邱景平 劉 骎，2 邢 軍 孫曉剛

(1.東北大學資源與土木工程學院，遼寧 沈陽110819;2.中國黃金集團科技有限公司，北京100176)

煤矸石是煤礦在開拓、回采和洗選加工過程中排放的一種固體廢棄物，其排放量占煤炭產(chǎn)量的10%～15%［1］，是我國排放量最大的工業(yè)固體廢棄物之一。煤矸石的長期堆存不僅占用大量的土地，還對堆存地周邊環(huán)境造成嚴重的污染和破壞。據(jù)統(tǒng)計［2］，目前我國煤矸石堆存量累計高達50 億t 以上，并且每年約以2 億t 的速度增加。

利用煤矸石生產(chǎn)的集料替代普通碎石骨料配制輕集料混凝土，不僅可以資源化大宗利用煤矸石，還能大量減少建筑行業(yè)對天然集料的消耗，此外與普通混凝土相比，輕集料混凝土還具有輕質(zhì)、高強、抗震等優(yōu)良特性。

我國20 世紀80 年代開始研究和生產(chǎn)煤矸石陶粒輕集料混凝土［3］，到21 世紀，隨著煤矸石陶粒生產(chǎn)的規(guī)?；?，我國煤矸石陶粒輕集料混凝土技術(shù)得到較快發(fā)展。但在實際工程中，混凝土開裂現(xiàn)象仍普遍存在，增加膠凝材料用量、摻加高效減縮劑和活性礦物摻合料是配制輕集料混凝土的主要技術(shù)方法，也正是由于這些措施造成了混凝土的明顯收縮、開裂和耐久性下降，嚴重制約了其在結(jié)構(gòu)工程上的應用［4］。因此，提高輕集料混凝土的體積穩(wěn)定性、減少收縮開裂對煤矸石陶粒輕集料混凝土的研究和應用具有重要意義。

試驗以某砂巖質(zhì)煤矸石陶粒為輕集料試制混凝土，研究了預濕陶粒內(nèi)養(yǎng)護、添加減縮劑及二者復合對輕集料混凝土收縮的影響，以尋求有效改善輕集料混凝土體積穩(wěn)定性的措施，促進煤矸石陶粒輕集料混凝土的推廣和應用。

1 輕集料混凝土體積穩(wěn)定性研究現(xiàn)狀

1.1 輕集料混凝土的體積變形

混凝土的體積穩(wěn)定性是指混凝土凝結(jié)硬化后，在無荷載作用下保持其初始幾何尺度的能力［5］。作為促使混凝土開裂的最主要因素，收縮是影響輕集料混凝土體積穩(wěn)定性的最主要的體積變形?；炷恋氖湛s變形主要有6 種，下面結(jié)合輕集料混凝土的具體特點進行分析［6-7］。

(1)化學減縮。指水泥在水化反應后，漿體中膠凝材料和水的絕對體積減小所引起的收縮。硅酸鹽水泥完全水化后的化學收縮為7% ～9%。混凝土初凝后的化學收縮大部分由內(nèi)部形成的孔隙結(jié)構(gòu)來補償，對混凝土宏觀體積的影響較小。

(2)溫度收縮。指混凝土內(nèi)部溫度由于水泥水化而升高，最后冷卻到環(huán)境溫度時產(chǎn)生的收縮，其大小與混凝土的熱膨脹系數(shù)、內(nèi)部最高溫度及降溫速率等因素有關(guān)。輕集料混凝土的低彈性模量和較小的熱膨脹系數(shù)，使其在相同溫度梯度下產(chǎn)生的收縮小于普通混凝土。

(3)碳化收縮。指在相對濕度合適的條件下，大氣中的CO2與水泥的水化產(chǎn)物如Ca(OH)2、C－S－H凝膠等發(fā)生化學反應而引起的收縮。

(4)塑性收縮。指在混凝土凝結(jié)硬化前，由于表面失水速率大于內(nèi)部水分向外遷移速率而產(chǎn)生的收縮。輕集料在拌和階段吸入水泥漿中的水分，會增大混凝土表面失水速率與內(nèi)部水分向表面遷移的速率之差，從而加大輕集料混凝土的早期塑性收縮。

(5)自收縮。指在恒溫恒濕條件下，由于膠凝材料在混凝土初凝后的繼續(xù)水化引起內(nèi)部濕度降低而造成的收縮，它隨著水灰比的降低而增大。與普通混凝土相比，輕集料混凝土有效水膠比較小，使自收縮在總收縮中所占比例增大。

(6)干燥收縮。混凝土停止養(yǎng)護后，在不飽和的空氣中失去內(nèi)部毛細孔水、凝膠孔水及吸附水而發(fā)生的不可逆收縮，其主要影響因素是膠凝材料用量和集料的用量及其彈性模量。輕集料的彈性模量較低，膠凝材料用量較高，致使輕集料混凝土的干燥收縮較大。

1.2 輕集料混凝土的收縮機理

輕集料混凝土收縮主要是由于硬化水泥漿體內(nèi)部的濕度平衡被打破所致，而導致這種平衡發(fā)生變動的原因則來自于混凝土內(nèi)部水分的遷移或轉(zhuǎn)化。關(guān)于其作用機理的學說主要有毛細管張力學說、拆開壓力學說、表面吸附學說和層間水遷移學說［8］。毛細管張力學說認為混凝土的收縮與水分遷移過程中毛細管水的彎液面有關(guān)。隨著混凝土內(nèi)部相對濕度的降低，毛細管中彎液面的曲率下降，從而導致表面張力增大，此表面張力對管壁產(chǎn)生拉應力造成混凝土宏觀體積的收縮。拆開壓力學說認為水吸附在C－S－H凝膠表面會產(chǎn)生一個拆開壓力，其值與濕度成正比，在較低的相對濕度下，當拆開壓力小于范德華力時，水泥漿體中的凝膠顆粒就會聚集引起收縮。表面吸附學說認為凝膠顆粒的表面吸附水膜會減小其表面張力，當吸附水從顆粒上脫離，表面張力就要增加，從而引起體積減小。層間水遷移學說是指隨著相對濕度的降低，存在于C－S－H 凝膠內(nèi)層區(qū)的層間水在能量梯度的作用下逐漸向外遷移而產(chǎn)生的收縮。

對于這幾種收縮學說，不同的學者看法并不一致，但普遍認為混凝土的收縮是無法用單一學說完全解釋的，而是多種原因復合造成的［9］。

當相對濕度為100%時，混凝土不會產(chǎn)生較大的體積變形;當水泥漿體所處環(huán)境濕度小于100%時，混凝土便開始出現(xiàn)失水并產(chǎn)生收縮。一般認為，當環(huán)境濕度小于100%時，孔徑50 nm 以上的毛細孔內(nèi)的自由水首先蒸發(fā)，此時由水的表面張力引起的毛細管應力很小，并不會造成體系的顯著收縮;當相對濕度在85% ～35%時，孔徑50 ～2.5 nm 的毛細孔逐漸失水，毛細管應力增大，體系收縮顯著增大。存在于膠體中的吸附水，在相對濕度低于60%時才開始蒸發(fā)。當相對濕度小于45%時，將失去C－S－H 凝膠內(nèi)層區(qū)的層間水，使水泥漿體的收縮增大。在相對濕度為35% ～100%的常規(guī)環(huán)境中，毛細管應力是造成收縮的主要因素;而當相對濕度小于35%時，由于太細的毛細孔不能保持溶液彎液面，毛細管張力不再是混凝土收縮的成因。

1.3 輕集料混凝土體積增穩(wěn)技術(shù)研究現(xiàn)狀

輕集料混凝土的體積穩(wěn)定性涉及膠凝材料的類型及用量、外加劑的種類及集料性能等多方面因素，而且這些因素間又相互作用、相互影響。因此，必須從原材料選擇到配合比設(shè)計進行統(tǒng)籌優(yōu)化，采取適當?shù)臏p縮措施才能夠有效提高輕集料混凝土的體積穩(wěn)定性。目前，我國在輕集料混凝土體積增穩(wěn)方面的研究不多，主要包括以下幾個方面。

(1)優(yōu)化原材料和配合比。研究表明［10-11］:減少膠凝材料的用量、提高有效水膠比、增加砂率、摻加粉煤灰和礦渣，以及采用高吸水率的輕骨料可在一定程度上減小輕集料混凝土的收縮，提高體積穩(wěn)定性。但在實際工程中，由于受到施工條件、原材料來源及經(jīng)濟條件等因素的限制，無法完全從控制收縮的角度來設(shè)計和制備混凝土，因此減縮效果并不顯著。

(2)摻加外加劑或纖維。摻加適量的膨脹劑和高彈性模量纖維能夠有效減小輕集料混凝土的收縮，但是膨脹劑不同程度存在高溫穩(wěn)定性、延遲膨脹、早期養(yǎng)護條件苛刻等問題，而摻加纖維則會影響混凝土的性能，且減縮效果受其在混凝土中分散程度的影響較大，這些原因大大制約了膨脹劑和纖維的推廣［12-13］。減縮劑于20 世紀80 年代由日、美先后開發(fā)出來，是一種通過降低水溶液的表面張力來降低混凝土收縮的化學外加劑［14］。宋培晶［15］研究證明，減縮劑對輕集料混凝土的體積穩(wěn)定性有一定的促進作用。

(3)加強混凝土養(yǎng)護。對于輕集料混凝土而言，由于實際工程中構(gòu)件的截面較大，傳統(tǒng)的保濕養(yǎng)護對混凝土內(nèi)部的養(yǎng)護作用比較有限。近20 a 研究者開始關(guān)注混凝土的內(nèi)養(yǎng)護，普遍認為內(nèi)養(yǎng)護對混凝土內(nèi)部濕度的降低以及收縮具有顯著的抑制作用。目前已有不少研究者開展了輕集料混凝土內(nèi)養(yǎng)護研究［12-16］，其研究結(jié)果表明，內(nèi)養(yǎng)護可以改善水泥漿體的孔徑分布，抑制內(nèi)部相對濕度的下降，并且隨著輕集料吸水率和預濕程度的提高，內(nèi)養(yǎng)護減縮效果逐漸增強。

2 煤矸石陶粒輕集料混凝土試驗方案

2.1 試驗原料

煤矸石陶粒輕集料混凝土的原料中粗集料為實驗室自制砂巖質(zhì)煤矸石陶粒，基本性能見表1;細集料為北京某建筑工地河砂，細度模數(shù)為2.6，表觀密度為2 610 kg/m3，堆積密度為1 350 kg/m3;水泥為遼寧工源牌P·O·A 32.5 礦渣硅酸鹽水泥;減縮劑為HUNTSMAN 公司生產(chǎn)的JEEFMINE⑩D－230 聚醚胺;減水劑為DC－WR1 型萘系高效減水劑，減水率為15% ～20%。

表1 煤矸石陶粒的基本性能Table 1 Basic performance of coal gangue ceramsite

2.2 試驗配合比

參照《JGJ51—2002 輕集料混凝土技術(shù)規(guī)程》，通過正交試驗確定混凝土原料水泥、河砂與干陶粒的基準配合比，即水泥、砂與干陶粒的用量分別為420 kg/m3、564 kg/m3、702 kg/m3，水灰比為0.40。

試驗將按基準配合比，并在減水劑摻量為0.75%(與水泥的質(zhì)量比)情況下，研究減縮劑摻量(與水泥的質(zhì)量比)、陶粒預濕程度以及二者復合對煤矸石陶粒輕集料混凝土收縮性能的影響。

2.3 試驗方法

參照《GB/T50082—2009 普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》進行收縮試驗，測定以干燥收縮為主的收縮率。試驗以100 mm×100 mm×515 mm 的棱柱體試件為標準試件，試塊成型1 d 后脫模，并測定其長度。置于恒溫恒濕(20±2 ℃，60%±5%)環(huán)境中養(yǎng)護，分別測定養(yǎng)護1、3、7、14、28、56 d 時的長度，并計算收縮率。

采用JYW－200A 型全自動界面張力儀測量減縮劑對模擬孔溶液表面張力的影響。

3 煤矸石陶粒輕集料混凝土試驗結(jié)果與討論

3.1 陶粒預濕程度對試件收縮性能的影響

不同養(yǎng)護齡期下，陶粒預濕程度對輕集料混凝土收縮性能影響試驗的減縮劑用量為0，不同養(yǎng)護齡期混凝土試件的收縮率見圖1。

圖1 陶粒預濕程度對混凝土收縮率的影響Fig.1 Influence of ceramsite pre-wetting degree on concrete shrinkage

由圖1 可以看出:相同養(yǎng)護齡期的陶粒，預濕時間越長，也即預濕程度越高，試件的收縮率越小，但收縮率下降的幅度逐漸趨緩;陶粒預濕程度相同，養(yǎng)護時間越長，試件的收縮率呈先快后慢的上升趨勢。因此，合適的預濕時間為12 h。

由于煤矸石輕集料陶粒具有大量的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，經(jīng)預濕處理的陶粒內(nèi)部存有一定量的水分，當水泥漿體毛細孔網(wǎng)絡(luò)中的水分因水泥水化而不斷消耗時，在毛細管壓力差和濕度差的作用下，輕集料中的水分逐漸向水泥中遷移，形成微養(yǎng)護機制，從而降低毛細管應力，宏觀表現(xiàn)為混凝土收縮變形的降低［18］。

3.2 減縮劑摻量對試件收縮性能的影響

減縮劑摻量對試件收縮性能影響試驗的陶粒不預濕，不同養(yǎng)護齡期混凝土試件的收縮率見圖2。

圖2 減縮劑摻量對混凝土收縮率的影響Fig.2 Influence of shrinkage reducing agent dosage on concrete shrinkage

由圖2 可以看出:相同養(yǎng)護齡期的陶粒，減縮劑摻量越多，試件的收縮率越小，但收縮率下降的幅度趨緩;減縮劑摻量相同，養(yǎng)護時間越長，試件的收縮率呈先快后慢的上升趨勢。即在煤矸石陶粒輕集料混凝土中摻入減縮劑可有效抑制混凝土的收縮。因此，合適的減縮劑摻量為2%。

進一步的研究表明，摻加減縮劑的試件收縮率顯著小于不摻加減縮劑的試件，這是由于無減縮劑時隨著水化作用的進行，試件內(nèi)部相對濕度下降，毛細孔中逐步產(chǎn)生彎月面，導致試件受負壓作用而強化收縮;添加減縮劑從微觀結(jié)構(gòu)上降低了毛細孔水的表面張力，減小了孔內(nèi)附加應力，從而減少了附加負壓產(chǎn)生的收縮變形［14］。減縮劑溶液的表面張力與減縮劑溶液濃度的關(guān)系見圖3(用濃度為5%的減縮劑溶液調(diào)制混凝土，減縮劑的摻量即為2%)。

圖3 減縮劑溶液濃度對表面張力的影響Fig.3 Influence of the concentration of shrinkage reducing agent on surface tension

3.3 陶粒預濕且添加減縮劑對試件收縮性能的影響

陶粒預濕且添加減縮劑對試件收縮性能影響試驗結(jié)果見圖4。

圖4 陶粒預濕且添加減縮劑對試件收縮率的影響Fig.4 Influence of ceramsite pre-wetting degree and shrinkage reducing agent dosage on concrete shrinkage

由圖4 可以看出，陶粒預濕24 h 并摻加2%減縮劑的試件的收縮率顯著低于同一養(yǎng)護齡期不預濕且無減縮劑、或僅預濕陶粒24 h、或僅摻加2%減縮劑的試件的收縮率，表明預濕和添加減縮劑產(chǎn)生了“疊加”效應。

4 結(jié) 論

(1)隨著煤矸石陶粒預濕時間的延長、預濕程度的提高，煤矸石陶粒輕集料混凝土試件的收縮率下降;預濕時間達到12 h 時，煤矸石陶粒吸水基本飽和，繼續(xù)增加預濕時間，陶粒的吸水率增長緩慢，混凝土試件的收縮率下降微弱。

(2)添加減縮劑可降低毛細孔溶液的表面張力，減小毛細管壓力，抑制煤矸石陶粒輕集料混凝土試件的收縮，改善其體積穩(wěn)定性。試件的收縮率隨減縮劑摻量的增加而下降，當減縮劑摻量大于2.0%后，繼續(xù)增加減縮劑的摻量，混凝土試件的收縮變形改善不明顯。

(3)在煤矸石陶粒預濕，且添加減縮劑的情況下，煤矸石陶粒輕集料混凝土試件的收縮率較單獨采取2 種手段時的收縮率明顯下降，有利于提高輕集料混凝土的體積穩(wěn)定性。

［1］ 陳莉榮，張 娜，杜明展，等. 內(nèi)蒙古某煤矸石制備沸石試驗［J］.金屬礦山，2014(1):167-171.

Chen Lirong，Zhang Na，Du Mingzhan，et al. Research on synthesis of zeolite using coal gangue in Inner Mongolia［J］.Metal Mine，2014(1):167-171.

［2］ 張 娜，劉曉明，孫恒虎. 赤泥－煤矸石基膠凝材料水化過程XPS 分析［J］.金屬礦山，2014(3):171-176.

Zhang Na，Liu Xiaoming，Sun Henghu. XPS analysis on hydration process of red mud-coal gangue based cementitious materials［J］.Metal Mine，2014(3):171-176.

［3］ 李建杰，郭愛民，丁全錄，等. 自燃煤矸石陶粒輕集料混凝土的性能研究［J］.新型建筑材料，2007(7):55-57.

Li Jianjie，Guo Aimin，Ding Quanlu，et al. Study on properties of lightweight aggregate concrete using self combustion gangue［J］.New Building Materials，2007(7):55-57.

［4］ 王志新，劉 立.輕集料混凝土干燥收縮特征的研究［J］. 粉煤灰，2011(2):32-34.

Wang Zhixin，Liu Li. Study of dry shrinkage feature of lightweight aggregate concrete［J］.Coal Ash，2011(2):32-34.

［5］ 姚 武.高性能混凝土體積穩(wěn)定性的控制及優(yōu)化設(shè)計［J］.工業(yè)建筑，2005(11):74-77.

Yao Wu. Control and optimized design for volume stability of high performance concrete［J］. Industrial Construction，2005(11):74-77.

［6］ 聶 欣，黃偉宏.對輕骨料混凝土收縮性能的分析［J］. 建材技術(shù)與應用，2006(4):6-8.

Nie Xin，Huang Weihong. Analysis on shrinkage property of lightweight aggregate concrete［J］. Research ＆ Application of Building Materials，2006(4):6-8.

［7］ 張 巍，楊全兵.混凝土收縮研究綜述［J］.低溫建筑技術(shù)，2003(5):4-6.

Zhang Wei，Yang Quanbing. Review on shrinkage of concrete［J］.Temperature Architecture Technology，2003(5):4-6.

［8］ 吳華君，方鵬飛.高性能混凝土干燥收縮規(guī)律研究［J］.混凝土，2009(8):33-35.

Wu Huajun，F(xiàn)ang Pengfei. Rule of drying shrinkage about the high performance concrete［J］.Concrete，2009(8):33-35.

［9］ 黃國興，惠榮炎. 混凝土的收縮［M］. 北京:中國鐵道出版社，1990.

Huang Guoxing，Hui Rongyan.The Shrinkage of Concrete［M］.Beijing:China Railway Publishing House，1990.

［10］ 程智清，劉寶舉.高性能輕集料混凝土收縮性能研究［J］.混凝土與水泥制品，2008(4):10-13.

Cheng Zhiqing，Liu Baoju.Study on shrinkage property of high performance lightweight aggregate concrete［J］. China Concrete and Cement Products，2008(4):10-13.

［11］ 董淑慧，葛 勇，袁 杰，等. 輕集料混凝土的收縮性能研究［J］.混凝土，2008(2):47-49.

Dong Shuhui，Ge Yong，Yuan Jie，et al.Study on shrinkage property of lightweight aggregate concrete［J］.Concrete，2008(2):47-49.

［12］ 王發(fā)洲，丁慶軍，陳友治，等.影響高強輕集料混凝土收縮的若干因素［J］.建筑材料學報，2003(4):431-435.

Wang Fazhou，Ding Qingjun，Chen Youzhi，et al. Study on shrinkage of high strength lightweight aggregate concrete［J］. Journal of Building Materials，2003(4):431-435.

［13］ 黨玉棟. 減縮劑與內(nèi)養(yǎng)護對水泥基材料體積穩(wěn)定性的影響［D］.重慶:重慶大學，2012.

Dang Yudong.Influence of shrinkage reducing admixture and internal curing on volume stability of cement based materials［D］.Chongqing:Chongqing University，2012.

［14］ 張 坤，郭 磊. 混凝土減縮劑研究進展［J］. 四川建材，2011(6):21-22.

Zhang Kun，Guo Lei.Research and development shrinkage reducing admixture for concrete［J］.Sichuan Building Materials，2011(6):21-22.

［15］ 宋培晶，丁建彤，郭正順.高強輕骨料混凝土的收縮及其影響因素的研究［J］.建筑材料學報，2004(2):139-144.

Song Peijing，Ding Jiantong，Guo Zhengshun. Shrinkage of high strength lightweight aggregate concrete and factors influencing it［J］.Journal of Building Materials，2004(2):139-144.

［16］ 梁永寧，陳永波，季 韜，等.陶粒類型對輕骨料混凝土自收縮的影響［J］.混凝土與水泥制品，2011(9):4-8.

Liang Yongning，Chen Yongbo，Ji Tao，et al. Effect of ceramsite type on autogenous shrinkage of lightweight aggregate concrete［J］.China Concrete and Cement Products，2011(9):4-8.

［17］ Castro J，Keiser L，Golias M，et al.Absorption and desorption properties of fine lightweight aggregate for application to internally cured concrete mixtures［J］.Cement and Concrete Composites，2011，33:1001-1008.

［18］ 萬廣培，李化健，黃佳木. 混凝土內(nèi)養(yǎng)護技術(shù)研究進展［J］. 混凝土，2012(7):51-66.

Wang Guangpei，Li Huajian，Huang Jiamu.Research progress of internal curing technology of concrete［J］. Concrete，2012(7):51-66.