煤矸石泡沫混凝土性能研究

鄭小磊，馬其華，曹富榮，張慶赟

（山東科技大學 礦業(yè)與安全工程學院，山東 青島 266590）

煤矸石是在成煤過程中與煤層伴生的巖石，某些煤矸石中還有一定的含碳量，將煤矸石變廢為寶，節(jié)能節(jié)地，增加產(chǎn)值，是未來煤矸石發(fā)展的必然趨勢；以煤矸石為主要原材料制備泡沫混凝土的相關研究在21世紀初開始有了很大的發(fā)展，劉寧通過對發(fā)泡劑的研究發(fā)現(xiàn)其選用的發(fā)泡劑溶液的濃度在2.5%時發(fā)泡效果最好，并且采用機械攪拌有利于提高發(fā)泡倍數(shù)[1]；俞心剛研究發(fā)現(xiàn)煤矸石煅燒溫度為750℃時活化效果最佳，水灰比為0.80時泡沫混凝土使用效果最佳；隨著泡沫劑摻量增加，流動度會減小，且當泡沫劑的摻量超過 0.15%時，其強度會顯著下降，且成型后出現(xiàn)沉陷[2]；周海兵通過試驗研究發(fā)現(xiàn)發(fā)泡劑K-12濃度為0.4%、穩(wěn)泡劑（D）為0.06%時，其發(fā)泡效果最好[3]。目前，對煤矸石粒徑、不同水灰比、煤矸石摻量對泡沫混凝土的影響研究還不夠完善，為此通過發(fā)泡劑的配置，煤矸石破碎篩選分級，試配不同水灰比，研究水灰比和煤矸石摻量對泡沫混凝土的工作性能和力學特性的影響，確定試配煤矸石泡沫混凝土的最佳水灰比和最佳煤矸石摻量，研究泡沫混凝土的壓縮力學特性[4-5]。

1 試驗儀器及原材料

本試驗用到的實驗儀器有顎式破碎機、手持式電鉆攪拌機、MeiLen電子稱、禾詩電子稱、泡沫泌水沉降距測量儀、電子萬能試驗機等。

原材料如下：

1）煤矸石。采用左權盤城嶺煤礦的煤矸石，主要成分是石英、高嶺石、黃鐵礦以及大量的鋁質(zhì)黏土類礦物。其主要化學成分及含量見表1。

表1 煤矸石主要化學成分及含量

2）發(fā)泡劑。采用十二烷基硫酸鈉(又稱K-12)為發(fā)泡劑，其分子式為CH3(CH2)11OSO3Na，總醇量不少于59%，易溶于水，其水溶液密度為1.03 g/cm3，在配置溶液時需先將其研磨成粉末狀，便于快速溶解。

3）穩(wěn)泡劑。用改性硅樹脂聚醚微乳液(又稱FM-550)為穩(wěn)泡劑，聚醚含量55%[6-7]，活性物含量高，常溫為液體，水溶性好。溶于水后，能使發(fā)泡劑分子在氣泡液膜中有序分布，改善泡沫的黏性和自修復能力，泡沫不易破滅，更加穩(wěn)定。

4）水泥。采用市售425快干防裂散裝水泥。

5）水。采用實驗室自來水，屬于二次凈化用水，含微量次氯酸。

2 試驗過程及分析

2.1 發(fā)泡劑的配制

根據(jù)試驗方案分別配制濃度為0.2%、0.3%、0.4%、0.5%、0.6%的十二烷基硫酸鈉溶液，不同濃度的發(fā)泡效果見表2。

表2 不同濃度K-12溶液的發(fā)泡效果

不同濃度發(fā)泡劑的發(fā)泡效果在不同濃度時，其變化差異不同，不同濃度K-12溶液起泡高度如圖1。由圖1可知，發(fā)泡劑濃度低于0.4%時，其起泡能力隨著濃度增加而增加，當濃度大于0.4%時，其起泡能力隨著溶液濃度增加而逐漸變小。

2.2 煤矸石的篩選

用破碎機將煤矸石破碎，用標準篩對其的進行篩選分級，篩分區(qū)間為＜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，其顆粒占比情況見表3。

從上表可以看出經(jīng)破碎后的煤矸石顆粒主要粒徑范圍在4.75～9.5 mm內(nèi)。

圖1 不同濃度K-12溶液起泡高度

表3 煤矸石顆粒分布情況

2.3 水灰比對煤矸石泡沫混凝土性能的影響

由于影響煤矸石泡沫混凝土的坍落度以及抗壓強度的因素較多，因此為了研究水灰比對其的影響，在設計試驗時設定矸石粒徑4.75～9.5 mm、灰料比為1:1、泡沫摻量為水泥質(zhì)量的50%保持不變，研究不同水灰比對泡沫混凝土的影響（表4）。

表4 不同水灰比煤矸石泡沫混凝土試配方案

不同水灰比煤矸石的泡沫混凝土的坍落度情況見表5，由坍落度數(shù)據(jù)繪制的坍落度-水灰比變化曲線如圖2。由圖2看出，水灰比應該在0.35左右。隨著水灰比的增加，煤矸石泡沫混凝土的流動度明顯增大，因此在試配泡沫混凝土時應該嚴格控制水灰比，試配過程中要攪拌充分，使得混凝土混合均勻。

表5 不同水灰比對應坍落度

測試完坍落度后，將泡沫混凝土再次攪拌均勻入模養(yǎng)護，入模養(yǎng)護28 d后脫模進行抗壓強度的測量，每組試驗試配了3塊100 mm×100 mm×100 mm的混凝土塊，對其進行單軸抗壓強度的測量，加載速率為0.01 mm/s。

圖2 坍落度-水灰比變化曲線

根據(jù)不同水灰比下的煤矸石泡沫混凝土的抗壓強度數(shù)據(jù)繪制的水灰比-抗壓強度變化曲線圖如圖3。

圖3 不同水灰比下的抗壓強度曲線變化

從圖3可發(fā)現(xiàn)，在水灰比為0.2～0.3之間時，泡沫混凝土的28 d抗壓強度在3 MPa以上，泡沫混凝土的抗壓強度隨著水灰比的增加在逐漸變小。

通過研究發(fā)現(xiàn)，若選擇0.2的水灰比，則試配的泡沫混凝土坍落度達到13.8 cm，屬流動性混凝土，此時試配的煤矸石泡沫混凝土的28 d養(yǎng)護強度達到4.13 MPa，而隨著水灰比的增大，泡沫混凝土的離析率變大，和易性變差，坍落度隨之降低，直接導致養(yǎng)護后抗壓強度明顯減弱，水灰比增加1倍，抗壓強度減少1倍左右。

2.4 煤矸石摻量對煤矸石泡沫混凝土性能的影響

煤矸石顆?？梢栽谂菽炷脸洚敼羌艿淖饔弥位炷恋膹姸龋虼嗣喉肥膿郊恿繒苯佑绊懪菽炷恋墓ぷ餍砸约傲W特性，設計煤矸石摻量為50%～70%研究其對泡沫混凝土的影響[8-9]，試配方案中保持水灰比0.2、煤矸石粒徑4.75~9.5 mm、泡沫液質(zhì)量為水泥質(zhì)量1/2參數(shù)不變，不同矸石占比煤矸石泡沫混凝土試配方案見表6。

根據(jù)表6進行不同煤矸石摻量的泡沫混凝土的試配，試配完成后進行坍落度的測量，其坍落度隨摻量的變化曲線如圖4。

表6 不同矸石占比煤矸石泡沫混凝土試配方案

圖4 不同煤矸石摻量的坍落度

從圖4可以發(fā)現(xiàn)，隨著煤矸石摻加量的增加，泡沫混凝土的坍落度明顯減少，說明煤矸石泡沫混凝土的流動性、和易性隨著煤矸石的摻加而變?nèi)?，泡沫混凝土在煤矸石摻量達到70%時其漿體呈現(xiàn)一定的塑性，流動性明顯出現(xiàn)損傷[10-11]。

對泡沫混凝土進行合理養(yǎng)護28 d，對混凝土塊進行了濕密度測試以及抗壓強度的測試，不同煤矸石摻量對應密度和抗壓強度的關系見表7。

表7 不同煤矸石摻量對應密度和抗壓強度

由表7可知，煤矸石泡沫混凝土的抗壓強度受煤矸石的摻量影響，煤矸石摻量為55%和60%時，試配的泡沫混凝土強度比較高，其強度在4.9 MPa左右；由于煤矸石的占比不同，試配的煤矸石泡沫混凝土的密度也不同，其變化關系呈線性增長，在煤矸石占比達到70%時[2，12-14]，此時試配的泡沫混凝土密度達到1.62 g/cm3。

3 結 論

1）通過試驗研究發(fā)現(xiàn)，水灰比對煤矸石泡沫混凝土的坍落度影響較大，當泡沫摻量為1/2水泥質(zhì)量時，試配的泡沫混凝土的水灰比在0.20~0.35時，其坍落度在10~15 cm，漿體呈現(xiàn)流動性，而隨著水灰比的繼續(xù)增大，坍落度也變大，漿體的和易性變差，離析率也開始增大，28 d養(yǎng)護的單軸抗壓強度低于3 MPa，試配的煤矸石泡沫混凝土的抗壓強度出現(xiàn)了嚴重損失，研究發(fā)現(xiàn)水灰比為0.2時，試配的泡沫混凝土具有良好流動性，其坍落度為13.8 cm，平均抗壓強度為4.13 MPa。

2）煤矸石摻量的增加使得泡沫混凝土漿體的坍落度逐漸減小，漿體塑性增強，同時隨著煤矸石摻量的增加，試配的煤矸石泡沫混凝土的密度也在稍微增加，但是試配的試塊的平均抗壓強度在煤矸石摻量為60%左右時達到最大，之后隨著煤矸石摻量的增加強度開始逐漸變小。