煤矸石對泡沫混凝土孔結(jié)構(gòu)的影響

白應華，潘秋陽

(湖北工業(yè)大學土木建筑與環(huán)境學院，武漢 430068)

0 引 言

目前我國煤矸石排放量大，綜合利用率低,大量煤矸石無序堆積不僅會造成資源浪費、環(huán)境污染，還會危害人體健康。煤矸石中含有大量的二氧化硅和三氧化二鋁，是一種良好的火山灰材料[1]，某些煤矸石中還含有一定量的碳，考慮到節(jié)能減排與可持續(xù)發(fā)展，可將煤矸石用于水泥基材料中,變廢為寶。

近年來，用煤矸石替代部分水泥基材料已成為研究熱點。Li等[2]利用煤矸石取代碎石，發(fā)現(xiàn)煤矸石混凝土的流動性和抗壓強度均低于普通混凝土，但前者的整體密實度高于后者。Qin等[3]報道碳化養(yǎng)護可改善煤矸石混凝土的干縮性能和抗氯離子滲透性能。Wang等[4]發(fā)現(xiàn)煤矸石最佳活化煅燒溫度約為600 ℃，并以煤矸石和鐵礦尾礦為原料，制備出密度為609 kg·m-3的新型蒸壓加氣混凝土，抗壓強度為3.68 MPa。

泡沫混凝土是以水泥為主要膠凝材料，通過物理或化學發(fā)泡方式制備的新型建筑材料，具有輕質(zhì)、利廢、降噪、保溫、隔熱等諸多優(yōu)點[5-7]。與普通混凝土相比，泡沫混凝土在固廢利用上具有更大的潛力，然而低密和高強的矛盾在一定程度上限制了泡沫混凝土的應用。因此，研究固廢對泡沫混凝土的影響，不僅有望改善泡沫混凝土的某些性能，還能為降低水泥制品的生產(chǎn)成本提供一種手段[8-9]。Wu等[10]以高鈣煤矸石取代水泥制備蒸壓加氣混凝土，研究表明使用高鈣煤矸石可降低40%的成本。張林春等[11]研究了粉磨時間對煤矸石活性的影響，結(jié)果表明煤矸石的活性隨著粉磨時間的增加而增大。楊志淵[12]將煤矸石粉摻入泡沫混凝土中，發(fā)現(xiàn)流動性隨煤矸石摻量的增加而下降，但漿體的穩(wěn)定性隨摻量的增多而增加。李月香等[13]研究表明煤矸石在泡沫混凝土中不僅有火山灰效應，還有形成骨架和彌補孔隙缺陷的作用。

綜上所述，煤矸石通過機械研磨后充當水泥基材料是可行的。既往研究多是關(guān)于激發(fā)煤矸石活性的方法與煤矸石摻量對混凝土性能的影響，但關(guān)于煤矸石對泡沫混凝土微觀孔徑優(yōu)化及其原理的研究較少，本文制備了密度等級為300 kg·m-3的泡沫混凝土，研究了煤矸石粉在大摻量下對泡沫混凝土孔結(jié)構(gòu)與力學性能的影響，意在更有效地推進固廢綜合利用，提升環(huán)境效益。

1 實 驗

1.1 原材料

水泥：唐山北極熊水泥廠產(chǎn)42.5R快硬復合硫鋁酸鹽水泥，物理性能見表1；煤矸石：河南鄭州錦源環(huán)?？萍加邢薰旧a(chǎn)，如圖1所示，主要化學成分見表2；增稠劑：甲基纖維素，黏度為20 000 mPa·s；減水劑:市售聚羧酸粉劑減水劑；發(fā)泡劑：河南華泰HTW-1型復合蛋白發(fā)泡劑，淺色透明液體，稀釋倍數(shù)為40，如圖2所示。

表1 水泥的物理性能Table 1 Physical properties of cement

表2 煤矸石的主要化學成分Table 2 Main chemical composition of coal gangue

1.2 泡沫混凝土的制備

表3為不同粒徑下密度等級為300 kg·m-3的泡沫混凝土的配合比，試驗中分別摻入粒徑為45 μm與15 μm的煤矸石粉進行泡沫混凝土的制備。采用物理發(fā)泡方法，制備過程參照DB37/T 5159—2020《預拌泡沫混凝土應用技術(shù)規(guī)程》。首先按照配合比將水泥與煤矸石粉倒入攪拌鍋中先慢攪得到均勻粉體，隨后將水與外加劑加入鍋中，快攪均勻后加入預制泡沫，預制泡沫參照JC/T 2199—2013《泡沫混凝土用發(fā)泡劑》，攪拌制得均勻流態(tài)漿體，將混合均勻的漿體注入到模具中，標準條件下養(yǎng)護至齡期后測試性能。

表3 不同細度煤矸石泡沫混凝土配合比Table 3 Mixture ratio of coal gangue foam concrete with different fineness

1.3 性能測試與表征

1.3.1 抗壓強度

煤矸石泡沫混凝土抗壓強度參照JGJ/T 341—2014《泡沫混凝土應用技術(shù)規(guī)程》進行測試，試驗前，試塊在溫度(20±3) ℃、相對濕度(60±5)%下養(yǎng)護至齡期。

1.3.2 孔結(jié)構(gòu)分析

斷面處理：泡沫混凝土達到齡期后，用小鋼鋸沿垂直于成型面將試塊從澆筑面向底面進行切割，取下厚度約為10 mm的切面(40 mm×40 mm)，分別用100目和500目的砂紙進行打磨，保證表面光滑平整，用軟毛刷將打磨后的表面清理干凈。

斷面拍攝：采用掃描電子顯微鏡對試樣表面進行拍攝，選取拍攝的最優(yōu)斷面進行分析。

圖像分析：利用Photoshop、FiJi-imageJ分析圖片，將圖片轉(zhuǎn)化為灰度，選擇合適的閾值進行二值化處理，最后通過FiJi-imageJ獲得孔表面積、平均孔徑、氣孔直徑等參數(shù)[14-15]。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同細度煤矸石粉對泡沫混凝土抗壓強度的影響

泡沫混凝土的抗壓強度與膠凝材料、孔徑結(jié)構(gòu)、配合比、外加劑等諸多因素有關(guān)，但主要影響因素為膠凝材料的組成與孔結(jié)構(gòu)的分布和大小。圖3為不同細度煤矸石泡沫混凝土的抗壓強度，在相同密度下，摻入的膠凝材料活性越低，泡沫混凝土強度下降越明顯，伴隨著摻量的改變強度亦會受到影響。當煤矸石摻量為10%(質(zhì)量分數(shù)，下同)時，不同粒徑煤矸石制備的泡沫混凝土的抗壓強度差距最為明顯，摻入粒徑為45 μm的煤矸石時泡沫混凝土抗壓強度下降了19%，摻入粒徑為15 μm的煤矸石時泡沫混凝土抗壓強度提高了25%。其中摻粒徑為45 μm的煤矸石時泡沫混凝土強度呈持續(xù)下降趨勢，而摻粒徑為15 μm的煤矸石時泡沫混凝土強度則先上升后下降，在10%與30%摻量下，前者分別占后者強度的65%和80%，在50%摻量下強度均出現(xiàn)大幅度下降，摻粒徑為45 μm的煤矸石時泡沫混凝土強度下降了42%，摻粒徑為15 μm的煤矸石時泡沫混凝土強度降幅為53%，但仍滿足強度規(guī)范使用要求。

圖3 不同細度煤矸石對泡沫混凝土抗壓強度的影響Fig.3 Effect of coal gangue with different fineness on compressive strength of foam concrete

基于以上試驗數(shù)據(jù)分析，煤矸石經(jīng)過機械活化后粒徑逐漸變小，從宏觀角度來看，在機械力的作用下顆粒表面和內(nèi)部產(chǎn)生裂紋，促進了煤矸石中活性SiO2和Al2O3的解聚，提高了反應速率。從微觀角度來看，粉磨促使顆粒的原生晶格發(fā)生破壞，切斷了煤矸石中的Si—O、Al—O鍵，生成活性高的原子基團和帶電荷斷面，使其反應活性增加。激活后的煤矸石中活性SiO2和Al2O3能與水泥的水化產(chǎn)物Ca(OH)2進行二次水化反應，生成硅酸鹽凝膠，填充在混凝土的孔隙中，提高了混凝土的密實度。當粒徑為15 μm的煤矸石粉摻量為10%時，煤矸石顆粒較小，可以分散于水泥與水化產(chǎn)物之間，避免了水化產(chǎn)物覆蓋在水泥表面影響水泥顆粒的水化。水化反應速率提高，生成水化硅酸鈣，可填充泡沫混凝土胞壁內(nèi)部的孔隙，彌補水泥硬化漿體的缺陷和不足，增加氣泡壁的強度并改善泡沫混凝土的力學性能，故強度提高。粒徑為15 μm的煤矸石粉相較于粒徑為45 μm的煤矸石粉，比表面積增大，使表面層離子極化變形和重排，晶格發(fā)生畸變，有序性降低，表現(xiàn)為化學不穩(wěn)定性且表面斷裂鍵增加，從而導致這些顆粒的反應性急劇增加。但由于煤矸石經(jīng)過高溫煅燒后結(jié)構(gòu)中水分丟失成為中空結(jié)構(gòu)，摻量過多則會對泡沫混凝土的工作性能造成影響，其次煤矸石的活性低于水泥，當煤矸石摻量達到50%時，主要膠凝材料水泥含量降低導致泡沫混凝土強度嚴重下降。故從煤矸石的綜合利用和泡沫混凝土的使用與經(jīng)濟成本來看，粒徑為45 μm、摻量為30%的煤矸石粉是制備煤矸石泡沫混凝土的最佳選擇。

2.2 煤矸石粉對泡沫混凝土孔結(jié)構(gòu)的影響

泡沫混凝土作為新型墻體保溫材料，氣孔結(jié)構(gòu)與其滲透性、孔徑分布和孔隙率息息相關(guān)，并影響泡沫混凝土的耐久性和強度[16-17]。泡沫是一種熱力學不穩(wěn)定體系，在重力的作用下會發(fā)生遷移—融合—排液行為[18]，泡沫混凝土的制備過程中應盡量引入穩(wěn)定性高、均勻性好、孔徑小、泌水少的氣孔，避免大孔、有害孔的出現(xiàn)而造成的應力集中，從而減小對泡沫混凝土性能與使用造成的負面效應。泡沫混凝土試樣顯微照片的二值化圖像如圖4所示。

圖4 泡沫混凝土試樣顯微鏡照片的二值化圖像Fig.4 Binarized images of microscope photo of foam concrete samples

摻入煤矸石粉對泡沫混凝土孔徑分布的影響見圖5。未摻入煤矸石粉的試樣最大孔徑約為1 350 μm，而隨著粒徑為45 μm的煤矸石粉摻量的增加，孔徑逐漸變小，在50%摻量下最大孔徑為655 μm，相比對照組減小了51%。在孔徑分布方面，摻量為10%、30%、50%的煤矸石泡沫混凝土孔徑在0～100 μm區(qū)間內(nèi)占比分別為49.2%、54.8%、71.9%,較對照組均有一定改善。

圖5 不同細度與摻量煤矸石泡沫混凝土的孔徑分布Fig.5 Pore size distribution of coal gangue foam concrete with different fineness and content

基于以上數(shù)據(jù)分析可知，煤矸石粉的摻入對泡沫混凝土的孔結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化，孔徑分布與氣泡的穩(wěn)定性密不可分。決定氣泡穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素是氣泡液膜的強度，當一個新的氣泡產(chǎn)生時，液膜較厚，氣泡排水主要是由重力排水控制，而漿體的黏度對重力排水起著至關(guān)重要的作用，可以增加混凝土相的電解質(zhì)，降低液膜的排泄速率。適量的煤矸石粉加入到泡沫混凝土中降低了漿體的流動度，煤矸石粉密度低于水泥，可穩(wěn)定地懸浮于漿體中，對泡沫起到了承托作用，阻止了較大水泥顆粒下沉對泡沫混凝土的破壞。煤矸石為中空結(jié)構(gòu)，可吸收大量水分，對泡沫自身的泌水現(xiàn)象帶來了一定緩解，同時由于粒徑較小，煤矸石分散于漿體和氣泡之間，抑制了泡沫的遷移融合，在泡沫壁外層形成加固區(qū)，將原來的單純水膜變成了水膜與固體顆粒的復合膜，提高了泡沫的穩(wěn)定性。因此，煤矸石粉可利用自身特性對泡沫混凝土孔徑結(jié)構(gòu)進行改善。

在0～100 μm孔徑區(qū)間內(nèi)，煤矸石摻量為10%、30%時，15 μm煤矸石泡沫混凝土孔徑占比較45 μm煤矸石泡沫混凝土小幅度降低，但在50%摻量下出現(xiàn)明顯差異。這是因為隨著煤矸石的粒徑逐漸變小，煤矸石中的黏土大量脫水，自身微裂縫增多，孔隙率變大，結(jié)構(gòu)更疏松，故吸水能力顯著增強，在50%摻量下煤矸石吸收了大量的水分致使?jié){體的流動度嚴重下降，此時水泥漿體的黏度和屈服應力非常高，漿體過于干稠，與泡沫混合困難，顆粒之間的摩擦作用變大，增加了氣泡之間相互合并的概率，并且很容易在攪拌過程中通過擠壓分解氣泡造成破泡。

圖6為不同摻量與細度煤矸石泡沫混凝土的平均孔徑和氣孔直徑。由圖6可知，總體上粒徑為15 μm的煤矸石泡沫混凝土的平均孔徑與氣孔直徑均大于粒徑為45 μm的煤矸石泡沫混凝土，未摻入煤矸石粉的泡沫混凝土氣孔直徑為516 μm，在50%摻量下，粒徑為45 μm的煤矸石泡沫混凝土氣孔直徑下降至350 μm，降幅為32.2%，粒徑為15 μm的煤矸石泡沫混凝土氣孔直徑下降至487 μm，降幅為5.6%。對照組的平均孔徑為194 μm，隨著粒徑為45 μm的煤矸石粉摻量的增加，平均孔徑從164 μm下降至84 μm，減小了48.8%，而粒徑為15 μm的矸石泡沫混凝土平均孔徑從185 μm下降至158 μm，下降了14.6%?？梢娫趦?yōu)化泡沫混凝土孔結(jié)構(gòu)方面粒徑為45 μm的煤矸石粉效果更好，這是因為機械研磨的時間延長，煤矸石顆粒更細，粒徑為15 μm的煤矸石粉對水的吸附能力較強，所以需水量更大，當物料用水不足，漿體過稠時，煤矸石會吸收氣泡液膜中的水分使液膜變薄最終破泡，致使大孔出現(xiàn)。

圖6 不同摻量與細度煤矸石泡沫混凝土的平均孔徑和氣孔直徑Fig.6 Average pore size and pore diameter of coal gangue foam concrete with different content and fineness

3 結(jié) 論

(1)煤矸石的細度和摻量會對泡沫混凝土的抗壓強度產(chǎn)生影響，粒徑為45 μm的煤矸石粉摻入后抗壓強度逐步下降，在50%摻量下強度下降了42%，而隨著粒徑為15 μm的煤矸石粉摻量的增加，抗壓強度先增加后降低，在10%摻量下強度達到最大，較對照組強度提高25%，從泡沫混凝土的使用與經(jīng)濟成本來看，選擇粒徑為45 μm、摻量為30%的煤矸石粉最為合適。

(2)煤矸石粉主要依據(jù)自身特性對泡沫混凝土孔結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，改善了泡沫混凝土的平均孔徑、氣孔直徑和孔徑分布，從整體上看粒徑為45 μm的煤矸石粉對泡沫混凝土孔結(jié)構(gòu)的優(yōu)化優(yōu)于粒徑為15 μm的煤矸石粉，當粒徑為45 μm的煤矸石摻量為50%時，泡沫混凝土的孔結(jié)構(gòu)達到最佳，孔徑尺寸在0～100 μm區(qū)間內(nèi)達71.9%。