活化煤矸石粉對煤矸石混凝土性能的影響

閻杰,邢國斌,左軍鵬,李敬如,翁維素*

(1.河北建筑工程學院 土木工程學院,河北 張家口 075000;2.河北省高校綠色建材與建筑改造應用技術研發中心,河北 張家口 075000)

0 引言

隨著我國建筑行業的快速發展,很多石材資源損耗殆盡。煤矸石是我國排放量最大的礦山固體廢棄物之一,據統計,我國煤矸石堆積量達到50億t,而目前綜合利用率還較低[1- 2]。煤矸石大量堆放產生坍塌、泥石流等地質災害隱患,威脅生命財產安全[3]。同時,近幾年綠色可持續發展的生態低碳戰略理念不斷開展與實踐,因此對煤矸石等固廢材料進行再利用尤為重要[4]。

研究表明石英、高嶺石含量較高的煤矸石粗集料具有吸水率小和密度高等特點,此類煤矸石作為粗骨料制備混凝土,具有和易性好等特點[5-6]。孫強[7]指出以煤矸石粗骨料為變量的混凝土,隨著煤矸石粗骨料取代率的增加,混凝土抗壓強度先增加后減小,在30%時達到峰值。柳凱等[8]研究發現煤矸石中Al2O3、SiO2占比較大,可將煤矸石作為黏土配料燒制成普通的硅酸鹽水泥。邢軍等[9]發現經過熱活化后的煤矸石粉具有微集料和火山灰效應,將其用作礦物摻和料后可提高其抗氯離子性能,也能獲得較好的抗凍性。周梅等[10]研究發現煤矸石粉作為混凝土摻和料對混凝土拌合物工作性、強度和耐久性都有提高作用。白志民等[11]研究發現,煤矸石富含黏土礦物,具有一定的黏結性可用于膠凝材料使用。活化煤矸石粉可以大幅提高硬化水泥漿體的氯化物結合能力,同時可以優化膠砂孔隙結構[12]。

現階段把活化煤矸石粉作為細骨料摻入到煤矸石混凝土中的研究還不夠全面。本試驗將煤矸石粉(Coal gangue powder,CGP)摻入到煤矸石混凝土中進行研究,以CGP摻量、煤矸石粗骨料(Coal gangue coarse aggregate ,CGA)取代率為變量,探究其對煤矸石混凝土抗折強度、抗氯離子滲透性能的影響。通過壓汞法對煤矸石混凝土孔結構進行分析,采用掃描電鏡觀察煤矸石混凝土的微觀結構并分析其影響機理,為摻煤矸石混凝土抗折強度和抗氯離子性能研究提供參考。

1 試驗

1.1 試驗材料

水泥選用P.O 42.5普通硅酸鹽水泥;沙子選用河沙,細度模數2.71,含泥量為1.42%,表觀密度2 585 kg/m3,松散堆積密度1 462 kg/m3;天然粗骨料選用張家口宣化地區5～25 mm的天然碎石,集配良好;原狀煤矸石取自張家口宣化地區的煤礦廠,煤矸石粉為原狀煤矸石進行煅燒研磨后至500 ℃的活化煤矸石粉[13];煤矸石粗骨料為原狀煤矸石經破碎篩分后粒徑在5～25 mm的粗骨料。取樣流程如圖1所示,采用快速升溫節能箱式電爐KL-10型進行煅燒處理,采用行星球面機PM型進行機械研磨,表1為煤矸石和水泥化學成分。

圖1 煤矸石粗骨料和活化煤矸石粉取樣流程Fig.1 Sampling process of coarse aggregate and activated coal gangue powder

表1 煤矸石化學成分Tab.1 Chemical composition of coal gangue %

1.2 試驗配合比設計

煤矸石混凝土強度按C30進行設計,水膠比為0.43。以CGP摻量、煤矸石粗骨料取代率為變量,設計CGP摻量為10%、15%和20%等質量取代水泥;CGA取代率為0%、30%、50%和100%等質量取代天然粗骨料,共進行12組配合比試驗。表2為煤矸石混凝土配合比。

1.3 試件制作與試驗方法

1.3.1 抗折強度試驗

煤矸石混凝土100 mm×100 mm×400 mm的非標準棱柱體試塊標準養護28 d后,依據《混凝土物理力學性能試驗方法標準》(GB/T 50081—2019)進行抗折強度試驗。試驗布置如圖2所示,儀器采用張家口市建設工程質量檢測中心DY-3008DX型全自動壓力試驗機,加荷載速度設置為0.02 MPa/s,試驗施加連續均勻荷載。

圖2 抗折強度試驗布置Fig.2 Experimental arrangement of flexural strength

1.3.2 抗氯離子滲透試驗

直徑為100 mm、高度為50 mm煤矸石混凝土圓柱體試塊標準養護28 d后,參照《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》(GB/T 50082—2009)進行抗氯離子滲透試驗。試驗如圖3所示,儀器采用HC-BSY型混凝土智能真空飽水儀和HC-RCM6型混凝土氯離子擴散系數測定儀。

1.3.3 孔結構分析試驗

采用壓汞法研究不同摻量煤矸石粉對全替代煤矸石粗骨料混凝土的孔結構影響,試驗儀器采用麥克Autopore V9620型高性能全自動壓汞儀,試驗裝置如圖4所示。

圖4 孔結構分析試驗裝置Fig.4 Pore structure analysis test facility

1.3.4 掃描電鏡試驗

采用掃描電鏡觀察微觀情況下,不同摻量煤矸石粉對全替代煤矸石粗骨料混凝土的影響;試驗儀器采用蔡司Sigma 300型掃描電鏡,裝置如圖5所示。

圖5 掃描電鏡試驗裝置Fig.5 Scanning electron microscope test device

2 試驗結果分析

2.1 煤矸石粉對煤矸石混凝土抗折強度影響

制備不同摻量的CGP及不同CGA取代率的煤矸石混凝土試件,標準養護28 d后取出,所得抗折強度變化如圖6所示。

圖6 不同CGP和CGA取代率下試件的抗折強度Fig.6 Flexural strength of specimens with different CGP and CGA substitution rates

由圖6可知,隨著CGP摻量增加,煤矸石混凝土抗折強度先升高后下降, CGP摻量取15%時抗折強度最大,較其余不同CGP摻量的混凝土提高了8.3%,不同CGA取代率均表現出相同的趨勢。說明熱活化煤矸石粉具有較高的火山灰活性,而且比水泥的粒度更細,改善顆粒級配,從而提高了煤矸石混凝土的抗折強度。但隨著CGP摻量過多,水泥相應減少,二次水化作用生成的C-S-H凝膠量不足以彌補因水泥減少而損失的凝膠量,造成了混凝土抗折強度的降低。因此說明CGP取15%時為最優摻量。

在摻入適量CGP時,隨著CGA取代率增加,煤矸石混凝土抗折強度下降幅度減小,說明CGP的摻入對全煤矸石混凝土抗折強度有改善作用。CGA取代率為100%時,CGP摻量為20%的試塊抗折強度值較摻量為10%時提高5.5%;CGA取代率為30%和50%時,CGP摻量為10%的試塊抗折強度值較摻量為20%時增幅2.27%,說明對于全替代煤矸石混凝土,適量CGP可填充煤矸石粗骨料內部孔隙,從而使結構整體更為密實,進而提高煤矸石混凝土抗折強度。熱活化煤矸石粉的加入使得試件的抗折強度均體現先增加后減小的趨勢,對于全替代煤矸石混凝土抗折強度的增加尤為明顯。

2.2 煤矸石粉對煤矸石混凝土抗氯離子性能影響

以不同摻量的CGP及不同CGA取代率為變量的煤矸石混凝土試件,標準養護28 d后取出,所得氯離子遷移系數如圖7所示。

圖7 試件的氯離子擴散系數Fig.7 The Chloride ion diffusion coefficient of specimens

由圖7可知,在CGP摻量為10%時,隨著CGA取代率的提高,抗氯離子滲透性能下降幅度減小,相較于15%和20%摻量,10%摻量的性能提升最優。說明適量CGP的摻入可提高全煤矸石混凝土抗氯離子性能。當CGA取代率一定時,隨著CGP摻量的增加,煤矸石混凝土氯離子遷移系數呈下降趨勢,進而抗氯離子滲透性能得到提高。說明適量CGP的摻入可增強煤矸石混凝土抗氯離子滲透性能。

當CGP摻量一定時,煤矸石混凝土氯離子遷移系數隨CGA取代率的增加而增加,使得抗氯離子滲透性能下降。在CGA取代率為0%和100%情況下,隨著CGP取代率增加,氯離子遷移系數減小,抗氯離子滲透性能增強。但相對于CGA取代率為30%和50%抗滲性增強較慢,這是由于煤矸石粉的比表面積大,微小孔多改善了顆粒級配,吸附離子半徑小的氯離子,因此在CGP摻量為15%時,CGA取代率為30%和50%的試件抗氯離子滲透性能大幅增加。說明對全替代煤矸石混凝土和天然混凝土,CGP摻量增加時,抗氯離子滲透性能增加,但增加幅度趨于平緩。

2.3 煤矸石粉對煤矸石混凝土孔結構影響分析

試驗選取28 d齡期下的CG-0-100和CG-15-100組全煤矸石混凝土試塊,通過壓汞法進行孔結構分析。由圖8可知,隨著CGP摻量的增加,孔隙率和平均孔徑均呈現下降趨勢,其中孔隙率下降1.74%,平均孔徑下降9.81%。說明隨著CGP摻量的增加,二次水化作用生成的凝膠增多,從而填充了試件內部的有害孔,使得試塊孔隙率和平均孔徑減小,最終煤矸石混凝土抗折強度和抗氯離子滲透性能提升。

圖8 試件的孔隙率和平均孔徑Fig.8 Porosity and average pore diameter of specimens

根據孔徑的大小分類,可分為凝膠孔(孔徑小于10 nm)、過渡孔(孔徑在10～100 nm)、毛細孔(孔徑在100～1 000 nm)和大孔(孔徑大于1 000 nm)[13],由表3可看出,在全煤矸石混凝土試塊中,隨著CGP摻入,毛細孔和大孔所占比例減小,凝膠孔和過渡孔比例增加。說明CGP的加入使混凝土二次水化產生的C-S-H凝膠有效填充CGA中的大孔和微裂縫,從而優化了混凝土的孔隙結構,顆粒級配良好,使得混凝土抗折強度和抗氯離子滲透性能提高。

表3 孔徑分布表Tab.3 Table of aperture distribution %

圖9為試塊的孔徑分布特征,通過觀察可知,CG-15-100凝膠孔區域的微分進汞量高于試件CG-0-100,而毛細孔區域微分進汞量低于試件CG-0-100。說明隨著CGP摻入,在水泥水化過程中,CGP的火山灰效應生成的凝膠有效填充了試塊內部的毛細孔,同時試塊無害孔體積增加,使凝膠孔和過渡孔的數量增加,毛細孔和大孔的數量減少,進而優化了試件內部的孔結構分布,提高了結構整體密實度,最終增強煤矸石混凝土的力學強度和耐久性能。

圖9 試件的孔徑分布Fig.9 Aperture distribution of specimens

2.4 煤矸石粉對煤矸石混凝土微觀形貌影響分析

掃描電鏡下不同CGP摻量的全煤矸石混凝土5 000倍微觀形貌如圖10(a)和圖10(b)所示。由圖10(a)可知,在凝膠之間存在裂縫和孔隙,且整體較為松散。由圖10(b)觀察可知,試件中孔隙和裂縫明顯減少,水化產物之間的連接更加緊密。由于CGP主要成分為SiO2和Al2O3,會和水泥水化產物Ca(OH)2進行二次水化,生成更多的水化硅酸鈣凝膠和水化鋁酸鈣凝膠,從而提高結構密實度。CGP相對水泥尺寸更小,加入適量CGP后,未參與反應的CGP還可以填充煤矸石混凝土內部孔隙,進一步提高密實度[15]。因此CGP的摻入使得煤矸石混凝土內部孔隙和裂縫得以填充,內部整體更為密實,提高界面過渡區強度,使骨料和砂漿之間的黏結力得到提高,增強煤矸石混凝土的抗折強度和抗氯離子滲透性能。

圖10 摻煤矸石粗骨料混凝土的微觀結構形貌Fig.10 Microstructure morphology of coal gangue coarse aggregate concrete

圖10(c)和圖10(d)為掃描電鏡下不同CGP摻量全替代煤矸石混凝土試件30 000倍的微觀形貌圖。對比可知,圖10(d)內部砂漿中的孔隙裂縫填充量大于圖10(c)。由圖10(c)可看出,孔隙內部較為空洞,為氯離子的滲透提供了多種通道,劣化試件抗氯離子滲透性能的發展,同樣降低了試件的抗折強度[15]。由圖10(d)可看出,孔隙內部有片狀的凝膠填充,孔隙結構中的空洞明顯減少,由于CGP良好的火山灰效應,在二次水化中與Ca(OH)2晶體反應生成大量網狀水化硅酸鈣凝膠和水化鋁酸鈣凝膠,大量凝膠填充至毛細孔和大孔等有害孔中,導致氯離子通道減少[15],從而抗氯離子滲透性能提高,導致CGP的摻入優化了煤矸石混凝土的內部結構,增強煤矸石混凝土的力學強度和耐久性能。

綜上所述,摻入CGP后,由于附著在煤矸石粗骨料表面的水膜為CGP提供了充足的液相環境,消耗了液相環境中的Ca(OH)2,從而反應生成C-S-H凝膠,填充了砂漿與煤矸石粗骨料界面結構中的毛細孔,進而提升了界面過渡區處的黏結度[15],最終提高了混凝土的抗折強度。而生成的凝膠由于填充了界面毛細孔,因此減少了氯離子的擴散通道,使氯離子擴散系數得到大幅度降低,進而提高抗氯離子滲透性能。適量CGP的摻入對煤矸石混凝土抗折強度和抗氯離子滲透性能均有改善作用。

3 結論

1)在相同CGP摻量的情況下,CGA取代率越高,CGP產生的優化作用越為明顯。因此適量CGP摻入全替代煤矸石混凝土時,煤矸石混凝土抗折強度和抗氯離子滲透性能良好。

2)隨著CGP增加,抗折強度先提高后降低,CGP摻量為15%時,抗折強度最大。抗氯離子滲透性能隨著CGP摻量增加而提高。

3)摻入適量CGP使凝膠孔、過渡孔等無害孔增加,毛細孔、大孔等有害孔減小,進而優化了混凝土顆粒級配,提高了結構密實度,從而改善煤矸石混凝土抗折強度和抗氯離子性能。

4)熱活化煤矸石粉較強的火山灰效應能促進二次水化,產生更多C-S-H凝膠,提高結構密實度。未參與反應的煤矸石粉填充煤矸石混凝土內部毛細孔和大孔,使得界面過渡區強度提升,最終提高煤矸石混凝土的抗折強度和抗氯離子滲性。