摻煤矸石泡沫混凝土制備及力學性能

張林春，張愛蓮，王 倩，李 珂，韓 艷，高小建，楊志淵

(1.四川建筑職業技術學院土木工程系，德陽 618000;2.哈爾濱工業大學土木工程學院，哈爾濱 150001)

0 引 言

我國是世界上主要的煤炭生產國之一。在煤炭生產過程中, 煤矸石(一種洗煤廢棄物)的排放量約占煤炭產量的15%～20%，已成為我國排放量最大的工業廢渣之一[1-4]。國內歷年積存下來的煤矸石已超過45億噸，且每年煤矸石仍在至少以1.8億噸的速度持續排放，但是我國煤矸石的綜合利用率較低，發電年處理煤矸石等廢棄資源能力僅在1.35億噸左右，存在巨大的缺口。不能及時處理的煤矸石導致其堆存總量持續增加，占壓了大量土地，對周邊環境造成了諸多危害(如: 占用大量土地資源,污染大氣和水土,時常發生自燃等)[5]。

泡沫混凝土是一種將氣泡與水泥基材料攪拌混合后形成的一種輕質混凝土材料。這種混凝土的機械性能與強度較低，但是其具有良好的保溫、隔熱效果，用于建筑中的隔墻或者低層承重墻可以起到良好的隔熱、保溫作用，同時也可以起到減重的作用[6]。

為了解決煤矸石堆積帶來的環境污染問題，Awang[7]、Jones[8]、Nambiar[9]等在制作泡沫混凝土時選擇了經過粉磨的煤矸石當細骨料，經過研究得知將磨細后的煤矸石選為細骨料能夠滿足泡沫混凝土強度和導熱性能的要求。國內煤矸石主要應用于發電、路面材料以及泡沫混凝土的制備等。俞心剛[10-12]和揣丹[13]等研究了煤矸石泡沫混凝土的流動度、體積密度、抗壓強度受發泡劑摻量的影響規律并揭示了相關機理。煤矸石作為一種礦區生產煤時產生的工業廢料，利用其制備泡沫混凝土能達到廢物利用的目的，響應了當今國家對工業生產“環?！薄皬U物再次利用”的提倡。然而，煤矸石的粉磨時間對其粉末的粒徑分布以及摻煤矸石泡沫混凝土的體積密度和力學性能影響的研究卻較少。

為了能更有效再次利用固廢，本文用煤矸石來制備泡沫混凝土材料。將煤矸石的摻量與粉磨時間作為變量，研究這兩變量與泡沫混凝土流動度、體積密度和抗壓強度的關系，在保護環境、節約資源方面具有一定的研究意義和工程價值。

1 實 驗

1.1 原材料

水泥使用亞泰集團哈爾濱水泥有限公司生產的“天鵝牌”袋裝P·O 42.5普通硅酸鹽水泥，其累計通過率與化學成分分別如表1與表2所示。

表1 水泥的累計通過率Table 1 Particle passing percentage of cement

表2 水泥的主要化學成分Table 2 Main chemical composition of cement /%

河砂作為細骨料，其細度模數為2.75。煤矸石來源于伊春市晨明地區的某礦區。該煤矸石是一種紅矸和黑矸的混合體(大部分為紅矸)，其粒徑大小不一，所選材料里面混雜了些許較大塊粒徑的煤矸石，如圖1所示。減水劑是淡黃色的40%固含量的聚羧酸高效減水劑。發泡劑是淡黃色、粘稠液體狀、有芳香氣味的植物型發泡劑。做發泡應用時發泡劑與水的比例為1∶30，如圖2所示。

圖1 試驗用煤矸石Fig.1 Coal gangue for testing

圖2 試驗用泡沫Fig.2 Foam for testing

1.2 試件制備

使用Hobart A200C型攪拌機對漿體進行攪拌。使用壓縮空氣發泡機制備泡沫混凝土中的原材料泡沫。使用無錫市錫儀建材儀器廠生產的SMΦ500×500型球磨機對煤矸進行粉磨。使用濟南恒瑞金生產的YAW300型微機全自動水泥壓折試驗機檢測抗壓強度。成型后的試件采用標準養護(溫度(20±2) ℃，濕度95%)。

首先將稱量好的原材料(水泥、砂子、煤矸石、水以及減水劑)投入攪拌鍋中攪拌均勻(慢攪2 min后再快攪2 min)，得到水泥砂漿，然后將壓縮空氣發泡機制備的泡沫稱量好后和水泥砂漿混合均勻制備成摻煤矸石泡沫混凝土漿體，最后將制備好的混凝土漿體澆筑成型，并置于標準養護室內養護至相應的齡期后測試其相關性能。表3為摻煤矸石泡沫混凝土的配合比，其中，混凝土的水料比(水與干料的質量比)分別為0.37和0.27。

表3 摻煤矸石泡沫混凝土配合比(質量比)Table 3 Mixing proportion of foamed concrete mixed with coal gangue (mass ratio)

采用40 mm×40 mm×160 mm的棱柱體試件，依據規范GB/T 17671—1999《水泥膠砂強度檢驗方法(ISO法)》測試材料的抗壓、抗折強度，并采用測得的抗壓強度來計算煤矸石的活性指數。計算煤矸石活性指數采用的方法參照GB/T 1596—2017《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》中的附錄D，如式(1)所示。

H28=(R/R0)×100%

(1)

式中：H28為活性指數,%;R為試驗組28 d抗壓強度,MPa;R0為對照組28 d抗壓強度,MPa。

研究中先采用BT-2001激光粒度分布儀和X射線衍射法對煤矸石原材料進行分析。

2 結果與討論

圖3為煤矸石XRD譜，由圖可看出，煤矸石具有連續的XRD峰，從中得知煤矸石中含有一定量的無定型雜質。XRD譜中呈現的衍射峰大部分和石英(SiO2)的相對應，由此得知煤矸石中含有大量石英晶體。因此，增加煤矸石的細度能增大其在水泥基材料中的活性，從而促使水泥發生二次水化，增加煤矸石泡沫混凝土的后期強度。

圖3 煤矸石XRD譜Fig.3 XRD pattern of coal gangue

圖4為水泥和不同粉磨時間煤矸石粉的顆粒粒徑分布圖。試驗中不同算法下的平均粒徑大小采用面積平均粒徑和體積平均粒徑進行計算。由圖4得知,經過粉磨45 min后的煤矸石粉的細度與普通水泥的細度非常接近。

圖4 水泥和不同粉磨時間煤矸石粉的顆粒粒徑分布圖Fig.4 Distribution of particle sizes of cement and coal gangue powder with different grinding time

圖5為煤矸石粉的活性指數與粉磨時間和平均粒度的關系。由圖可知，煤矸石的活性指數隨著煤矸石粉磨時間的增加而升高，而煤矸石平均粒徑的增加導致其活性指數降低。煤矸石的活性指數與其平均粒徑成明顯的線性關系，線性函數的擬合度達0.99以上。當粉磨時間達到45 min時，煤矸石的活性指數達到80%以上，說明煤矸石的粉磨時間超過45 min后，煤矸石會有較高活性。45 min之后，隨著粉磨時間的增加，煤矸石的活性指數呈現緩慢上升的趨勢。由此可以說明煤矸石的活性指數在粉磨時間為45 min時達到拐點。

圖5 煤矸石粉的活性指數與粉磨時間和平均粒度的關系Fig.5 Relationship between activity index of coal gangue powder and grinding time and average particle size

圖6為煤矸石摻入泡沫混凝土后混凝土的擴展度。由圖可知，隨著煤矸石粉的摻入，泡沫混凝土的流動度略微下降。由圖4水泥和煤矸石的粒徑分布可以得知，煤矸石粉磨60 min和75 min后的比表面積大于水泥，因此，煤矸石粉摻量越多，灰料總比表面積越大，在混凝土拌和時的需水量也越大，更多的自由水會被煤矸石吸附從而導致泡沫混凝土流動度降低。此外，圖中顯示，水料比越大，摻煤矸石泡沫混凝土的流動度越大。究其原因，材料中含的自由水隨著水料比的增加而提高，從而導致泡沫混凝土的流動度升高[14-17]。較高煤矸石摻量下，水料比為0.27時，粉磨時間越大，泡沫混凝土的流動度越小。然而，水料比為0.37時，粉磨時間越小流動度越小。

圖6 摻煤矸石泡沫混凝土的擴展度Fig.6 Slump flow of foamed concrete mixed with coal gangue

圖7為不同煤矸石粉摻量下泡沫混凝土的體積密度。由圖得知，水料比為0.37時，煤矸石粉對泡沫混凝土的體積密度無規律性影響作用。然而，當水料比為0.27時，摻煤矸石泡沫混凝土的體積密度隨煤矸石粉摻量的增加先減小后增加。其它條件相同時，當煤矸石的粉磨時間為90 min時，摻煤矸石泡沫混凝土的體積密度最大。然而，當煤矸石摻量低于40%時，粉磨時間為60 min的摻煤矸石泡沫混凝土的體積密度較粉磨時間為75 min時高。然而，當煤矸石摻量達到40%時，粉磨時間為75 min的煤矸石泡沫混凝土的體積密度更高。

圖7 不同煤矸石粉摻量下泡沫混凝土的體積密度Fig.7 Volume density of foamed concrete mixed with different dosage of coal gangue

圖8為水料比分別為0.27和0.37時，養護時間分別為3 d、7 d和28 d下，不同煤矸石粉摻量的泡沫混凝土的抗壓強度。由圖可知，隨煤矸石粉摻量、水料比的增加以及養護齡期的降低，摻煤矸石泡沫混凝土的抗壓強度明顯降低。煤矸石粉摻量為30%的泡沫混凝土的抗壓強度約為煤矸石粉摻量為10%的一半。

圖8 不同煤矸石粉摻量下泡沫混凝土的抗壓強度Fig.8 Compressive strength of foamed concrete mixed with different dosage of coal gangue

圖9為養護時間分別為3 d、7 d和28 d下，不同粉磨時間摻煤矸石泡沫混凝土的抗壓強度。由圖可知，當煤矸石的粉磨時間由15 min增加至30 min時，泡沫混凝土的抗壓強度因粉磨時間的增加而降低。粉磨時間由30 min增加至90 min時，泡沫混凝土的抗壓強度總體呈現上升的趨勢。然而,泡沫混凝土3 d、7 d和28 d的抗壓強度在粉磨時間為75 min時最高。由于煤矸石是一種活性材料，粉磨時間的增加能提高煤矸石的細度，從而使煤矸石粉末的活性增大，煤矸石與水泥的水化程度得以提高，因此粉磨時間的增加能提高泡沫混凝土的抗壓強度[18-19]。但是，粉磨時間過高時(超過75 min)，煤矸石粉末的細度過大，其表面積大，導致吸水量大，細度增大導致的活性增加不能彌補由于吸水量增加導致混凝土強度減少的效應，因此會引起泡沫混凝土強度的下降，故粉磨時間超過75 min時，摻煤矸石泡沫混凝土的抗壓強度會隨著粉磨時間的增加而降低[20-22]。

圖9 不同粉磨時間摻煤矸石泡沫混凝土的抗壓強度Fig.9 Compressive strength of foamed concrete mixed with different grinding time of coal gangue

圖10為煤矸石粉磨時間為75 min時，摻煤矸石泡沫混凝土的SEM照片。從圖中可以明顯看出，當養護齡期為7 d時，混凝土中Ca(OH)2(CH)的含量高于養護齡期為28 d時CH的含量，且養護齡期為28 d時混凝土的密實程度更高。從圖中可以得知，養護齡期從7 d增加至28 d時，煤矸石中的SiO2與CH以及水發生反應，消耗了CH導致CH含量下降，促進了水泥的二次水化，所以提高了混凝土密實程度，強度增大。

圖10 粉磨時間為75 min時摻煤矸石泡沫混凝土的SEM照片Fig.10 SEM images of foamed concrete mixed with 75 min grinding time of coal gangue

3 結 論

(1)研究中采用煤矸石的主要成分是SiO2，煤矸石的活性隨著粉磨時間的增加而增大，當粉磨時間為45 min時，煤矸石的活性高達80%。

(2)煤矸石的摻入和水料比的降低導致泡沫混凝土流動度的下降。水料比為0.27時，粉磨時間與泡沫混凝土的流動度成反相關。水料比為0.37時，粉磨時間隨流動度成正相關。

(3)煤矸石的摻入引起泡沫混凝土抗壓強度的下降。然而，煤矸石的粉磨時間為75 min時，泡沫混凝土的抗壓強度是最大的，當粉磨時間超過75 min時摻煤矸石泡沫混凝土的抗壓強度會隨著粉磨時間的增加而降低。