活化煤矸石作摻合料—混凝土力學性能的研究

許晨陽，范興旺,張亮,藺喜強

(中國礦業大學（北京）機電學院材料系，北京 100083)

0 前言

煤矸石是煤礦生產過程中采煤和洗煤時被分離出來的廢料，是我國目前排放量最大的工業固體廢棄物之一。通常煤矸石的產量約占煤炭開采量的10%～20%,目前我國煤矸石的堆放已形成1500座矸石山，全國儲存的矸石共計約有40億噸以上、占地近30萬畝。此外煤矸石露天堆放，經日曬、雨淋、風化、分解，產生大量的酸性水或攜帶重金屬的離子水，導致水體污染和土壤破壞等嚴重后果[1]。

由于各地煤矸石所含礦物不同，其化學成分較為復雜，一般以鋁、硅為主要成分。但由于具有穩定的晶體結構，因此活性很低。有研究表明，對黏土巖類煤矸石加熱到一定溫度時，煤矸石中的高嶺土組分會發生脫水和分解，生成偏高嶺土和無定形的二氧化硅和氧化鋁，原來的結晶相被分解破壞，此時煤矸石就具有了活性[2]。本試驗所采用煤矸石來源于北京，利用活化研究階段所得出的結論，將煤矸石投置于沸騰爐中煅燒，溫度控制在900℃左右，保溫2小時后空冷，然后粉磨成比表面積為450 m2/kg左右的煤矸石細粉[3]。

本文研究了活化煤矸石細粉對新拌C60混凝土性能的影響規律，同時將其與礦粉、粉煤灰進行了二元復配實驗研究，得出了活化煤矸石在制備高性能混凝土中的使用方法，并對其作用機理進行了分析。

1 原料和試驗方法

1.1 原材料

水泥：北京琉璃河P·O42.5級，礦物組成見表1。

表1 水泥的礦物組成 %

活化煤矸石：取自北京房山區，有兩條生產線將煤矸石破碎篩分，10～25mm作瀝青混凝土的集料，本試驗選用5mm以下的軟質煤矸石煅燒粉磨制得，比表面積454m2/kg。活化煤矸石粉、粉煤灰、礦粉化學成分見表2。經試驗測定，活化煤矸石粉的粒度分布見圖1。

表2 活化煤矸石粉、粉煤灰、礦粉化學組成

砂：Ⅱ區中砂，細度模數2.78，含泥量1.26%，低堿活性。

石：卵碎石，5～25mm連續級配，壓碎指標5%，針片狀含量3.6%，低堿活性。

超塑化劑：天津雍陽聚羧酸高效減水劑。

1.2 實驗方法

按全計算配合比設計法設計的無摻合料C60混凝土為基準，混凝土配合比如表3所示。試驗研究了活化煤矸石粉在不同摻量下取代水泥，對混凝土含氣量、坍落度、凝結時間和抗壓強度的影響及規律；同時對比煤矸石與礦粉、煤矸石與粉煤灰復摻下對混凝土工作性、力學性能的影響與規律，其配合比如表4所示。試驗通過調整外加劑摻量，使混凝土初始坍落度為210～220mm，擴展度為460～480mm。試驗方法遵照GB/T50080-2002和GB/T50081-2002的規定。

表3 基準混凝土配合比 kg/m3

2 試驗結果與分析

2.1 超塑化劑摻量隨摻合料摻量的變化

在混凝土初始坍落度和擴展度保持一定的情況下，單摻煤矸石粉和復合使用下，摻量對超塑化劑摻量的影響如圖3所示。

圖3表明單摻煤矸石粉時，超塑化劑的摻量隨矸石粉摻量的增加而增加，說明摻入煤矸石粉后，使混凝土的需水量增加。而矸石粉在與粉煤灰復合使用時，相同摻量矸石粉所需要超塑化劑的摻量低于單摻狀態。

表4 膠凝材料配合比（質量百分數） %

摻入活化煤矸石粉代替部分水泥后，一方面，更細的顆粒填充于水泥粗顆粒之間空隙中，使顆粒分布更加致密，排擠出空隙中的部分水分，潤滑顆粒，有助于改善混凝土的流動性。另一方面，由于活化煤矸石屬于脫水產物，煅燒后煤矸石都呈疏松狀態，結構中微孔較多，內比表面積較大，需要更多的水潤濕表面和填充孔隙，從而使混凝土的流動性變差，需水量增加[4]。兩種作用的綜合結果表現為混凝土需水量增加，且摻量越高，需水量越大。

當煤矸石與粉煤灰復合使用時，由于粉煤灰所具有的“玻璃微珠”效應，使得混凝土的需水量減少，當與煤矸石復配后，兩者的共同作用表現為需水量介于單摻煤矸石或粉煤灰兩者之間，改善了煤矸石粉需水量大的問題，使混凝土的流動性變好；當煤矸石與礦粉復配時，由于煤矸石的加入，改善了單摻礦粉時所產生的泌水現象，使混凝土流動性變好，但總體需水量依然偏高。

因此，在恒定用水量的情況下，為降低超塑化劑的用量，煤矸石粉更適合與粉煤灰復合使用。

2.2 摻活化煤矸石粉對含氣量的影響

活化煤矸石粉對新拌混凝土含氣量影響如圖4所示。

由圖4可以看出，摻入矸石粉后，混凝土的含氣量隨矸石粉的摻入量的增加呈現出略有升高然后降低的趨勢。這是因為煅燒后的煤矸石具有疏松多孔的結構，使得在摻入后攪拌過程中，排出內孔中的空氣，使混凝土的含氣量增加；但另一方面，加入煤矸石后優化了混凝土中細顆粒的粒度分布，使堆積結構更加致密，減少了混凝土中的含氣量。兩者相互作用的結果顯示為，低摻量下（10%～20%），混凝土的含氣量略有升高或變化不大，活化矸石粉的引氣作用占主導地位；但隨摻量的不斷增加，矸石粉對堆積結構的影響更為突出，因此混凝土含氣量逐漸降低。

2.3 摻活化煤矸石粉對凝結時間的影響

由圖5可見混凝土的凝結時間隨著煤矸石摻量的增加而延長。煤矸石摻量從10%到30%時，初、終凝時間變化幅度不明顯，說明煤矸石摻量10%～30%時處于適宜摻量的臨界狀態，當進一步增加摻量時，煤矸石對混凝土凝結時間的延緩作用大幅增加。這是因為煤矸石替代水泥后，水泥漿體濃度相對降低，有效水灰比增大。水化速率變慢，生成C-S-H凝膠的速率隨之變慢，變化為凝結時間延長。另一方面，低水膠比下，煤矸石更好地填充于水泥顆粒之間，釋放出的自由水使水泥漿體濃度更為降低，整個體系水化速率大大降低，混凝土凝結時間大大延長了。

2.4 摻活化煤矸石粉對坍落度經時損失的影響

試驗通過調整外加劑摻量，使混凝土初始坍落度為210～220mm，擴展度為460～480mm。不同摻量下活化煤矸石粉1h后的坍落度損失情況如圖6所示；矸石粉與粉煤灰、矸石粉與礦粉復合摻量下的坍落度1h后的損失情況如圖7、圖8所示。

圖6表明，隨著活化煤矸石摻量的增加，混凝土的坍落度隨時間保持能力逐漸下降。當摻量在10%～30%時，坍落度損失較小，1h后仍可達到170mm以上，當摻量超過30%后，坍損嚴重。

這是因為粒徑較小的矸石粉均勻分散于水泥顆粒之間，優化了堆積結構，阻止了水泥顆粒的凝聚，并可釋放出絮凝結構中的自由水。此外，由矸石粉SEM電鏡照片圖2可以看出，活化煤矸石微觀形貌上存在球形顆粒，能夠產生一定的“滾珠效應”，減弱骨料間的“聯鎖”作用[5]。這些均可使混凝土流動性提高并對其保持有利。但另一方面，由于煤矸石需水量大，導致混凝土經時坍損嚴重。兩者相互作用，表現為矸石粉摻量在20%時混凝土的經時坍損最小。圖7和圖8表明矸石粉分別與粉煤灰和礦粉配合使用下混凝土的經時坍損情況。由于粉煤灰具有“微珠效應”，可以起到減水的作用。因此，由圖7可以看出煤矸石與粉煤灰配合使用摻量40%，配合比為1∶3時1h坍損最小。由圖8可以看出，當煤矸石與礦粉復合使用時，其1h坍損較等量下單摻煤矸石時略有改善，并隨煤矸石對礦粉比例的增加而增大。當配合比例為3∶1時，1h后坍損達55mm,損失仍然較大。

2.5 摻活化煤矸石粉對混凝土抗壓強度的影響

摻活化煤矸石對C60混凝土各齡期抗壓強度影響如表5所示。

表5 混凝土各齡期抗壓強度

由表5數據作抗壓強度圖如圖9、圖10所示。

由表5和圖9中編號0～5可以看出，活化煤矸石有較強的增強作用。單獨使用，其摻量在 20%左右時，混凝土強度有較大的增長。由表5和圖10中編號6～13實驗結果可以看出，活化煤矸石在與粉煤灰復合使用時（編號7、8、9），同等摻量下其早期強度比單獨使用粉煤灰（編號6）要高，且后期強度亦有較大的提高。而活化煤矸石在與礦粉配合使用時（編號10～13），雖然強度亦有所增長，但由于其需水量較大，不適合應用。

活化煤矸石的活性來源主要是煅燒后分解生成的偏高嶺土，無定形的活性SiO2和Al2O3。水化早期，活性Al2O3與水泥水化產生的Ca(OH)2反應生成鈣礬石，可促進水泥水化；水化后期，其含有的活性SiO2可與水泥水化產物Ca(OH)2發生二次反應生成C-H-S凝膠，即火山灰反應。因此，活化煤矸石在使用過程中既有早期的增強作用，又有后期的強度增長保持能力。這種水化結果是在水化后期水化產物中的Ca(OH)2少、C-H-S凝膠的堿度低，系統中膠凝性水化產物多、漿體的孔結構更加合理。但由于其結構微孔較多，內比表面積大，需水量大，使得其在應用過程中更適合于同粉煤灰復合使用。既借助于粉煤灰的“形態效應”減少了混凝土單方用水量，改善了混凝土的和易性，節約了成本，又可彌補單摻粉煤灰摻合料所帶來的早期強度低的問題，縮短了拆模時間。因此，活化煤矸石更適合于與粉煤灰復合使用。

3 結論

（1）摻入活化矸石粉后混凝土需水量變大，為保持混凝土的同等流動性，所需超塑化劑隨摻量的增加而增大。當與粉煤灰復合使用時，可改善混凝土需水量，減少超塑化劑的使用量。

（2）活化矸石粉疏松多孔的結構可增加混凝土的含氣量，20%以下摻量時較為明顯，摻量增加，受堆積作用的影響，含氣量降低。

（3）混凝土凝結時間隨矸石粉摻量的增加而增大，摻量在30%以下時，對凝結時間的影響不大。

（4）活化煤矸石粉低摻量下可改善混凝土經時坍損。單摻煤矸石摻量低于30%時，混凝土坍落度損失較小；當煤矸石與粉煤灰復合使用40%摻量，摻和比例為1：1時，經時坍損最小。

（5）摻量低于20%的活化矸石粉混凝土早期強度比可達90%以上，后期強度亦有所增長，20%摻量下60d后抗壓強度高于空白試樣。在與粉煤灰復摻時，與單摻粉煤灰相比，復摻可提高混凝土早期強度，后期強度增長較大。因此，利用活化煤矸石粉可以制備C60以上的高強混凝土。

[1]王棟民, 左彥峰, 李俏, 范德科. 煤矸石的礦物學特性及建材資源化利用 [C]. 第四屆中國粉煤灰、礦渣及煤矸石加工與應用技術交流大會論文集, 2006(4): 79-86.

[2]郭偉，李東旭，陳建華．煤矸石在熱活化過程中相的組成和結構結構變化[J].2008(112): 204-207,192.

[3]范德科，王棟民，羅小紅．煤矸石的機械-熱力復合活化研究[J].混凝土與水泥制品.2008（6）:18-21.

[4]周雙喜.活化煤矸石細粉-水泥復合膠凝材料水化性能研究[J].硅酸鹽通報,2007,26(2):357-361,377.

[5]R.Duval，E.H.Kadri. Influence of silica fume on the workability and the eompressive strength of high-performance concretes [J]. Cement and Concrete Research,1998（28）：533-547.