摻煤矸石泡沫混凝土制備及力學(xué)性能

張林春，張愛蓮，王 倩，李 珂，韓 艷，高小建，楊志淵

(1.四川建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院土木工程系，德陽(yáng) 618000;2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，哈爾濱 150001)

0 引 言

我國(guó)是世界上主要的煤炭生產(chǎn)國(guó)之一。在煤炭生產(chǎn)過程中, 煤矸石(一種洗煤廢棄物)的排放量約占煤炭產(chǎn)量的15%～20%，已成為我國(guó)排放量最大的工業(yè)廢渣之一[1-4]。國(guó)內(nèi)歷年積存下來(lái)的煤矸石已超過45億噸，且每年煤矸石仍在至少以1.8億噸的速度持續(xù)排放，但是我國(guó)煤矸石的綜合利用率較低，發(fā)電年處理煤矸石等廢棄資源能力僅在1.35億噸左右，存在巨大的缺口。不能及時(shí)處理的煤矸石導(dǎo)致其堆存總量持續(xù)增加，占?jí)毫舜罅客恋兀瑢?duì)周邊環(huán)境造成了諸多危害(如: 占用大量土地資源,污染大氣和水土,時(shí)常發(fā)生自燃等)[5]。

泡沫混凝土是一種將氣泡與水泥基材料攪拌混合后形成的一種輕質(zhì)混凝土材料。這種混凝土的機(jī)械性能與強(qiáng)度較低，但是其具有良好的保溫、隔熱效果，用于建筑中的隔墻或者低層承重墻可以起到良好的隔熱、保溫作用，同時(shí)也可以起到減重的作用[6]。

為了解決煤矸石堆積帶來(lái)的環(huán)境污染問題，Awang[7]、Jones[8]、Nambiar[9]等在制作泡沫混凝土?xí)r選擇了經(jīng)過粉磨的煤矸石當(dāng)細(xì)骨料，經(jīng)過研究得知將磨細(xì)后的煤矸石選為細(xì)骨料能夠滿足泡沫混凝土強(qiáng)度和導(dǎo)熱性能的要求。國(guó)內(nèi)煤矸石主要應(yīng)用于發(fā)電、路面材料以及泡沫混凝土的制備等。俞心剛[10-12]和揣丹[13]等研究了煤矸石泡沫混凝土的流動(dòng)度、體積密度、抗壓強(qiáng)度受發(fā)泡劑摻量的影響規(guī)律并揭示了相關(guān)機(jī)理。煤矸石作為一種礦區(qū)生產(chǎn)煤時(shí)產(chǎn)生的工業(yè)廢料，利用其制備泡沫混凝土能達(dá)到廢物利用的目的，響應(yīng)了當(dāng)今國(guó)家對(duì)工業(yè)生產(chǎn)“環(huán)?！薄皬U物再次利用”的提倡。然而，煤矸石的粉磨時(shí)間對(duì)其粉末的粒徑分布以及摻煤矸石泡沫混凝土的體積密度和力學(xué)性能影響的研究卻較少。

為了能更有效再次利用固廢，本文用煤矸石來(lái)制備泡沫混凝土材料。將煤矸石的摻量與粉磨時(shí)間作為變量，研究這兩變量與泡沫混凝土流動(dòng)度、體積密度和抗壓強(qiáng)度的關(guān)系，在保護(hù)環(huán)境、節(jié)約資源方面具有一定的研究意義和工程價(jià)值。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 原材料

水泥使用亞泰集團(tuán)哈爾濱水泥有限公司生產(chǎn)的“天鵝牌”袋裝P·O 42.5普通硅酸鹽水泥，其累計(jì)通過率與化學(xué)成分分別如表1與表2所示。

表1 水泥的累計(jì)通過率Table 1 Particle passing percentage of cement

表2 水泥的主要化學(xué)成分Table 2 Main chemical composition of cement /%

河砂作為細(xì)骨料，其細(xì)度模數(shù)為2.75。煤矸石來(lái)源于伊春市晨明地區(qū)的某礦區(qū)。該煤矸石是一種紅矸和黑矸的混合體(大部分為紅矸)，其粒徑大小不一，所選材料里面混雜了些許較大塊粒徑的煤矸石，如圖1所示。減水劑是淡黃色的40%固含量的聚羧酸高效減水劑。發(fā)泡劑是淡黃色、粘稠液體狀、有芳香氣味的植物型發(fā)泡劑。做發(fā)泡應(yīng)用時(shí)發(fā)泡劑與水的比例為1∶30，如圖2所示。

圖1 試驗(yàn)用煤矸石Fig.1 Coal gangue for testing

圖2 試驗(yàn)用泡沫Fig.2 Foam for testing

1.2 試件制備

使用Hobart A200C型攪拌機(jī)對(duì)漿體進(jìn)行攪拌。使用壓縮空氣發(fā)泡機(jī)制備泡沫混凝土中的原材料泡沫。使用無(wú)錫市錫儀建材儀器廠生產(chǎn)的SMΦ500×500型球磨機(jī)對(duì)煤矸進(jìn)行粉磨。使用濟(jì)南恒瑞金生產(chǎn)的YAW300型微機(jī)全自動(dòng)水泥壓折試驗(yàn)機(jī)檢測(cè)抗壓強(qiáng)度。成型后的試件采用標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)(溫度(20±2) ℃，濕度95%)。

首先將稱量好的原材料(水泥、砂子、煤矸石、水以及減水劑)投入攪拌鍋中攪拌均勻(慢攪2 min后再快攪2 min)，得到水泥砂漿，然后將壓縮空氣發(fā)泡機(jī)制備的泡沫稱量好后和水泥砂漿混合均勻制備成摻煤矸石泡沫混凝土漿體，最后將制備好的混凝土漿體澆筑成型，并置于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室內(nèi)養(yǎng)護(hù)至相應(yīng)的齡期后測(cè)試其相關(guān)性能。表3為摻煤矸石泡沫混凝土的配合比，其中，混凝土的水料比(水與干料的質(zhì)量比)分別為0.37和0.27。

表3 摻煤矸石泡沫混凝土配合比(質(zhì)量比)Table 3 Mixing proportion of foamed concrete mixed with coal gangue (mass ratio)

采用40 mm×40 mm×160 mm的棱柱體試件，依據(jù)規(guī)范GB/T 17671—1999《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法(ISO法)》測(cè)試材料的抗壓、抗折強(qiáng)度，并采用測(cè)得的抗壓強(qiáng)度來(lái)計(jì)算煤矸石的活性指數(shù)。計(jì)算煤矸石活性指數(shù)采用的方法參照GB/T 1596—2017《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》中的附錄D，如式(1)所示。

H28=(R/R0)×100%

(1)

式中：H28為活性指數(shù),%;R為試驗(yàn)組28 d抗壓強(qiáng)度,MPa;R0為對(duì)照組28 d抗壓強(qiáng)度,MPa。

研究中先采用BT-2001激光粒度分布儀和X射線衍射法對(duì)煤矸石原材料進(jìn)行分析。

2 結(jié)果與討論

圖3為煤矸石XRD譜，由圖可看出，煤矸石具有連續(xù)的XRD峰，從中得知煤矸石中含有一定量的無(wú)定型雜質(zhì)。XRD譜中呈現(xiàn)的衍射峰大部分和石英(SiO2)的相對(duì)應(yīng)，由此得知煤矸石中含有大量石英晶體。因此，增加煤矸石的細(xì)度能增大其在水泥基材料中的活性，從而促使水泥發(fā)生二次水化，增加煤矸石泡沫混凝土的后期強(qiáng)度。

圖3 煤矸石XRD譜Fig.3 XRD pattern of coal gangue

圖4為水泥和不同粉磨時(shí)間煤矸石粉的顆粒粒徑分布圖。試驗(yàn)中不同算法下的平均粒徑大小采用面積平均粒徑和體積平均粒徑進(jìn)行計(jì)算。由圖4得知,經(jīng)過粉磨45 min后的煤矸石粉的細(xì)度與普通水泥的細(xì)度非常接近。

圖4 水泥和不同粉磨時(shí)間煤矸石粉的顆粒粒徑分布圖Fig.4 Distribution of particle sizes of cement and coal gangue powder with different grinding time

圖5為煤矸石粉的活性指數(shù)與粉磨時(shí)間和平均粒度的關(guān)系。由圖可知，煤矸石的活性指數(shù)隨著煤矸石粉磨時(shí)間的增加而升高，而煤矸石平均粒徑的增加導(dǎo)致其活性指數(shù)降低。煤矸石的活性指數(shù)與其平均粒徑成明顯的線性關(guān)系，線性函數(shù)的擬合度達(dá)0.99以上。當(dāng)粉磨時(shí)間達(dá)到45 min時(shí)，煤矸石的活性指數(shù)達(dá)到80%以上，說明煤矸石的粉磨時(shí)間超過45 min后，煤矸石會(huì)有較高活性。45 min之后，隨著粉磨時(shí)間的增加，煤矸石的活性指數(shù)呈現(xiàn)緩慢上升的趨勢(shì)。由此可以說明煤矸石的活性指數(shù)在粉磨時(shí)間為45 min時(shí)達(dá)到拐點(diǎn)。

圖5 煤矸石粉的活性指數(shù)與粉磨時(shí)間和平均粒度的關(guān)系Fig.5 Relationship between activity index of coal gangue powder and grinding time and average particle size

圖6為煤矸石摻入泡沫混凝土后混凝土的擴(kuò)展度。由圖可知，隨著煤矸石粉的摻入，泡沫混凝土的流動(dòng)度略微下降。由圖4水泥和煤矸石的粒徑分布可以得知，煤矸石粉磨60 min和75 min后的比表面積大于水泥，因此，煤矸石粉摻量越多，灰料總比表面積越大，在混凝土拌和時(shí)的需水量也越大，更多的自由水會(huì)被煤矸石吸附從而導(dǎo)致泡沫混凝土流動(dòng)度降低。此外，圖中顯示，水料比越大，摻煤矸石泡沫混凝土的流動(dòng)度越大。究其原因，材料中含的自由水隨著水料比的增加而提高，從而導(dǎo)致泡沫混凝土的流動(dòng)度升高[14-17]。較高煤矸石摻量下，水料比為0.27時(shí)，粉磨時(shí)間越大，泡沫混凝土的流動(dòng)度越小。然而，水料比為0.37時(shí)，粉磨時(shí)間越小流動(dòng)度越小。

圖6 摻煤矸石泡沫混凝土的擴(kuò)展度Fig.6 Slump flow of foamed concrete mixed with coal gangue

圖7為不同煤矸石粉摻量下泡沫混凝土的體積密度。由圖得知，水料比為0.37時(shí)，煤矸石粉對(duì)泡沫混凝土的體積密度無(wú)規(guī)律性影響作用。然而，當(dāng)水料比為0.27時(shí)，摻煤矸石泡沫混凝土的體積密度隨煤矸石粉摻量的增加先減小后增加。其它條件相同時(shí)，當(dāng)煤矸石的粉磨時(shí)間為90 min時(shí)，摻煤矸石泡沫混凝土的體積密度最大。然而，當(dāng)煤矸石摻量低于40%時(shí)，粉磨時(shí)間為60 min的摻煤矸石泡沫混凝土的體積密度較粉磨時(shí)間為75 min時(shí)高。然而，當(dāng)煤矸石摻量達(dá)到40%時(shí)，粉磨時(shí)間為75 min的煤矸石泡沫混凝土的體積密度更高。

圖7 不同煤矸石粉摻量下泡沫混凝土的體積密度Fig.7 Volume density of foamed concrete mixed with different dosage of coal gangue

圖8為水料比分別為0.27和0.37時(shí)，養(yǎng)護(hù)時(shí)間分別為3 d、7 d和28 d下，不同煤矸石粉摻量的泡沫混凝土的抗壓強(qiáng)度。由圖可知，隨煤矸石粉摻量、水料比的增加以及養(yǎng)護(hù)齡期的降低，摻煤矸石泡沫混凝土的抗壓強(qiáng)度明顯降低。煤矸石粉摻量為30%的泡沫混凝土的抗壓強(qiáng)度約為煤矸石粉摻量為10%的一半。

圖8 不同煤矸石粉摻量下泡沫混凝土的抗壓強(qiáng)度Fig.8 Compressive strength of foamed concrete mixed with different dosage of coal gangue

圖9為養(yǎng)護(hù)時(shí)間分別為3 d、7 d和28 d下，不同粉磨時(shí)間摻煤矸石泡沫混凝土的抗壓強(qiáng)度。由圖可知，當(dāng)煤矸石的粉磨時(shí)間由15 min增加至30 min時(shí)，泡沫混凝土的抗壓強(qiáng)度因粉磨時(shí)間的增加而降低。粉磨時(shí)間由30 min增加至90 min時(shí)，泡沫混凝土的抗壓強(qiáng)度總體呈現(xiàn)上升的趨勢(shì)。然而,泡沫混凝土3 d、7 d和28 d的抗壓強(qiáng)度在粉磨時(shí)間為75 min時(shí)最高。由于煤矸石是一種活性材料，粉磨時(shí)間的增加能提高煤矸石的細(xì)度，從而使煤矸石粉末的活性增大，煤矸石與水泥的水化程度得以提高，因此粉磨時(shí)間的增加能提高泡沫混凝土的抗壓強(qiáng)度[18-19]。但是，粉磨時(shí)間過高時(shí)(超過75 min)，煤矸石粉末的細(xì)度過大，其表面積大，導(dǎo)致吸水量大，細(xì)度增大導(dǎo)致的活性增加不能彌補(bǔ)由于吸水量增加導(dǎo)致混凝土強(qiáng)度減少的效應(yīng)，因此會(huì)引起泡沫混凝土強(qiáng)度的下降，故粉磨時(shí)間超過75 min時(shí)，摻煤矸石泡沫混凝土的抗壓強(qiáng)度會(huì)隨著粉磨時(shí)間的增加而降低[20-22]。

圖9 不同粉磨時(shí)間摻煤矸石泡沫混凝土的抗壓強(qiáng)度Fig.9 Compressive strength of foamed concrete mixed with different grinding time of coal gangue

圖10為煤矸石粉磨時(shí)間為75 min時(shí)，摻煤矸石泡沫混凝土的SEM照片。從圖中可以明顯看出，當(dāng)養(yǎng)護(hù)齡期為7 d時(shí)，混凝土中Ca(OH)2(CH)的含量高于養(yǎng)護(hù)齡期為28 d時(shí)CH的含量，且養(yǎng)護(hù)齡期為28 d時(shí)混凝土的密實(shí)程度更高。從圖中可以得知，養(yǎng)護(hù)齡期從7 d增加至28 d時(shí)，煤矸石中的SiO2與CH以及水發(fā)生反應(yīng)，消耗了CH導(dǎo)致CH含量下降，促進(jìn)了水泥的二次水化，所以提高了混凝土密實(shí)程度，強(qiáng)度增大。

圖10 粉磨時(shí)間為75 min時(shí)摻煤矸石泡沫混凝土的SEM照片F(xiàn)ig.10 SEM images of foamed concrete mixed with 75 min grinding time of coal gangue

3 結(jié) 論

(1)研究中采用煤矸石的主要成分是SiO2，煤矸石的活性隨著粉磨時(shí)間的增加而增大，當(dāng)粉磨時(shí)間為45 min時(shí)，煤矸石的活性高達(dá)80%。

(2)煤矸石的摻入和水料比的降低導(dǎo)致泡沫混凝土流動(dòng)度的下降。水料比為0.27時(shí)，粉磨時(shí)間與泡沫混凝土的流動(dòng)度成反相關(guān)。水料比為0.37時(shí)，粉磨時(shí)間隨流動(dòng)度成正相關(guān)。

(3)煤矸石的摻入引起泡沫混凝土抗壓強(qiáng)度的下降。然而，煤矸石的粉磨時(shí)間為75 min時(shí)，泡沫混凝土的抗壓強(qiáng)度是最大的，當(dāng)粉磨時(shí)間超過75 min時(shí)摻煤矸石泡沫混凝土的抗壓強(qiáng)度會(huì)隨著粉磨時(shí)間的增加而降低。