煤矸石混凝土材料耐久性研究進(jìn)展

李九陽,朱岳鵬,范辛美,羅靖煒,陳 立,胡廣朝

(1.長春工程學(xué)院 土木學(xué)院, 吉林 長春 130012;2.吉林省建筑一體化集成技術(shù)科技協(xié)同創(chuàng)新中心, 吉林 長春 130012)

我國北方地區(qū)四季溫度變化大,其中東北地區(qū)是最明顯的季節(jié)性寒冷區(qū)域,冬夏季晝夜溫差大,混凝土極易受凍融破壞,嚴(yán)重影響結(jié)構(gòu)耐久性[1]. 混凝土是目前用量最大的建筑材料之一,骨料約占其總體積的75%,大量開采天然骨料給環(huán)境造成極大壓力。

我國擁有世界上最多的煤炭資源,煤矸石是目前我國工業(yè)固體廢物排放量最多的廢物之一[2]. 煤矸石的堆放不僅壓占大量土地,影響生活環(huán)境,其貯存、運(yùn)輸也給煤礦企業(yè)造成較大的經(jīng)濟(jì)損失[3]. 此外,我國煤矸石分布廣泛,尤其北方地區(qū),故從就地取材角度出發(fā),將煤矸石作為骨料摻入混凝土,不僅可改善煤矸石砼各項(xiàng)性能,還可降低運(yùn)輸成本。

為響應(yīng)“雙碳”政策,推動(dòng)煤矸石混凝土材料在我國北方地區(qū)的發(fā)展及應(yīng)用,同時(shí)為改善建筑物耐久性能提供更廣泛的思路,本文綜述了煤矸石混凝土材料耐久性的研究進(jìn)展,對(duì)改善煤矸石砼性能的配制原則和技術(shù)進(jìn)行探討,總結(jié)了煤矸石的摻入對(duì)混凝土耐久性能的影響并進(jìn)行了下一步研究展望。

1 煤矸石混凝土的配制技術(shù)

1.1 配制原則

經(jīng)過多年技術(shù)研究,國內(nèi)外學(xué)者對(duì)煤矸石混凝土配置原則不斷進(jìn)行改善,所設(shè)計(jì)出的配合比不僅要滿足良好的性能,而且還需要達(dá)到耐久性能的要求[4].基本原則主要包括:

1) 提高和易性[5-7].對(duì)于天然集料混凝土與自燃煤矸石集料混凝土來說,當(dāng)骨料含水量增加,起始坍落度均隨之增加,不同的是天然骨料的坍落度變化幅度小,自燃煤矸石骨料變化幅度大。攪拌自燃煤矸石骨料之前可加水預(yù)濕,使水飽和程度較大,預(yù)拌自燃煤矸石集料的混凝土坍落度比普通混凝土低。正確處理不同因素的交互影響,可改善混凝土和易性。

2) 提高混凝土耐久性[8].通過對(duì)煤矸石混凝土進(jìn)行電鏡掃描分析,可發(fā)現(xiàn)摻入煤矸石有利于混凝土耐氯性能。隨著煤矸石骨料用量增加,其固化氯離子能力也愈強(qiáng);在煤矸石混凝土配制過程中,水泥用量相對(duì)較少時(shí),可采用煅燒煤矸石作粗集料,提高其抗碳化能力,從而獲得更高的耐久性。

3) 改善孔隙結(jié)構(gòu)[9-11].煤矸石混凝土的致密程度大于一般砼,煤矸石在其中能起到骨架和彌補(bǔ)孔隙缺陷的作用。煤矸石自燃后發(fā)揮出火山灰作用,經(jīng)過水化效應(yīng),可以在集料內(nèi)部形成網(wǎng)狀的硅酸鈣凝膠,并將其填滿在集料內(nèi)部的空隙中,改善孔隙結(jié)構(gòu)。

1.2 配制技術(shù)

良好的配制技術(shù)是煤矸石混凝土獲得較高耐久性能和較好和易性的前提條件,對(duì)煤矸石混凝土耐久性能更深入地探索應(yīng)從配制技術(shù)開始。

朱澤忠[12]在試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)煤矸石集料混凝土適宜強(qiáng)度是C30以下,并采用正交試驗(yàn)法得出其最佳配合比:煤矸石用量占總體積的60%,最大顆粒直徑是20 mm,水灰比為0.5.此外,利用該實(shí)驗(yàn)研究出的最佳配比對(duì)標(biāo)準(zhǔn)組進(jìn)行耐久性測(cè)試,通過對(duì)比分析,得出煤矸石摻量為60%時(shí)其抗凍性能最佳。

朱紅光等[13]使用煤矸石作細(xì)集料復(fù)合礦渣制備不同水膠比的混凝土,通過正交試驗(yàn),研究水膠比、礦渣摻量及煤矸石細(xì)集料摻量對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度、抗凍性能的影響,通過抗凍性能極差分析得出:當(dāng)水灰比為0.4、礦渣粉摻量為40%、煤矸石摻量為30%時(shí)混凝土擁有最優(yōu)的抗凍性能。

Jinmin Guo等[14]采用正交試驗(yàn)和綜合平衡法對(duì)煤矸石混凝土進(jìn)行耐久性能測(cè)試,通過綜合分析凍融后彈性模量損失和硫酸鹽腐蝕后抗壓強(qiáng)度損失得出,當(dāng)煤矸石取代35%體積的碎石、粉煤灰取代20%水泥、礦渣替代10%水泥時(shí),該煤矸石混凝土擁有較好的耐久性能。

王晴等[15]通過正交試驗(yàn),對(duì)煤矸石混凝土進(jìn)行電通量法測(cè)定煤矸石砼抗氯性能,通過實(shí)驗(yàn)分析得出當(dāng)采用煤矸石全部替代普通碎石,且水灰比為0.39、砂率為43%、集灰比4.2、集料配比1.2時(shí),煤矸石混凝土具有良好的抗氯鹽滲透性能力,且此時(shí)通電6 h可達(dá)985.36電通量。

綜上可知,適量摻入煤矸石對(duì)混凝土耐久性能有良好地改善,為獲得更高性能煤矸石混凝土,在原材料選擇、配合比設(shè)計(jì)等方面有待深入研究。

2 煤矸石混凝土耐久性能研究

2.1 抗氯離子滲透性能

氯離子通過滲透作用進(jìn)入混凝土后造成鋼筋銹蝕。文獻(xiàn)[4]中表明,氯離子是對(duì)混凝土耐久性能產(chǎn)生影響的主要原因之一,在混凝土中摻加適量的活化煤矸石制成的煤矸石混凝土能有效改善混凝土抗氯離子滲透性能。

莫金川等[16]利用離子選擇電極法測(cè)定了不同煤矸石摻量的混凝土試塊的氯離子含量,分析了煤矸石摻量對(duì)混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)的影響。實(shí)驗(yàn)表明:加入煤矸石可改善混凝土抗氯離子侵蝕的能力,但當(dāng)煤矸石摻量超過抗氯離子峰值時(shí)會(huì)導(dǎo)致其抗氯離子性能降低,研究表明摻量為30%的混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)最小。

周雙喜等[17]利用電導(dǎo)率法測(cè)定了煤矸石混凝土的抗氯離子滲透性能,通過測(cè)定其在某一交流電壓作用下所經(jīng)過的電荷量,來反映經(jīng)過混凝土中氯離子含量。實(shí)驗(yàn)表明:隨水化時(shí)間變化,摻活化煤矸石混凝土的相對(duì)氯離子擴(kuò)散系數(shù)逐漸減小,特別是水化180 d后,粉煤灰和礦渣粉混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)均最低,其擴(kuò)散系數(shù)小于普通混凝土的二分之一。

馬宏強(qiáng)等[8]采用快速氯離子滲透試驗(yàn)對(duì)試件進(jìn)行測(cè)評(píng),使用煅燒和未煅燒的煤矸石替代普通碎石制備混凝土試塊,并設(shè)置普通混凝土為對(duì)照組,探究煤矸石摻量對(duì)氯離子滲透性能的影響。實(shí)驗(yàn)表明:無論是煅燒還是未煅燒的煤矸石混凝土抗氯離子滲透性能都優(yōu)于素混凝土,且當(dāng)煤矸石粗集料摻量達(dá)到45%時(shí),煅燒后的煤矸石粗集料能表現(xiàn)出更優(yōu)越的抗氯離子滲透性,而未煅燒煤矸石作為粗集料時(shí)摻入25%最合適。

宋小軍等[18]使用活化煤矸石為水泥混合材料,來配制強(qiáng)度等級(jí)為C30和C60的混凝土,并設(shè)置普通混凝土為對(duì)照組,采用氯離子滲透試驗(yàn)表征抗?jié)B性能。實(shí)驗(yàn)測(cè)得:通電6 h后,兩種強(qiáng)度等級(jí)的普通混凝土電導(dǎo)數(shù)都高于煤矸石混凝土,這是由于煤矸石的摻入使得水泥中的氫氧化鈣含量減少,同時(shí)改善了孔隙結(jié)構(gòu)使得水泥結(jié)構(gòu)更加密實(shí),故C30和C60的混凝土摻活化煤矸石后抗氯離子滲透性都優(yōu)于普通混凝土。

綜上所述,摻入煤矸石可顯著提高混凝土抗氯離子滲透性能,但當(dāng)煤矸石摻量超過峰值時(shí),會(huì)反抑制抗氯離子滲透性能。其次,經(jīng)過處理的煅燒煤矸石抗氯離子滲透性能更優(yōu)越。此外,合理的水膠比、硅灰摻量、煤矸石摻量、減水劑摻量能夠較好發(fā)揮煤矸石砼的抗氯離子滲透能力。

2.2 抗凍融性能

煤矸石混凝土在我國南方應(yīng)用時(shí)少見凍融破壞,但應(yīng)用于北方時(shí)必須考慮凍融破壞問題。

李永靖等[19]采用45%和65%兩種水灰比的煤矸石混凝土,并與普通混凝土作對(duì)照組。實(shí)驗(yàn)采用快速凍融法。研究發(fā)現(xiàn):由于煤矸石骨料吸水率較大,同一水灰比下,煤矸石混凝土耐久性低于普通混凝土耐久性,且煤矸石混凝土試塊表面損傷更嚴(yán)重,但仍能滿足規(guī)范要求,故煤矸石混凝土可作為一般承重結(jié)構(gòu),在制配時(shí)添加高性能減水劑可改善其抗凍性能。

白朝能等[20]使用煤矸石作粗骨料制作C30混凝土,采用快速凍融法測(cè)試其抗凍性能。實(shí)驗(yàn)表明:經(jīng)50—70次凍融循環(huán)后,未摻煤矸石的混凝土耐久率為10.81,摻煤矸石的混凝土耐久率在6.49～7.61,且在不摻煤矸石的情況下,凍融循環(huán)可達(dá)到75次,摻煤矸石的情況下只有50次,特別是當(dāng)煤矸石摻量大于30%后,混凝土抗凍性能明顯下降。

邱繼生等[21]通過快凍法對(duì)凍融過的煤矸石混凝土進(jìn)行單軸受壓實(shí)驗(yàn),驗(yàn)證了煤矸石取代量與凍融次數(shù)對(duì)力學(xué)性能的影響,實(shí)驗(yàn)得出在未進(jìn)行凍融試驗(yàn)時(shí)不同取代率的煤矸石混凝土力學(xué)性能基本相同,而經(jīng)過一定凍融循環(huán)的煤矸石混凝土較素混凝土應(yīng)力-應(yīng)變曲線明顯下降,這種情況是由于煤矸石吸水率大,強(qiáng)度也較普通碎石低,在凍融情況下受到明顯的凍脹力,導(dǎo)致其凍融損傷嚴(yán)重。

周梅等[22]采用快速凍融法探究了煤矸石混凝土中摻入硅灰、粉煤灰對(duì)其抗凍性的影響。試驗(yàn)表明:摻粉煤灰的混凝土在經(jīng)凍融后產(chǎn)生大量鈣礬石,這些物質(zhì)的出現(xiàn)不利于水泥與骨料粘結(jié),還會(huì)使界面結(jié)構(gòu)疏松,而摻入硅灰的煤矸石混凝土在凍后雖然也出現(xiàn)鈣礬石,但尺寸較小、密集度低,并且硅灰和粉煤灰之間可進(jìn)行二次水化反應(yīng),使水泥與煤矸石骨料粘結(jié)更密集,也可降低混凝土的膨脹破壞,抗凍性能得到改善。

綜上所述,隨著煤矸石取代率增加,煤矸石混凝土抗凍融能力下降,煤矸石作為粗集料加入混凝土中對(duì)其抗凍性能有不利影響,但摻入硅灰和粉煤灰對(duì)煤矸石混凝土可起促進(jìn)作用,且在合理水灰比情況下抗凍性能可滿足要求,可作為一般承重結(jié)構(gòu)使用。

2.3 抗腐蝕性能

冬季雨雪天氣,道路被冰雪覆蓋時(shí)常使用氯鹽作融雪劑,緩解路面積雪問題,這時(shí)路面會(huì)形成一個(gè)凍融和氯鹽腐蝕的復(fù)雜環(huán)境,故對(duì)煤矸石混凝土塊的抗腐蝕性研究就顯得十分重要。

張向東等[23]制備了100 mm×100 mm×400 mm的棱柱體試塊,采用快速凍融法將凍融循環(huán)水換成3%、6%、12%、25%的氯化鈣和氯化鈉溶液,探究凍融質(zhì)量損失率、動(dòng)彈性模量損失率隨循環(huán)次數(shù)的變化規(guī)律等。實(shí)驗(yàn)表明:在使用小于25%的氯化鈣和氯化鈉溶液時(shí),煤矸石砼的鹽凍循環(huán)周期與質(zhì)量損失率呈正相關(guān),大于25%時(shí)呈負(fù)相關(guān)。在質(zhì)量分?jǐn)?shù)越高的氯化鈉環(huán)境中,鹽凍循環(huán)次數(shù)與動(dòng)彈性損失率正相關(guān)。在相同鹽凍循環(huán)下,煤矸石混凝土強(qiáng)度損失率與氯鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈負(fù)相關(guān)。

劉世[24]等制作了3組不同摻量煤矸石混凝土(摻量分別為0%、30%和60%)將其分別放入PH值為3、5、7的溶液中浸泡30 d后,進(jìn)行吸水試驗(yàn)研究酸性溶液對(duì)煤矸石的影響,實(shí)驗(yàn)得出,在PH值越小的溶液中浸泡的煤矸石混凝土其吸水率越大,且煤矸石混凝土與普通混凝土相比,其在不同PH值溶液中的吸水率都隨煤矸石摻量增大而增大。說明煤矸石混凝土在酸性溶液下對(duì)其耐久性影響較大。

白金婷等[25]探究了煤矸石混凝土的抗硫酸鹽侵蝕性能,實(shí)驗(yàn)配置了普通混凝土和煤矸石混凝土后,將其放入5%的硫酸鈉溶液中進(jìn)行干濕循環(huán)測(cè)試,實(shí)驗(yàn)得出:兩種混凝土試件在經(jīng)歷91次干濕循環(huán)后,普通混凝土的耐腐蝕系數(shù)下降至72%,而煤矸石混凝土只下降至77%,可以得出煤矸石對(duì)抗硫酸侵蝕能力有一定的提高,其原因是煤矸石和硫酸鈉反應(yīng)后產(chǎn)生鈣礬石,而鈣礬石對(duì)早期混凝土強(qiáng)度有提高作用。

路沙沙等[26]探究了在煤矸石混凝土中摻入鋼纖維增強(qiáng)其耐久性能實(shí)驗(yàn),使用普通煤矸石混凝土和摻1%、2%的鋼纖維煤矸石混凝土,浸泡入PH≤4的溶液中,模擬酸雨情況下的混凝土侵蝕實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)顯示:1%摻量鋼纖維煤矸石能有效增強(qiáng)酸性溶液的侵蝕,其密實(shí)性也有所提高,且對(duì)煤矸石混凝土在酸性環(huán)境下抗拉強(qiáng)度損失率起抑制作用。

綜上所述,在酸性環(huán)境下,隨著煤矸石的摻量增多,其混凝土的抗酸性能逐漸降低,為此可在煤矸石混凝土內(nèi)摻入1%鋼纖維,以抑制煤矸石在酸性環(huán)境下的損失。而在堿性環(huán)境下?lián)饺朊喉肥竽軐?duì)混凝土塊的強(qiáng)度降低起到緩解作用。因此,在工程使用時(shí),需綜合考慮使用環(huán)境和煤矸石取代率等因素,確?；炷聊途眯宰顑?yōu)。

2.4 抗碳化性能

混凝土碳化主要是因?yàn)楦g性組分與水泥水化產(chǎn)物的化學(xué)反應(yīng)破壞了混凝土結(jié)構(gòu),是影響其耐久性的關(guān)鍵因素,其中最嚴(yán)重的是混凝土堿度的下降,引起了鋼筋表面的腐蝕,從而影響了混凝土的穩(wěn)定性,影響混凝土的壽命。

王洋等[27]通過對(duì)煤矸石混凝土進(jìn)行正交試驗(yàn)研究了各種因素對(duì)煤矸石砼抗碳化能力的效果。采用極差分析、方差分析兩種方法綜合得出不同因素對(duì)煤矸石混凝土抗碳化性能的影響程度,按從大到小排序?yàn)?水灰比、硅灰摻量、煤矸石摻量、減水劑摻量。

易成等[28]通過快速碳化試驗(yàn)研究了水灰比、煤矸石摻量、碳化時(shí)間對(duì)抗碳化性能的影響,使用電鏡掃描分析了其微觀結(jié)構(gòu)及影響機(jī)理。研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)水灰比增大,通過水泥水化作用而產(chǎn)生的Ca(OH)2和C-S-H凝膠減少,使水泥漿體和集料粘結(jié)處存在大量的孔隙,從而影響煅燒煤矸石發(fā)揮活性。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析得出煤矸石混凝土抗碳化能力會(huì)在很大程度上受到水灰比的影響。

李永靖等[29]探討了煤矸石粗骨料混凝土的碳化深度和養(yǎng)護(hù)時(shí)間的關(guān)系,結(jié)果表明:在不同水泥用量條件下,隨煤矸石混凝土養(yǎng)護(hù)時(shí)間逐漸增大,它的碳化深度也變大,初期增長較快,后期速度逐漸變緩,最終達(dá)到平穩(wěn)狀態(tài)。

李慶文等[30]通過快速碳化試驗(yàn)研究了相對(duì)濕度、溫度對(duì)煤矸石砼碳化深度的變化規(guī)律,根據(jù)在快速碳化箱中養(yǎng)護(hù) 7 d后的試驗(yàn)結(jié)果,發(fā)現(xiàn)煤矸石混凝土碳化深度與養(yǎng)護(hù)環(huán)境中的相對(duì)濕度呈現(xiàn)負(fù)相關(guān),與養(yǎng)護(hù)環(huán)境中的溫度呈正相關(guān)。

綜上所述,煤矸石砼抗碳化性能與其它普通混凝土一樣,受到多種因素的影響,對(duì)其影響最大的是水灰比,且與沒有摻入煤矸石的混凝土抗碳化性能相比,摻入煤矸石骨料的混凝土抗碳化能力會(huì)有所提升;煤矸石混凝土抗碳化性能受多種因素影響,對(duì)煤矸石進(jìn)行煅燒、調(diào)節(jié)外部環(huán)境及養(yǎng)護(hù)齡期、選擇合適的水灰比和煤矸石摻量等是改善混凝土耐久性能的合理手段,還可將煤矸石混凝土用于普通建筑物結(jié)構(gòu)構(gòu)件,為煤矸石的應(yīng)用提供新思路。

3 結(jié)語和展望

3.1 結(jié) 語

1) 配制煤矸石混凝土的基本原則主要有提高和易性、提高混凝土耐久性、改善孔隙結(jié)構(gòu)。在配制煤矸石混凝土?xí)r,要注意選擇適當(dāng)?shù)拿喉肥瘬搅亢团浜媳取?/p>

2) 摻入煤矸石可顯著提高混凝土抗氯離子滲透性能,但當(dāng)煤矸石摻量超過峰值時(shí),會(huì)反抑制抗氯離子滲透性能。

3) 煤矸石混凝土抗凍融能力隨煤矸石取代率增加不斷下降,但是摻入硅灰和粉煤灰對(duì)煤矸石混凝土起促進(jìn)作用,且在合理水灰比情況下抗凍性能可滿足要求,可作為一般承重結(jié)構(gòu)使用。

4) 煤矸石在堿性環(huán)境下容易產(chǎn)生鈣礬石對(duì)早期混凝土強(qiáng)度性能有提高作用,特別是1%鋼纖維的摻入對(duì)增強(qiáng)煤矸石混凝土的耐久性提高最大。

5) 各因素對(duì)煤矸石混凝土抗碳化能力的影響從大到小排序?yàn)?水灰比、硅灰摻量、煤矸石摻量、減水劑摻量。煤矸石混凝土碳化深度與煤矸石所占百分比、養(yǎng)護(hù)時(shí)間,以及養(yǎng)護(hù)環(huán)境中的溫度呈正相關(guān),與養(yǎng)護(hù)環(huán)境中的相對(duì)濕度呈負(fù)相關(guān)。

3.2 展 望

1) 各地煤矸石物理性能不同,應(yīng)對(duì)煤矸石進(jìn)行科學(xué)、合理地分類和研究,并制定實(shí)際可行的煤矸石砼集料研究標(biāo)準(zhǔn)。

2) 目前對(duì)于煤矸石的研究大多集中于力學(xué)性能及耐久性能,且用于非承重構(gòu)件較多,今后工作可增加對(duì)煤矸石混凝土用于結(jié)構(gòu)承重構(gòu)件的研究,為煤矸石混凝土整體的結(jié)構(gòu)性能研究提供理論基礎(chǔ)。

3) 煤矸石本身含有較多的SiO2,能夠和水泥基體中的堿性氧化物產(chǎn)生堿骨料作用,后續(xù)可以針對(duì)煤矸石砼堿骨料反應(yīng)展開研究。

4) 對(duì)煤矸石進(jìn)行煅燒能夠增加它的活性,但是由于其自身的缺點(diǎn)使其無法發(fā)揮最大優(yōu)勢(shì),可以從如何根據(jù)煅燒煤矸石的活性使其發(fā)揮最大優(yōu)越性這一點(diǎn)進(jìn)行研究。