摻粉煤灰煤矸石輕骨料混凝土性能研究

朱 凱

(河南城建學(xué)院土木工程學(xué)院，河南平頂山 467036)

煤矸石作為骨料來拌制混凝土，可以大量減少工程中對天然集料的使用，具有較高的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。粉煤灰摻入混凝土中，不但可以節(jié)約水泥用量，而且可以改善混凝土的技術(shù)性能［1-2］。平頂山市是豫西南地區(qū)最大的能源型工業(yè)城市，煤炭、電力、冶金、建材工業(yè)比重大，在生產(chǎn)和建設(shè)過程中伴生大量的煤矸石、粉煤灰等工業(yè)固體廢棄物，對環(huán)境造成嚴(yán)重的污染。對這些廢棄物進(jìn)行綜合利用，必將促進(jìn)當(dāng)?shù)厣鐣?huì)、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境的協(xié)調(diào)發(fā)展。本文采用平頂山本地的自燃煤矸石為粗骨料、粉煤灰為摻合料制備混凝土并進(jìn)行試驗(yàn)研究，探討粉煤灰不同摻量下混凝土的工作性能、力學(xué)性能和耐久性能。

1 試驗(yàn)原材料及混凝土配合比

1.1 試驗(yàn)原材料

煤矸石采用平頂山煤業(yè)集團(tuán)六礦的自燃煤矸石，堆積密度為1 170 kg/m3，吸水率為3.6%，經(jīng)人工破碎、摻配后，公稱粒徑范圍為5～20 mm，顆粒級(jí)配如表1所示，符合《輕集料及其試驗(yàn)方法 第1部分:輕集料》［3］(GB/T 17431.1—2010)對輕粗集料的要求。

表1 顆粒級(jí)配試驗(yàn)結(jié)果

粉煤灰采用平頂山姚孟電廠Ⅱ級(jí)粉煤灰。水泥采用河南省大地水泥有限公司生產(chǎn)的P．O42.5級(jí)水泥，實(shí)測28 d抗壓強(qiáng)度為47.6 MPa。細(xì)集料采用平頂山沙河河砂，細(xì)度模數(shù)為 2.8，屬中砂，堆積密度為1510 kg/m3，顆粒級(jí)配良好。減水劑采用平頂山市神翔化工廠FDN高效減水劑，減水率為18%。拌合水采用自來水。

1.2 混凝土配合比

粉煤灰摻量0～40%，膠凝材料總量為390 kg/m3，水膠比為0.41，砂率為40%，減水劑摻量為0.5%。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 摻粉煤灰煤矸石輕骨料混凝土的工作性能

選用粉煤灰摻量分別為 0，10%，20%，30%，40%，試驗(yàn)方法按《普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》［4］(GB/T 50080—2002)進(jìn)行，煤矸石輕骨料混凝土拌合物的坍落度隨粉煤灰摻量變化曲線見圖1。

圖1 煤矸石輕骨料混凝土拌合物的坍落度隨粉煤灰摻量變化曲線

由圖1可以看出，當(dāng)粉煤灰摻量在20%以下時(shí)，煤矸石輕骨料混凝土拌合物的坍落度隨粉煤灰摻量的增加而增大，這主要是因?yàn)榉勖夯翌w粒圓滑，增大了混凝土拌合物的流動(dòng)性;而當(dāng)粉煤灰摻量超過20%以后，混凝土拌合物的坍落度隨粉煤灰摻量的增加有所減小，這是由于粉煤灰的粒徑比水泥小，粉煤灰摻量的增加會(huì)使吸水性有所增加，混凝土拌合物的流動(dòng)性有所下降，但粉煤灰摻量達(dá)30%時(shí)，混凝土拌合物的坍落度仍大于基準(zhǔn)混凝土。同時(shí)，通過觀察，不同粉煤灰摻量下煤矸石輕骨料混凝土拌合物的黏聚性及保水性良好，沒有出現(xiàn)離析、泌水現(xiàn)象。

2.2 摻粉煤灰煤矸石輕骨料混凝土的力學(xué)性能

選用粉煤灰摻量分別為0，10%，20%，30%，40%的煤矸石輕骨料混凝土，試驗(yàn)方法按《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》［5］(GB/T 50081—2002)進(jìn)行，各摻量成型 3組試件，試件尺寸均為150 mm×150 mm×150 mm，分別測定 7，28，60 d的抗壓強(qiáng)度，結(jié)果見圖2。

圖2 煤矸石輕骨料混凝土的抗壓強(qiáng)度隨粉煤灰摻量變化曲線

由圖2可以看出，隨著粉煤灰摻量的增加，煤矸石輕骨料混凝土的7 d抗壓強(qiáng)度逐漸下降，粉煤灰摻量達(dá)到30%和40%時(shí)，與不摻粉煤灰混凝土相比抗壓強(qiáng)度降低了11%和19%。28 d時(shí)，粉煤灰摻量為20%的煤矸石輕骨料混凝土抗壓強(qiáng)度與不摻粉煤灰混凝土相當(dāng)，粉煤灰摻量為30%和40%時(shí)，與不摻粉煤灰混凝土相比抗壓強(qiáng)度降低了6%和8%，降低的幅度明顯減小。到60 d，粉煤灰摻量為10%和20%時(shí)煤矸石輕骨料混凝土抗壓強(qiáng)度已超過不摻粉煤灰混凝土，粉煤灰摻量為30%時(shí)抗壓強(qiáng)度也接近不摻粉煤灰混凝土?？梢?，粉煤灰的摻入使煤矸石輕骨料混凝土早期抗壓強(qiáng)度降低比較明顯，隨著養(yǎng)護(hù)齡期的延長強(qiáng)度增長，后期抗壓強(qiáng)度高于不摻粉煤灰混凝土，60 d時(shí)的強(qiáng)度已經(jīng)接近或超過不摻粉煤灰混凝土。

2.3 摻粉煤灰煤矸石輕骨料混凝土的抗?jié)B性能

選用粉煤灰摻量分別為0，10%，20%，30%，40%的煤矸石輕骨料混凝土，試驗(yàn)方法按《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》［6］(GB/T 50082—2009)進(jìn)行，各摻量分別成型標(biāo)準(zhǔn)試件并標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)時(shí)，控制水壓在24 h內(nèi)恒定在(1.20±0.05)MPa。24 h后停止試驗(yàn)，測量滲水高度，結(jié)果見圖3。

圖3 煤矸石輕骨料混凝土滲水高度隨粉煤灰摻量變化曲線

由圖3可以看出，摻粉煤灰煤矸石輕骨料混凝土的滲水高度明顯小于不摻粉煤灰混凝土，充分說明粉煤灰能改善混凝土的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，提高密實(shí)性。當(dāng)粉煤灰摻量不超過30%時(shí)，試件滲水高度隨粉煤灰摻量的增加而減小，即使摻量達(dá)到40%時(shí)，滲水高度有所增加，但也小于不摻粉煤灰混凝土?？梢姡诨炷林袚郊臃勖夯?，可以改善混凝土的微觀孔結(jié)構(gòu)，降低混凝土的內(nèi)部孔隙率，大幅度提高混凝土的密實(shí)度和抗?jié)B性能。

2.4 摻粉煤灰煤矸石輕骨料混凝土的抗凍性能

選用粉煤灰摻量分別為0，10%，20%，30%，40%的煤矸石輕骨料混凝土，試驗(yàn)方法按GB/T 50082—2009進(jìn)行，采用快凍法，各摻量分別成型100 mm×100 mm×400 mm棱柱體試件，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d，然后在－18℃和5℃條件下進(jìn)行快速凍結(jié)和融化循環(huán)，每25次凍融循環(huán)對試件進(jìn)行一次橫向基頻測試并稱重。當(dāng)凍融至100次，或相對動(dòng)彈性模量下降至60%以下，或質(zhì)量損失達(dá)到5%時(shí)，即可停止試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果見圖4。為進(jìn)一步研究粉煤灰對煤矸石輕骨料混凝土抗凍性能的影響，在28 d抗凍試驗(yàn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行了60 d抗凍試驗(yàn)，結(jié)果見圖5。

由圖4、圖5可以看出，煤矸石輕骨料混凝土28 d的抗凍性能隨著粉煤灰摻量的增加而降低，當(dāng)粉煤灰摻量不超過30%時(shí)，混凝土質(zhì)量損失率的增加、相對動(dòng)彈性模量的下降幅度均較小，粉煤灰摻量達(dá)到40%時(shí)，變化幅度較大;凍融100次后，混凝土質(zhì)量損失率均未超過1%，相對動(dòng)彈性模量均在90%以上?；炷?0 d的抗凍性能均高于28 d的，粉煤灰摻量不超過30%的煤矸石輕骨料混凝土相對動(dòng)彈性模量已接近或超過不摻粉煤灰混凝土?？梢婋S著齡期的增加，粉煤灰活性效應(yīng)越來越明顯，提高了混凝土的后期強(qiáng)度和密實(shí)性，也有利于混凝土抗凍性能的提高。

圖4 摻粉煤灰煤矸石輕骨料混凝土28 d抗凍性能

圖5 摻粉煤灰煤矸石輕骨料混凝土60 d抗凍性能

2.5 摻粉煤灰煤矸石輕骨料混凝土的抗碳化性能

選用粉煤灰摻量分別為0，10%，20%，30%，40%的煤矸石輕骨料混凝土，試驗(yàn)方法按GB/T 50082—2009進(jìn)行，各摻量分別成型3個(gè)100 mm×100 mm×300 mm棱柱體試件，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)60 d后，在碳化達(dá)到3，7，14，28 d時(shí)測定和計(jì)算碳化深度，結(jié)果見圖6。

圖6 摻粉煤灰煤矸石輕骨料混凝土碳化深度隨時(shí)間變化曲線

由圖6可以看出，煤矸石輕骨料混凝土的碳化深度隨著時(shí)間的增長而增加，早期增長幅度較快，后期增長相對較慢。隨著粉煤灰摻量的增加，混凝土的碳化深度不斷增大，當(dāng)粉煤灰摻量不超過30%時(shí)，碳化深度隨時(shí)間增長的幅度接近不摻粉煤灰混凝土，當(dāng)粉煤灰摻量達(dá)到40%時(shí)，碳化深度增長幅度明顯提高。可見，粉煤灰的摻入會(huì)降低混凝土的抗碳化能力，但在一定的摻量范圍內(nèi)，選擇合適的養(yǎng)護(hù)條件并適當(dāng)延長養(yǎng)護(hù)時(shí)間［7］，充分發(fā)揮粉煤灰的活性效應(yīng)，改善混凝土的內(nèi)部孔結(jié)構(gòu)，提高其密實(shí)性，也可以提高混凝土的抗碳化性能。

3 結(jié)論

1)粉煤灰可以改善煤矸石輕骨料混凝土的工作性，當(dāng)粉煤灰摻量不超過30%時(shí)，混凝土拌合物的坍落度均大于不摻粉煤灰混凝土，且黏聚性及保水性良好。

2)隨著粉煤灰摻量的增加，煤矸石輕骨料混凝土早期強(qiáng)度降低明顯，但后期強(qiáng)度增長高于不摻粉煤灰混凝土。粉煤灰摻量不超過30%時(shí)，混凝土60 d的抗壓強(qiáng)度已接近甚至超過不摻粉煤灰混凝土。

3)粉煤灰的摻入明顯提高了煤矸石輕骨料混凝土的抗?jié)B性能。當(dāng)粉煤灰摻量為30%時(shí)，試件滲水高度最小，混凝土抗?jié)B性最好，即使摻量達(dá)到40%，試件滲水高度也小于不摻粉煤灰混凝土。

4)隨著粉煤灰摻量的增加，煤矸石輕骨料混凝土28 d的抗凍性能有所降低，但隨著齡期的增長，粉煤灰活性效應(yīng)逐漸明顯，粉煤灰摻量不超過30%的混凝土60 d相對動(dòng)彈性模量已接近或超過不摻粉煤灰混凝土，抗凍性能得到提高。

5)粉煤灰會(huì)降低煤矸石輕骨料混凝土的抗碳化能力，但粉煤灰摻量不超過30%時(shí)，碳化深度隨時(shí)間增長的幅度較慢。

由以上分析可以看出，在煤矸石輕骨料混凝土中摻入粉煤灰，能夠有效改善混凝土的工作性、后期強(qiáng)度及耐久性。當(dāng)粉煤灰摻量不超過30%時(shí)，煤矸石輕骨料混凝土能夠獲得良好的使用性能，能夠滿足鐵路路基工程的要求。

［1］劉輝．高摻量粉煤灰對高性能混凝土體積穩(wěn)定性及耐久性的影響［J］．鐵道建筑，2010(6):24-27．

［2］朱凱．大摻量粉煤灰對重交通路面混凝土性能的影響研究［J］．混凝土，2011(4):124-126．

［3］中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局．GB/T 17431.1—2010 輕集料及其試驗(yàn)方法 第1部分:輕集料［S］．北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2010．

［4］中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部．GB/T 50080—2002普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)［S］．北京:中國建筑工業(yè)出版社，2003．

［5］中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部．GB/T 50081—2002普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)［S］．北京:中國建筑工業(yè)出版社，2003．

［6］中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部．GB/T 50082—2009普通混凝土長期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)［S］．北京:中國建筑工業(yè)出版社，2009．

［7］吳克剛，謝友均，李世材．粉煤灰混凝土的抗碳化性能研究［J］．粉煤灰，2008(6):34-37．