硫酸鹽與氯鹽環(huán)境下大摻量煤矸石混凝土性能★

王金濤 尤培波

(1.河南省鄭州市軌道交通有限公司，河南 鄭州 450046； 2.河南城建學院交通運輸工程學院，河南 平頂山 467036)

硫酸鹽與氯鹽環(huán)境下大摻量煤矸石混凝土性能★

王金濤1尤培波2

(1.河南省鄭州市軌道交通有限公司，河南 鄭州 450046； 2.河南城建學院交通運輸工程學院，河南 平頂山 467036)

采用硫酸鹽侵蝕和NEL法，對大摻量煤矸石混凝土經過硫酸鹽侵蝕后的質量損失、強度損失等進行了試驗研究，并分析了煤矸石混凝土抗壓強度與碎石摻量之間的關系，得出了一些有意義的結論，對預測、控制和改善大摻量煤矸石混凝土的性能具有一定的實際意義。

煤矸石混凝土，滲透系數(shù)，質量損失，強度損失

煤矸石是一種礦業(yè)固體廢物，我國煤矸石的綜合利用率尚不到排矸量的15%，其余的煤矸石對周圍環(huán)境造成極大污染，嚴重影響和危害人們的生活與健康，煤矸石的環(huán)境治理問題已成為當務之急。當前煤矸石綜合利用主要以煤矸石發(fā)電、復墾回填及無害化處理等為重點，其中利用煤矸石生產建筑材料又是其綜合利用的主要途徑之一。利用煤矸石生產集料來拌制混凝土，可以大量減少建筑行業(yè)對天然集料的使用量，配制混凝土強度能滿足工程使用的要求，具有較高的經濟效益和社會效益[1]。許多學者考查了摻煤矸石混凝土的耐久性，發(fā)現(xiàn)摻入煤矸石后，混凝土密實度提高，具有較好的抗凍性，抗?jié)B性，抗硫酸鹽侵蝕，較低的氯離子擴散速度和護筋能力[2-5]。但在這些研究中，大多以自燃煤矸石、低摻量的煤矸石、煤矸石經過煅燒為基礎，而對大摻量煤矸石混凝土耐久性的報道還比較少。本文選取高摻量煤矸石集料配制混凝土，進行了在氯離子與硫酸鹽環(huán)境下的試驗研究與討論，希望在市政建設中開發(fā)出新型環(huán)境友好材料。

1 試驗材料與試驗方法

1.1 試驗材料及配合比

水泥采用焦作堅固水泥有限公司生產的32.5級普通硅酸鹽水泥。石子采用的是碎石，級配為3 mm～10 mm，壓碎指標10.9%，表觀密度2 680 kg/m3，堆積密度1 450 kg/m3，含泥量0.56%。試驗用砂采用中砂，細度模數(shù)2.94。減水劑為JKH-1型高效減水劑，減水率為18%～25%。煤矸石來自中平能化集團天安一礦，級配為3 mm～10 mm，壓碎指標15.2%，堆積密度1 050 kg/m3，含泥量2.2%。煤矸石的化學成分見表1。

表1 煤矸石的化學成分 %

1.2 試驗方法

試驗采用尺寸為100 mm×100 mm×100 mm的試件，每種情況下制作3個試件。混凝土采用機械拌和、振動臺振搗，試模成型，靜置24 h后拆模，并移至標準養(yǎng)護室養(yǎng)護至28 d后將試件取出，然后移入5%Na2SO4溶液中浸泡16 h，取出晾干1 h，然后在烘干箱內80 ℃干燥6 h，1 h后測試其質量損失和強度損失。

抗氯離子滲透試驗采用NEL法。利用分析純NaCl和蒸餾水配制4M NaCl鹽溶液，靜停24 h備用。將混凝土試件切割成100 mm×100 mm×50 mm的試樣，上下表面平整，將試樣浸泡入飽和食鹽水中24 h，然后將混凝土試樣放入夾具的兩紫銅電極之間，用APT測試軟件檢測混凝土中的滲透系數(shù)，作為混凝土的滲透系數(shù)。

2 試驗結果與討論

根據(jù)水工混凝土試驗規(guī)程(DL/T 5150—2001)標準，利用煤矸石取代碎石，配置C20等級混凝土，試驗設計及結果分別見表2、表3。

表2 煤矸石混凝土試驗方案

表3 煤矸石混凝土試驗結果

2.1 硫酸鹽侵蝕質量損失

圖1是煤矸石混凝土試塊經過硫酸鹽侵蝕后質量的變化情況。從圖1可以看出，隨著煤矸石摻量的增加，混凝土試塊的質量損失呈現(xiàn)先增后減再增的變化規(guī)律，但總的趨勢是增加的。在碎石摻量為20%時，質量損失最大；在碎石摻量為50%時，質量損失最小，比基準混凝土降低了1.236%。

2.2 硫酸鹽侵蝕強度損失

從圖2中可以看出，隨著碎石摻量的增加，煤矸石混凝土的強度整體上呈現(xiàn)出增加的趨勢。與基準混凝土相比，在碎石摻量為10%時，其強度升高了21.4%；在碎石摻量為50%時，強度最大，達到24.7 MPa；在碎石摻量為30%時，強度最低，下降了14.3%。與硫酸鹽侵蝕前相比，煤矸石混凝土的強度降低，基準混凝土強度損失了18.2%，在碎石摻量為20%時，煤矸石混凝土強度損失最多，達到21.5%；在碎石摻量為50%時，煤矸石混凝土強度為23.9 MPa，超過20 MPa。隨著煤矸石摻量的增加，混凝土強度總體上是降低的，原因可能是煤矸石的壓碎值是15.2%，碎石的壓碎值是10.9%，兩者的強度有一定的差距，由于基準混凝土硬化收縮比煤矸石、碎石混摻集料的混凝土大，煤矸石粗集料易成為薄弱環(huán)節(jié)，所以基準混凝土產生的內應力小于混摻集料混凝土。

2.3 硫酸鹽侵蝕前后抗壓強度與碎石摻量關系分析

硫酸鹽侵蝕前后抗壓強度與碎石摻量變化關系見圖3，二者存在顯著的三次方函數(shù)關系，可以用式(1),式(2)描述：

y=0.656 5x3-6.130 6x2+16.548x+4.466 7，

R2=0.940 1

(1)

y=0.000 5x3-0.030 8x2+0.407 5x+12.795，

R2=0.947 6

(2)

其中，x為碎石摻量，%；y為硫酸鹽侵蝕前后混凝土抗壓強度值，MPa；R2為回歸系數(shù)。

這樣，就可以通過碎石摻量預測煤矸石混凝土硫酸鹽侵蝕前后抗壓強度值，或者已知硫酸鹽侵蝕前后抗壓強度損失值，估算碎石摻量,對預測、控制和改善煤矸石混凝土的性能具有實際意義。

2.4 滲透性

圖4是煤矸石混凝土試塊在不同碎石摻量情況下的滲透系數(shù)，由此可以看出，隨著碎石摻量的增加，混凝土滲透性總體上是降低的。在不摻碎石時，煤矸石混凝土的滲透性最大；在碎石摻量為50%時，煤矸石混凝土的滲透性最小；與基準混凝土相比，碎石摻量為50%時，煤矸石混凝土的滲透性降低了35.1%，其滲透系數(shù)為3.84×10-10cm2/s，根據(jù)混凝土滲透性評價標準，當滲透系數(shù)小于10×10-10cm2/s時，混凝土的滲透等級為Ⅵ，該摻量下的混凝土滲透性評價是極低的。

3 結語

1)在煤矸石摻量為50%時，煤矸石混凝土經過硫酸鹽侵蝕后的質量損失最小，比基準混凝土降低了1.236%。2)隨著煤矸石摻量的增加，煤矸石混凝土的強度整體上呈現(xiàn)出減小的趨勢。與硫酸鹽侵蝕前相比，煤矸石混凝土的強度降低。煤矸石摻量為100%時混凝土強度損失了18.2%；煤矸石摻量為20%時，煤矸石混凝土強度損失最多，達到21.5%，在煤矸石摻量為50%時，其強度損失為3.2%。3)隨著煤矸石摻量的增加，混凝土滲透性總體上是增加的。在煤矸石摻量為50%時，煤矸石混凝土強度為23.9 MPa，其氯離子滲透性極低。該摻量下的煤矸石混凝土可考慮開發(fā)建筑材料。4)硫酸鹽侵蝕前后抗壓強度與碎石摻量之間均存在著顯著的三次方函數(shù)關系，這對預測、控制和改善大摻量煤矸石混凝土的性能具有一定的實際意義。

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Mass coal gangue concrete performance under the sulfate and chloride salt environment★

Wang Jintao1You Peibo2

(1.HenanZhengzhouRailTransportationLimitedCompany,Zhengzhou450046,China;

2.TransportationEngineeringSchool,HenanUniversityofUrbanConstruction,Pingdingshan467036,China)

Using the sulfate erosion and NEL method, this paper made test research on weight loss, strength loss etc. of mass coal gangue concrete after sulfate corrosion, and analyzed the relationship between coal gangue concrete, compression strength and gravel contents, drew some meaningful conclusions, had certain practical significance to predict, control and improve the performance the mass gangue concrete contents.

coal gangue concrete, permeability coefficient, weight loss, strength loss

1009-6825(2015)02-0096-02

2014-11-07★：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； 尤培波(1986- )，男，助教

TU528

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