活化煤矸石粉對(duì)煤矸石混凝土性能的影響

閻杰,邢國(guó)斌,左軍鵬,李敬如,翁維素*

(1.河北建筑工程學(xué)院 土木工程學(xué)院,河北 張家口 075000;2.河北省高校綠色建材與建筑改造應(yīng)用技術(shù)研發(fā)中心,河北 張家口 075000)

0 引言

隨著我國(guó)建筑行業(yè)的快速發(fā)展,很多石材資源損耗殆盡。煤矸石是我國(guó)排放量最大的礦山固體廢棄物之一,據(jù)統(tǒng)計(jì),我國(guó)煤矸石堆積量達(dá)到50億t,而目前綜合利用率還較低[1- 2]。煤矸石大量堆放產(chǎn)生坍塌、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害隱患,威脅生命財(cái)產(chǎn)安全[3]。同時(shí),近幾年綠色可持續(xù)發(fā)展的生態(tài)低碳戰(zhàn)略理念不斷開展與實(shí)踐,因此對(duì)煤矸石等固廢材料進(jìn)行再利用尤為重要[4]。

研究表明石英、高嶺石含量較高的煤矸石粗集料具有吸水率小和密度高等特點(diǎn),此類煤矸石作為粗骨料制備混凝土,具有和易性好等特點(diǎn)[5-6]。孫強(qiáng)[7]指出以煤矸石粗骨料為變量的混凝土,隨著煤矸石粗骨料取代率的增加,混凝土抗壓強(qiáng)度先增加后減小,在30%時(shí)達(dá)到峰值。柳凱等[8]研究發(fā)現(xiàn)煤矸石中Al2O3、SiO2占比較大,可將煤矸石作為黏土配料燒制成普通的硅酸鹽水泥。邢軍等[9]發(fā)現(xiàn)經(jīng)過(guò)熱活化后的煤矸石粉具有微集料和火山灰效應(yīng),將其用作礦物摻和料后可提高其抗氯離子性能,也能獲得較好的抗凍性。周梅等[10]研究發(fā)現(xiàn)煤矸石粉作為混凝土摻和料對(duì)混凝土拌合物工作性、強(qiáng)度和耐久性都有提高作用。白志民等[11]研究發(fā)現(xiàn),煤矸石富含黏土礦物,具有一定的黏結(jié)性可用于膠凝材料使用?；罨喉肥劭梢源蠓岣哂不酀{體的氯化物結(jié)合能力,同時(shí)可以優(yōu)化膠砂孔隙結(jié)構(gòu)[12]。

現(xiàn)階段把活化煤矸石粉作為細(xì)骨料摻入到煤矸石混凝土中的研究還不夠全面。本試驗(yàn)將煤矸石粉(Coal gangue powder,CGP)摻入到煤矸石混凝土中進(jìn)行研究,以CGP摻量、煤矸石粗骨料(Coal gangue coarse aggregate ,CGA)取代率為變量,探究其對(duì)煤矸石混凝土抗折強(qiáng)度、抗氯離子滲透性能的影響。通過(guò)壓汞法對(duì)煤矸石混凝土孔結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析,采用掃描電鏡觀察煤矸石混凝土的微觀結(jié)構(gòu)并分析其影響機(jī)理,為摻煤矸石混凝土抗折強(qiáng)度和抗氯離子性能研究提供參考。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料

水泥選用P.O 42.5普通硅酸鹽水泥;沙子選用河沙,細(xì)度模數(shù)2.71,含泥量為1.42%,表觀密度2 585 kg/m3,松散堆積密度1 462 kg/m3;天然粗骨料選用張家口宣化地區(qū)5～25 mm的天然碎石,集配良好;原狀煤矸石取自張家口宣化地區(qū)的煤礦廠,煤矸石粉為原狀煤矸石進(jìn)行煅燒研磨后至500 ℃的活化煤矸石粉[13];煤矸石粗骨料為原狀煤矸石經(jīng)破碎篩分后粒徑在5～25 mm的粗骨料。取樣流程如圖1所示,采用快速升溫節(jié)能箱式電爐KL-10型進(jìn)行煅燒處理,采用行星球面機(jī)PM型進(jìn)行機(jī)械研磨,表1為煤矸石和水泥化學(xué)成分。

圖1 煤矸石粗骨料和活化煤矸石粉取樣流程Fig.1 Sampling process of coarse aggregate and activated coal gangue powder

表1 煤矸石化學(xué)成分Tab.1 Chemical composition of coal gangue %

1.2 試驗(yàn)配合比設(shè)計(jì)

煤矸石混凝土強(qiáng)度按C30進(jìn)行設(shè)計(jì),水膠比為0.43。以CGP摻量、煤矸石粗骨料取代率為變量,設(shè)計(jì)CGP摻量為10%、15%和20%等質(zhì)量取代水泥;CGA取代率為0%、30%、50%和100%等質(zhì)量取代天然粗骨料,共進(jìn)行12組配合比試驗(yàn)。表2為煤矸石混凝土配合比。

1.3 試件制作與試驗(yàn)方法

1.3.1 抗折強(qiáng)度試驗(yàn)

煤矸石混凝土100 mm×100 mm×400 mm的非標(biāo)準(zhǔn)棱柱體試塊標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d后,依據(jù)《混凝土物理力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50081—2019)進(jìn)行抗折強(qiáng)度試驗(yàn)。試驗(yàn)布置如圖2所示,儀器采用張家口市建設(shè)工程質(zhì)量檢測(cè)中心DY-3008DX型全自動(dòng)壓力試驗(yàn)機(jī),加荷載速度設(shè)置為0.02 MPa/s,試驗(yàn)施加連續(xù)均勻荷載。

圖2 抗折強(qiáng)度試驗(yàn)布置Fig.2 Experimental arrangement of flexural strength

1.3.2 抗氯離子滲透試驗(yàn)

直徑為100 mm、高度為50 mm煤矸石混凝土圓柱體試塊標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d后,參照《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50082—2009)進(jìn)行抗氯離子滲透試驗(yàn)。試驗(yàn)如圖3所示,儀器采用HC-BSY型混凝土智能真空飽水儀和HC-RCM6型混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)測(cè)定儀。

1.3.3 孔結(jié)構(gòu)分析試驗(yàn)

采用壓汞法研究不同摻量煤矸石粉對(duì)全替代煤矸石粗骨料混凝土的孔結(jié)構(gòu)影響,試驗(yàn)儀器采用麥克Autopore V9620型高性能全自動(dòng)壓汞儀,試驗(yàn)裝置如圖4所示。

圖4 孔結(jié)構(gòu)分析試驗(yàn)裝置Fig.4 Pore structure analysis test facility

1.3.4 掃描電鏡試驗(yàn)

采用掃描電鏡觀察微觀情況下,不同摻量煤矸石粉對(duì)全替代煤矸石粗骨料混凝土的影響;試驗(yàn)儀器采用蔡司Sigma 300型掃描電鏡,裝置如圖5所示。

圖5 掃描電鏡試驗(yàn)裝置Fig.5 Scanning electron microscope test device

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 煤矸石粉對(duì)煤矸石混凝土抗折強(qiáng)度影響

制備不同摻量的CGP及不同CGA取代率的煤矸石混凝土試件,標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d后取出,所得抗折強(qiáng)度變化如圖6所示。

圖6 不同CGP和CGA取代率下試件的抗折強(qiáng)度Fig.6 Flexural strength of specimens with different CGP and CGA substitution rates

由圖6可知,隨著CGP摻量增加,煤矸石混凝土抗折強(qiáng)度先升高后下降, CGP摻量取15%時(shí)抗折強(qiáng)度最大,較其余不同CGP摻量的混凝土提高了8.3%,不同CGA取代率均表現(xiàn)出相同的趨勢(shì)。說(shuō)明熱活化煤矸石粉具有較高的火山灰活性,而且比水泥的粒度更細(xì),改善顆粒級(jí)配,從而提高了煤矸石混凝土的抗折強(qiáng)度。但隨著CGP摻量過(guò)多,水泥相應(yīng)減少,二次水化作用生成的C-S-H凝膠量不足以彌補(bǔ)因水泥減少而損失的凝膠量,造成了混凝土抗折強(qiáng)度的降低。因此說(shuō)明CGP取15%時(shí)為最優(yōu)摻量。

在摻入適量CGP時(shí),隨著CGA取代率增加,煤矸石混凝土抗折強(qiáng)度下降幅度減小,說(shuō)明CGP的摻入對(duì)全煤矸石混凝土抗折強(qiáng)度有改善作用。CGA取代率為100%時(shí),CGP摻量為20%的試塊抗折強(qiáng)度值較摻量為10%時(shí)提高5.5%;CGA取代率為30%和50%時(shí),CGP摻量為10%的試塊抗折強(qiáng)度值較摻量為20%時(shí)增幅2.27%,說(shuō)明對(duì)于全替代煤矸石混凝土,適量CGP可填充煤矸石粗骨料內(nèi)部孔隙,從而使結(jié)構(gòu)整體更為密實(shí),進(jìn)而提高煤矸石混凝土抗折強(qiáng)度。熱活化煤矸石粉的加入使得試件的抗折強(qiáng)度均體現(xiàn)先增加后減小的趨勢(shì),對(duì)于全替代煤矸石混凝土抗折強(qiáng)度的增加尤為明顯。

2.2 煤矸石粉對(duì)煤矸石混凝土抗氯離子性能影響

以不同摻量的CGP及不同CGA取代率為變量的煤矸石混凝土試件,標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d后取出,所得氯離子遷移系數(shù)如圖7所示。

圖7 試件的氯離子擴(kuò)散系數(shù)Fig.7 The Chloride ion diffusion coefficient of specimens

由圖7可知,在CGP摻量為10%時(shí),隨著CGA取代率的提高,抗氯離子滲透性能下降幅度減小,相較于15%和20%摻量,10%摻量的性能提升最優(yōu)。說(shuō)明適量CGP的摻入可提高全煤矸石混凝土抗氯離子性能。當(dāng)CGA取代率一定時(shí),隨著CGP摻量的增加,煤矸石混凝土氯離子遷移系數(shù)呈下降趨勢(shì),進(jìn)而抗氯離子滲透性能得到提高。說(shuō)明適量CGP的摻入可增強(qiáng)煤矸石混凝土抗氯離子滲透性能。

當(dāng)CGP摻量一定時(shí),煤矸石混凝土氯離子遷移系數(shù)隨CGA取代率的增加而增加,使得抗氯離子滲透性能下降。在CGA取代率為0%和100%情況下,隨著CGP取代率增加,氯離子遷移系數(shù)減小,抗氯離子滲透性能增強(qiáng)。但相對(duì)于CGA取代率為30%和50%抗?jié)B性增強(qiáng)較慢,這是由于煤矸石粉的比表面積大,微小孔多改善了顆粒級(jí)配,吸附離子半徑小的氯離子,因此在CGP摻量為15%時(shí),CGA取代率為30%和50%的試件抗氯離子滲透性能大幅增加。說(shuō)明對(duì)全替代煤矸石混凝土和天然混凝土,CGP摻量增加時(shí),抗氯離子滲透性能增加,但增加幅度趨于平緩。

2.3 煤矸石粉對(duì)煤矸石混凝土孔結(jié)構(gòu)影響分析

試驗(yàn)選取28 d齡期下的CG-0-100和CG-15-100組全煤矸石混凝土試塊,通過(guò)壓汞法進(jìn)行孔結(jié)構(gòu)分析。由圖8可知,隨著CGP摻量的增加,孔隙率和平均孔徑均呈現(xiàn)下降趨勢(shì),其中孔隙率下降1.74%,平均孔徑下降9.81%。說(shuō)明隨著CGP摻量的增加,二次水化作用生成的凝膠增多,從而填充了試件內(nèi)部的有害孔,使得試塊孔隙率和平均孔徑減小,最終煤矸石混凝土抗折強(qiáng)度和抗氯離子滲透性能提升。

圖8 試件的孔隙率和平均孔徑Fig.8 Porosity and average pore diameter of specimens

根據(jù)孔徑的大小分類,可分為凝膠孔(孔徑小于10 nm)、過(guò)渡孔(孔徑在10～100 nm)、毛細(xì)孔(孔徑在100～1 000 nm)和大孔(孔徑大于1 000 nm)[13],由表3可看出,在全煤矸石混凝土試塊中,隨著CGP摻入,毛細(xì)孔和大孔所占比例減小,凝膠孔和過(guò)渡孔比例增加。說(shuō)明CGP的加入使混凝土二次水化產(chǎn)生的C-S-H凝膠有效填充CGA中的大孔和微裂縫,從而優(yōu)化了混凝土的孔隙結(jié)構(gòu),顆粒級(jí)配良好,使得混凝土抗折強(qiáng)度和抗氯離子滲透性能提高。

表3 孔徑分布表Tab.3 Table of aperture distribution %

圖9為試塊的孔徑分布特征,通過(guò)觀察可知,CG-15-100凝膠孔區(qū)域的微分進(jìn)汞量高于試件CG-0-100,而毛細(xì)孔區(qū)域微分進(jìn)汞量低于試件CG-0-100。說(shuō)明隨著CGP摻入,在水泥水化過(guò)程中,CGP的火山灰效應(yīng)生成的凝膠有效填充了試塊內(nèi)部的毛細(xì)孔,同時(shí)試塊無(wú)害孔體積增加,使凝膠孔和過(guò)渡孔的數(shù)量增加,毛細(xì)孔和大孔的數(shù)量減少,進(jìn)而優(yōu)化了試件內(nèi)部的孔結(jié)構(gòu)分布,提高了結(jié)構(gòu)整體密實(shí)度,最終增強(qiáng)煤矸石混凝土的力學(xué)強(qiáng)度和耐久性能。

圖9 試件的孔徑分布Fig.9 Aperture distribution of specimens

2.4 煤矸石粉對(duì)煤矸石混凝土微觀形貌影響分析

掃描電鏡下不同CGP摻量的全煤矸石混凝土5 000倍微觀形貌如圖10(a)和圖10(b)所示。由圖10(a)可知,在凝膠之間存在裂縫和孔隙,且整體較為松散。由圖10(b)觀察可知,試件中孔隙和裂縫明顯減少,水化產(chǎn)物之間的連接更加緊密。由于CGP主要成分為SiO2和Al2O3,會(huì)和水泥水化產(chǎn)物Ca(OH)2進(jìn)行二次水化,生成更多的水化硅酸鈣凝膠和水化鋁酸鈣凝膠,從而提高結(jié)構(gòu)密實(shí)度。CGP相對(duì)水泥尺寸更小,加入適量CGP后,未參與反應(yīng)的CGP還可以填充煤矸石混凝土內(nèi)部孔隙,進(jìn)一步提高密實(shí)度[15]。因此CGP的摻入使得煤矸石混凝土內(nèi)部孔隙和裂縫得以填充,內(nèi)部整體更為密實(shí),提高界面過(guò)渡區(qū)強(qiáng)度,使骨料和砂漿之間的黏結(jié)力得到提高,增強(qiáng)煤矸石混凝土的抗折強(qiáng)度和抗氯離子滲透性能。

圖10 摻煤矸石粗骨料混凝土的微觀結(jié)構(gòu)形貌Fig.10 Microstructure morphology of coal gangue coarse aggregate concrete

圖10(c)和圖10(d)為掃描電鏡下不同CGP摻量全替代煤矸石混凝土試件30 000倍的微觀形貌圖。對(duì)比可知,圖10(d)內(nèi)部砂漿中的孔隙裂縫填充量大于圖10(c)。由圖10(c)可看出,孔隙內(nèi)部較為空洞,為氯離子的滲透提供了多種通道,劣化試件抗氯離子滲透性能的發(fā)展,同樣降低了試件的抗折強(qiáng)度[15]。由圖10(d)可看出,孔隙內(nèi)部有片狀的凝膠填充,孔隙結(jié)構(gòu)中的空洞明顯減少,由于CGP良好的火山灰效應(yīng),在二次水化中與Ca(OH)2晶體反應(yīng)生成大量網(wǎng)狀水化硅酸鈣凝膠和水化鋁酸鈣凝膠,大量凝膠填充至毛細(xì)孔和大孔等有害孔中,導(dǎo)致氯離子通道減少[15],從而抗氯離子滲透性能提高,導(dǎo)致CGP的摻入優(yōu)化了煤矸石混凝土的內(nèi)部結(jié)構(gòu),增強(qiáng)煤矸石混凝土的力學(xué)強(qiáng)度和耐久性能。

綜上所述,摻入CGP后,由于附著在煤矸石粗骨料表面的水膜為CGP提供了充足的液相環(huán)境,消耗了液相環(huán)境中的Ca(OH)2,從而反應(yīng)生成C-S-H凝膠,填充了砂漿與煤矸石粗骨料界面結(jié)構(gòu)中的毛細(xì)孔,進(jìn)而提升了界面過(guò)渡區(qū)處的黏結(jié)度[15],最終提高了混凝土的抗折強(qiáng)度。而生成的凝膠由于填充了界面毛細(xì)孔,因此減少了氯離子的擴(kuò)散通道,使氯離子擴(kuò)散系數(shù)得到大幅度降低,進(jìn)而提高抗氯離子滲透性能。適量CGP的摻入對(duì)煤矸石混凝土抗折強(qiáng)度和抗氯離子滲透性能均有改善作用。

3 結(jié)論

1)在相同CGP摻量的情況下,CGA取代率越高,CGP產(chǎn)生的優(yōu)化作用越為明顯。因此適量CGP摻入全替代煤矸石混凝土?xí)r,煤矸石混凝土抗折強(qiáng)度和抗氯離子滲透性能良好。

2)隨著CGP增加,抗折強(qiáng)度先提高后降低,CGP摻量為15%時(shí),抗折強(qiáng)度最大?？孤入x子滲透性能隨著CGP摻量增加而提高。

3)摻入適量CGP使凝膠孔、過(guò)渡孔等無(wú)害孔增加,毛細(xì)孔、大孔等有害孔減小,進(jìn)而優(yōu)化了混凝土顆粒級(jí)配,提高了結(jié)構(gòu)密實(shí)度,從而改善煤矸石混凝土抗折強(qiáng)度和抗氯離子性能。

4)熱活化煤矸石粉較強(qiáng)的火山灰效應(yīng)能促進(jìn)二次水化,產(chǎn)生更多C-S-H凝膠,提高結(jié)構(gòu)密實(shí)度。未參與反應(yīng)的煤矸石粉填充煤矸石混凝土內(nèi)部毛細(xì)孔和大孔,使得界面過(guò)渡區(qū)強(qiáng)度提升,最終提高煤矸石混凝土的抗折強(qiáng)度和抗氯離子滲性。