煤矸石粉替代粉煤灰制備混凝土及其性能研究

□□ 唐偉桐,黃 瑤,甘元初,侯慶振 (南華大學 土木工程學院,湖南 衡陽 421001)

引言

煤矸石是煤炭開采和加工過程中產生的固體廢棄物,居于我國工業固體廢物的最大類別之一。據統計,我國目前的煤矸石堆積量超過50億t,每年仍有數億t的新增量。大量的煤矸石露天堆積不僅占用了寶貴的土地資源,而且造成了嚴重的環境污染。因此,有效地利用和處理煤矸石已成為我國資源節約和環境保護的緊迫問題之一[1-2]。隨著“雙碳”目標的推進,傳統火電占比將下降,導致粉煤灰產量減少。尋找能替代粉煤灰的礦物摻合料成為當務之急。

近年來,國內外對煤矸石粉混凝土性能及應用方面的研究已取得一定進展。煤矸石經過高溫煅燒后,其活性得以提高,具有火山灰活性,能在常溫下與堿或堿鹽反應,生成具有水硬性膠凝性能的混合物。學者們認為,經過一定活化處理的煤矸石有望作為混凝土摻合料,甚至可部分代替水泥[3-5]。

學者們已對自燃煤矸石粉對膠凝材料體系需水性的影響及其應用于建筑工程材料的經濟、環境和社會效益,并對混凝土耐久性能的影響進行了深入研究[6-8]。此外,還有研究探討了砂率對煤矸石粉混凝土和易性及強度的影響[9],并運用BP神經網絡對煤矸石粉混凝土的抗壓強度進行預測[10]。此次研究將通過煅燒煤矸石粉部分或完全替代粉煤灰,探究不同替代率下煤矸石粉混凝土的和易性、經時損失及力學性能,為煤矸石粉取代粉煤灰作為新型膠凝材料提供理論依據和參考。

1 試驗

1.1 試驗原材料

水泥:南方牌P·O 42.5水泥。

煤矸石粉:45 μm(325目)煅燒煤矸石粉,由靈壽縣創博礦產品有限公司提供,煅燒溫度為900 ℃,煅燒時長為4 h。

粉煤灰:優質二級灰,5 μm方孔篩篩余量為16%,密度為2.55 g·cm-3,堆積密度為1.12 g·cm-3,化學成分見表1。

表1 煤矸石粉和粉煤灰的主要化學成分

細骨料:機制砂,含水率為4%,細度模數為2.9,Ⅱ區中砂,石粉含量為5.6%。

粗骨料:碎石,粒徑范圍為5～25 mm。

減水劑:聚羧酸減水劑,減水率為20%。

水:自來水。

1.2 試驗配合比

試驗按照JGJ 55—2011《普通混凝土配合比設計規程》進行試驗配合比設計。采用水膠比為0.41和0.38、基準組采用粉煤灰等質量替代水泥,替代率為30%,并采用煅燒煤矸石粉等質量1/3、2/3及完全替代粉煤灰。試驗共8組,配合比見表2。試件尺寸為100 mm×100 mm×100 mm,自然養護1 d后,移至溫度為20 ℃、相對濕度為95%的標準養護室,分別養護7 d和28 d。每一組預留12個立方體試塊,用于立方體抗壓強度和劈裂強度測試,累計澆筑96個立方體試塊。

表2 混凝土配合比

1.3 試驗方法

探究不同水膠比和替代率下的混凝土拌合物性能,拌合物性能測試按照GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能試驗方法標準》測試坍落度、擴展度試驗及其經時損失試驗。

將8組試塊分別養護7 d和28 d,按照GB/T 50081—2019《混凝土物理力學性能試驗方法標準》測試其立方體抗壓和劈裂強度,探究煤矸石粉與粉煤灰復摻對混凝土早期強度和28 d強度的影響。

2 試驗結果與分析

2.1 試驗結果

試驗結果見表3和表4。

表3 混凝土和易性試驗結果

表4 混凝土力學性能試驗結果

2.2 和易性試驗結果分析

煤矸石粉混凝土初始坍落度如圖1所示。由圖1可以看出,隨著煤矸石粉對粉煤灰替代率的上升,混凝土初始坍落度呈下降趨勢,說明煤矸石粉改善混凝土和易性的能力不如粉煤灰。這可能是因為:煤矸石粉是煤炭燃燒后的剩余物,主要由硅酸鹽、Al2O3和Fe2O3等組成,其粒徑通常較粗,化學活性較低;而粉煤灰的微小粒徑和球形形狀有助于填充混凝土中的空隙,改善其流動性。同時可以看到,以坍落度為100 mm(圖1中縱軸分界線)作為泵送混凝土的標準,煤矸石粉混凝土仍可以滿足泵送要求。另外,在只添加粉煤灰的對照組出現了泌水現象,而添加煤矸石粉摻量越多,混凝土的保水性越好,說明摻入煤矸石粉可以在一定程度上改善混凝土拌合物的和易性。

圖1 試驗混凝土初始坍落度

煤矸石粉混凝土1 h后坍落度如圖2所示。由圖2可以看出:相比于單摻粉煤灰的對照組,煤矸石粉混凝土的經時損失較為嚴重,1 h后坍落度普遍不再滿足泵送混凝土的需求,在工程中,煤矸石粉仍是可行的選項,但可能需要更為精細的調整和優化。

圖2 試驗混凝土1 h后坍落度

2.3 力學性能試驗結果分析

2.3.1立方體抗壓強度分析

煤矸石粉混凝土立方體抗壓性能如圖3所示。由圖3可以看出,當替代率達到100%時,28 d的抗壓強度都有顯著的提高,也就是說單獨摻入30%的煤矸石粉替代水泥比相同條件下的粉煤灰效果更好;在較低替代率下,煤矸石粉與粉煤灰復摻的混凝土強度相比于對照組稍有下降,這可能是因為在較低替代率下,煤矸石粉的活性不足以彌補水泥減少造成的活性損失,而且煤矸石粉的粒徑較大,可能未能充分充當微觀填充物質,從而在較低替代率下對強度產生負面影響,導致強度的降低。

圖3 試驗混凝土立方體抗壓強度

普通混凝土的7 d抗壓強度通常達到設計抗壓強度的60%～70%。煤矸石粉混凝土早期強度如圖4所示。從圖4可以發現,對照組7 d立方體抗壓強度為28 d的70%(取兩組試驗平均值),而試驗組的早期強度相比于對照組皆有提升,說明煤矸石粉可以提高混凝土的早期強度。

圖4 試驗混凝土早強情況

2.3.2劈裂抗拉強度分析

煤矸石粉混凝土立方體劈裂抗拉性能如圖5所示。由圖5可以看出,隨著替代率的增加,劈裂抗拉強度略有下降,這表明煤矸石粉可能會降低混凝土的抗裂能力。

圖5 試驗混凝土劈裂抗拉強度

2.3.3拉壓比分析

煤矸石粉混凝土拉壓比(立方體劈裂抗拉強度/抗壓強度)變化情況如圖6所示。由圖6可以看出,拉壓比隨替代率的增加而減小。相較于抗壓性能,煤矸石粉混凝土的抗拉性能顯得不足,在工程中,煤矸石粉混凝土適用于主要承受壓力的構件,如柱子、墻體、地基和支撐等,在非結構性構件以及預應力混凝土的壓應力區域也可以考慮使用;但由于其抗拉性能相對較弱,在梁、屋頂和懸臂結構等構件中的使用有待挖掘。

圖6 試驗混凝土拉壓比情況

3 結論

煤矸石的處理和再利用有助于解決土地占用和環境污染問題。隨著粉煤灰產量的減少,將煤矸石粉作為其替代材料應用于混凝土,試驗及結果分析可知:

3.1 煤矸石粉改善混凝土和易性的能力不如粉煤灰,且其經時損失較嚴重,但其初始坍落度仍>100 mm,可滿足泵送要求。

3.2 在較低替代率下,混凝土強度稍有下降;但當替代率達到100%時,28 d抗壓強度顯著提高。同時煤矸石粉可提高混凝土早期強度,但可能會降低抗裂能力。

3.3 在工程應用中,煤矸石粉混凝土更適用于主要承受壓力的構件,如柱子、墻體、地基和支撐等,在非結構性構件和預應力混凝土的壓應力區域也可考慮使用。