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活化煤矸石作摻合料—混凝土力學性能的研究

2010-06-21 14:00:10許晨陽范興旺張亮藺喜強
商品混凝土 2010年4期
關鍵詞:塑化劑礦粉煤矸石

許晨陽,范興旺,張亮,藺喜強

(中國礦業(yè)大學(北京)機電學院材料系,北京 100083)

0 前言

煤矸石是煤礦生產(chǎn)過程中采煤和洗煤時被分離出來的廢料,是我國目前排放量最大的工業(yè)固體廢棄物之一。通常煤矸石的產(chǎn)量約占煤炭開采量的10%~20%,目前我國煤矸石的堆放已形成1500座矸石山,全國儲存的矸石共計約有40億噸以上、占地近30萬畝。此外煤矸石露天堆放,經(jīng)日曬、雨淋、風化、分解,產(chǎn)生大量的酸性水或攜帶重金屬的離子水,導致水體污染和土壤破壞等嚴重后果[1]。

由于各地煤矸石所含礦物不同,其化學成分較為復雜,一般以鋁、硅為主要成分。但由于具有穩(wěn)定的晶體結(jié)構(gòu),因此活性很低。有研究表明,對黏土巖類煤矸石加熱到一定溫度時,煤矸石中的高嶺土組分會發(fā)生脫水和分解,生成偏高嶺土和無定形的二氧化硅和氧化鋁,原來的結(jié)晶相被分解破壞,此時煤矸石就具有了活性[2]。本試驗所采用煤矸石來源于北京,利用活化研究階段所得出的結(jié)論,將煤矸石投置于沸騰爐中煅燒,溫度控制在900℃左右,保溫2小時后空冷,然后粉磨成比表面積為450 m2/kg左右的煤矸石細粉[3]。

本文研究了活化煤矸石細粉對新拌C60混凝土性能的影響規(guī)律,同時將其與礦粉、粉煤灰進行了二元復配實驗研究,得出了活化煤矸石在制備高性能混凝土中的使用方法,并對其作用機理進行了分析。

1 原料和試驗方法

1.1 原材料

水泥:北京琉璃河P·O42.5級,礦物組成見表1。

表1 水泥的礦物組成 %

活化煤矸石:取自北京房山區(qū),有兩條生產(chǎn)線將煤矸石破碎篩分,10~25mm作瀝青混凝土的集料,本試驗選用5mm以下的軟質(zhì)煤矸石煅燒粉磨制得,比表面積454m2/kg?;罨喉肥?、粉煤灰、礦粉化學成分見表2。經(jīng)試驗測定,活化煤矸石粉的粒度分布見圖1。

表2 活化煤矸石粉、粉煤灰、礦粉化學組成

砂:Ⅱ區(qū)中砂,細度模數(shù)2.78,含泥量1.26%,低堿活性。

石:卵碎石,5~25mm連續(xù)級配,壓碎指標5%,針片狀含量3.6%,低堿活性。

超塑化劑:天津雍陽聚羧酸高效減水劑。

1.2 實驗方法

按全計算配合比設計法設計的無摻合料C60混凝土為基準,混凝土配合比如表3所示。試驗研究了活化煤矸石粉在不同摻量下取代水泥,對混凝土含氣量、坍落度、凝結(jié)時間和抗壓強度的影響及規(guī)律;同時對比煤矸石與礦粉、煤矸石與粉煤灰復摻下對混凝土工作性、力學性能的影響與規(guī)律,其配合比如表4所示。試驗通過調(diào)整外加劑摻量,使混凝土初始坍落度為210~220mm,擴展度為460~480mm。試驗方法遵照GB/T50080-2002和GB/T50081-2002的規(guī)定。

表3 基準混凝土配合比 kg/m3

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 超塑化劑摻量隨摻合料摻量的變化

在混凝土初始坍落度和擴展度保持一定的情況下,單摻煤矸石粉和復合使用下,摻量對超塑化劑摻量的影響如圖3所示。

圖3表明單摻煤矸石粉時,超塑化劑的摻量隨矸石粉摻量的增加而增加,說明摻入煤矸石粉后,使混凝土的需水量增加。而矸石粉在與粉煤灰復合使用時,相同摻量矸石粉所需要超塑化劑的摻量低于單摻狀態(tài)。

表4 膠凝材料配合比(質(zhì)量百分數(shù)) %

摻入活化煤矸石粉代替部分水泥后,一方面,更細的顆粒填充于水泥粗顆粒之間空隙中,使顆粒分布更加致密,排擠出空隙中的部分水分,潤滑顆粒,有助于改善混凝土的流動性。另一方面,由于活化煤矸石屬于脫水產(chǎn)物,煅燒后煤矸石都呈疏松狀態(tài),結(jié)構(gòu)中微孔較多,內(nèi)比表面積較大,需要更多的水潤濕表面和填充孔隙,從而使混凝土的流動性變差,需水量增加[4]。兩種作用的綜合結(jié)果表現(xiàn)為混凝土需水量增加,且摻量越高,需水量越大。

當煤矸石與粉煤灰復合使用時,由于粉煤灰所具有的“玻璃微珠”效應,使得混凝土的需水量減少,當與煤矸石復配后,兩者的共同作用表現(xiàn)為需水量介于單摻煤矸石或粉煤灰兩者之間,改善了煤矸石粉需水量大的問題,使混凝土的流動性變好;當煤矸石與礦粉復配時,由于煤矸石的加入,改善了單摻礦粉時所產(chǎn)生的泌水現(xiàn)象,使混凝土流動性變好,但總體需水量依然偏高。

因此,在恒定用水量的情況下,為降低超塑化劑的用量,煤矸石粉更適合與粉煤灰復合使用。

2.2 摻活化煤矸石粉對含氣量的影響

活化煤矸石粉對新拌混凝土含氣量影響如圖4所示。

由圖4可以看出,摻入矸石粉后,混凝土的含氣量隨矸石粉的摻入量的增加呈現(xiàn)出略有升高然后降低的趨勢。這是因為煅燒后的煤矸石具有疏松多孔的結(jié)構(gòu),使得在摻入后攪拌過程中,排出內(nèi)孔中的空氣,使混凝土的含氣量增加;但另一方面,加入煤矸石后優(yōu)化了混凝土中細顆粒的粒度分布,使堆積結(jié)構(gòu)更加致密,減少了混凝土中的含氣量。兩者相互作用的結(jié)果顯示為,低摻量下(10%~20%),混凝土的含氣量略有升高或變化不大,活化矸石粉的引氣作用占主導地位;但隨摻量的不斷增加,矸石粉對堆積結(jié)構(gòu)的影響更為突出,因此混凝土含氣量逐漸降低。

2.3 摻活化煤矸石粉對凝結(jié)時間的影響

由圖5可見混凝土的凝結(jié)時間隨著煤矸石摻量的增加而延長。煤矸石摻量從10%到30%時,初、終凝時間變化幅度不明顯,說明煤矸石摻量10%~30%時處于適宜摻量的臨界狀態(tài),當進一步增加摻量時,煤矸石對混凝土凝結(jié)時間的延緩作用大幅增加。這是因為煤矸石替代水泥后,水泥漿體濃度相對降低,有效水灰比增大。水化速率變慢,生成C-S-H凝膠的速率隨之變慢,變化為凝結(jié)時間延長。另一方面,低水膠比下,煤矸石更好地填充于水泥顆粒之間,釋放出的自由水使水泥漿體濃度更為降低,整個體系水化速率大大降低,混凝土凝結(jié)時間大大延長了。

2.4 摻活化煤矸石粉對坍落度經(jīng)時損失的影響

試驗通過調(diào)整外加劑摻量,使混凝土初始坍落度為210~220mm,擴展度為460~480mm。不同摻量下活化煤矸石粉1h后的坍落度損失情況如圖6所示;矸石粉與粉煤灰、矸石粉與礦粉復合摻量下的坍落度1h后的損失情況如圖7、圖8所示。

圖6表明,隨著活化煤矸石摻量的增加,混凝土的坍落度隨時間保持能力逐漸下降。當摻量在10%~30%時,坍落度損失較小,1h后仍可達到170mm以上,當摻量超過30%后,坍損嚴重。

這是因為粒徑較小的矸石粉均勻分散于水泥顆粒之間,優(yōu)化了堆積結(jié)構(gòu),阻止了水泥顆粒的凝聚,并可釋放出絮凝結(jié)構(gòu)中的自由水。此外,由矸石粉SEM電鏡照片圖2可以看出,活化煤矸石微觀形貌上存在球形顆粒,能夠產(chǎn)生一定的“滾珠效應”,減弱骨料間的“聯(lián)鎖”作用[5]。這些均可使混凝土流動性提高并對其保持有利。但另一方面,由于煤矸石需水量大,導致混凝土經(jīng)時坍損嚴重。兩者相互作用,表現(xiàn)為矸石粉摻量在20%時混凝土的經(jīng)時坍損最小。圖7和圖8表明矸石粉分別與粉煤灰和礦粉配合使用下混凝土的經(jīng)時坍損情況。由于粉煤灰具有“微珠效應”,可以起到減水的作用。因此,由圖7可以看出煤矸石與粉煤灰配合使用摻量40%,配合比為1∶3時1h坍損最小。由圖8可以看出,當煤矸石與礦粉復合使用時,其1h坍損較等量下單摻煤矸石時略有改善,并隨煤矸石對礦粉比例的增加而增大。當配合比例為3∶1時,1h后坍損達55mm,損失仍然較大。

2.5 摻活化煤矸石粉對混凝土抗壓強度的影響

摻活化煤矸石對C60混凝土各齡期抗壓強度影響如表5所示。

表5 混凝土各齡期抗壓強度

由表5數(shù)據(jù)作抗壓強度圖如圖9、圖10所示。

由表5和圖9中編號0~5可以看出,活化煤矸石有較強的增強作用。單獨使用,其摻量在 20%左右時,混凝土強度有較大的增長。由表5和圖10中編號6~13實驗結(jié)果可以看出,活化煤矸石在與粉煤灰復合使用時(編號7、8、9),同等摻量下其早期強度比單獨使用粉煤灰(編號6)要高,且后期強度亦有較大的提高。而活化煤矸石在與礦粉配合使用時(編號10~13),雖然強度亦有所增長,但由于其需水量較大,不適合應用。

活化煤矸石的活性來源主要是煅燒后分解生成的偏高嶺土,無定形的活性SiO2和Al2O3。水化早期,活性Al2O3與水泥水化產(chǎn)生的Ca(OH)2反應生成鈣礬石,可促進水泥水化;水化后期,其含有的活性SiO2可與水泥水化產(chǎn)物Ca(OH)2發(fā)生二次反應生成C-H-S凝膠,即火山灰反應。因此,活化煤矸石在使用過程中既有早期的增強作用,又有后期的強度增長保持能力。這種水化結(jié)果是在水化后期水化產(chǎn)物中的Ca(OH)2少、C-H-S凝膠的堿度低,系統(tǒng)中膠凝性水化產(chǎn)物多、漿體的孔結(jié)構(gòu)更加合理。但由于其結(jié)構(gòu)微孔較多,內(nèi)比表面積大,需水量大,使得其在應用過程中更適合于同粉煤灰復合使用。既借助于粉煤灰的“形態(tài)效應”減少了混凝土單方用水量,改善了混凝土的和易性,節(jié)約了成本,又可彌補單摻粉煤灰摻合料所帶來的早期強度低的問題,縮短了拆模時間。因此,活化煤矸石更適合于與粉煤灰復合使用。

3 結(jié)論

(1)摻入活化矸石粉后混凝土需水量變大,為保持混凝土的同等流動性,所需超塑化劑隨摻量的增加而增大。當與粉煤灰復合使用時,可改善混凝土需水量,減少超塑化劑的使用量。

(2)活化矸石粉疏松多孔的結(jié)構(gòu)可增加混凝土的含氣量,20%以下?lián)搅繒r較為明顯,摻量增加,受堆積作用的影響,含氣量降低。

(3)混凝土凝結(jié)時間隨矸石粉摻量的增加而增大,摻量在30%以下時,對凝結(jié)時間的影響不大。

(4)活化煤矸石粉低摻量下可改善混凝土經(jīng)時坍損。單摻煤矸石摻量低于30%時,混凝土坍落度損失較小;當煤矸石與粉煤灰復合使用40%摻量,摻和比例為1:1時,經(jīng)時坍損最小。

(5)摻量低于20%的活化矸石粉混凝土早期強度比可達90%以上,后期強度亦有所增長,20%摻量下60d后抗壓強度高于空白試樣。在與粉煤灰復摻時,與單摻粉煤灰相比,復摻可提高混凝土早期強度,后期強度增長較大。因此,利用活化煤矸石粉可以制備C60以上的高強混凝土。

[1]王棟民, 左彥峰, 李俏, 范德科. 煤矸石的礦物學特性及建材資源化利用 [C]. 第四屆中國粉煤灰、礦渣及煤矸石加工與應用技術交流大會論文集, 2006(4): 79-86.

[2]郭偉,李東旭,陳建華.煤矸石在熱活化過程中相的組成和結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)變化[J].2008(112): 204-207,192.

[3]范德科,王棟民,羅小紅.煤矸石的機械-熱力復合活化研究[J].混凝土與水泥制品.2008(6):18-21.

[4]周雙喜.活化煤矸石細粉-水泥復合膠凝材料水化性能研究[J].硅酸鹽通報,2007,26(2):357-361,377.

[5]R.Duval,E.H.Kadri. Influence of silica fume on the workability and the eompressive strength of high-performance concretes [J]. Cement and Concrete Research,1998(28):533-547.

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