煤矸石粉對水泥混凝土路用性能的影響研究
2023-04-29 00:00:00鄧君
西部交通科技 2023年9期
基金項目：2023年度廣西高校中青年教師科研基礎能力提升項目“礦物摻合料對活性粉末混凝土性能影響研究”（編號：2023KY1162）
作者簡介：鄧 君（1982—），工程師，研究方向：公路試驗檢測。
摘要：文章以煤矸石粉摻量為變量，測試煤矸石粉混凝土的路用性能指標，探究煤矸石粉對不同強度等級混凝土路用性能的影響規律及影響機理。結果表明：當煤矸石粉的摻量＜9%，煤矸石粉的摻入可以改善路用混凝土的坍落度、凝結時間、含氣量和初凝時間，摻量過高則反之；路用混凝土的強度隨煤矸石粉摻量的增加呈現出遞減的規律，當煤矸石粉摻量較高時，混凝土的強度衰減幅度較大；當煤矸石粉的摻量＜9%時，煤矸石粉的摻入對路用混凝土的抗滲性、抗碳化性等耐久性能具有積極的影響，而當摻量＞12%時，混凝土的滲透高度和碳化深度遠遠高于不摻煤矸石粉的混凝土；煤矸石粉可替代部分水泥在路用混凝土中進行應用，建議煤矸石粉的摻量在9%以下。
關鍵詞：煤矸石粉；混凝土；強度等級；路用性能指標
中圖分類號：U416.216
0 引言
我國是世界上最大的煤炭生產國，煤炭生產量占世界產量的50%以上［1］。煤矸石是采煤過程中排放的固體廢物，煤矸石含碳量較低，且硬度比煤大，目前煤矸石集料已經在路基填料、混凝土骨料等領域已有較多應用［2-3］。煤矸石粉是從煤矸石集料破碎過程中分離出的固體顆粒，其粒徑＜0.075 mm。煤矸石粉直接排放后會造成嚴重的環境問題，因此，如何對煤矸石粉進行再利用是亟須解決的工程問題和環境問題。
張亞婕等研究了煤矸石粉對瀝青混凝土路用性能的影響，結果表明：一定摻量的煤矸石粉可以改善瀝青混凝土的馬歇爾穩定度等性能［4-5］。Zhennan Su等研究了煤矸石粉對水泥混凝土界面過渡區的影響，結果表明：適量的煤矸石粉可以改善混凝土微觀孔隙和界面過渡區的結構［6］。關虓等研究了煤矸石粉對凍融環境下的混凝土的毛細吸水性能的影響規律，結果表明：煤矸石粉對優化混凝土的孔隙結構具有積極意義，其中摻量為20%時最為適宜［7-8］。Jiesheng Qiu等的研究表明：活化煤矸石粉起到火山灰效應，對混凝土耐久性有積極影響［9］。
綜上所述，國內外學者已對煤矸石粉在瀝青混合料、路基填料等領域有較多研究，目前煤矸石粉在路用混凝土的應用和研究較少，因此探索煤矸石粉對混凝土的流動性、強度和耐久性等路用性能的影響規律，對煤矸石粉在路用混凝土中的推廣應用具有重要意義。
1 原材料及試驗
1.1 試驗原材料
水：自來水，符合路用混凝土拌和用水的要求；水泥：P·Ⅰ 52.5級硅酸鹽水泥，比表面積為334 m2/kg，表觀密度為3 147 kg/m3；減水劑：聚羧酸高性能減水劑，減水率為26%，摻量為1.0%；煤矸石粉：煤矸石破碎過程中篩分得到，黑色粉狀，粒徑＜0.075 mm，比表面積為416 m2/kg，表觀密度為2 456 kg/m3；細集料：精品機制砂，母巖為石灰巖，細度模數為2.83，石粉含量為2.1%，表觀密度為2 688 kg/m3，亞甲藍值為0.5%；粗集料 ：母巖為石灰巖，分為5～10 mm和10～20 mm兩檔，表觀密度分別為2 695 kg/m3和2 701 kg/m3。
1.2 配合比設計
共設計強度等級分別為C20、C30和C40三組強度等級的混凝土配合比，每組中以煤矸石粉摻量為控制變量，煤矸石粉摻量分別控制為0、3%、6%、9%、12%、15%和18%，配合比參數如下頁表1所示。
1.3 試驗方法
按照表1所示的配合比對混凝土混合料進行稱料、拌和、標準養護，依據《公路工程水泥及水泥混凝土試驗規程》（JTG 3420-2020）（以下簡稱《試驗規程》）中規定的方法對混凝土拌和物的坍落度、稠度（維勃稠度法），含氣量和凝結時間（初凝）進行測試，同時根據《試驗規程》中規定的方法對硬化混凝土的28 d抗壓強度、28 d抗彎拉強度、28 d劈裂抗拉強度、滲透高度、抗碳化性、耐磨性等力學性能和耐久性能進行測試。
2 結果與討論
2.1 混凝土拌和物性能分析（圖1）
如下頁圖1（a）所示，當煤矸石粉的摻量＜9%時，混凝土的坍落度隨煤矸石粉摻量增加呈現出小幅度增大的趨勢，當煤矸石粉摻量＞9%時，坍落度隨煤矸石粉摻量增加呈現出遞減的趨勢，當煤矸石粉摻量達到18%時，混凝土的坍落度遠低于不摻煤矸石粉的混凝土，混凝土的流動性出現較大程度的損失。煤矸石粉在混凝土中主要起滾珠作用、填充作用、吸附作用。當煤矸石粉含量較低時，煤矸石粉可以優化混合料的級配，釋放出原本用于填充這些混合料空隙的水，從而使混凝土混合料體系的富余水含量增加，且煤矸石粉的摻入可降低集料間的摩擦阻力，此現象稱為“滾珠效應”，因此低摻量的煤矸石粉可以改善混凝土的流動性［10］。煤矸石粉的比表面積為416 m2/kg，大于水泥的比表面面積，因此在混凝土拌和物中，相同質量的煤矸石粉表面吸附的水膜質量大于水泥，故當煤矸石粉摻量較高時，混凝土的坍落度隨煤矸石粉摻量的增加呈現出遞減的規律。填充作用可以增加混凝土的流動性，而吸附作用會降低混凝土的流動性，因此可以得出：當煤矸石粉摻量較低時，煤矸石粉的填充作用較為顯著；當煤矸石粉摻量較高時，煤矸石粉的吸附作用更為顯著。
如圖1（b）所示，當煤矸石粉摻量＜12%時，煤矸石粉摻量對混凝土的稠度幾乎沒有影響，當煤矸石粉摻量＞12%時，混凝土的稠度隨煤矸石粉摻量的增加呈現出遞增的趨勢，其中C20混凝土尤為明顯。當煤矸石粉摻量較高時，煤矸石粉吸附較多水分，混凝土混合料體系的自由水含量降低，因此混凝土的稠度也隨之增大。
如圖1（c）所示，當煤矸石粉的摻量＜12%時，煤矸石粉摻量對混凝土的含氣量影響較小，當煤矸石粉摻量＞12%時，混凝土的含氣量隨煤矸石粉摻量的增加呈現出遞減的規律。當煤矸石粉的摻量較高時，煤矸石粉表面吸附了較多自由水，導致混凝土的流動性較差，稠度較高，呈現出低塑性狀態，因此混凝土拌和物的密實性較差，含氣量較高。
如圖1（d）所示，混凝土的初凝時間隨煤矸石粉摻量的增加呈現出先增加后減小的規律。當煤矸石粉摻量達18%時，混凝土的初凝時間遠低于不摻煤矸石粉的混凝土。水泥顆粒遇水后，表面的礦物立即發生水化反應生成水化物凝膠，使混凝土混合料體系的自由水含量減少，且水化物凝膠之間有鍵能作用，所以隨著水泥水化反應的進行，混凝土逐漸失去塑性［11-13］。煤矸石粉具備一定的活性但活性較差，當混凝土拌和物中摻入較低劑量的煤矸石粉后，短時間內水泥水化反應產生的水化物較少，因此失去塑性的時間較長，凝結時間增加。當混凝土中摻入較高劑量的煤矸石粉后，體系自由水含量減小，因此水泥、骨料以及水泥水化物的濃度較高，固體顆粒之間的相互作用力增強，混凝土失去塑性的時間較長，因此高劑量的煤矸石粉會降低混凝土的凝結時間。
2.2 混凝土力學性能分析（圖2）
如圖2所示，隨著煤矸石粉摻量的增加，混凝土的28 d抗壓強度、28 d劈裂抗拉強度和28 d抗彎拉強度均大致呈現出遞減的規律。隨著煤矸石粉摻量增加，混合料體系內的水泥含量增加，28 d時水化反應產生的水化物隨之減少，加之煤矸石本身的水穩定性較差，煤矸石吸水后強度會出現較大幅度的降低，因此混凝土的強度隨煤矸石粉摻量的增加呈現出遞減的趨勢［14］。雖然低劑量的煤矸石粉可以改善混合料顆粒的級配，增加混合料體系的密實性，但對混凝土強度的影響效果并不明顯。除此之外，煤矸石的強度低于石灰巖，水泥水化后，水泥水化物與煤矸石之間產生的范德華力較小，煤矸石粉和水泥水化共同形成的界面過渡區性能較弱，摻煤矸石粉的混凝土強度較低［3］。當煤矸石粉摻量較低時，混凝土仍然滿足路用混凝土的強度設
計要求，當煤矸石粉的摻量＞12%，煤矸石粉的摻入會較大程度地折損混凝土的強度。
2.3 混凝土耐久性能分析（圖3）
混凝土的抗滲性能是混凝土耐久性能的關鍵指標，混凝土的抗滲性可以間接反映內部孔隙結構的優劣。如下頁圖3（a）所示，當煤矸石粉的摻量＜12%時，煤矸石粉摻量對混凝土的滲透高度影響不大，大致呈減小的規律，C20混凝土的滲透高度維持在＜40 mm，C30和C40混凝土的滲透高度維持在＜30 mm。當煤矸石粉摻量＞12%時，混凝土試塊的滲透高度隨煤矸石粉摻量的增加呈現出大幅遞增的趨勢。雖然煤矸石粉活性較差，導致混凝土最終反應生成的水化物少于不摻煤矸石粉的混凝土，但煤矸石粉對水泥的空隙可以起到很好的填充作用，所以低摻量的煤矸石粉對混凝土的抗滲性能沒有明顯的影響。當煤矸石粉的摻量較高時，一方面因煤矸石粉的顆粒粒徑較小，且吸水率高，造成混合料整體的自由水含量較少，混合料的流動性較差，密實性較差，孔隙率較高；另一方面當煤矸石粉摻量較高時，水泥水化產生的水化物少于不摻煤矸石粉的混凝土，因此混凝土內部存在較多的連通孔隙，這些連通孔隙就是水和其它侵蝕物體流通的通道，在煤矸石粉摻量較高時，混凝土的水滲透高度較大，抗滲能力小于不摻煤矸石粉的混凝土。
如下頁圖3（b）所示，強度越高的混凝土相同條件下的碳化深度越小，抗碳化能力越強，C20混凝土的28 d碳化深度＞10 mm，當煤矸石粉摻量較高時，碳化深度可達20 mm以上。當煤矸石粉摻量＜9%時，混凝土在28 d的碳化齡期內的碳化深度為0，當煤矸石粉摻量小于＜9%時，C20和C30混凝土的碳化深度隨煤矸石粉摻量的增加呈現出減小的規律，說明低摻量的煤矸石粉對混凝土的碳化起到抑制作用。當煤矸石粉的摻量＞9%時，混凝土的碳化深度隨煤矸石粉摻量的增加呈現出遞減的規律。如圖4所示分別為不摻煤矸石粉的混凝土SEM掃描圖片，可以發現，隨著混凝土強度等級的提高，混凝土的孔隙尺寸和孔隙數量均越少，而這些孔隙是CO2侵蝕混凝土的通道，CO2進入混凝土后溶于孔隙溶液，溶液呈酸性，會與混凝土中的Ca（OH）2、C-S-H等堿性物質發生碳化反應，嚴重威脅混凝土的耐久性能。當混凝土中摻入較低含量的煤矸石粉時，煤矸石粉與水泥顆粒之間可以共同形成較好的級配，改善混凝土拌和物的流動性，增加混凝土的密實性能，使混凝土內部的大孔隙數量減少。同時，煤矸石粉摻入后與水泥水化生成的水泥石的界面過渡區排列更加更加緊密，小孔隙和連通孔隙較少，因此較低摻量的煤矸石粉可以改善混凝土的碳化耐久性。當煤矸石粉摻量較高時，混凝土的流動性較差，且因煤矸石粉的吸水量較高導致混凝土的有效含水量減少，導致混凝土的大孔隙和小孔隙的數量均較多，所以混凝土的碳化深度隨之增大。
3 結語
（1）當煤矸石粉的摻量＜9%時，煤矸石粉的摻入可以改善路用混凝土的坍落度、凝結時間、含氣量和初凝時間，摻量過高則反之。
（2）路用混凝土的強度隨煤矸石粉摻量的增加呈現出遞減的規律，且當煤矸石粉摻量＜12%時，混凝土仍然滿足強度設計要求。當煤矸石粉摻量較高時，混凝土的強度衰減幅度較大。
（3）當煤矸石粉的摻量＜9%時，煤矸石粉的摻入對路用混凝土的抗滲性、抗碳化性等耐久性能具有積極的影響；當摻量大于12%時，混凝土的滲透高度和碳化深度遠遠高于不摻煤矸石粉的混凝土。
（4）綜上所述，煤矸石粉可替代部分水泥在路用混凝土中進行應用，建議煤矸石粉的摻量在9%以下。
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收稿日期：2023-03-28
