煤矸石混凝土的滲透性影響研究★

王金濤 毛愛蘭

(1.河南省鄭州市軌道交通有限公司，河南 鄭州 450046； 2.廣西靈川縣國土資源局三街國土資源管理所，廣西 靈川 541202)

·建筑材料及應用·

煤矸石混凝土的滲透性影響研究★

王金濤1毛愛蘭2

(1.河南省鄭州市軌道交通有限公司，河南 鄭州 450046； 2.廣西靈川縣國土資源局三街國土資源管理所，廣西 靈川 541202)

用正交試驗研究了煤矸石的滲透性，分析了煤矸石替代碎石量、粉煤灰替代水泥量、礦渣替代水泥量對混凝土滲透性的影響，并探討了它們對混凝土滲透系數的影響，試驗結果表明：煤矸石替代碎石量為30%、礦渣替代水泥量為10%、粉煤灰替代水泥量為20%時，混凝土抗壓強度最高，滲透系數最??；在三因素中，煤矸石替代碎石量對混凝土的滲透系數影響最大；通過調整三因素的組分，可以將混凝土的力學性能和抗滲性控制在一個較好的水平。

煤矸石混凝土，粉煤灰，礦渣，滲透系數，正交試驗

0 引言

煤矸石是指在煤礦建設、煤炭開采及加工過程中排放出的廢棄巖石。大量廢棄的煤矸石多采用圓錐式或溝谷傾倒式自然堆存，我國工業對環境的污染較大，而且存在持續污染的趨勢。多年來國家非常支持、重視對煤矸石的綜合開發利用，但是由于一方面煤矸石的總保有量巨大，另一方面廢料綜合利用的數量不大，現階段我國煤矸石的綜合利用水平并不盡如人意，尚不到排矸量的15%，因此大力發展利用煤矸石生產建筑材料勢在必行。目前對煤矸石的研究大多數集中在：煅燒煤矸石生產水泥、利用化學激發、機械磨碎或煅燒提高煤矸石的活性等方面[2-12]，對不經磨碎或煅燒直接利用煤矸石的研究有較少報道。本文研究利用煤矸石替代部分碎石，利用粉煤灰或礦渣摻合料取代部分水泥，生產煤矸石混凝土綠色建筑材料。研究煤矸石混凝土的滲透性，對于煤矸石混凝土耐久性評價有直接的應用價值。國內研究煤矸石混凝土滲透系數的較少。本文主要研究煤矸石混凝土的組成對其滲透系數的影響。通過試驗研究獲得的上述影響因素或性能變化與滲透系數變化之間的規律，對于評估煤矸石混凝土的抗滲透性有直接幫助。另外，這些研究獲得的規律對于煤矸石混凝土的耐久性設計也有重要的參考價值。

1 試驗原材料與方法

1.1 試驗原材料

1.1.1 水泥

本試驗采用焦作堅固水泥有限公司生產的普通硅酸鹽水泥(P.O42.5)(Ordinary Portland Cement)。其化學組成，礦物組成及物理性能見表1～表3。

表1 堅固牌42.5級普通硅酸鹽水泥化學組成

表2 堅固牌42.5級普通硅酸鹽水泥礦物組成

表3 堅固牌42.5級普通硅酸鹽水泥的物理性能

1.1.2 砂子

試驗采用的是黃砂，細度模數2.94，符合試驗要求，為中砂。其篩分試驗結果見表4。

表4 砂子篩分試驗結果

1.1.3 減水劑

本試驗采用的是JKH-1型高效減水劑。其主要性能指標見表5。

表5 減水劑的主要性能指標

1.1.4 煤矸石

本試驗采用的煤矸石是由平頂山煤業集團天安一礦提供。煤矸石的化學成分見表6。

表6 煤矸石的化學成分

衍射分析圖譜如圖1所示。

1.1.5 粉煤灰

本試驗用的是二級粉煤灰。平頂山市姚孟電廠生產。粉煤灰的化學成分見表7。

表7 粉煤灰的化學成分

1.1.6 礦渣

本試驗用的礦渣是由焦作堅固水泥二廠，生產水泥作為混合材而加入產品的礦渣。礦渣的化學組成見表8。

表8 礦渣的化學組成

1.1.7 碎石

本試驗所采用的石子是碎石，連續級配，級配范圍為5 mm～20 mm。天然場地曬干，完全干燥，略有含泥量，可忽略不計。其物理性能見表9。

表9 碎石物理性能

1.2 試驗方法

根據GB/T 50081-2002普通混凝土力學性能試驗方法標準測定。滲透系數的測定方法是采用真空包、鹽設備和NEL-PD型混凝土滲透性檢測系統完成試驗。該設備可快速檢測混凝土中的氯離子擴散系數，從而評價混凝土滲透性的高低。

2 試驗方案

2.1 因素和水平

由于要考察煤矸石替代碎石量、粉煤灰替代水泥量、礦渣替代水泥量對煤矸石混凝土的抗壓強度和滲透系數的影響，對該因素選擇3個水平。正交試驗因素水平表見表10。

2.2 選擇正交表安排試驗方案

本次試驗采用3個水平，3個因素的正交表。試驗對應的正交表是L(34)，表示用該表需作9次試驗，強度試驗的試塊按15 cm×15 cm×15 cm試模澆灌，分7 d,28 d抗壓強度及28 d滲透系數來考核。方案設計及結果見表11。

表11 正交試驗配合比與試驗結果

2.3 試驗結果分析

2.3.1 極差分析

表12 極差分析表

從表12可知，在試驗因素水平變化范圍內，以煤矸石混凝土7 d抗壓強度為考核指標，則各因素的影響順序為：煤矸石>礦渣>粉煤灰，優方案為：A2B2C2；以28 d抗壓強度為考核指標，則各因素的影響順序為：粉煤灰>煤矸石>礦渣，優方案為：A2B3C2。以滲透系數為考核指標，各因素的影響順序為：煤矸石>粉煤灰>礦渣。優方案為：A2B3C2。

從圖2～圖4可知，煤矸石混凝土在煤矸石替代碎石量30%、礦渣替代水泥量10%時抗壓強度達到最大，滲透系數達到最小，而在粉煤灰替代水泥量20%時，僅28 d抗壓強度達到低谷。根據某因素對各指標的影響程度相差不大時，按少數服從多數的原則[13]，選取出現次數較多的優水平原則，則粉煤灰替代水泥量選取20%。因此，煤矸石混凝土的優方案為：A2B3C2，即C5方案。

從直觀分析可以看出，方案C5是最優方案，煤矸石混凝土7 d,28 d的抗壓強度最大，28 d的滲透系數最小。

2.3.2 三因素對混凝土滲透系數的影響

1)煤矸石對滲透系數的影響。

煤矸石混凝土的滲透系數與其組成具有緊密的關系，在煤矸石、粉煤灰、礦渣三種物質中，煤矸石替代碎石時，相比其余兩種物質粒徑大，它的變化對混凝土內部的孔隙率影響大，所以，煤矸石對滲透系數的影響最大。隨著煤矸石替代碎石量的增加，煤矸石把混凝土中的孔隙逐漸充填，孔隙率降低，滲透系數減少，當煤矸石替代碎石超過30%時，孔隙又增多，孔隙率又增加，滲透系數增加。

2)粉煤灰對滲透系數的影響。

當粉煤灰摻量較低時，來自玻璃珍珠的潤滑作用不明顯，對水泥的分散作用不均勻，內部含有較多的孔隙，隨著粉煤灰替代水泥量的增加，混凝土的滲透系數增大[14]。當粉煤灰的替代水泥量超過20%時，粉煤灰的微集料表現為良好的填充效應和界面效應，使混凝土有良好的粘聚性，混凝土的孔結構得到改善，混凝土的密度增加，混凝土的滲透系數降低。

3)礦渣對滲透系數的影響。

礦渣替代水泥量為10%時，滲透系數最小。礦渣替代水泥量過大時，混凝土的粘聚性增加，可供蒸發的水分少，混凝土收縮性很大，孔隙率增多，滲透系數增大。當礦渣替代水泥量較小時，混凝土的保水性相對較差，內部存在大量的自由水，混凝土的凝結時間較短，混凝土的強度較高，此時，滲透系數較低。礦渣最佳替代水泥量應使混凝土的水分充分利用，混凝土的孔隙率達到最小，滲透系數達到最低。

3 結語

利用正交試驗確定了煤矸石混凝土的最優配方：煤矸石替代碎石量30%、礦渣替代水泥量10%、粉煤灰替代水泥量20%。此時的抗壓強度最高，滲透系數最小。在三因素中，煤矸石替代碎石量對混凝土的滲透系數影響最大。通過調整三因素的組分，可以將煤矸石混凝土的力學性能和抗滲性控制在一個較好的水平，提高混凝土的耐久性，又充分利用了廢物，保護了環境。

[1] 李永生，郭金敏．煤矸石及其綜合利用[M].徐州：中國礦業大學出版社，2006：1-10．

[2] 王吉晶，公明明，高孟華，等．高溫煅燒和機械球磨對煤矸石反應活性的影響[J].華東理工大學學報，2007,33(6)：765．

[3] 李化建，孫恒虎，鐵旭初，等．熱處理煤矸石活性評價方法的研究[J].煤炭學報，2006，31(5)：35．

[4] 宋旭艷，宮晨琛，李東旭．煤矸石活化過程中結構特性和力學性能的研究[J]．硅酸鹽學報，2004，32(3)：358-363．

[5] 盂云芳，眭克仁，買文智．復合礦物摻和料對混凝土的增強效應[J].建筑材料學報,2007，10(6)：724．

[6] 周 梅，朱 涵，汪 振．雙鋼纖維增強自燃煤矸石輕集料混凝土試驗研究[J].建筑材料學報,2008，11(6)：716．

[7] 劉賢萍，王培銘．活化煤矸石/粉煤灰水泥水化過程及性能差異[J].建筑材料學報,2010,13(3):371．

[8] 郭 偉，李東旭，陳建華,等．機械活化煅燒煤矸石水泥的早期水化過程[J].硅酸鹽學報,2008,36(1)：290．

[9] V.M.Kidavainen．Review and analysis of factors controlling the mechanical flotation of gangue minerals[J]．Int.J.Miner Process,1996(46):91-92.

[10] Skarzynska K M．Reuse of coal mining waste in(ivilengineering-part2：Utilization of minestone[J].Waste Management，1995，15(2)：83-126．

[11] 孫振平，蔣正武．礦渣粉大量替代水泥對高效減水劑作用的影響[J].建筑材料學報,2003,6(3)：231.

[12] 陳 波，張亞梅，郭麗萍．大摻量粉煤灰混凝土干燥收縮性能[J].東南大學學報(自然科學版),2007,37(2)：335．

[13] 李云雁,胡傳榮．試驗設計與數據處理[M]．北京：化學工業出版社，2010：134．

[14] 李 東,葉以挺.聚丙烯纖維混凝土早期抗裂性能試驗研究[J].混凝土與水泥制品,2009(6)：40.

Influenceonpermeabilitycoefficientofgangueconcrete★

WANGJin-tao1MAOAi-lan2

(1.HenanZhengzhouRailTransportationCompanyLimited,Zhengzhou450046,China; 2.SanjieLandandResourcesManagementOffice,GuangxiLingchuanLandandResourcesBureau,Lingchuan541202,China)

This paper researched the permeability of gangue using the orthogonal test, analyzed the application using gangue instead of gravel quantity, using fly ash instead of cement quantity, using slag instead of content quantity to concrete permeability, and discussed their influence to concrete permeability coefficient, the test results showed that: when gangue instead of gravel quantity was 30%, slag instead of cement content was 10%, the fly ash instead of cement content was 20%, the concrete compressive strength maximum, the permeability coefficient minimum, in the three factors, the permeability influence coefficient to concrete was largest using gangue instead of gravel, through adjusting the three factors components, could control the concrete mechanical properties and anti permeability in a good level.

gangue concrete, fly ash, slag, permeability coefficient, orthogonal test

1009-6825(2014)33-0095-03

2014-09-13★：河南省科技攻關項目資助(項目編號：092102310233)

王金濤(1984- )，男，助理工程師； 毛愛蘭(1969- )，女，助理工程師

TU528

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