双掺活化煤矸石和粉煤灰高性能混凝土研究

何磊磊，朱月风

(长安大学公路学院)

0 引言

混合掺料高性能混凝土是一种新型的混凝土材料。作为现代混凝土的发展之一，它要求混凝土不只要有良好的工作性、强度、适应性和耐久性，还要有良好的经济性和环保效益。当前粉煤灰是高性能混凝土的主要掺和料。但我国的优质粉煤灰很少，90%以上为质量较差的粉煤灰，不仅利用率低，还容易造成环境污染和资源浪费。煤矸石是煤炭开采和加工过程中排放的废弃岩石，占我国工业废渣排放量的1/4。我国煤矸石排放量很大，这些煤矸石的堆放不仅占用大量的农田，其中的粉尘和有害离子还会污染环境，威胁人体健康。对其研究并充分利用，已经成为一个亟待解决的问题。处理煤矸石炉渣的最佳办法就是对其资源化利用，既能消除煤矸石对环境的污染，又提高了的工业废料的综合利用率。大量试验证明，煤矸石能优化混凝土孔结构，提高水泥混凝土的抗压强度和抗渗性等。通过试验研究了双掺煤矸石和低品质粉煤灰高性能混凝土的工作性能、力学性能、抗渗性和孔结构。

1 原材料和配合比

1.1 原材料

水泥:陕西秦岭水泥厂生产的拉法基PO 42.5水泥，其性能指标见表1。粉煤灰:需水量比117%，细度14%，化学成分见表2。煤矸石:徐州煤矸石，主要矿物成分为石英和高岭石，化学成分见表2。细集料:机制砂，细度模数2.67，表观密度2 693 kg/m3，石粉含量14.13%。粗集料:碎石，粒径5～25 mm，连续级配碎石，表观密度2 674 kg/m3。外加剂:氨基磺酸盐系高效减水剂。

表1 水泥的主要性能

表2 粉煤灰和煤矸石化学成分表 /%

1.2 配合比

煤矸石和粉煤灰的比例为7∶3，双掺料替代40%的水泥。选用五组试样做试验，各组混凝土胶凝材料分别采用360 kg/m3、400 kg/m3、440 kg/m3、480kg/m3和500 kg/m3，混凝土配合比见表3。

表3 混凝土配合比 kg/m3

2 试验结果及讨论

2.1 抗压强度及塌落度

不同胶凝材料用量的混凝土坍落度和抗压强度结果如表4所示。

表4 高性能混凝土的坍落度及抗压强度

从表4可以看出，双掺煤矸石和低品质粉煤灰对混凝土早期强度影响不大。28 d抗压强度与3 d抗压强度相比有大幅提高，混凝土后期强度增长较快。这说明两种外掺料可以显著提高混凝土的后期强度。

由试验结果可以看出，随着胶凝材料的增多，混凝土塌落度从30 mm减小到了15 mm。且在混凝土拌和过程中，混凝土未出现泌水现象，和易性和工作性良好。这是因为活化煤矸石的形态效应和填充效应弥补了粉煤灰需水量大的缺点，改善了新拌混凝土的和易性，增大了流动性。一方面，煤矸石的二次水化产物可以有效减少且细化粗大孔，阻断部分连通孔，从而有效的优化孔结构;另一方面，煤矸石水化速度慢，水化产物比未掺煤矸石的水泥总量要少，因此总孔隙率较高。用活化煤矸石和低品质粉煤灰取代部分水泥，不仅降低了水泥用量，由于两种外掺料活性低，还减缓了整个体系的反应速度，从而减小整体塌落度。

活化煤矸石细度较小，分散在混凝土体系中可以起到骨架填充的作用。除此之外，活化煤矸石的水化产物可以有效填充界面间的空隙，密实界面间的结构，增强水泥石结构和界面的粘结力。

2.2 高性能混凝土的抗氯离子渗透性能

测试5组试样的抗氯离子渗透性能，试验结果见表5。

表5 高性能混凝土抗氯离子渗透性能

由表5数据可以看出，试样1的氯离子扩散系数较大，其余各组则均分布在182×10-14～197×10-14m2/s之间，说明双掺活化煤矸石和低品质粉煤灰可以显著提高混凝土的抗氯离子渗透性能。

混凝土的抗氯离子渗透性能与两个因素有关，一个是混凝土内部结构阻碍氯离子扩散的能力;另一个是混凝土结合氯离子的能力，也就是固化能力。由于粉煤灰的火山灰效应，混凝土内部Ca(OH)2数量减少，胶凝物质增多，增加了混凝土的物理吸附和化学固化能力，增大了水泥石和集料之间的粘结强度，降低了混凝土中氯离子的渗透速度;活化煤矸石和低品质粉煤灰的掺入减小了混凝土的最小孔径和平均孔径，增大了分形维数，优化了孔结构，使内部结构更加密实，从而增加抗氯离子渗透性;由于煤矸石的火山灰效应，在减少Ca(OH)2的同时生成了较稳定的水化硅酸钙凝胶，使水化产物的组成得到了极大的改善;除此之外，煤矸石的细小颗粒能有效填充水泥混凝土的内部结构，不仅减小了平均孔径的大小，提高了混凝土的结构密实度，还增大了水泥石结构和界面的粘结强度，阻断了渗透通道，有效提高混凝土的抗渗性。由此可以得出:双掺煤矸石和低品质粉煤灰可以提高混凝土的抗氯离子渗透性能。

2.3 高性能混凝土的孔结构

通过电子显微镜对混凝土的内部结构进行观察发现:由于煤矸石的填充作用，活化煤矸石与水泥浆体紧密结合，水泥石连接界面比较紧密，Ca(OH)2晶体变的不明显，石灰石粉表面沉积着一层Ⅲ型C-S-H凝胶，使水泥石结构更加紧密。

粉煤灰和煤矸石的细微颗粒有效填充混凝土内部的毛细孔，使大孔细化，增加了毛细孔的分形维数，降低了平均孔径，显著改善混凝土的孔结构;活化煤矸石的掺入不仅减小了混凝土中Ca(OH)2的含量，还生成了稳定的水化硅酸钙凝胶，减小了毛细孔孔径，优化了孔结构和孔级配。

3 结论

(1)采用煤矸石和低品质粉煤灰双掺替代40%水泥可以产生很好的复合效应配置出性能优异的高性能混凝土。

(2)采用活化煤矸石和低品质粉煤灰配制的高性能混凝土和易性好，塌落度小，后期强度增长快，具有良好的工作性能。

(3)在普通混凝土中双掺煤矸石和粉煤灰能显著改善混凝土的孔结构和孔集配，提高混凝土抗氯离子渗透性能。

(4)开发利用活化煤矸石与低品质粉煤灰的复合掺和料，既能降低成本又能充分利用工业废料，保护环境，具有巨大的经济价值和社会环境效益。

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