煤矸石泡沫混凝土性能研究

郑小磊，马其华，曹富荣，张庆赟

（山东科技大学 矿业与安全工程学院，山东 青岛 266590）

煤矸石是在成煤过程中与煤层伴生的岩石，某些煤矸石中还有一定的含碳量，将煤矸石变废为宝，节能节地，增加产值，是未来煤矸石发展的必然趋势；以煤矸石为主要原材料制备泡沫混凝土的相关研究在21世纪初开始有了很大的发展，刘宁通过对发泡剂的研究发现其选用的发泡剂溶液的浓度在2.5%时发泡效果最好，并且采用机械搅拌有利于提高发泡倍数[1]；俞心刚研究发现煤矸石煅烧温度为750℃时活化效果最佳，水灰比为0.80时泡沫混凝土使用效果最佳；随着泡沫剂掺量增加，流动度会减小，且当泡沫剂的掺量超过 0.15%时，其强度会显著下降，且成型后出现沉陷[2]；周海兵通过试验研究发现发泡剂K-12浓度为0.4%、稳泡剂（D）为0.06%时，其发泡效果最好[3]。目前，对煤矸石粒径、不同水灰比、煤矸石掺量对泡沫混凝土的影响研究还不够完善，为此通过发泡剂的配置，煤矸石破碎筛选分级，试配不同水灰比，研究水灰比和煤矸石掺量对泡沫混凝土的工作性能和力学特性的影响，确定试配煤矸石泡沫混凝土的最佳水灰比和最佳煤矸石掺量，研究泡沫混凝土的压缩力学特性[4-5]。

1 试验仪器及原材料

本试验用到的实验仪器有颚式破碎机、手持式电钻搅拌机、MeiLen电子称、禾诗电子称、泡沫泌水沉降距测量仪、电子万能试验机等。

原材料如下：

1）煤矸石。采用左权盘城岭煤矿的煤矸石，主要成分是石英、高岭石、黄铁矿以及大量的铝质黏土类矿物。其主要化学成分及含量见表1。

表1 煤矸石主要化学成分及含量

2）发泡剂。采用十二烷基硫酸钠(又称K-12)为发泡剂，其分子式为CH3(CH2)11OSO3Na，总醇量不少于59%，易溶于水，其水溶液密度为1.03 g/cm3，在配置溶液时需先将其研磨成粉末状，便于快速溶解。

3）稳泡剂。用改性硅树脂聚醚微乳液(又称FM-550)为稳泡剂，聚醚含量55%[6-7]，活性物含量高，常温为液体，水溶性好。溶于水后，能使发泡剂分子在气泡液膜中有序分布，改善泡沫的黏性和自修复能力，泡沫不易破灭，更加稳定。

4）水泥。采用市售425快干防裂散装水泥。

5）水。采用实验室自来水，属于二次净化用水，含微量次氯酸。

2 试验过程及分析

2.1 发泡剂的配制

根据试验方案分别配制浓度为0.2%、0.3%、0.4%、0.5%、0.6%的十二烷基硫酸钠溶液，不同浓度的发泡效果见表2。

表2 不同浓度K-12溶液的发泡效果

不同浓度发泡剂的发泡效果在不同浓度时，其变化差异不同，不同浓度K-12溶液起泡高度如图1。由图1可知，发泡剂浓度低于0.4%时，其起泡能力随着浓度增加而增加，当浓度大于0.4%时，其起泡能力随着溶液浓度增加而逐渐变小。

2.2 煤矸石的筛选

用破碎机将煤矸石破碎，用标准筛对其的进行筛选分级，筛分区间为＜1.7 mm，1.7～＜2.36 mm，2.36 ～＜3.35 mm，3.35 ～＜4.75 mm，4.75 ～＜9.5 mm，9.5～＜25 mm，其颗粒占比情况见表3。

从上表可以看出经破碎后的煤矸石颗粒主要粒径范围在4.75～9.5 mm内。

图1 不同浓度K-12溶液起泡高度

表3 煤矸石颗粒分布情况

2.3 水灰比对煤矸石泡沫混凝土性能的影响

由于影响煤矸石泡沫混凝土的坍落度以及抗压强度的因素较多，因此为了研究水灰比对其的影响，在设计试验时设定矸石粒径4.75～9.5 mm、灰料比为1:1、泡沫掺量为水泥质量的50%保持不变，研究不同水灰比对泡沫混凝土的影响（表4）。

表4 不同水灰比煤矸石泡沫混凝土试配方案

不同水灰比煤矸石的泡沫混凝土的坍落度情况见表5，由坍落度数据绘制的坍落度-水灰比变化曲线如图2。由图2看出，水灰比应该在0.35左右。随着水灰比的增加，煤矸石泡沫混凝土的流动度明显增大，因此在试配泡沫混凝土时应该严格控制水灰比，试配过程中要搅拌充分，使得混凝土混合均匀。

表5 不同水灰比对应坍落度

测试完坍落度后，将泡沫混凝土再次搅拌均匀入模养护，入模养护28 d后脱模进行抗压强度的测量，每组试验试配了3块100 mm×100 mm×100 mm的混凝土块，对其进行单轴抗压强度的测量，加载速率为0.01 mm/s。

图2 坍落度-水灰比变化曲线

根据不同水灰比下的煤矸石泡沫混凝土的抗压强度数据绘制的水灰比-抗压强度变化曲线图如图3。

图3 不同水灰比下的抗压强度曲线变化

从图3可发现，在水灰比为0.2～0.3之间时，泡沫混凝土的28 d抗压强度在3 MPa以上，泡沫混凝土的抗压强度随着水灰比的增加在逐渐变小。

通过研究发现，若选择0.2的水灰比，则试配的泡沫混凝土坍落度达到13.8 cm，属流动性混凝土，此时试配的煤矸石泡沫混凝土的28 d养护强度达到4.13 MPa，而随着水灰比的增大，泡沫混凝土的离析率变大，和易性变差，坍落度随之降低，直接导致养护后抗压强度明显减弱，水灰比增加1倍，抗压强度减少1倍左右。

2.4 煤矸石掺量对煤矸石泡沫混凝土性能的影响

煤矸石颗粒可以在泡沫混凝土充当骨架的作用支撑混凝土的强度，因此煤矸石的掺加量会直接影响泡沫混凝土的工作性以及力学特性，设计煤矸石掺量为50%～70%研究其对泡沫混凝土的影响[8-9]，试配方案中保持水灰比0.2、煤矸石粒径4.75~9.5 mm、泡沫液质量为水泥质量1/2参数不变，不同矸石占比煤矸石泡沫混凝土试配方案见表6。

根据表6进行不同煤矸石掺量的泡沫混凝土的试配，试配完成后进行坍落度的测量，其坍落度随掺量的变化曲线如图4。

表6 不同矸石占比煤矸石泡沫混凝土试配方案

图4 不同煤矸石掺量的坍落度

从图4可以发现，随着煤矸石掺加量的增加，泡沫混凝土的坍落度明显减少，说明煤矸石泡沫混凝土的流动性、和易性随着煤矸石的掺加而变弱，泡沫混凝土在煤矸石掺量达到70%时其浆体呈现一定的塑性，流动性明显出现损伤[10-11]。

对泡沫混凝土进行合理养护28 d，对混凝土块进行了湿密度测试以及抗压强度的测试，不同煤矸石掺量对应密度和抗压强度的关系见表7。

表7 不同煤矸石掺量对应密度和抗压强度

由表7可知，煤矸石泡沫混凝土的抗压强度受煤矸石的掺量影响，煤矸石掺量为55%和60%时，试配的泡沫混凝土强度比较高，其强度在4.9 MPa左右；由于煤矸石的占比不同，试配的煤矸石泡沫混凝土的密度也不同，其变化关系呈线性增长，在煤矸石占比达到70%时[2，12-14]，此时试配的泡沫混凝土密度达到1.62 g/cm3。

3 结 论

1）通过试验研究发现，水灰比对煤矸石泡沫混凝土的坍落度影响较大，当泡沫掺量为1/2水泥质量时，试配的泡沫混凝土的水灰比在0.20~0.35时，其坍落度在10~15 cm，浆体呈现流动性，而随着水灰比的继续增大，坍落度也变大，浆体的和易性变差，离析率也开始增大，28 d养护的单轴抗压强度低于3 MPa，试配的煤矸石泡沫混凝土的抗压强度出现了严重损失，研究发现水灰比为0.2时，试配的泡沫混凝土具有良好流动性，其坍落度为13.8 cm，平均抗压强度为4.13 MPa。

2）煤矸石掺量的增加使得泡沫混凝土浆体的坍落度逐渐减小，浆体塑性增强，同时随着煤矸石掺量的增加，试配的煤矸石泡沫混凝土的密度也在稍微增加，但是试配的试块的平均抗压强度在煤矸石掺量为60%左右时达到最大，之后随着煤矸石掺量的增加强度开始逐渐变小。