煤矸石集料混凝土抗硫酸鹽侵蝕性能研究

白金婷 李國棟

摘 要：為了探討煤矸石作為集料配制混凝土的抗硫酸鹽侵蝕性能，采用干濕循環(huán)試驗(yàn)方法，對普通混凝土、煤矸石混凝土、煤矸砂混凝土、煤矸石全集料混凝土的抗壓強(qiáng)度及抗壓耐蝕系數(shù)進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，在91次干濕循環(huán)硫酸鹽侵蝕后，普通混凝土與煤矸石混凝土、煤矸砂混凝土以及煤矸石全集料混凝土的抗壓強(qiáng)度基本呈現(xiàn)出下降趨勢，煤矸石混凝土、煤矸砂混凝土以及煤矸石全集料混凝土的抗壓耐蝕系數(shù)都能達(dá)到0.75以上，同時(shí)結(jié)合掃描電鏡分析了煤矸石集料混凝土的微觀情況。

關(guān)鍵詞：煤矸石;抗硫酸鹽侵蝕;抗壓耐蝕系數(shù)

煤矸石是在成煤過程中與煤層伴生的巖石，我國每年每生產(chǎn)1億噸煤炭，就會(huì)伴隨著1500萬—2000萬噸煤矸石的排放，根據(jù)國家統(tǒng)計(jì)局發(fā)布的數(shù)據(jù)，2016年原煤產(chǎn)量為33.64億噸，意味著會(huì)伴生有至少5億噸煤矸石的產(chǎn)出。大量煤矸石露天堆放，已形成2600余座煤矸石山，累積堆存量達(dá)50多億噸，占地20余萬畝，而且這個(gè)數(shù)量還在增加。煤矸石不斷地伴隨生產(chǎn)增加并且長期的露天堆放在地面上，占用了大量的耕地、林地，并且嚴(yán)重危害了礦區(qū)周圍的生態(tài)環(huán)境。為廢棄矸石尋找堆放用地已成為多數(shù)洗煤廠亟待解決的問題。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。因此，基于煤矸石與砂石骨料的共性，進(jìn)行煤矸石混凝土的研究，對于節(jié)省天然骨料資源，改善環(huán)境等都具有重大的現(xiàn)實(shí)意義。

史明月[1]等以四因素三水平正交試驗(yàn)，對不同侵蝕環(huán)境下的煤矸石混凝土抗硫酸鹽侵蝕性能進(jìn)行研究，結(jié)果表明干濕循環(huán)較長期浸泡對試件劣化更加明顯，粉煤灰和煤矸石的摻入對混凝土性能的劣化有一定的抑制作用。李永靖[2]等研究了粉煤灰摻量、干濕循環(huán)次數(shù)及水膠比對煤矸石混凝土抗硫酸鹽侵蝕性能的影響，結(jié)果表明煤矸石混凝土抗硫酸鹽侵蝕性能滿足一般建筑物的要求;郭金敏[3]等以煤矸石替代碎石、粉煤灰，礦渣替代水泥配制煤矸石混凝土，采用正交試驗(yàn)法和綜合平衡法得出了煤矸石混凝土的最佳配合比，結(jié)果表明，硫酸鹽侵蝕對煤矸石混凝土強(qiáng)度的影響并不大。王金濤[4]等對大摻量條件下煤矸石混凝土硫酸鹽侵蝕和氯鹽侵蝕性能進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，碎石摻量與硫酸鹽侵蝕前后混凝土抗壓強(qiáng)度存在三次方函數(shù)關(guān)系。袁猛[5]對非自燃煤矸石混凝土在單一凍融、硫酸鹽侵蝕以及凍融和硫酸鹽侵蝕偶合條件下的破壞情況進(jìn)行了研究，研究表明，損傷最嚴(yán)重的是凍融與硫酸鹽侵蝕偶合，次之是凍融，最后是硫酸鹽侵蝕。本文針對煤矸石混凝土耐久性問題，配制煤矸石混凝土g、煤矸砂混凝土s、煤矸石全集料混凝土q與普通混凝土p，研究其抗硫酸鹽侵蝕性能。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)材料

本試驗(yàn)采用的水泥為大鷹牌42.5強(qiáng)度等級的普通硅酸鹽水泥;所用粉煤灰為F類一級灰;采用S95級磨細(xì)礦渣;所用砂子為河砂，級配Ⅱ區(qū);所用石子為石灰石質(zhì)5～20mm碎石，級配良好。煤矸石經(jīng)破碎篩分后，得到連續(xù)級配5～20mm的碎石;煤矸砂經(jīng)過人工處理后，得到Ⅱ區(qū)連續(xù)級配煤矸砂;水為普通自來水;所用化學(xué)試劑為天津市化學(xué)試劑三廠生產(chǎn)的無水硫酸鈉分析純。

1.2 試驗(yàn)方法

參照GB/T50082-2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》，制作100mm×100mm×100mm的立方體試塊，采用干濕循環(huán)試驗(yàn)方法，進(jìn)行抗硫酸鹽侵蝕試驗(yàn)。具體試驗(yàn)過程：配制普通混凝土p、煤矸石混凝土g、煤矸砂混凝土s以及煤矸石全集料混凝土q，煤矸石與煤矸砂在拌制前均需潤濕，附加用水量為60%[6-8]。將試件養(yǎng)護(hù)至28d前2d取出，在（80±5）℃下烘48h，試件冷卻后，放入5%的硫酸鈉溶液中浸泡（15±0.5）h，試件風(fēng)干后，開始在（80±5）℃下烘6h，如此為一個(gè)循環(huán)。在試驗(yàn)過程中，循環(huán)28d、63d、91d時(shí)試件進(jìn)行抗壓強(qiáng)度測試。抗壓強(qiáng)度耐腐蝕系數(shù)K按照公式（1）進(jìn)行計(jì)算。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 抗壓強(qiáng)度與干濕循環(huán)次數(shù)的關(guān)系

煤矸石混凝土g、煤矸砂混凝土s、煤矸石全集料混凝土q與普通混凝土p28d烘干后的抗壓強(qiáng)度分別為44MPa，60MPa，45MPa與57MPa。煤矸石集料混凝土與普通混凝土的強(qiáng)度與干濕循環(huán)次數(shù)的關(guān)系如圖1所示，由圖可以看出，隨著循環(huán)次數(shù)的增加，煤矸石集料混凝土與普通混凝土的強(qiáng)度基本呈遞減趨勢，普通混凝土經(jīng)過91d硫酸鹽侵蝕循環(huán)后抗壓強(qiáng)度下降22.7%，煤矸砂混凝土強(qiáng)度下降7.1%，煤矸石混凝土強(qiáng)度下降22.0%，煤矸石全集料混凝土下降15.9%，這主要是由于硫酸鹽的侵蝕，混凝土中的氫氧化鈣和水化鋁酸鈣與硫酸鹽發(fā)生反應(yīng)生成水化硫鋁酸鈣，也就是鈣礬石，其體積增大產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力導(dǎo)致混凝土強(qiáng)度的下降，后面的微觀分析也會(huì)對此做進(jìn)一步的分析。

2.2 抗壓強(qiáng)度耐蝕系數(shù)與干濕循環(huán)次數(shù)關(guān)系

煤矸石集料混凝土與普通混凝土的抗壓強(qiáng)度耐蝕系數(shù)與干濕循環(huán)次數(shù)的關(guān)系如圖2所示，隨著循環(huán)次數(shù)的增加，抗壓耐蝕系數(shù)呈遞減趨勢，91次干濕循環(huán)硫酸鹽侵蝕之后，普通混凝土抗壓耐蝕系數(shù)為0.72，煤矸砂混凝土為0.97，煤矸石混凝土為0.77，煤矸石全集料混凝土為0.86，由此可以看出，除普通混凝土抗壓耐蝕系數(shù)下降到75%以下，煤矸石集料混凝土的抗壓耐蝕系數(shù)都在0.75以上。因此煤矸石作為粗細(xì)集料配制混凝土是能夠滿足抗硫酸鹽侵蝕性能要求的。

3 微觀分析

4 結(jié)論

（1）煤矸石混凝土、煤矸砂混凝土、煤矸石全集料混凝土經(jīng)過91次干濕循環(huán)硫酸鹽侵蝕后，抗壓耐蝕系數(shù)都在0.75以上，滿足抗硫酸鹽侵蝕性能要求。

（2）對摻煤矸石與煤矸砂的混凝土進(jìn)行了SEM分析，發(fā)現(xiàn)煤矸石與煤矸砂混凝土在經(jīng)過硫酸鹽侵蝕后，會(huì)產(chǎn)生鈣礬石，從而導(dǎo)致混凝土產(chǎn)生微小裂縫而使強(qiáng)度降低。

參考文獻(xiàn)：

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