煤矸石生態(tài)混凝土透水性與抗壓強度研究

曹露春 張志軍（徐州工程學(xué)院，江蘇 徐州221008）

煤矸石是一種在煤形成過程中與煤伴生、共生的堅硬巖石，是在煤炭開采和洗選加工過程中被分離出來的固體廢棄物，包括巖巷及煤巷掘進(jìn)中排除的矸石。隨著我國煤炭工業(yè)的發(fā)展，2010年我國煤矸石的排放量達(dá)到了2億t，新增占地也將接近666.67公頃[1]，既污染環(huán)境，又占用大量耕地。據(jù)有關(guān)資料報道，美國、英國和德國等西方國家煤矸石的總利用率達(dá)90%以上，國內(nèi)外在煤矸石治理和綜合利用方面開展了大量的研究工作，涉及到熱活化條件與煤矸石活性的關(guān)系、熱活化過程中煤矸石的相變過程、煤矸石對水泥體系物理力學(xué)性能的影響等方面，為煤矸石活化理論及其工程應(yīng)用起到了積極的作用，而對不經(jīng)磨碎或煅燒直接利用煤矸石的系統(tǒng)研究較少。

我國是以煤炭為主要能源的國家，對煤矸石的利用率卻僅有30%，而且主要應(yīng)用于燒結(jié)磚、蒸壓磚、免燒磚等。而混凝土作為建設(shè)材料而言，被廣泛地運用在基礎(chǔ)設(shè)施及各種建筑物中，但是，混凝土的大量使用也破壞了樹木、水等自然環(huán)境，透水生態(tài)混凝土最近幾年成為研究的熱點，從現(xiàn)階段使用情況看來，生態(tài)透水混凝土的原材料，特別是砂石料選擇上仍然以天然砂石為主。隨著生態(tài)混凝土的日益廣泛應(yīng)用，砂石的需求量也越來越大，需大量開山采石和掘地淘沙，嚴(yán)重破壞了生態(tài)環(huán)境。近年來我國有些地區(qū)的優(yōu)質(zhì)天然集料已趨枯竭，須從外地長途運輸，這也增加了生態(tài)混凝土的成本，嚴(yán)重影響了生態(tài)混凝土的推廣應(yīng)用[2]。

煤矸石燒結(jié)磚在生產(chǎn)過程中，預(yù)先需要對煤矸石進(jìn)行多級破碎，在破碎過程中，總有一部分礦物相主要為白云石的煤矸石，結(jié)構(gòu)比較均勻，致密度高，質(zhì)地堅硬，破碎到5mm以下時，對設(shè)備和能源消耗都很大，而這粒徑的材料恰恰是制備透水混凝土的良好骨料。

1 試驗原材料

煤矸石取自徐州某新型建材有限公司年產(chǎn)6000萬標(biāo)塊煤矸石燒結(jié)磚生產(chǎn)線破碎工序，粒徑2-15mm，在煤矸石的破碎過程中，產(chǎn)生很多微細(xì)粉末，包裹在破碎完的碎塊上。這種微細(xì)粉末組成比較復(fù)雜，主要包括碳粉、砂灰、粉塵、以及其他雜物，在混凝土的凝固過程中影響水泥和骨料的結(jié)合界面。另外，由于這些粉塵以細(xì)骨料的形式進(jìn)入透水混凝土，嚴(yán)重影響透水混凝土的透水性能[3]。煤矸石骨料用水沖洗，沖洗后的廢水沉淀、澄清處理后，渣泥可作為燒結(jié)磚的良好原料，水可循環(huán)使用或直接用來拌合燒結(jié)磚原料。

水泥選用中聯(lián)巨龍淮海水泥股份有限公司生產(chǎn)的42.5R普通硅酸鹽水泥。

外加劑選用青島某公司生產(chǎn)的HSC聚羧酸高性能減水劑，它的作用是保持一定稠度或干濕度的前提下,提高骨料顆粒間的粘結(jié)強度,進(jìn)而提高透水混凝土的整體力學(xué)性能。

水選用徐州市城市自來水。

2 實驗方案

本試驗采用正交試驗方法分析與討論主要原材料和配比對煤矸石透水混凝土抗壓強度與透水系數(shù)的影響顯著性，以進(jìn)一步找到煤矸石透水混凝土制備的適宜工藝。影響透水混凝土性能的因素主要有水灰比、煤矸石的粒徑、骨膠比（骨料與膠凝材料之比）。

目前,透水性混凝土的最佳水灰比（W/C）通常介于0.25~0.45之間,故本研究擬選用的W/C為0.30、0.35和0.40三個水平。

為了保證透水性混凝土強度及其透水功能,粗骨料通常采用單粒徑骨料。骨料的粒徑越小,顆粒間的接觸點愈多,配制的透水性混凝土強度越高,但由于比表面積較大,所需水泥漿的數(shù)量增多,骨料間的連通孔極易被填充密實,所以透水性能會降低。綜合考慮強度和透水性,骨料選用粒級為2.5~5mm、5~10mm、10~15mm三個水平。

骨膠比(G/C)的大小影響骨料顆粒表面包裹的水泥漿薄厚程度以及孔隙率的多少,也就是影響透水性混凝土的強度和透水性。當(dāng)水泥用量一定時,增大G/C,骨料顆粒表面水泥漿厚度減薄,孔隙率增加,透水性提高,但強度卻降低了;反之,透水性降低,強度提高。考慮較小粒徑骨料的表面積較大,為保持水泥漿體的合理厚度,小粒徑骨料G/C適當(dāng)小一些。本次試驗采用的骨膠比初步定為4.0、4.5、5.0三個水平[4]。

正交試驗因素與水平選擇如表1所示：

表1 正交試驗因素與水平選擇表

3 試件制備與試驗分析

試件的制作采用靜壓成型工藝，成型壓力3MPa。將攪拌好的混合料放入試模，一次加壓成型。工藝流程見圖1。成型后帶模在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下養(yǎng)護(hù)24h后拆模，7d內(nèi)淋水潮濕養(yǎng)護(hù)，自然干燥28d后測試試件性能。本試驗采用試件尺寸：100mm×100mm×100mm。

圖1 煤矸石透水混凝土成型工藝流程

實驗使用的透水系數(shù)儀根據(jù)JC/T 945—2005中混凝土透水方法測定原理，參考相關(guān)資料[5]，測試時將預(yù)先浸水飽和并四周蠟封的試件置入測試儀中，然后用橡皮泥密封透水儀內(nèi)壁與試件之間的接縫，測試時向透水儀中加水至一定高度，控制加入水的流量，維持一定水位，待滲透水流量穩(wěn)定后，測試在一定時間內(nèi)通過試件的滲水量。

圖2 透水系數(shù)測定儀示意圖

實驗結(jié)果見表2。

由上述極差分析可知，對于抗壓強度R水灰比=13.5，R骨料粒徑=42.5，R骨膠比=5.6，骨料粒徑對抗壓強度的影響最大，對于透水系數(shù)R水灰比=0.26，R骨料粒徑=1.08，R骨膠比=0.18，骨料粒徑對透水系數(shù)的影響也最大。因此，煤矸石骨料的粒徑是決定透水混凝土強度和透水性的主要因素，為保證透水混凝土的強度和透水功能，骨料常用單一粒徑。骨料粒徑越小，骨料的堆積密度越大且顆粒間的接觸點越多，配置的透水混凝土的強度越高，透水性越低。骨料粒徑越小，其比表面積越大，所形成的結(jié)構(gòu)骨架單位體積內(nèi)骨料顆粒之間接觸點數(shù)量越多，膠結(jié)面積越大，可以提高混凝土的強度，但須同時提高水泥用量。骨料粒徑越大，比表面積越小，所形成的骨架單位體積內(nèi)骨料顆粒之間接觸點數(shù)量越少，膠結(jié)面積越小，從而可以提高透水性，但會降低強度[6]。

表2 正交試驗方案及實驗結(jié)果記錄

由表2可得到水灰比對抗壓強度和透水系數(shù)的影響如圖2、圖3、圖4所示：

圖3 水灰比對抗壓強度的影響

圖4 水灰比對透水系數(shù)的影響

由圖可以看出，隨著水灰比的增大，混凝土的抗壓強度逐漸下降，而透水系數(shù)逐漸增大，水灰比超過0.35時，透水系數(shù)增大不明顯。這說明在用水量一定的范圍內(nèi)，水泥用量少，則強度低，但透水性較好，反之亦然[7]。

圖5 煤矸石骨料粒徑對抗壓強度的影響

圖6 煤矸石骨料粒徑對透水系數(shù)的影響

由圖5和圖6可以看出，隨著骨料粒徑的增大，混凝土強度下降很快，同時透水系數(shù)也增加很快，這是由于混凝土強度主要靠骨料間的接觸點或面，并以水泥漿粘結(jié)，如果水泥漿粘結(jié)強度高，則制品的強度就高。由于骨料的級配是斷開級配，骨料之間并不密實，它們之間產(chǎn)生一些小孔，形成水的通道，即所謂透水。骨料粒徑越細(xì)，空隙越小，透水能力就差，但其強度高；骨料粒徑越粗，則骨料顆粒之間接觸就越少，空隙越大，透水能力越好，但其強度低，這時需要有較高粘結(jié)力的高強水泥粘結(jié)。

圖7 骨膠比對抗壓強度的影響

圖8 骨膠比對透水系數(shù)的影響

由圖7和圖8可以看出，隨著骨膠比的增大，混凝土強度逐漸降低，透水系數(shù)逐漸增大，這是因為骨膠比增大，水泥相對含量降低，導(dǎo)致混凝土強度跟著降低，粗粒骨料相互嵌布在一起構(gòu)成鑲嵌結(jié)構(gòu)，混凝土內(nèi)部孔隙率較大，透水系數(shù)較高。

4 結(jié)論

1）使用煤矸石骨料替代天然骨料生產(chǎn)透水混凝土是完全可行的，透水混凝土的抗壓強度可達(dá)到30MPa以上；

2）煤矸石骨料的粒徑是決定透水混凝土強度和透水性的重要因素，粗粒骨料相對含量增大強度增大；

3）在透水混凝土中，水灰比決定了煤矸石骨料顆粒之間接觸水泥漿體的強度以及水泥漿體與集料的粘結(jié)強度，間接決定透水混凝土的整體強度和透水系數(shù)；

4）煤矸石透水性混凝土的強度和透水性是一對相互矛盾的性能指標(biāo)，在設(shè)計時應(yīng)充分考慮二者的相互關(guān)系和工程實際情況，根據(jù)需要進(jìn)行適當(dāng)?shù)呐浜媳仍O(shè)計。

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[5]富建江。透水磚透水系數(shù)測定儀的研制應(yīng)用[J]，福建建材，2009、1：110-111

[6]雷麗恒。透水性道路用生態(tài)混凝土性能的試驗研究[D]，江蘇大學(xué)碩士學(xué)位論文，2007、4

[7]王海燕，劉華章?；炷镣杆u的配合比設(shè)計、生產(chǎn)與施工[J]，新型建筑材料，2007、7：27-29