煤矸石泡沫混凝土性能研究

鄭小磊，馬其華，曹富榮，張慶赟

（山東科技大學(xué) 礦業(yè)與安全工程學(xué)院，山東 青島 266590）

煤矸石是在成煤過程中與煤層伴生的巖石，某些煤矸石中還有一定的含碳量，將煤矸石變廢為寶，節(jié)能節(jié)地，增加產(chǎn)值，是未來煤矸石發(fā)展的必然趨勢；以煤矸石為主要原材料制備泡沫混凝土的相關(guān)研究在21世紀(jì)初開始有了很大的發(fā)展，劉寧通過對發(fā)泡劑的研究發(fā)現(xiàn)其選用的發(fā)泡劑溶液的濃度在2.5%時發(fā)泡效果最好，并且采用機械攪拌有利于提高發(fā)泡倍數(shù)[1]；俞心剛研究發(fā)現(xiàn)煤矸石煅燒溫度為750℃時活化效果最佳，水灰比為0.80時泡沫混凝土使用效果最佳；隨著泡沫劑摻量增加，流動度會減小，且當(dāng)泡沫劑的摻量超過 0.15%時，其強度會顯著下降，且成型后出現(xiàn)沉陷[2]；周海兵通過試驗研究發(fā)現(xiàn)發(fā)泡劑K-12濃度為0.4%、穩(wěn)泡劑（D）為0.06%時，其發(fā)泡效果最好[3]。目前，對煤矸石粒徑、不同水灰比、煤矸石摻量對泡沫混凝土的影響研究還不夠完善，為此通過發(fā)泡劑的配置，煤矸石破碎篩選分級，試配不同水灰比，研究水灰比和煤矸石摻量對泡沫混凝土的工作性能和力學(xué)特性的影響，確定試配煤矸石泡沫混凝土的最佳水灰比和最佳煤矸石摻量，研究泡沫混凝土的壓縮力學(xué)特性[4-5]。

1 試驗儀器及原材料

本試驗用到的實驗儀器有顎式破碎機、手持式電鉆攪拌機、MeiLen電子稱、禾詩電子稱、泡沫泌水沉降距測量儀、電子萬能試驗機等。

原材料如下：

1）煤矸石。采用左權(quán)盤城嶺煤礦的煤矸石，主要成分是石英、高嶺石、黃鐵礦以及大量的鋁質(zhì)黏土類礦物。其主要化學(xué)成分及含量見表1。

表1 煤矸石主要化學(xué)成分及含量

2）發(fā)泡劑。采用十二烷基硫酸鈉(又稱K-12)為發(fā)泡劑，其分子式為CH3(CH2)11OSO3Na，總醇量不少于59%，易溶于水，其水溶液密度為1.03 g/cm3，在配置溶液時需先將其研磨成粉末狀，便于快速溶解。

3）穩(wěn)泡劑。用改性硅樹脂聚醚微乳液(又稱FM-550)為穩(wěn)泡劑，聚醚含量55%[6-7]，活性物含量高，常溫為液體，水溶性好。溶于水后，能使發(fā)泡劑分子在氣泡液膜中有序分布，改善泡沫的黏性和自修復(fù)能力，泡沫不易破滅，更加穩(wěn)定。

4）水泥。采用市售425快干防裂散裝水泥。

5）水。采用實驗室自來水，屬于二次凈化用水，含微量次氯酸。

2 試驗過程及分析

2.1 發(fā)泡劑的配制

根據(jù)試驗方案分別配制濃度為0.2%、0.3%、0.4%、0.5%、0.6%的十二烷基硫酸鈉溶液，不同濃度的發(fā)泡效果見表2。

表2 不同濃度K-12溶液的發(fā)泡效果

不同濃度發(fā)泡劑的發(fā)泡效果在不同濃度時，其變化差異不同，不同濃度K-12溶液起泡高度如圖1。由圖1可知，發(fā)泡劑濃度低于0.4%時，其起泡能力隨著濃度增加而增加，當(dāng)濃度大于0.4%時，其起泡能力隨著溶液濃度增加而逐漸變小。

2.2 煤矸石的篩選

用破碎機將煤矸石破碎，用標(biāo)準(zhǔn)篩對其的進行篩選分級，篩分區(qū)間為＜1.7 mm，1.7～＜2.36 mm，2.36 ～＜3.35 mm，3.35 ～＜4.75 mm，4.75 ～＜9.5 mm，9.5～＜25 mm，其顆粒占比情況見表3。

從上表可以看出經(jīng)破碎后的煤矸石顆粒主要粒徑范圍在4.75～9.5 mm內(nèi)。

圖1 不同濃度K-12溶液起泡高度

表3 煤矸石顆粒分布情況

2.3 水灰比對煤矸石泡沫混凝土性能的影響

由于影響煤矸石泡沫混凝土的坍落度以及抗壓強度的因素較多，因此為了研究水灰比對其的影響，在設(shè)計試驗時設(shè)定矸石粒徑4.75～9.5 mm、灰料比為1:1、泡沫摻量為水泥質(zhì)量的50%保持不變，研究不同水灰比對泡沫混凝土的影響（表4）。

表4 不同水灰比煤矸石泡沫混凝土試配方案

不同水灰比煤矸石的泡沫混凝土的坍落度情況見表5，由坍落度數(shù)據(jù)繪制的坍落度-水灰比變化曲線如圖2。由圖2看出，水灰比應(yīng)該在0.35左右。隨著水灰比的增加，煤矸石泡沫混凝土的流動度明顯增大，因此在試配泡沫混凝土?xí)r應(yīng)該嚴(yán)格控制水灰比，試配過程中要攪拌充分，使得混凝土混合均勻。

表5 不同水灰比對應(yīng)坍落度

測試完坍落度后，將泡沫混凝土再次攪拌均勻入模養(yǎng)護，入模養(yǎng)護28 d后脫模進行抗壓強度的測量，每組試驗試配了3塊100 mm×100 mm×100 mm的混凝土塊，對其進行單軸抗壓強度的測量，加載速率為0.01 mm/s。

圖2 坍落度-水灰比變化曲線

根據(jù)不同水灰比下的煤矸石泡沫混凝土的抗壓強度數(shù)據(jù)繪制的水灰比-抗壓強度變化曲線圖如圖3。

圖3 不同水灰比下的抗壓強度曲線變化

從圖3可發(fā)現(xiàn)，在水灰比為0.2～0.3之間時，泡沫混凝土的28 d抗壓強度在3 MPa以上，泡沫混凝土的抗壓強度隨著水灰比的增加在逐漸變小。

通過研究發(fā)現(xiàn)，若選擇0.2的水灰比，則試配的泡沫混凝土坍落度達到13.8 cm，屬流動性混凝土，此時試配的煤矸石泡沫混凝土的28 d養(yǎng)護強度達到4.13 MPa，而隨著水灰比的增大，泡沫混凝土的離析率變大，和易性變差，坍落度隨之降低，直接導(dǎo)致養(yǎng)護后抗壓強度明顯減弱，水灰比增加1倍，抗壓強度減少1倍左右。

2.4 煤矸石摻量對煤矸石泡沫混凝土性能的影響

煤矸石顆粒可以在泡沫混凝土充當(dāng)骨架的作用支撐混凝土的強度，因此煤矸石的摻加量會直接影響泡沫混凝土的工作性以及力學(xué)特性，設(shè)計煤矸石摻量為50%～70%研究其對泡沫混凝土的影響[8-9]，試配方案中保持水灰比0.2、煤矸石粒徑4.75~9.5 mm、泡沫液質(zhì)量為水泥質(zhì)量1/2參數(shù)不變，不同矸石占比煤矸石泡沫混凝土試配方案見表6。

根據(jù)表6進行不同煤矸石摻量的泡沫混凝土的試配，試配完成后進行坍落度的測量，其坍落度隨摻量的變化曲線如圖4。

表6 不同矸石占比煤矸石泡沫混凝土試配方案

圖4 不同煤矸石摻量的坍落度

從圖4可以發(fā)現(xiàn)，隨著煤矸石摻加量的增加，泡沫混凝土的坍落度明顯減少，說明煤矸石泡沫混凝土的流動性、和易性隨著煤矸石的摻加而變?nèi)酰菽炷猎诿喉肥瘬搅窟_到70%時其漿體呈現(xiàn)一定的塑性，流動性明顯出現(xiàn)損傷[10-11]。

對泡沫混凝土進行合理養(yǎng)護28 d，對混凝土塊進行了濕密度測試以及抗壓強度的測試，不同煤矸石摻量對應(yīng)密度和抗壓強度的關(guān)系見表7。

表7 不同煤矸石摻量對應(yīng)密度和抗壓強度

由表7可知，煤矸石泡沫混凝土的抗壓強度受煤矸石的摻量影響，煤矸石摻量為55%和60%時，試配的泡沫混凝土強度比較高，其強度在4.9 MPa左右；由于煤矸石的占比不同，試配的煤矸石泡沫混凝土的密度也不同，其變化關(guān)系呈線性增長，在煤矸石占比達到70%時[2，12-14]，此時試配的泡沫混凝土密度達到1.62 g/cm3。

3 結(jié) 論

1）通過試驗研究發(fā)現(xiàn)，水灰比對煤矸石泡沫混凝土的坍落度影響較大，當(dāng)泡沫摻量為1/2水泥質(zhì)量時，試配的泡沫混凝土的水灰比在0.20~0.35時，其坍落度在10~15 cm，漿體呈現(xiàn)流動性，而隨著水灰比的繼續(xù)增大，坍落度也變大，漿體的和易性變差，離析率也開始增大，28 d養(yǎng)護的單軸抗壓強度低于3 MPa，試配的煤矸石泡沫混凝土的抗壓強度出現(xiàn)了嚴(yán)重?fù)p失，研究發(fā)現(xiàn)水灰比為0.2時，試配的泡沫混凝土具有良好流動性，其坍落度為13.8 cm，平均抗壓強度為4.13 MPa。

2）煤矸石摻量的增加使得泡沫混凝土漿體的坍落度逐漸減小，漿體塑性增強，同時隨著煤矸石摻量的增加，試配的煤矸石泡沫混凝土的密度也在稍微增加，但是試配的試塊的平均抗壓強度在煤矸石摻量為60%左右時達到最大，之后隨著煤矸石摻量的增加強度開始逐漸變小。