拌合工藝對(duì)煤矸石細(xì)骨料混凝土流動(dòng)性和力學(xué)強(qiáng)度的影響

陳鳳閣 劉 鑫 張亞鵬 馮勝雷 孟文清 崔邯龍 郭秋碩

(1.中煤邯鄲設(shè)計(jì)工程有限責(zé)任公司,河北 邯鄲 056031;2.河北工程大學(xué)土木工程學(xué)院,河北 邯鄲 056038)

洗選煤矸石是指煤炭分選或洗選過(guò)程中所排出的固體廢棄物,其主要由煤層中的各種夾石如高嶺石、黏土巖和黃鐵礦等組成[1]。我國(guó)每年在煤炭開(kāi)采過(guò)程中都會(huì)產(chǎn)生大量的洗選煤矸石,其產(chǎn)量約為原煤產(chǎn)量的1%～2%[2]。洗選煤矸石作為固體廢棄物大多以堆存的方式處理,這不僅占用了土地資源,破壞了土壤環(huán)境和地質(zhì)條件,其中蘊(yùn)含的有毒有害化學(xué)元素也會(huì)隨雨水淋溶和滲濾而污染地下水體,對(duì)生態(tài)環(huán)境造成嚴(yán)重的危害[3-4]。洗選煤矸石豐富的礦物組成和化學(xué)成分以及特殊的物理性質(zhì),又使其在建筑材料、回填復(fù)墾和發(fā)電等方面具有資源特性。煤矸石的綜合利用是建設(shè)資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會(huì)的重要手段之一。因此,迫切需要對(duì)洗選煤矸石進(jìn)行資源化利用研究,以期大宗消納洗選煤矸石,變廢為寶。

洗選煤矸石應(yīng)用于建筑材料領(lǐng)域是大宗消納煤矸石并資源化利用的途徑之一。目前,國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)洗選煤矸石制備集料或摻合料應(yīng)用于混凝土進(jìn)行了大量的研究。馮飛勝等[5]通過(guò)實(shí)驗(yàn)室力學(xué)試驗(yàn)和PFC 離散元數(shù)值分析手段研究得出,洗選煤矸石骨料最大粒徑在12 mm 以?xún)?nèi)時(shí),制作的矸石混凝土早期強(qiáng)度高,后期強(qiáng)度發(fā)展也較明顯。GUAN 等[6]的研究表明煤矸石骨料與砂漿的界面區(qū)域是煤矸石混凝土的薄弱部位,其厚度和顯微硬度隨著應(yīng)力水平的增加而分別變寬和減小。王晴等[7]研究指出,水膠比和硅灰摻量對(duì)煤矸石混凝土抗氯離子滲透性能的影響較為顯著,而煤矸石摻量和減水劑用量的影響較小。當(dāng)水膠比為0.30、硅灰摻量為7%、煤矸石摻量為40%、減水劑用量為0.75%時(shí),煤矸石混凝土具有較強(qiáng)的抗氯離子滲透能力。李永靖等[8]研究表明,洗選煤矸石骨料的吸水率較大,不同水灰比下,煤矸石混凝土的干燥收縮率、質(zhì)量損失率都比普通碎石混凝土大,50 d 時(shí)的干燥收縮率占整個(gè)齡期的85%左右,超過(guò)120 d 后逐漸趨于穩(wěn)定。

盡管洗選煤矸石的研究取得了豐碩的成果,但是由于洗選煤矸石雜質(zhì)多、孔隙率大和吸水性強(qiáng)等特性,限制了其在混凝土中的大規(guī)模應(yīng)用。洗選煤矸石作為骨料在拌合混凝土?xí)r不僅會(huì)大量吸收拌合用水,顯著影響混凝土拌合物的坍落度,還會(huì)減少水泥水化反應(yīng)所需的水量,減弱水泥和骨料連接界面處的粘結(jié)性能。針對(duì)以上問(wèn)題,本文通過(guò)優(yōu)化拌合工藝,選擇洗選煤矸石細(xì)骨料的附加用水量及預(yù)濕時(shí)間為因素變量,研究其對(duì)混凝土流動(dòng)性和力學(xué)強(qiáng)度的影響,并確定最優(yōu)的附加水量和預(yù)濕時(shí)間。本文有望為洗選煤矸石細(xì)骨料混凝土的大規(guī)模應(yīng)用提供理論依據(jù)和技術(shù)支持。

1 試驗(yàn)原材料

(1)洗選煤矸石細(xì)骨料。洗選煤矸石來(lái)自河北省邯鄲市馬頭洗選廠(chǎng),對(duì)其進(jìn)行人工篩分。以洗選煤矸石(粒徑≤4.75 mm)作為細(xì)骨料,其化學(xué)成分和物理性質(zhì)分別見(jiàn)表1 和表2,顆粒級(jí)配曲線(xiàn)見(jiàn)圖1。結(jié)果表明:洗選煤矸石細(xì)骨料屬于中砂,位于Ⅱ區(qū),洗選煤矸石細(xì)骨料的吸水率和含泥量較大。SEM 分析結(jié)果(圖2)顯示,洗選煤矸石細(xì)骨料呈不規(guī)則的形狀。

圖1 洗選煤矸石細(xì)骨料的顆粒級(jí)配曲線(xiàn)Fig.1 Grain gradation curve of washing coal gangue fine aggregate

圖2 洗選煤矸石細(xì)骨料的微觀(guān)形貌Fig.2 Micromorphology of washing coal gangue fine aggregate

表1 洗選煤矸石細(xì)骨料的化學(xué)成分Table 1 Chemical composition of washing coal gangue fine aggregate%

表2 洗選煤矸石細(xì)骨料的物理性能Table 2 Physical properties of washing coal gangue fine aggregate

(2)天然碎石。天然碎石粗骨料來(lái)自河北省邯鄲市峰峰礦區(qū),壓碎值為12%,吸水率為2.07%,表觀(guān)密度為2.700 g/cm3,粒徑范圍為4.75～19.5 mm。

(3)膠凝材料。采用河北省邯鄲市成安縣金隅太行有限公司生產(chǎn)的P·O 42.5 普通硅酸鹽水泥,其28 d 抗折強(qiáng)度為8.8 MPa,抗壓強(qiáng)度為51.2 MPa。采用河北省邯鄲市肥鄉(xiāng)區(qū)生產(chǎn)的Ⅰ級(jí)粉煤灰,燒失量為5%。

(4)減水劑。采用湖南省中研建材科技有限公司生產(chǎn)的早強(qiáng)型聚羧酸高效減水劑,固含量為40%,減水率為20%。

(5)水。采用邯鄲市自來(lái)水廠(chǎng)提供的飲用水。

2 試驗(yàn)方法

2.1 問(wèn)題與方法

洗選煤矸石作為細(xì)骨料制備混凝土,其較高的吸水率使它大量吸收拌合水。用水量不足時(shí)會(huì)吸收參與水泥水化反應(yīng)的水,造成水泥和骨料連接處的界面粘結(jié)強(qiáng)度降低,而水量加入過(guò)多又會(huì)使拌合物泌水,局部水灰比升高,混凝土孔隙率增大,密實(shí)度降低,硬化后的力學(xué)強(qiáng)度下降。對(duì)此,一般對(duì)其拌合工藝進(jìn)行優(yōu)化,常見(jiàn)的方法有一次投料法、二次投料法、水泥裹砂法和凈漿裹石法等[9-12]。不同的拌合工藝會(huì)對(duì)混凝土的和易性與抗壓強(qiáng)度產(chǎn)生影響,考慮到實(shí)際工程應(yīng)用的便捷性和可操作性,本文提出先對(duì)洗選煤矸石細(xì)骨料預(yù)濕處理,再采取一次投料法[13],即將細(xì)骨料、粗骨料、膠凝材料、水和減水劑一起放入攪拌機(jī)拌合。此試驗(yàn)步驟可避免拌合水向煤矸石細(xì)骨料表面聚集產(chǎn)生的不良影響,保證較好的坍落度和抗壓強(qiáng)度。

2.2 附加水預(yù)濕處理

洗選煤矸石經(jīng)預(yù)濕處理后,附加水會(huì)被吸收并封存在骨料里面,可改善拌合物的流動(dòng)性和界面粘接性,但不影響混凝土的正常水灰比,混凝土硬化后的力學(xué)強(qiáng)度較高。預(yù)濕處理有2 種思路:一種是從混凝土配合比的用水量中提前扣除一定比例的水,預(yù)先加入洗選煤矸石細(xì)骨料中靜置一段時(shí)間,然后再加入剩余部分的水和材料攪拌;另一種是固定混凝土配合比中的用水量,預(yù)先根據(jù)洗選煤矸石細(xì)骨料的吸水率加入額外的水潤(rùn)濕細(xì)骨料,然后再加入原配合比中的水和材料攪拌。兩者相比,后者更有利于改善洗選煤矸石混凝土的和易性,提高膠凝材料與骨料連接界面處的粘結(jié)強(qiáng)度。

2.3 試驗(yàn)方案

本試驗(yàn)按照普通混凝土配合比設(shè)計(jì)方法,以強(qiáng)度等級(jí)為C30 的大流動(dòng)性混凝土為配制目標(biāo)。固定水泥、粉煤灰、水、粗骨料、細(xì)骨料和減水劑的質(zhì)量比為1∶0.43∶0.51∶2.38∶2.86∶0.02,采用單因素試驗(yàn)方法對(duì)洗選煤矸石細(xì)骨料進(jìn)行附加水預(yù)濕處理,粗骨料為不預(yù)濕的天然碎石,研究附加水量和預(yù)濕時(shí)間對(duì)混凝土流動(dòng)性與抗壓強(qiáng)度的影響,確定附加水量和預(yù)濕時(shí)間的最佳值。為了考察不同附加水量和預(yù)濕時(shí)間對(duì)洗選煤矸石細(xì)骨料的處理狀況,提出了附加水預(yù)濕公式:

式中,Mf為洗選煤矸石細(xì)骨料的附加水質(zhì)量,kg;Mg為洗選煤矸石細(xì)骨料的質(zhì)量,kg;Sg為洗選煤矸石細(xì)骨料的吸水率,%;K為吸水折算系數(shù)。

本試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)見(jiàn)表3,關(guān)于使用的命名,XK-T表示試件名稱(chēng),如X100-80表示吸水折算系數(shù)為100%、預(yù)濕時(shí)間為80 min,X0表示不預(yù)濕處理的對(duì)照組。

表3 洗選煤矸石細(xì)骨料預(yù)濕試驗(yàn)方案和混凝土配合比Table 3 Pre-wetting test scheme and concrete mixture of washing coal gangue fine aggregate

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 附加水量對(duì)洗選煤矸石混凝土流動(dòng)性和力學(xué)強(qiáng)度的影響

3.1.1 附加水量對(duì)混凝土拌合物坍落度的影響

附加水系數(shù)K分別選擇0、40%、60%、80%和100%,固定預(yù)濕時(shí)間T為80 min,采用一次投料法拌合混凝土,研究附加水量對(duì)混凝土拌合物坍落度的影響,結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 附加水量對(duì)混凝土拌合物坍落度的影響Table 4 Effect of additional water amount on slump of concrete mixture

由表4 可知,隨著附加用水量的遞增,混凝土拌合物的坍落度明顯增大。不進(jìn)行預(yù)加水潤(rùn)濕時(shí)混凝土拌合物的坍落度表現(xiàn)較差,無(wú)坍落度,而附加水處理可顯著地增加混凝土拌合物的坍落度。當(dāng)K為40%時(shí),拌合物坍落度達(dá)到65 mm;K為60%時(shí),拌合物坍落度達(dá)到105 mm;K為80%時(shí)拌合物坍落度漲幅較大,達(dá)到165 mm;K為100%時(shí),坍落度為175 mm。當(dāng)K在0～80%時(shí),拌合物坍落度增長(zhǎng)的幅度較大,而K超過(guò)80%后,坍落度變化趨于平緩。這是因?yàn)橄催x煤矸石細(xì)骨料吸水率較高,附加水加入后被快速吸收,導(dǎo)致混凝土在拌合時(shí)煤矸石細(xì)骨料吸收拌合用水的比例減小,宏觀(guān)表現(xiàn)為拌合物坍落度的增加;但隨著煤矸石細(xì)骨料吸水程度的逐漸飽和,拌合混凝土?xí)r僅有很小一部分的拌合用水被煤矸石細(xì)骨料吸收,使得此時(shí)拌合物的坍落度增長(zhǎng)幅度降低。

3.1.2 附加水量對(duì)混凝土硬化后強(qiáng)度的影響

圖3 為附加水量對(duì)硬化后混凝土抗壓強(qiáng)度的影響結(jié)果。

圖3 附加水量對(duì)混凝土硬化后抗壓強(qiáng)度的影響Fig.3 Effect of additional water amount on compressive strength of hardened concrete

從圖3 可以看出,附加水量的變化對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度有較大影響,經(jīng)過(guò)不同附加水量潤(rùn)濕后,混凝土在各齡期的抗壓強(qiáng)度均有不同程度的提升,整體表現(xiàn)為隨著附加水量的增加而增加。混凝土成型養(yǎng)護(hù)7 d后,當(dāng)K為100%時(shí)抗壓強(qiáng)度最大,為29.4 MPa,比K為0 時(shí)增大了20.4%;混凝土成型養(yǎng)護(hù)28 d 后,K為100%時(shí)抗壓強(qiáng)度達(dá)到峰值,為32.9 MPa,較K為0時(shí)增大了26.4%。水泥必須與水發(fā)生水化反應(yīng)才能產(chǎn)生強(qiáng)度,若用水量不足,水化反應(yīng)則無(wú)法充分進(jìn)行,水泥石中會(huì)有大量沒(méi)有水化或水化不充分的水泥顆粒[14],從而導(dǎo)致硬化后的混凝土抗壓強(qiáng)度降低。鑒于混凝土流動(dòng)性與抗壓強(qiáng)度雙重目標(biāo)的考慮,僅當(dāng)K取100%時(shí),混凝土的坍落度和抗壓強(qiáng)度可同時(shí)有較好表現(xiàn),所以洗選煤矸石細(xì)骨料附加水中K為100%較為合理。

3.2 預(yù)濕時(shí)間對(duì)洗選煤矸石混凝土流動(dòng)性和力學(xué)強(qiáng)度的影響

3.2.1 預(yù)濕時(shí)間對(duì)混凝土拌合物坍落度的影響

固定附加水系數(shù)K為100%,選擇預(yù)濕時(shí)間T分別為0、10、30、60 和80 min,探究預(yù)濕時(shí)間對(duì)混凝土拌合物坍落度的影響,結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 預(yù)濕時(shí)間對(duì)混凝土拌合物坍落度的影響Table 5 Effect of pre-wetting time on slump of concrete mixture

由表5 可知,預(yù)濕時(shí)間對(duì)混凝土拌合物坍落度具有顯著的改善作用,坍落度隨著預(yù)濕時(shí)間的增加而增大。當(dāng)T為0 時(shí),混凝土拌合物的坍落度較差,僅為25 mm,T為10 min 時(shí)坍落度達(dá)45 mm,T為30 min時(shí)坍落度達(dá)75 mm,T為60 min 時(shí)坍落度達(dá)140 mm,T為80 min 時(shí)坍落度有最大值165 mm。當(dāng)預(yù)濕時(shí)間較短時(shí),坍落度增長(zhǎng)的幅度較大,但隨著預(yù)濕時(shí)間的延長(zhǎng),洗選煤矸石細(xì)骨料吸水程度逐漸達(dá)到飽和,坍落度變化幅度逐漸減小。從洗選煤矸石細(xì)骨料的物理性能(表2)可知,洗選煤矸石細(xì)骨料的孔隙率大、吸水性較強(qiáng),故預(yù)濕時(shí)間越長(zhǎng),吸收的水就越多[15],從而改善混凝土拌合物的流動(dòng)性。

3.2.2 預(yù)濕時(shí)間對(duì)混凝土硬化后強(qiáng)度的影響

圖4 為預(yù)濕時(shí)間對(duì)硬化后混凝土抗壓強(qiáng)度的影響結(jié)果。

圖4 預(yù)濕時(shí)間對(duì)混凝土硬化后強(qiáng)度的影響Fig.4 Effect of pre-wetting time on compressive strength of hardened concrete

由圖4 可知,隨著預(yù)濕時(shí)間的延長(zhǎng),硬化后混凝土的7 d 和28 d 抗壓強(qiáng)度變化趨勢(shì)一致,均表現(xiàn)為先上升再下降?；炷脸尚? d 后,T為60 min 時(shí)的抗壓強(qiáng)度最大,達(dá)到30.2 MPa,較T為0 時(shí)增大了48.0%。隨著齡期的延長(zhǎng),T為60 min 時(shí)混凝土的28 d 抗壓強(qiáng)度達(dá)到上升的峰值,為37.9 MPa,較T為0 時(shí)增大了26.8%;而當(dāng)預(yù)潤(rùn)濕時(shí)間超過(guò)60 min 后抗壓強(qiáng)度出現(xiàn)降低。這是由預(yù)濕時(shí)間對(duì)混凝土起到兩個(gè)互為相反的作用所決定的:一方面,預(yù)濕時(shí)間低于60 min 時(shí),由于洗選煤矸石細(xì)骨料內(nèi)部結(jié)構(gòu)疏松、連通率高,隨著骨料預(yù)濕時(shí)間延長(zhǎng),附加水被吸收得就越多[16]。當(dāng)預(yù)濕結(jié)束進(jìn)行混凝土拌合時(shí),這部分骨料處于近似吸水飽和狀態(tài),只會(huì)再吸收少量的拌合用水,一定程度降低了拌合物的水灰比[17]。隨著混凝土齡期的延長(zhǎng),煤矸石細(xì)骨料預(yù)濕時(shí)吸收的部分附加水被釋放出來(lái)參與水化反應(yīng),促進(jìn)了強(qiáng)度的增長(zhǎng)。另一方面,潤(rùn)濕時(shí)間超過(guò)60 min 后,洗選煤矸石細(xì)骨料過(guò)度吸水達(dá)到飽和,混凝土拌合時(shí)不再繼續(xù)吸收拌合用水,骨料表面吸附的多余附加水融入拌合用水,導(dǎo)致水膠比增大,直接降低了拌合物體系的密實(shí)程度,使混凝土產(chǎn)生較多的內(nèi)部孔隙,導(dǎo)致內(nèi)部毛細(xì)管道發(fā)展擴(kuò)張[9],影響界面微缺陷的產(chǎn)生和粘結(jié)性能,從而使混凝土強(qiáng)度降低。綜合混凝土流動(dòng)性與抗壓強(qiáng)度兩方面的表現(xiàn),洗選煤矸石細(xì)骨料選擇T為60 min較好。此時(shí),在流動(dòng)性方面,混凝土拌合物的坍落度為140 mm,滿(mǎn)足大流動(dòng)性混凝土的施工使用要求;而從抗壓強(qiáng)度方面來(lái)看,高于或低于60 min 時(shí)抗壓強(qiáng)度均有不同程度的降低,僅當(dāng)T為60 min 時(shí),附加水剛好能被洗選煤矸石細(xì)骨料充分吸收封鎖在骨料內(nèi)部,拌合時(shí)不會(huì)影響混凝土里面的原定水灰比,同時(shí)又能提高水泥和骨料間的界面粘接強(qiáng)度,促進(jìn)水泥水化反應(yīng),提高混凝土的抗壓強(qiáng)度。故選擇預(yù)濕時(shí)間T為60 min 比較合理。

3.3 微觀(guān)樣貌與圖像灰度分析

取測(cè)試完坍落度的混凝土拌合物裝模養(yǎng)護(hù)使其硬化,7 d 時(shí)取部分混凝土試塊破碎,放入無(wú)水乙醇中浸泡終止水化反應(yīng)。試驗(yàn)前將碎塊移入真空干燥箱常壓烘干。借助美國(guó)FEI 有限公司生產(chǎn)的JEOL分析型場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡進(jìn)行微觀(guān)形貌分析,所得SEM 圖像如圖5(a)、(b)所示?？梢钥吹?不進(jìn)行預(yù)濕處理的混凝土試件養(yǎng)護(hù)7 d 后,存在大量孔隙和裂縫,整體較疏松。相比于前者,預(yù)濕處理對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)形貌有極大的改善,預(yù)濕處理后的混凝土結(jié)構(gòu)整體更加致密,缺陷較少。通過(guò)Image J 對(duì)圖5(a)、(b)分別進(jìn)行灰度化、去背景、反色表征、孔隙選取與參數(shù)計(jì)算,導(dǎo)出數(shù)據(jù),利用Origin 軟件繪制點(diǎn)線(xiàn)圖(圖5(c)、(d))。分析可知,孔隙面積與灰度值的趨勢(shì)具有一致性,未預(yù)濕的混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)孔隙數(shù)量更多,大小差異較大,多為細(xì)小孔隙(面積≤100 μm2),同時(shí)存在部分較大的孔隙(面積≥400 μm2),其對(duì)應(yīng)的灰度值也較大。預(yù)濕后的混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)孔隙數(shù)量少,大小差異較小,面積多處于100～300 μm2,其灰度值相應(yīng)地也明顯減小。這是因?yàn)橄催x煤矸石混凝土不進(jìn)行預(yù)濕處理時(shí),水化反應(yīng)不充分,水泥石中有大量未水化或水化不充分的礦物顆粒,從而產(chǎn)生微小孔隙和裂縫,使結(jié)構(gòu)變得疏松;而預(yù)濕處理有助于混凝土拌合完成后持續(xù)釋放出水來(lái)參與水化反應(yīng),生成的大量Ca(OH)2與洗選煤矸石中含有的偏高嶺土相反應(yīng)生成C—S—H 凝膠,填充大孔和毛細(xì)連接孔,增強(qiáng)界面之間的粘結(jié),改善混凝土的致密程度,宏觀(guān)上表現(xiàn)為更高的抗壓強(qiáng)度。

圖5 洗選煤矸石混凝土養(yǎng)護(hù)7 d 的微觀(guān)形貌與圖像灰度分析Fig.5 Analysis of micromorphology and image gray level of washing coal gangue concrete after curing for 7 days

4 結(jié)論

(1)通過(guò)對(duì)拌合工藝進(jìn)行優(yōu)化,利用洗選煤矸石作為細(xì)骨料可制備出C30 大流動(dòng)性混凝土。

(2)隨著附加水量的增加,混凝土拌合物的坍落度呈現(xiàn)上升的趨勢(shì),7 d 和28 d 抗壓強(qiáng)度隨之增加。煤矸石細(xì)骨料預(yù)濕時(shí)間越長(zhǎng),拌合物坍落度越大,7 d和28 d 抗壓強(qiáng)度均先表現(xiàn)為增大后減小。

(3)當(dāng)洗選煤矸石細(xì)骨料按附加水量為100%,預(yù)濕時(shí)間為60 min 預(yù)處理時(shí),制備的混凝土具有較好的流動(dòng)性和較高的抗壓強(qiáng)度。

(4)預(yù)濕處理可以促進(jìn)生成更多的C—S—H 凝膠,改善混凝土的微孔結(jié)構(gòu),提高密實(shí)度。