煤矸石粗集料粒徑對(duì)混凝土性能的影響

汪振雙, 譚曉倩, 周　梅, 趙一鍵

(1. 東北財(cái)經(jīng)大學(xué) 投資工程管理學(xué)院, 遼寧 大連　116025; 2. 國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局 專利局, 北京　100088;

3. 遼寧工程技術(shù)大學(xué) 建筑工程學(xué)院, 遼寧 阜新　123000)

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煤矸石粗集料粒徑對(duì)混凝土性能的影響

汪振雙1, 譚曉倩2, 周梅3, 趙一鍵1

(1. 東北財(cái)經(jīng)大學(xué) 投資工程管理學(xué)院, 遼寧 大連116025; 2. 國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局 專利局, 北京100088;

3. 遼寧工程技術(shù)大學(xué) 建筑工程學(xué)院, 遼寧 阜新123000)

摘要:從混凝土架構(gòu)結(jié)構(gòu)模型出發(fā),采用對(duì)比實(shí)驗(yàn),研究了煤矸石粗集料粒徑對(duì)混凝土坍落度、抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度、彈性模量和抗凍性的影響.研究結(jié)果表明,煤矸石粗集料對(duì)混凝土的坍落度、抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度和彈性模量影響十分顯著.煤矸石粗集料的摻入降低了混凝土的坍落度和抗折強(qiáng)度,提高了混凝土的抗壓強(qiáng)度和彈性模量,改善了混凝土的抗凍性.隨著煤矸石粗集料粒徑的增大,煤矸石混凝土的坍落度逐漸增大,抗折強(qiáng)度和抗凍性逐漸降低,而抗壓強(qiáng)度和彈性模量變化并不顯著.

關(guān)鍵詞:煤矸石粗集料; 粒徑; 架構(gòu)混凝土; 強(qiáng)度; 抗凍性

集料是混凝土材料的重要組成部分[1]. 在傳統(tǒng)四組分混凝土當(dāng)中一直把集料當(dāng)作惰性填充物,用來限制水泥石硬化過程中的收縮.傳統(tǒng)混凝土強(qiáng)度理論是基于水泥石結(jié)構(gòu)模型, 認(rèn)為混凝土的強(qiáng)度主要取決于水泥石.水泥石結(jié)構(gòu)模型在混凝土理論中具有極其重要的地位和作用, 當(dāng)前有關(guān)混凝土理論的全部研究和計(jì)算都圍繞著水泥石結(jié)構(gòu)模型中“水灰比”這個(gè)參數(shù)展開的, 認(rèn)為混凝土的強(qiáng)度與水灰比呈線性關(guān)系,而沒有考慮其他因素對(duì)混凝土強(qiáng)度的影響.通過現(xiàn)有研究發(fā)現(xiàn),水灰比在0.5左右時(shí), 與混凝土的強(qiáng)度線性關(guān)系較為顯著.此外,要發(fā)揮水泥石作用,就必須和細(xì)集料配合使用,這就是為什么水泥標(biāo)號(hào)的確定要用標(biāo)準(zhǔn)砂的原因.通常情況下,粗集料的強(qiáng)度對(duì)普通混凝土的影響很小,這是因?yàn)榛炷恋钠茐氖怯善渌麅身?xiàng)決定的, 大部分粗集料強(qiáng)度幾乎得不到利用.粗集料對(duì)混凝土強(qiáng)度的影響可以追溯到水灰比的變化,但已發(fā)表的文獻(xiàn)中有足夠的證明, 情況卻未必總是如此.粗集料的粒徑、級(jí)配等也影響界面過渡區(qū)的特性,進(jìn)而影響混凝土的強(qiáng)度,而這與水灰比無關(guān). 此外,混凝土水泥石結(jié)構(gòu)模型理論夸大了水灰比參數(shù)對(duì)混凝土性能的影響,同時(shí)也混淆了混凝土中粗細(xì)集料的作用[2]. 美國(guó)著名混凝土材料專家Mehta P K教授曾經(jīng)指出:“我們應(yīng)該像重視水泥一樣重視混凝土中的集料[3].” 隨著混凝土應(yīng)用領(lǐng)域的不斷拓展,對(duì)混凝土材料性能的要求越來越高,集料的重要作用才真正被研究人員所認(rèn)識(shí)和了解.實(shí)際上, 集料的幾何特性和物理性能等方面因素對(duì)混凝土材料早期的工作性、硬化后的力學(xué)性能和耐久性能影響都比較顯著, 如粗集料的尺寸分布、級(jí)配、表面形狀、形狀、彈性模量等[4-7].在此基礎(chǔ)上,王立久教授提出混凝土架構(gòu)結(jié)構(gòu)模型[8], 指粗集料在攪拌、振搗和重力作用下, 按照一定當(dāng)量配位形式最緊密堆積構(gòu)成混凝土骨架, 使得粗集料具有一定的承載能力, 按一定砂灰比的砂漿填充其空隙,進(jìn)而粘結(jié)龕固粗集料, 形成具有一定強(qiáng)度整體的現(xiàn)代混凝土結(jié)構(gòu)模型,為研究混凝土的性能開辟了新的視角.

隨著我國(guó)城鎮(zhèn)化進(jìn)程的不斷推進(jìn),混凝土的大量使用,消耗大量的砂石資源,給環(huán)境和能源帶來沉重負(fù)擔(dān).煤矸石是煤炭在開采過程中排放的固體廢棄物,約占煤炭開采總量的10%～25%.煤礦區(qū)煤矸石的大量堆積占用耕地資源,污染環(huán)境.因此,將自燃煤矸石作為粗集料配制混凝土,變廢為寶,利在當(dāng)代,功在千秋.本研究從混凝土架構(gòu)結(jié)構(gòu)模型視角出發(fā),研究了煤矸石粗集料的粒徑對(duì)混凝土材料性能的影響,為煤矸石粗集料的工程應(yīng)用提供參考.

1試驗(yàn)

1.1原材料

大連小野田水泥廠生產(chǎn)的P·O42.5普通硅酸鹽水泥,密度3.17 g/cm3,比表面積360 m2/kg,性質(zhì)指標(biāo)如表1所示;河砂,表觀密度2 683 kg/m3,細(xì)度模數(shù)2.9;阜新市海州礦廢棄的煤矸石,將其破碎篩分沖去集料表面不潔附著物,表觀密度2 673 kg/m3,筒壓強(qiáng)度變化范圍8.3 MPa,試驗(yàn)連續(xù)級(jí)配煤矸石粗集料篩分結(jié)果見表2;高效高性能AE減水劑,減水率13%;普通自來水.

表1　水泥材料的性質(zhì)

表2　煤矸石粗集料篩分結(jié)果

1.2煤矸石混凝土配合比

在混凝土粗集料架構(gòu)結(jié)構(gòu)模型的基礎(chǔ)上,在保證混凝土各種材料用量和配合比不變的情況下,采用對(duì)比實(shí)驗(yàn),改變煤矸石粗集料的級(jí)配粒徑,研究煤矸石粗集料對(duì)混凝土性能的影響.其中,混凝土砂漿基體配合比用N表示,4種不同粒徑的煤矸石混凝土配合比如表3所示.

表3　煤矸石混凝土的配合比

1.3煤矸石混凝土測(cè)試方法

煤矸石混凝土的力學(xué)性能按《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50081—2002)進(jìn)行測(cè)試,測(cè)試煤矸石混凝土28d的抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度和彈性模量.煤矸石混凝土抗凍性按GBJ 82—85快凍法進(jìn)行.實(shí)驗(yàn)所用設(shè)備為北京燕科公司生產(chǎn)的TRD1型混凝土凍融試驗(yàn)機(jī)和天津建筑儀器廠生產(chǎn)的DT-8W動(dòng)彈儀.

2試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1煤矸石混凝土的坍落度

煤矸石混凝土坍落度測(cè)試結(jié)果如圖1所示.圖1顯示,混凝土砂漿N的坍落度為82 mm,煤矸石混凝土S1的坍落度為10 mm,S2的坍落度為37 mm,S3的坍落度為40 mm,S4的坍落度為61 mm.可以看出,煤矸石粗集料的加入,改變了混凝土砂漿,使其坍落度降低,混凝土的流動(dòng)性減弱.由坍落度的測(cè)試結(jié)果可以看出,當(dāng)煤矸石粗集料的最大粒徑為9.5 mm時(shí),混凝土的坍落度最小,對(duì)混凝土的影響最為顯著.在煤矸石混凝土各種材料用量和配合比不變的情況下,煤矸石粗集料粒徑越小,需要包裹煤矸石粗集料所需要的水泥砂漿用量就越多,新拌煤矸石混凝土拌合物的流動(dòng)性越弱.

圖1　煤矸石混凝土的坍落度

2.2煤矸石混凝土的抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度

煤矸石混凝土28 d抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果如圖2和圖3所示.從圖2可以看出,混凝土砂漿N的抗壓強(qiáng)度為46.4 MPa,煤矸石混凝土S1的抗壓強(qiáng)度為52 MPa, S2的抗壓強(qiáng)度為51 MPa,S3的抗壓強(qiáng)度為50.5 MPa,而S4的抗壓強(qiáng)度為50.1 MPa.與混凝土砂漿N的抗壓強(qiáng)度相比,煤矸石粗集料的加入增強(qiáng)了混凝土的抗壓強(qiáng)度.在混凝土各種材料用量和配合比不變的情況下,改變煤矸石粗集料最大粒徑對(duì)混凝土28 d抗壓強(qiáng)度影響并不顯著.粗集料這種架構(gòu)作用與粗集料的強(qiáng)度有關(guān),試驗(yàn)選用的煤矸石粗集料,不同級(jí)配的壓碎指標(biāo)相差不大,因此在混凝土中的架構(gòu)增強(qiáng)作用相差不大.在配制高強(qiáng)混凝土?xí)r,Griffith指出,粗集料粒徑過大會(huì)使混凝土斷裂應(yīng)力值降低,應(yīng)使粗集料的最大粒徑盡可能小些[2].

圖2　煤矸石混凝土的抗壓強(qiáng)度

圖3　煤矸石混凝土的抗折強(qiáng)度

從圖3煤矸石混凝土抗折強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果中可以看出,混凝土砂漿N的抗折強(qiáng)度為7.75 MPa,煤矸石混凝土S1的抗折強(qiáng)度為7.61 MPa,S2的抗折強(qiáng)度為6.83 MPa, S3的抗折強(qiáng)度為6.41 MPa,而S4的抗折強(qiáng)度為6.31 MPa.與混凝土砂漿的抗折強(qiáng)度相比,煤矸石粗集料的加入降低了混凝土的抗折強(qiáng)度,隨著煤矸石粗集料粒徑的增大,這種降低作用就越明顯.這是由于粗集料粒徑越大,粗集料內(nèi)部存在缺陷的概率也就越大;此外,混凝土配合比中粗集料的粒徑越大,導(dǎo)致粗集料比表面積越小,使與混凝土砂漿之間界面的粘結(jié)強(qiáng)度越低.已有的研究結(jié)果表明,在配制高強(qiáng)混凝土?xí)r,粗集料的最大粒徑應(yīng)控制在25 mm以下[9].

2.3煤矸石混凝土的彈性模量

煤矸石混凝土彈性模量的試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示.從圖4的試驗(yàn)結(jié)果中可以看出,混凝土砂漿N的彈性模量為28.5 GPa,煤矸石混凝土S1的彈性模量為41.2 GPa,S2的彈性模量為38.2 GPa,S3的彈性模量為39 GPa,而S4的彈性模量為40.2 GPa.與混凝土砂漿的彈性模量相比,在混凝土中各種材料用量和配合比不變的條件下,煤矸石粗集料的加入顯著提高了混凝土的彈性模量,使混凝土抵抗變形的能力增強(qiáng).混凝土的彈性模量主要與混凝土的抗壓強(qiáng)度有關(guān),煤矸石粗集料的粒徑對(duì)混凝土的抗壓強(qiáng)度影響不顯著.因此,煤矸石集料的粒徑對(duì)混凝土彈性模量影響不大.

圖4　煤矸石混凝土的彈性模量

2.4煤矸石混凝土的抗凍性

煤矸石混凝土快凍法試驗(yàn)結(jié)果如圖5和圖6所示.從圖5煤矸石混凝土的質(zhì)量損失率與凍融循環(huán)次數(shù)的試驗(yàn)結(jié)果中可以看出,混凝土砂漿N的質(zhì)量損失明顯要大于其余各組煤矸石混凝土的質(zhì)量損失,經(jīng)過100次凍融循環(huán)后,混凝土砂漿N的質(zhì)量損失率已達(dá)到7.1%,而其他煤矸石混凝土的質(zhì)量損失率還不到4%.與混凝土砂漿相比,粗集料的加入能改變混凝土中的空隙結(jié)構(gòu),改善混凝土的抗凍性.經(jīng)過225次凍融循環(huán)之后,煤矸石混凝土質(zhì)量損失率不斷增大,S1為4.4%,S2為5.56%,S3為6.71%,而S4為6.82%.可以看出,隨著粗集料粒徑的增大,煤矸石混凝土的質(zhì)量損失率增大,混凝土的抗凍性降低.在凍融循環(huán)初期,試件表面剝落后內(nèi)部孔隙與外界連通,致使煤矸石混凝土吸水量增加,導(dǎo)致混凝土質(zhì)量增加[7,10].因此,在凍融循環(huán)初期,煤矸石混凝土的質(zhì)量損失率呈負(fù)值.

圖5　煤矸石混凝土質(zhì)量損失率隨凍融循環(huán)次數(shù)變化

圖6　煤矸石混凝土的相對(duì)動(dòng)彈模量

混凝土的凍融循環(huán)劣化是混凝土由致密到疏松的變化過程,利用相對(duì)動(dòng)彈性模量能更好地反映這個(gè)物理化學(xué)過程.從圖6煤矸石混凝土相對(duì)動(dòng)彈性模量的測(cè)試結(jié)果中可以看出,隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加,混煤矸石混凝土的相對(duì)彈性模量逐漸降低.混凝土砂漿N的相對(duì)動(dòng)彈性模量降低的更快,經(jīng)過100次凍融循環(huán)后,相對(duì)動(dòng)彈模下降為83.12%,150次凍融循環(huán)后,相對(duì)動(dòng)彈性模量下降到63.54%.與混凝土砂漿相比,煤矸石粗集料的加入明顯改善了混凝土的抗凍性.煤矸石混凝土S1和S2經(jīng)過175次凍融循環(huán)后,相對(duì)動(dòng)彈性模量為85.22%和83.15%,經(jīng)225次凍融循環(huán)后,相對(duì)動(dòng)彈性模量下降至66.42%和63.25%.而S3和S4經(jīng)過150次凍融循環(huán)后,相對(duì)動(dòng)彈性模量下降為82.11%和80.21%,200次凍融循環(huán)后,相對(duì)動(dòng)彈性模量下降至67.75%和64.43%.可以看出,隨著凍融循環(huán)次數(shù)和粗集料最大粒徑的增加,煤矸石混凝土的質(zhì)量損失率和相對(duì)動(dòng)彈性模量變化趨勢(shì)一致.由此可知,粗集料本身并不是混凝土受凍破壞的薄弱區(qū)域,隨著煤矸石粗集料最大粒徑的增大,煤矸石混凝土的抗凍性逐漸減弱.

3結(jié)論

煤矸石生產(chǎn)粗集料配制混凝土有著重要的環(huán)境經(jīng)濟(jì)價(jià)值, 本文從混凝土架構(gòu)模型出發(fā), 采用對(duì)比實(shí)驗(yàn)研究了不同煤矸石粗集料粒徑對(duì)混凝土工作性、強(qiáng)度和耐久性的影響. 得出的主要結(jié)論有:

(1) 與混凝土砂漿相比,煤矸石粗集料改善了混凝土的強(qiáng)度和耐久性,然而降低了混凝土的彈性模量和抗折強(qiáng)度.

(2) 煤矸石粗集料級(jí)配粒徑對(duì)混凝土的工作性、抗折強(qiáng)度和抗凍性影響比較顯著,而對(duì)混凝土的抗壓強(qiáng)度和彈性模量影響并不顯著.

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【責(zé)任編輯: 祝穎】

Influence of Particle Size of Coal Gangue Coarse Aggregates on Concrete Properties

WangZhenshuang1,TanXiaoqian2,ZhouMei3,ZhaoYijian1

(1. School of Investment & Construction Management, Dongbei University of Finance and Economics, Dalian 116025, China; 2. Patent Office, State Intellectual Property Office, Beijing 100088, China; 3. College of Civil and Architecture Engineering, Liaoning Technical University, Fuxin 123000, China)

Abstract:Coal gangue coarse aggregate with the different maximum particle size are used to check slump, compressive strength, flexural strength, modulus of elasticity, and the influence on frost resistance property. The results show that, slump, compressive strength, flexural strength, and modulus of elasticity of concrete are affected by coarse aggregate significantly. Flow ability and flexural strength of concrete are decreased, but compressive strength and modulus of elasticity of concrete are increased due to coarse aggregate mixed, furthermore, coarse aggregate improved frost resistance of concrete. The maximum particle size of coarse aggregate increases the concrete slump, decreases the concrete flexural strength and frost resistance, and has little role on modulus of elasticity and compressive of concrete.

Key words:coal gangue coarse aggregate; particle size; framework concrete; strength; frost resistance property

中圖分類號(hào):TU 528.79

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

文章編號(hào):2095-5456(2016)01-0069-05

作者簡(jiǎn)介:汪振雙(1982-),男,遼寧岫巖人,東北財(cái)經(jīng)大學(xué)講師,博士.

基金項(xiàng)目:國(guó)家自然科學(xué)基金煤炭聯(lián)合基金項(xiàng)目(U1261122); 第八批博士后特別資助項(xiàng)目(2015T80259); 遼寧省教育廳基金一般項(xiàng)目(W2015130); 東北財(cái)經(jīng)大學(xué)博士后資助項(xiàng)目(BSH201523); 東北財(cái)經(jīng)大學(xué)青年科研培育項(xiàng)目(DUFE2015Q15).

收稿日期:2015-06-17