磨细煤矸石粉在混凝土中应用的试验研究

2014-03-31 06:43李建勇李荣江

江西建材 2014年12期

李建勇李荣江

（北京奥润开元环保科技研究院北京 100076）

前言

在我国，煤矸石是年产量最大、堆存最多的工业废物。对煤矸石的资源化利用是实践循环经济、节能减排的重要方向和内容，具有广泛的现实意义和社会经济利益。其中，对煤矸石在建材方面的资源化利用将是最大量、最有效的利用途径[1]。

矿物掺合料已经成为现代混凝土特别是预拌混凝土生产中不可或缺的原材料之一。随着国内预拌混凝土产业的飞速发展，粉煤灰和矿渣粉等常用的矿物掺合料在很多地区已经出现资源短缺、供应紧张、价格上涨的局面。将磨细煤矸石粉用作混凝土矿物掺合料，不仅充分利用了固体废弃物、变废为宝，缓解粉煤灰、矿粉等掺合料供应不足、价格上涨的局面，还可以节约大量的水泥，大大降低了混凝土成本，又可以解决煤矸石给环境带来的诸多问题[2]。因此，研究煤矸石用作混凝土矿物掺合料的技术，对于煤矸石的资源化综合利用有着极其重要的意义。

国内对于煤矸石用作水泥混合材的研究较为普遍与成熟[3]，而对于磨细煤矸石粉作为矿物掺合料在混凝土中的应用试验研究相对较少，在很大程度上制约煤矸石在混凝土中的规模化应用。

本文利用两种不同产地的自燃煤矸石和煅烧煤矸石为原料，通过磨细加工制备了磨细煤矸石粉，对掺加磨细煤矸石粉的混凝土的拌合物性能、力学性能、抗冻性能和抗氯离子渗透性能等进行了试验研究，并较为全面地检测了复合掺加磨细煤矸石粉和II粉煤灰的C30混凝土的各项性能。本研究所得的试验结果，可以为磨细煤矸石粉矿物掺合料的在预拌混凝土中的应用提供一定的借鉴和指导。

1 原材料和配合比设计

1.1 原材料

（1）煤矸石

选用河北产煅烧煤矸石和内蒙古产自燃煤矸石两种原状煤矸石。两种煤矸石的化学成分见表1。化学分析表明：煅烧煤矸石的SiO2含量在40%～60%之间，Al2O3含量在15%～30%之间，铝硅比（Al2O3/SiO2）小于0.5，属于粘土岩类煤矸石；自燃煤矸石的SiO2含量大于60%，铝硅比（Al2O3/SiO2）小于0.5，属于砂岩类煤矸石。另外，两种煤矸石中有害、有毒及放射性元素很少，对健康和安全没有危害。

（2）水泥和粉煤灰

选用北京金隅PO42.5普通硅酸盐水泥，比表面积340m2/kg，28天抗压强度为51MPa，化学成分见表1。

选用河北产II粉煤灰，细度23%，烧失量6.3%，需水量比101%，化学成分见表1。

（3）细集料

选用河北产Ⅱ区中砂河砂，细度模数2.7，含石量6%，含泥量2.2%，表观密度2670kg/m3。

（4）粗集料

选用北京产5mm～25mm矿山废石碎石，连续级配，含泥量1.2%，压碎指标4.5%，表观密度2630kg/m3。

（5）外加剂

选用TGC-YS聚羧酸高性能减水剂，含固量12%，减水率29%。

（6）拌合水

自来水。

1.2 混凝土配合比方案

（1）混凝土拌合物性能和抗压强度试验

使用HJW-60混凝土搅拌机进行混凝土的拌合试验。设计了C10、C30、C40和C60等四个强度等级的单掺磨细煤矸石粉或双掺磨细煤矸石粉和粉煤灰的混凝土的配合比方案，见表2。其中，C30和C40两个等级的单掺煤矸石粉配合比以及双掺煤矸石粉和粉煤灰配合比用于混凝土拌合物坍落度性能试验。

（2）单掺磨细煤矸石粉混凝土抗冻性能和抗氯离子渗透性能试验

使用HJW-60混凝土搅拌机进行混凝土的拌合试验。选取C30等级的混凝土，试验研究在单掺磨细煤矸石粉的条件下，不同煤矸石粉掺量对混凝土抗冻融性能的影响，以及单掺30%煤矸石粉时混凝土的抗氯离子渗透性能。配合比方案见表3。

表1 原材料化学成分

表2 混凝土拌合物和抗压强度试验配合比方案

2 混凝土性能试验结果

2.1 磨细煤矸石粉的粉磨

将原状煤矸石进行水洗后烘干，使用XPS-100×60颚式破碎机破碎，然后使用SM-500球磨机进行粉磨加工，粉磨时间为30m in和40m in，制备了4种磨细煤矸石粉。表4给出了磨细煤矸石粉比表面积的测定结果。

结果表明，自燃煤矸石比煅烧煤矸石容易粉磨，相同粉磨时间下自燃煤矸石粉具有更高的比表面积。同时，这4种磨细煤矸石粉的比表面积均在550m2/kg以上，粉磨40min的煤矸石粉更是达到了超细状态。

2.2 磨细煤矸石粉对混凝土拌合物性能的影响

按照表2中C30和C40等级的单掺煤矸石粉以及双掺煤矸石粉和粉煤灰的配合比，使用HJW-60混凝土搅拌机搅拌混凝土，搅拌时间为120s。按GB/T 50080的规定测定混凝土拌合物出机坍落度和坍落扩展度，试验结果见图1和图2。

从图1和图2可以看出：（1）不论是煅烧煤矸石还是自燃煤矸石，磨细煤矸石粉的细度（比表面积）越大，则混凝土的坍落度和扩展度越小，这说明磨细煤矸石粉的细度对混凝土拌合物的工作性有明显影响；（2）不论是煅烧煤矸石还是自燃煤矸石，由于双掺磨细煤矸石粉和粉煤灰时混凝土中的矿物掺合料总量显著提高，因此混凝土拌合物的坍落度和扩展度均比单掺磨细煤矸石粉时有一定程度的降低，这说明在复合使用磨细煤矸石粉和粉煤灰时需要注意调整混凝土用水量或减水剂用量，以弥补工作性方面的下降；（3）在同样掺量下，与掺加磨细煅烧煤矸石粉的混凝土相比，掺加磨细自燃煤矸石粉的混凝土拌合物的坍落度和扩展度的降低幅度更大更快，这说明磨细自燃煤矸石粉对混凝土坍落度和扩展度的影响更大。

表3 混凝土抗冻性能和抗氯离子渗透性能试验配合比方案

表4 煤矸石粉比表面积

图1 煅烧煤矸石粉混凝土坍落度试验结果

图2 自燃煤矸石粉混凝土坍落度试验结果

2.3 磨细煤矸石粉对混凝土抗压强度的影响

按表2给出的四个等级的混凝土配合比，使用HJW-60混凝土搅拌机搅拌混凝土，搅拌时间为120s。按GB/T 50080的规定测定出机后混凝土拌合物坍落度、扩展度，通过调整减水剂掺量控制混凝土拌合物坍落度/扩展度在（220±10mm）/（570±10mm）的范围内。成型边长为100mm×100mm×100mm的立方混凝土试件，标准养护至规定龄期（3d、7d、28d三个龄期），按GB/T 50081的规定测定混凝土抗压强度。以掺煤矸石粉混凝土的抗压强度与相应等级的单掺粉煤灰的基准混凝土抗压强度的百分比值作为评价指标。结果见图3。

从图3中可以看出：（1）掺加磨细煤矸石粉后，四个等级混凝土的各龄期抗压强度的发展趋势基本接近，这说明磨细煤矸石粉对于不同强度等级混凝土抗压强度的发展规律的影响没有明显差异；（2）相同掺量条件下，掺加自燃煤矸石粉的混凝土的各龄期抗压强度均高于掺加煅烧煤矸石粉的混凝土，这说明磨细自燃煤矸石粉比磨细煅烧煤矸石粉在混凝土中具有更好的活性效应；（3）相同掺量下，掺加磨细30min煅烧煤矸石粉的混凝土的抗压强度稍高于掺加磨细40min煅烧煤矸石粉的混凝土，而掺加磨细30min自燃煤矸石粉的混凝土与掺加磨细40min自燃煤矸石粉混凝土的强度非常接近，因此，从经济性和活性效应综合考虑，对于煅烧煤矸石和自燃煤矸石，30min应该是更好的粉磨时间。

有一点需要说明，虽然结果表明磨细自燃煤矸石粉具有更好的活性效应，但其需水量要高于磨细煅烧煤矸石粉。在混凝土搅拌过程中，掺加磨细自燃煤矸石粉时一般需要多加0.2%的减水剂，来达到与掺加磨细煅烧煤矸石粉混凝土相同的坍落度与扩展度。

2.4 混凝土抗冻性能实验

按表3中的混凝土配合比，研究了不同掺量磨细煤矸石粉对混凝土抗冻性能的影响。混凝土试件标准养护至28d龄期后，使用CABR-HDK9混凝土快速冻融试验机进行50次冻融循环试验。试验结果见图4。

图3 掺煤矸石粉混凝土抗压强度试验结果

从图4中可以看出：（1）在0～40%的磨细煤矸石粉掺量范围内，经过50次快速冻融循环，混凝土的强度损失率均随磨细煤矸石粉掺量的增大而增大；（2）掺加磨细自燃煤矸石粉时，掺量高于20%后混凝土的强度损失率有显著增大；掺加磨细煅烧煤矸石粉时，掺量高于30%后混凝土的强度损失率有显著增大；（3）相同掺量下，掺自燃煤矸石粉混凝土的抗冻性能明显优于掺磨细煅烧煤矸石粉混凝土的抗冻性能。

磨细煤矸石粉掺量的增大过程，实际上是混凝土浆体总孔隙体积逐渐增大的过程，孔体积的增大与孔结构的变化使混凝土的抗冻性能降低。前述的试验结果表明，磨细自燃煤矸石粉比磨细煅烧煤矸石粉在混凝土中具有更好的活性效应，因此混凝土的结构会更加密实。所以，掺加磨细自燃煤矸石粉混凝土的抗冻性能会优于掺加磨细煅烧煤矸石粉混凝土。虽然掺入磨细煤矸石粉会降低混凝土的抗冻性能，但只要调整好混凝土配合比，保证混凝土具有较高的密实度，应当可以使掺磨细煤矸石粉混凝土具有适宜的抗冻性。

2.5 混凝土抗氯离子渗透性能实验

按表3中单掺30%磨细煤矸石粉的混凝土配合比，成型混凝土试块，标准养护至28天和56d龄期，钻芯取样制作圆盘形试件，按GB/T 50082的规定测定，使用CABR-RCMP混凝土氯离子电通量测定仪进行电通量测定，研究磨细煤矸石粉对混凝土抗氯离子渗透性能的影响。试验结果见图5。

从图5中可以看出：（1）在30%磨细煤矸石粉掺量下，掺磨细煅烧煤矸石粉和磨细自燃煤矸石粉的混凝土的电通量均低于未掺煤矸石粉的混凝土，并且56天龄期时电通量下降更为明显，这说明磨细煤矸石粉可以明显改善混凝土的抗氯离子渗透性能；（2）相同龄期和煤矸石粉掺量的条件下，掺加磨细自燃煤矸石粉混凝土的抗氯离子渗透能力优于掺加磨细煅烧煤矸石粉混凝土。