活化煤矸石粉对煤矸石混凝土性能的影响

阎杰,邢国斌,左军鹏,李敬如,翁维素*

(1.河北建筑工程学院 土木工程学院,河北 张家口 075000;2.河北省高校绿色建材与建筑改造应用技术研发中心,河北 张家口 075000)

0 引言

随着我国建筑行业的快速发展,很多石材资源损耗殆尽。煤矸石是我国排放量最大的矿山固体废弃物之一,据统计,我国煤矸石堆积量达到50亿t,而目前综合利用率还较低[1- 2]。煤矸石大量堆放产生坍塌、泥石流等地质灾害隐患,威胁生命财产安全[3]。同时,近几年绿色可持续发展的生态低碳战略理念不断开展与实践,因此对煤矸石等固废材料进行再利用尤为重要[4]。

研究表明石英、高岭石含量较高的煤矸石粗集料具有吸水率小和密度高等特点,此类煤矸石作为粗骨料制备混凝土,具有和易性好等特点[5-6]。孙强[7]指出以煤矸石粗骨料为变量的混凝土,随着煤矸石粗骨料取代率的增加,混凝土抗压强度先增加后减小,在30%时达到峰值。柳凯等[8]研究发现煤矸石中Al2O3、SiO2占比较大,可将煤矸石作为黏土配料烧制成普通的硅酸盐水泥。邢军等[9]发现经过热活化后的煤矸石粉具有微集料和火山灰效应,将其用作矿物掺和料后可提高其抗氯离子性能,也能获得较好的抗冻性。周梅等[10]研究发现煤矸石粉作为混凝土掺和料对混凝土拌合物工作性、强度和耐久性都有提高作用。白志民等[11]研究发现,煤矸石富含黏土矿物,具有一定的黏结性可用于胶凝材料使用。活化煤矸石粉可以大幅提高硬化水泥浆体的氯化物结合能力,同时可以优化胶砂孔隙结构[12]。

现阶段把活化煤矸石粉作为细骨料掺入到煤矸石混凝土中的研究还不够全面。本试验将煤矸石粉(Coal gangue powder,CGP)掺入到煤矸石混凝土中进行研究,以CGP掺量、煤矸石粗骨料(Coal gangue coarse aggregate ,CGA)取代率为变量,探究其对煤矸石混凝土抗折强度、抗氯离子渗透性能的影响。通过压汞法对煤矸石混凝土孔结构进行分析,采用扫描电镜观察煤矸石混凝土的微观结构并分析其影响机理,为掺煤矸石混凝土抗折强度和抗氯离子性能研究提供参考。

1 试验

1.1 试验材料

水泥选用P.O 42.5普通硅酸盐水泥;沙子选用河沙,细度模数2.71,含泥量为1.42%,表观密度2 585 kg/m3,松散堆积密度1 462 kg/m3;天然粗骨料选用张家口宣化地区5～25 mm的天然碎石,集配良好;原状煤矸石取自张家口宣化地区的煤矿厂,煤矸石粉为原状煤矸石进行煅烧研磨后至500 ℃的活化煤矸石粉[13];煤矸石粗骨料为原状煤矸石经破碎筛分后粒径在5～25 mm的粗骨料。取样流程如图1所示,采用快速升温节能箱式电炉KL-10型进行煅烧处理,采用行星球面机PM型进行机械研磨,表1为煤矸石和水泥化学成分。

图1 煤矸石粗骨料和活化煤矸石粉取样流程Fig.1 Sampling process of coarse aggregate and activated coal gangue powder

表1 煤矸石化学成分Tab.1 Chemical composition of coal gangue %

1.2 试验配合比设计

煤矸石混凝土强度按C30进行设计,水胶比为0.43。以CGP掺量、煤矸石粗骨料取代率为变量,设计CGP掺量为10%、15%和20%等质量取代水泥;CGA取代率为0%、30%、50%和100%等质量取代天然粗骨料,共进行12组配合比试验。表2为煤矸石混凝土配合比。

1.3 试件制作与试验方法

1.3.1 抗折强度试验

煤矸石混凝土100 mm×100 mm×400 mm的非标准棱柱体试块标准养护28 d后,依据《混凝土物理力学性能试验方法标准》(GB/T 50081—2019)进行抗折强度试验。试验布置如图2所示,仪器采用张家口市建设工程质量检测中心DY-3008DX型全自动压力试验机,加荷载速度设置为0.02 MPa/s,试验施加连续均匀荷载。

图2 抗折强度试验布置Fig.2 Experimental arrangement of flexural strength

1.3.2 抗氯离子渗透试验

直径为100 mm、高度为50 mm煤矸石混凝土圆柱体试块标准养护28 d后,参照《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》(GB/T 50082—2009)进行抗氯离子渗透试验。试验如图3所示,仪器采用HC-BSY型混凝土智能真空饱水仪和HC-RCM6型混凝土氯离子扩散系数测定仪。

1.3.3 孔结构分析试验

采用压汞法研究不同掺量煤矸石粉对全替代煤矸石粗骨料混凝土的孔结构影响,试验仪器采用麦克Autopore V9620型高性能全自动压汞仪,试验装置如图4所示。

图4 孔结构分析试验装置Fig.4 Pore structure analysis test facility

1.3.4 扫描电镜试验

采用扫描电镜观察微观情况下,不同掺量煤矸石粉对全替代煤矸石粗骨料混凝土的影响;试验仪器采用蔡司Sigma 300型扫描电镜,装置如图5所示。

图5 扫描电镜试验装置Fig.5 Scanning electron microscope test device

2 试验结果分析

2.1 煤矸石粉对煤矸石混凝土抗折强度影响

制备不同掺量的CGP及不同CGA取代率的煤矸石混凝土试件,标准养护28 d后取出,所得抗折强度变化如图6所示。

图6 不同CGP和CGA取代率下试件的抗折强度Fig.6 Flexural strength of specimens with different CGP and CGA substitution rates

由图6可知,随着CGP掺量增加,煤矸石混凝土抗折强度先升高后下降, CGP掺量取15%时抗折强度最大,较其余不同CGP掺量的混凝土提高了8.3%,不同CGA取代率均表现出相同的趋势。说明热活化煤矸石粉具有较高的火山灰活性,而且比水泥的粒度更细,改善颗粒级配,从而提高了煤矸石混凝土的抗折强度。但随着CGP掺量过多,水泥相应减少,二次水化作用生成的C-S-H凝胶量不足以弥补因水泥减少而损失的凝胶量,造成了混凝土抗折强度的降低。因此说明CGP取15%时为最优掺量。

在掺入适量CGP时,随着CGA取代率增加,煤矸石混凝土抗折强度下降幅度减小,说明CGP的掺入对全煤矸石混凝土抗折强度有改善作用。CGA取代率为100%时,CGP掺量为20%的试块抗折强度值较掺量为10%时提高5.5%;CGA取代率为30%和50%时,CGP掺量为10%的试块抗折强度值较掺量为20%时增幅2.27%,说明对于全替代煤矸石混凝土,适量CGP可填充煤矸石粗骨料内部孔隙,从而使结构整体更为密实,进而提高煤矸石混凝土抗折强度。热活化煤矸石粉的加入使得试件的抗折强度均体现先增加后减小的趋势,对于全替代煤矸石混凝土抗折强度的增加尤为明显。

2.2 煤矸石粉对煤矸石混凝土抗氯离子性能影响

以不同掺量的CGP及不同CGA取代率为变量的煤矸石混凝土试件,标准养护28 d后取出,所得氯离子迁移系数如图7所示。

图7 试件的氯离子扩散系数Fig.7 The Chloride ion diffusion coefficient of specimens

由图7可知,在CGP掺量为10%时,随着CGA取代率的提高,抗氯离子渗透性能下降幅度减小,相较于15%和20%掺量,10%掺量的性能提升最优。说明适量CGP的掺入可提高全煤矸石混凝土抗氯离子性能。当CGA取代率一定时,随着CGP掺量的增加,煤矸石混凝土氯离子迁移系数呈下降趋势,进而抗氯离子渗透性能得到提高。说明适量CGP的掺入可增强煤矸石混凝土抗氯离子渗透性能。

当CGP掺量一定时,煤矸石混凝土氯离子迁移系数随CGA取代率的增加而增加,使得抗氯离子渗透性能下降。在CGA取代率为0%和100%情况下,随着CGP取代率增加,氯离子迁移系数减小,抗氯离子渗透性能增强。但相对于CGA取代率为30%和50%抗渗性增强较慢,这是由于煤矸石粉的比表面积大,微小孔多改善了颗粒级配,吸附离子半径小的氯离子,因此在CGP掺量为15%时,CGA取代率为30%和50%的试件抗氯离子渗透性能大幅增加。说明对全替代煤矸石混凝土和天然混凝土,CGP掺量增加时,抗氯离子渗透性能增加,但增加幅度趋于平缓。

2.3 煤矸石粉对煤矸石混凝土孔结构影响分析

试验选取28 d龄期下的CG-0-100和CG-15-100组全煤矸石混凝土试块,通过压汞法进行孔结构分析。由图8可知,随着CGP掺量的增加,孔隙率和平均孔径均呈现下降趋势,其中孔隙率下降1.74%,平均孔径下降9.81%。说明随着CGP掺量的增加,二次水化作用生成的凝胶增多,从而填充了试件内部的有害孔,使得试块孔隙率和平均孔径减小,最终煤矸石混凝土抗折强度和抗氯离子渗透性能提升。

图8 试件的孔隙率和平均孔径Fig.8 Porosity and average pore diameter of specimens

根据孔径的大小分类,可分为凝胶孔(孔径小于10 nm)、过渡孔(孔径在10～100 nm)、毛细孔(孔径在100～1 000 nm)和大孔(孔径大于1 000 nm)[13],由表3可看出,在全煤矸石混凝土试块中,随着CGP掺入,毛细孔和大孔所占比例减小,凝胶孔和过渡孔比例增加。说明CGP的加入使混凝土二次水化产生的C-S-H凝胶有效填充CGA中的大孔和微裂缝,从而优化了混凝土的孔隙结构,颗粒级配良好,使得混凝土抗折强度和抗氯离子渗透性能提高。

表3 孔径分布表Tab.3 Table of aperture distribution %

图9为试块的孔径分布特征,通过观察可知,CG-15-100凝胶孔区域的微分进汞量高于试件CG-0-100,而毛细孔区域微分进汞量低于试件CG-0-100。说明随着CGP掺入,在水泥水化过程中,CGP的火山灰效应生成的凝胶有效填充了试块内部的毛细孔,同时试块无害孔体积增加,使凝胶孔和过渡孔的数量增加,毛细孔和大孔的数量减少,进而优化了试件内部的孔结构分布,提高了结构整体密实度,最终增强煤矸石混凝土的力学强度和耐久性能。

图9 试件的孔径分布Fig.9 Aperture distribution of specimens

2.4 煤矸石粉对煤矸石混凝土微观形貌影响分析

扫描电镜下不同CGP掺量的全煤矸石混凝土5 000倍微观形貌如图10(a)和图10(b)所示。由图10(a)可知,在凝胶之间存在裂缝和孔隙,且整体较为松散。由图10(b)观察可知,试件中孔隙和裂缝明显减少,水化产物之间的连接更加紧密。由于CGP主要成分为SiO2和Al2O3,会和水泥水化产物Ca(OH)2进行二次水化,生成更多的水化硅酸钙凝胶和水化铝酸钙凝胶,从而提高结构密实度。CGP相对水泥尺寸更小,加入适量CGP后,未参与反应的CGP还可以填充煤矸石混凝土内部孔隙,进一步提高密实度[15]。因此CGP的掺入使得煤矸石混凝土内部孔隙和裂缝得以填充,内部整体更为密实,提高界面过渡区强度,使骨料和砂浆之间的黏结力得到提高,增强煤矸石混凝土的抗折强度和抗氯离子渗透性能。

图10 掺煤矸石粗骨料混凝土的微观结构形貌Fig.10 Microstructure morphology of coal gangue coarse aggregate concrete

图10(c)和图10(d)为扫描电镜下不同CGP掺量全替代煤矸石混凝土试件30 000倍的微观形貌图。对比可知,图10(d)内部砂浆中的孔隙裂缝填充量大于图10(c)。由图10(c)可看出,孔隙内部较为空洞,为氯离子的渗透提供了多种通道,劣化试件抗氯离子渗透性能的发展,同样降低了试件的抗折强度[15]。由图10(d)可看出,孔隙内部有片状的凝胶填充,孔隙结构中的空洞明显减少,由于CGP良好的火山灰效应,在二次水化中与Ca(OH)2晶体反应生成大量网状水化硅酸钙凝胶和水化铝酸钙凝胶,大量凝胶填充至毛细孔和大孔等有害孔中,导致氯离子通道减少[15],从而抗氯离子渗透性能提高,导致CGP的掺入优化了煤矸石混凝土的内部结构,增强煤矸石混凝土的力学强度和耐久性能。

综上所述,掺入CGP后,由于附着在煤矸石粗骨料表面的水膜为CGP提供了充足的液相环境,消耗了液相环境中的Ca(OH)2,从而反应生成C-S-H凝胶,填充了砂浆与煤矸石粗骨料界面结构中的毛细孔,进而提升了界面过渡区处的黏结度[15],最终提高了混凝土的抗折强度。而生成的凝胶由于填充了界面毛细孔,因此减少了氯离子的扩散通道,使氯离子扩散系数得到大幅度降低,进而提高抗氯离子渗透性能。适量CGP的掺入对煤矸石混凝土抗折强度和抗氯离子渗透性能均有改善作用。

3 结论

1)在相同CGP掺量的情况下,CGA取代率越高,CGP产生的优化作用越为明显。因此适量CGP掺入全替代煤矸石混凝土时,煤矸石混凝土抗折强度和抗氯离子渗透性能良好。

2)随着CGP增加,抗折强度先提高后降低,CGP掺量为15%时,抗折强度最大。抗氯离子渗透性能随着CGP掺量增加而提高。

3)掺入适量CGP使凝胶孔、过渡孔等无害孔增加,毛细孔、大孔等有害孔减小,进而优化了混凝土颗粒级配,提高了结构密实度,从而改善煤矸石混凝土抗折强度和抗氯离子性能。

4)热活化煤矸石粉较强的火山灰效应能促进二次水化,产生更多C-S-H凝胶,提高结构密实度。未参与反应的煤矸石粉填充煤矸石混凝土内部毛细孔和大孔,使得界面过渡区强度提升,最终提高煤矸石混凝土的抗折强度和抗氯离子渗性。