硫酸盐与氯盐环境下大掺量煤矸石混凝土性能★

王金涛 尤培波

(1.河南省郑州市轨道交通有限公司，河南 郑州 450046； 2.河南城建学院交通运输工程学院，河南 平顶山 467036)

硫酸盐与氯盐环境下大掺量煤矸石混凝土性能★

王金涛1尤培波2

(1.河南省郑州市轨道交通有限公司，河南 郑州 450046； 2.河南城建学院交通运输工程学院，河南 平顶山 467036)

采用硫酸盐侵蚀和NEL法，对大掺量煤矸石混凝土经过硫酸盐侵蚀后的质量损失、强度损失等进行了试验研究，并分析了煤矸石混凝土抗压强度与碎石掺量之间的关系，得出了一些有意义的结论，对预测、控制和改善大掺量煤矸石混凝土的性能具有一定的实际意义。

煤矸石混凝土，渗透系数，质量损失，强度损失

煤矸石是一种矿业固体废物，我国煤矸石的综合利用率尚不到排矸量的15%，其余的煤矸石对周围环境造成极大污染，严重影响和危害人们的生活与健康，煤矸石的环境治理问题已成为当务之急。当前煤矸石综合利用主要以煤矸石发电、复垦回填及无害化处理等为重点，其中利用煤矸石生产建筑材料又是其综合利用的主要途径之一。利用煤矸石生产集料来拌制混凝土，可以大量减少建筑行业对天然集料的使用量，配制混凝土强度能满足工程使用的要求，具有较高的经济效益和社会效益[1]。许多学者考查了掺煤矸石混凝土的耐久性，发现掺入煤矸石后，混凝土密实度提高，具有较好的抗冻性，抗渗性，抗硫酸盐侵蚀，较低的氯离子扩散速度和护筋能力[2-5]。但在这些研究中，大多以自燃煤矸石、低掺量的煤矸石、煤矸石经过煅烧为基础，而对大掺量煤矸石混凝土耐久性的报道还比较少。本文选取高掺量煤矸石集料配制混凝土，进行了在氯离子与硫酸盐环境下的试验研究与讨论，希望在市政建设中开发出新型环境友好材料。

1 试验材料与试验方法

1.1 试验材料及配合比

水泥采用焦作坚固水泥有限公司生产的32.5级普通硅酸盐水泥。石子采用的是碎石，级配为3 mm～10 mm，压碎指标10.9%，表观密度2 680 kg/m3，堆积密度1 450 kg/m3，含泥量0.56%。试验用砂采用中砂，细度模数2.94。减水剂为JKH-1型高效减水剂，减水率为18%～25%。煤矸石来自中平能化集团天安一矿，级配为3 mm～10 mm，压碎指标15.2%，堆积密度1 050 kg/m3，含泥量2.2%。煤矸石的化学成分见表1。

表1 煤矸石的化学成分 %

1.2 试验方法

试验采用尺寸为100 mm×100 mm×100 mm的试件，每种情况下制作3个试件。混凝土采用机械拌和、振动台振捣，试模成型，静置24 h后拆模，并移至标准养护室养护至28 d后将试件取出，然后移入5%Na2SO4溶液中浸泡16 h，取出晾干1 h，然后在烘干箱内80 ℃干燥6 h，1 h后测试其质量损失和强度损失。

抗氯离子渗透试验采用NEL法。利用分析纯NaCl和蒸馏水配制4M NaCl盐溶液，静停24 h备用。将混凝土试件切割成100 mm×100 mm×50 mm的试样，上下表面平整，将试样浸泡入饱和食盐水中24 h，然后将混凝土试样放入夹具的两紫铜电极之间，用APT测试软件检测混凝土中的渗透系数，作为混凝土的渗透系数。

2 试验结果与讨论

根据水工混凝土试验规程(DL/T 5150—2001)标准，利用煤矸石取代碎石，配置C20等级混凝土，试验设计及结果分别见表2、表3。

表2 煤矸石混凝土试验方案

表3 煤矸石混凝土试验结果

2.1 硫酸盐侵蚀质量损失

图1是煤矸石混凝土试块经过硫酸盐侵蚀后质量的变化情况。从图1可以看出，随着煤矸石掺量的增加，混凝土试块的质量损失呈现先增后减再增的变化规律，但总的趋势是增加的。在碎石掺量为20%时，质量损失最大；在碎石掺量为50%时，质量损失最小，比基准混凝土降低了1.236%。

2.2 硫酸盐侵蚀强度损失

从图2中可以看出，随着碎石掺量的增加，煤矸石混凝土的强度整体上呈现出增加的趋势。与基准混凝土相比，在碎石掺量为10%时，其强度升高了21.4%；在碎石掺量为50%时，强度最大，达到24.7 MPa；在碎石掺量为30%时，强度最低，下降了14.3%。与硫酸盐侵蚀前相比，煤矸石混凝土的强度降低，基准混凝土强度损失了18.2%，在碎石掺量为20%时，煤矸石混凝土强度损失最多，达到21.5%；在碎石掺量为50%时，煤矸石混凝土强度为23.9 MPa，超过20 MPa。随着煤矸石掺量的增加，混凝土强度总体上是降低的，原因可能是煤矸石的压碎值是15.2%，碎石的压碎值是10.9%，两者的强度有一定的差距，由于基准混凝土硬化收缩比煤矸石、碎石混掺集料的混凝土大，煤矸石粗集料易成为薄弱环节，所以基准混凝土产生的内应力小于混掺集料混凝土。

2.3 硫酸盐侵蚀前后抗压强度与碎石掺量关系分析

硫酸盐侵蚀前后抗压强度与碎石掺量变化关系见图3，二者存在显著的三次方函数关系，可以用式(1),式(2)描述：

y=0.656 5x3-6.130 6x2+16.548x+4.466 7，

R2=0.940 1

(1)

y=0.000 5x3-0.030 8x2+0.407 5x+12.795，

R2=0.947 6

(2)

其中，x为碎石掺量，%；y为硫酸盐侵蚀前后混凝土抗压强度值，MPa；R2为回归系数。

这样，就可以通过碎石掺量预测煤矸石混凝土硫酸盐侵蚀前后抗压强度值，或者已知硫酸盐侵蚀前后抗压强度损失值，估算碎石掺量,对预测、控制和改善煤矸石混凝土的性能具有实际意义。

2.4 渗透性

图4是煤矸石混凝土试块在不同碎石掺量情况下的渗透系数，由此可以看出，随着碎石掺量的增加，混凝土渗透性总体上是降低的。在不掺碎石时，煤矸石混凝土的渗透性最大；在碎石掺量为50%时，煤矸石混凝土的渗透性最小；与基准混凝土相比，碎石掺量为50%时，煤矸石混凝土的渗透性降低了35.1%，其渗透系数为3.84×10-10cm2/s，根据混凝土渗透性评价标准，当渗透系数小于10×10-10cm2/s时，混凝土的渗透等级为Ⅵ，该掺量下的混凝土渗透性评价是极低的。

3 结语

1)在煤矸石掺量为50%时，煤矸石混凝土经过硫酸盐侵蚀后的质量损失最小，比基准混凝土降低了1.236%。2)随着煤矸石掺量的增加，煤矸石混凝土的强度整体上呈现出减小的趋势。与硫酸盐侵蚀前相比，煤矸石混凝土的强度降低。煤矸石掺量为100%时混凝土强度损失了18.2%；煤矸石掺量为20%时，煤矸石混凝土强度损失最多，达到21.5%，在煤矸石掺量为50%时，其强度损失为3.2%。3)随着煤矸石掺量的增加，混凝土渗透性总体上是增加的。在煤矸石掺量为50%时，煤矸石混凝土强度为23.9 MPa，其氯离子渗透性极低。该掺量下的煤矸石混凝土可考虑开发建筑材料。4)硫酸盐侵蚀前后抗压强度与碎石掺量之间均存在着显著的三次方函数关系，这对预测、控制和改善大掺量煤矸石混凝土的性能具有一定的实际意义。

[1] 张吉秀，孙恒虎，万建华，等.煤矸石胶凝材料水化产物及聚合度分析[J].中南大学学报(自然科学版),2011,42(2)：331.

[2] 张金喜，陈炜林，金珊珊，等.煤矸石集料混凝土耐久性研究[J].北京工业大学学报，2011，37(1)：116-117.

[3] 丰曙霞，王培铭，刘贤萍.煤矸石对水泥熟料水化促进作用及机理[J].硅酸盐学报，2010，38(9)：1682-1687.

[4] 周 梅，朱 涵，汪振双.钢纤维增强自然煤矸石轻集料混凝土试验研究[J].建筑材料学报，2008，11(6)：715-720.

[5] 孟云芳，眭克仁，买文智.复合矿物掺和料对混凝土的增强效应研究[J].建筑材料学报，2007，10(6)：724.

Mass coal gangue concrete performance under the sulfate and chloride salt environment★

Wang Jintao1You Peibo2

(1.HenanZhengzhouRailTransportationLimitedCompany,Zhengzhou450046,China;

2.TransportationEngineeringSchool,HenanUniversityofUrbanConstruction,Pingdingshan467036,China)

Using the sulfate erosion and NEL method, this paper made test research on weight loss, strength loss etc. of mass coal gangue concrete after sulfate corrosion, and analyzed the relationship between coal gangue concrete, compression strength and gravel contents, drew some meaningful conclusions, had certain practical significance to predict, control and improve the performance the mass gangue concrete contents.

coal gangue concrete, permeability coefficient, weight loss, strength loss

1009-6825(2015)02-0096-02

2014-11-07★：河南省科技攻关项目资助(项目编号：092102310233)

王金涛(1984- )，男，助理工程师； 尤培波(1986- )，男，助教

TU528

A