不大，反而煤矸石的質(zhì)量分?jǐn)?shù)高的混凝土后期強(qiáng)度增長(zhǎng)很大。這主要是由于煤矸石的火山灰活性在生石灰和石膏的激發(fā)下發(fā)展的比較慢，而且泡沫混凝土的孔隙率大，由許許多多的泡沫構(gòu)成，其強(qiáng)度主要由凝膠材料的自身性能決定。但是也并不是膠凝材料水化的越完全，水化產(chǎn)物越多，強(qiáng)度越高，而是以一定量的未反應(yīng)顆粒構(gòu)成骨架，水化產(chǎn)物作為膠結(jié)料，包裹在未反應(yīng)顆粒的表面并填充其孔隙構(gòu)成混凝土整體，其強(qiáng)度和其他物理性能才最好[4]。

2.2 低壓蒸汽養(yǎng)護(hù)

低壓蒸汽養(yǎng)護(hù)下，試件的強(qiáng)度結(jié)果見表5。

表5 低溫蒸汽養(yǎng)護(hù)下強(qiáng)度

從表5中可以看出，泡沫混凝土在低壓蒸汽養(yǎng)護(hù)條件下，抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度都有不同程度的提高。各組試件的3 d抗折強(qiáng)度已經(jīng)超過0.60 MPa，3 d抗壓強(qiáng)度超過了1.30 MPa，養(yǎng)護(hù)齡期到達(dá)28 d后，C∶CG為1∶5的一組抗折強(qiáng)度最大達(dá)到0.94 MPa，此組的抗壓強(qiáng)度也最大為3.09 MPa。

在低壓蒸汽養(yǎng)護(hù)條件下，泡沫混凝土的強(qiáng)度增長(zhǎng)趨勢(shì)與在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)下的截然相反，無(wú)論是3 d還是28 d齡期，隨著煤矸石量的增加抗折強(qiáng)度不斷增大，而且這五組試件28 d抗折強(qiáng)度比3 d的提高的都不太大，更甚者C∶CG為1∶5的一組28 d抗折強(qiáng)度出現(xiàn)了比7 d強(qiáng)度降低的現(xiàn)象，但是在此養(yǎng)護(hù)條件下的3 d抗折強(qiáng)度已經(jīng)超過了標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)下28 d的相應(yīng)強(qiáng)度。

在不同齡期，煤矸石泡沫混凝土的抗壓強(qiáng)度都是在隨著煤矸石摻量的增加而增大，而且各組的抗壓強(qiáng)度隨著養(yǎng)護(hù)齡期的延長(zhǎng)，強(qiáng)度的增長(zhǎng)并不太明顯，C∶CG為1∶5的一組，其抗壓強(qiáng)度與標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下的相比抗壓強(qiáng)度提高了近兩倍；而C∶CG為5∶1的一組強(qiáng)度最低1.39 MPa，與標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下相比并沒有明顯的提高，僅僅提高了早期的強(qiáng)度而已。由此可見，壓強(qiáng)和溫度較高的情況下，煤矸石的火山灰反應(yīng)比較快而且較徹底[5]，煤矸石的二次反應(yīng)消耗了富集在水泥水化產(chǎn)物周圍的Ca(OH)2晶體，而且生成物附著在未反應(yīng)的煤矸石顆粒上，界面結(jié)構(gòu)更加致密，減少了硅酸鹽水泥中界面區(qū)間隙和氫氧化鈣富集對(duì)硬化漿體造成的不利影響[6]。可能由于蒸壓時(shí)試件出現(xiàn)了微裂縫，在以后的養(yǎng)護(hù)中在裂縫間隙出現(xiàn)了鈣礬石，鈣礬石的膨脹使得28 d的強(qiáng)度反而有些降低[7]。

2.3 60 ℃溫養(yǎng)

60 ℃溫養(yǎng)狀態(tài)下，試件的強(qiáng)度結(jié)果見表6。

表6 60 ℃溫養(yǎng)下強(qiáng)度

從表6中可以看出，試件在60 ℃溫養(yǎng)狀態(tài)下，其抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度都要比標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)狀態(tài)下大，最大的抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度分別為0.91 MPa(C∶CG=1∶1)和3.01 MPa(C∶CG=1∶5)，而且，3 d的抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度已經(jīng)達(dá)到28 d的80%左右，7 d的可以高達(dá)90%多。

在60 ℃溫養(yǎng)條件下，泡沫混凝土的抗折強(qiáng)度是先上升后下降，C∶CG為1∶1的最高，可達(dá)0.91 MPa，盡管3 d強(qiáng)度要較低壓蒸汽養(yǎng)護(hù)下要略低一些，但還是比標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)下的高近1/2，28 d的抗折強(qiáng)度與低壓蒸汽養(yǎng)護(hù)下的相近。而且3 d到7 d 的增長(zhǎng)率比7 d到28 d的增長(zhǎng)率還要高。

在60 ℃溫養(yǎng)條件下，煤矸石泡沫混凝土的抗壓強(qiáng)度隨著煤矸石摻量的增加而增大，與低壓蒸汽養(yǎng)護(hù)條件下的規(guī)律近似，但3 d和7 d齡期時(shí)C∶CG為1∶5的一組強(qiáng)度并不比C∶CG為1∶2.5的高，反而要低一些。由此可見，煤矸石在60 ℃狀態(tài)下，二次火山灰反應(yīng)也是比較快比較充分的，雖然比不上低壓蒸汽養(yǎng)護(hù)但是也要比標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)在早期強(qiáng)度方面有明顯的提高。

3 結(jié)語(yǔ)

1)泡沫混凝土中用部分煤矸石替代水泥，不僅對(duì)泡沫混凝土的孔隙結(jié)構(gòu)有優(yōu)化作用，而且提高了物理機(jī)械性能，但替代量與所采用的養(yǎng)護(hù)方式主要與溫度有關(guān)。

2)煤矸石在60 ℃或者更高的溫度下，火山灰二次反應(yīng)的速度會(huì)加快，且反應(yīng)的越充分，生成產(chǎn)物與偏高嶺土的水化產(chǎn)物相似。

3)在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)下時(shí)，C∶CG=2.5∶1的一組強(qiáng)度最高，在低壓蒸汽養(yǎng)護(hù)下時(shí)，C∶CG=1∶5強(qiáng)度最高，而在60 ℃溫養(yǎng)時(shí)，C∶CG=1∶2.5的一組的強(qiáng)度最高。

4)提高養(yǎng)護(hù)溫度，對(duì)煤矸石泡沫混凝土的早期強(qiáng)度有明顯的提高，可以改善早期強(qiáng)度過低、易壞、養(yǎng)護(hù)周期長(zhǎng)的不足。