雙摻活化煤矸石和粉煤灰高性能混凝土研究

何磊磊，朱月風(fēng)

(長安大學(xué)公路學(xué)院)

0 引言

混合摻料高性能混凝土是一種新型的混凝土材料。作為現(xiàn)代混凝土的發(fā)展之一，它要求混凝土不只要有良好的工作性、強(qiáng)度、適應(yīng)性和耐久性，還要有良好的經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保效益。當(dāng)前粉煤灰是高性能混凝土的主要摻和料。但我國的優(yōu)質(zhì)粉煤灰很少，90%以上為質(zhì)量較差的粉煤灰，不僅利用率低，還容易造成環(huán)境污染和資源浪費。煤矸石是煤炭開采和加工過程中排放的廢棄巖石，占我國工業(yè)廢渣排放量的1/4。我國煤矸石排放量很大，這些煤矸石的堆放不僅占用大量的農(nóng)田，其中的粉塵和有害離子還會污染環(huán)境，威脅人體健康。對其研究并充分利用，已經(jīng)成為一個亟待解決的問題。處理煤矸石爐渣的最佳辦法就是對其資源化利用，既能消除煤矸石對環(huán)境的污染，又提高了的工業(yè)廢料的綜合利用率。大量試驗證明，煤矸石能優(yōu)化混凝土孔結(jié)構(gòu)，提高水泥混凝土的抗壓強(qiáng)度和抗?jié)B性等。通過試驗研究了雙摻煤矸石和低品質(zhì)粉煤灰高性能混凝土的工作性能、力學(xué)性能、抗?jié)B性和孔結(jié)構(gòu)。

1 原材料和配合比

1.1 原材料

水泥:陜西秦嶺水泥廠生產(chǎn)的拉法基PO 42.5水泥，其性能指標(biāo)見表1。粉煤灰:需水量比117%，細(xì)度14%，化學(xué)成分見表2。煤矸石:徐州煤矸石，主要礦物成分為石英和高嶺石，化學(xué)成分見表2。細(xì)集料:機(jī)制砂，細(xì)度模數(shù)2.67，表觀密度2 693 kg/m3，石粉含量14.13%。粗集料:碎石，粒徑5～25 mm，連續(xù)級配碎石，表觀密度2 674 kg/m3。外加劑:氨基磺酸鹽系高效減水劑。

表1 水泥的主要性能

表2 粉煤灰和煤矸石化學(xué)成分表 /%

1.2 配合比

煤矸石和粉煤灰的比例為7∶3，雙摻料替代40%的水泥。選用五組試樣做試驗，各組混凝土膠凝材料分別采用360 kg/m3、400 kg/m3、440 kg/m3、480kg/m3和500 kg/m3，混凝土配合比見表3。

表3 混凝土配合比 kg/m3

2 試驗結(jié)果及討論

2.1 抗壓強(qiáng)度及塌落度

不同膠凝材料用量的混凝土坍落度和抗壓強(qiáng)度結(jié)果如表4所示。

表4 高性能混凝土的坍落度及抗壓強(qiáng)度

從表4可以看出，雙摻煤矸石和低品質(zhì)粉煤灰對混凝土早期強(qiáng)度影響不大。28 d抗壓強(qiáng)度與3 d抗壓強(qiáng)度相比有大幅提高，混凝土后期強(qiáng)度增長較快。這說明兩種外摻料可以顯著提高混凝土的后期強(qiáng)度。

由試驗結(jié)果可以看出，隨著膠凝材料的增多，混凝土塌落度從30 mm減小到了15 mm。且在混凝土拌和過程中，混凝土未出現(xiàn)泌水現(xiàn)象，和易性和工作性良好。這是因為活化煤矸石的形態(tài)效應(yīng)和填充效應(yīng)彌補(bǔ)了粉煤灰需水量大的缺點，改善了新拌混凝土的和易性，增大了流動性。一方面，煤矸石的二次水化產(chǎn)物可以有效減少且細(xì)化粗大孔，阻斷部分連通孔，從而有效的優(yōu)化孔結(jié)構(gòu);另一方面，煤矸石水化速度慢，水化產(chǎn)物比未摻煤矸石的水泥總量要少，因此總孔隙率較高。用活化煤矸石和低品質(zhì)粉煤灰取代部分水泥，不僅降低了水泥用量，由于兩種外摻料活性低，還減緩了整個體系的反應(yīng)速度，從而減小整體塌落度。

活化煤矸石細(xì)度較小，分散在混凝土體系中可以起到骨架填充的作用。除此之外，活化煤矸石的水化產(chǎn)物可以有效填充界面間的空隙，密實界面間的結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)水泥石結(jié)構(gòu)和界面的粘結(jié)力。

2.2 高性能混凝土的抗氯離子滲透性能

測試5組試樣的抗氯離子滲透性能，試驗結(jié)果見表5。

表5 高性能混凝土抗氯離子滲透性能

由表5數(shù)據(jù)可以看出，試樣1的氯離子擴(kuò)散系數(shù)較大，其余各組則均分布在182×10-14～197×10-14m2/s之間，說明雙摻活化煤矸石和低品質(zhì)粉煤灰可以顯著提高混凝土的抗氯離子滲透性能。

混凝土的抗氯離子滲透性能與兩個因素有關(guān)，一個是混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)阻礙氯離子擴(kuò)散的能力;另一個是混凝土結(jié)合氯離子的能力，也就是固化能力。由于粉煤灰的火山灰效應(yīng)，混凝土內(nèi)部Ca(OH)2數(shù)量減少，膠凝物質(zhì)增多，增加了混凝土的物理吸附和化學(xué)固化能力，增大了水泥石和集料之間的粘結(jié)強(qiáng)度，降低了混凝土中氯離子的滲透速度;活化煤矸石和低品質(zhì)粉煤灰的摻入減小了混凝土的最小孔徑和平均孔徑，增大了分形維數(shù)，優(yōu)化了孔結(jié)構(gòu)，使內(nèi)部結(jié)構(gòu)更加密實，從而增加抗氯離子滲透性;由于煤矸石的火山灰效應(yīng)，在減少Ca(OH)2的同時生成了較穩(wěn)定的水化硅酸鈣凝膠，使水化產(chǎn)物的組成得到了極大的改善;除此之外，煤矸石的細(xì)小顆粒能有效填充水泥混凝土的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，不僅減小了平均孔徑的大小，提高了混凝土的結(jié)構(gòu)密實度，還增大了水泥石結(jié)構(gòu)和界面的粘結(jié)強(qiáng)度，阻斷了滲透通道，有效提高混凝土的抗?jié)B性。由此可以得出:雙摻煤矸石和低品質(zhì)粉煤灰可以提高混凝土的抗氯離子滲透性能。

2.3 高性能混凝土的孔結(jié)構(gòu)

通過電子顯微鏡對混凝土的內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀察發(fā)現(xiàn):由于煤矸石的填充作用，活化煤矸石與水泥漿體緊密結(jié)合，水泥石連接界面比較緊密，Ca(OH)2晶體變的不明顯，石灰石粉表面沉積著一層Ⅲ型C-S-H凝膠，使水泥石結(jié)構(gòu)更加緊密。

粉煤灰和煤矸石的細(xì)微顆粒有效填充混凝土內(nèi)部的毛細(xì)孔，使大孔細(xì)化，增加了毛細(xì)孔的分形維數(shù)，降低了平均孔徑，顯著改善混凝土的孔結(jié)構(gòu);活化煤矸石的摻入不僅減小了混凝土中Ca(OH)2的含量，還生成了穩(wěn)定的水化硅酸鈣凝膠，減小了毛細(xì)孔孔徑，優(yōu)化了孔結(jié)構(gòu)和孔級配。

3 結(jié)論

(1)采用煤矸石和低品質(zhì)粉煤灰雙摻替代40%水泥可以產(chǎn)生很好的復(fù)合效應(yīng)配置出性能優(yōu)異的高性能混凝土。

(2)采用活化煤矸石和低品質(zhì)粉煤灰配制的高性能混凝土和易性好，塌落度小，后期強(qiáng)度增長快，具有良好的工作性能。

(3)在普通混凝土中雙摻煤矸石和粉煤灰能顯著改善混凝土的孔結(jié)構(gòu)和孔集配，提高混凝土抗氯離子滲透性能。

(4)開發(fā)利用活化煤矸石與低品質(zhì)粉煤灰的復(fù)合摻和料，既能降低成本又能充分利用工業(yè)廢料，保護(hù)環(huán)境，具有巨大的經(jīng)濟(jì)價值和社會環(huán)境效益。

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