拌合工藝對煤矸石細骨料混凝土流動性和力學強度的影響

陳鳳閣 劉 鑫 張亞鵬 馮勝雷 孟文清 崔邯龍 郭秋碩

(1.中煤邯鄲設計工程有限責任公司,河北 邯鄲 056031;2.河北工程大學土木工程學院,河北 邯鄲 056038)

洗選煤矸石是指煤炭分選或洗選過程中所排出的固體廢棄物,其主要由煤層中的各種夾石如高嶺石、黏土巖和黃鐵礦等組成[1]。我國每年在煤炭開采過程中都會產生大量的洗選煤矸石,其產量約為原煤產量的1%～2%[2]。洗選煤矸石作為固體廢棄物大多以堆存的方式處理,這不僅占用了土地資源,破壞了土壤環境和地質條件,其中蘊含的有毒有害化學元素也會隨雨水淋溶和滲濾而污染地下水體,對生態環境造成嚴重的危害[3-4]。洗選煤矸石豐富的礦物組成和化學成分以及特殊的物理性質,又使其在建筑材料、回填復墾和發電等方面具有資源特性。煤矸石的綜合利用是建設資源節約型、環境友好型社會的重要手段之一。因此,迫切需要對洗選煤矸石進行資源化利用研究,以期大宗消納洗選煤矸石,變廢為寶。

洗選煤矸石應用于建筑材料領域是大宗消納煤矸石并資源化利用的途徑之一。目前,國內外學者對洗選煤矸石制備集料或摻合料應用于混凝土進行了大量的研究。馮飛勝等[5]通過實驗室力學試驗和PFC 離散元數值分析手段研究得出,洗選煤矸石骨料最大粒徑在12 mm 以內時,制作的矸石混凝土早期強度高,后期強度發展也較明顯。GUAN 等[6]的研究表明煤矸石骨料與砂漿的界面區域是煤矸石混凝土的薄弱部位,其厚度和顯微硬度隨著應力水平的增加而分別變寬和減小。王晴等[7]研究指出,水膠比和硅灰摻量對煤矸石混凝土抗氯離子滲透性能的影響較為顯著,而煤矸石摻量和減水劑用量的影響較小。當水膠比為0.30、硅灰摻量為7%、煤矸石摻量為40%、減水劑用量為0.75%時,煤矸石混凝土具有較強的抗氯離子滲透能力。李永靖等[8]研究表明,洗選煤矸石骨料的吸水率較大,不同水灰比下,煤矸石混凝土的干燥收縮率、質量損失率都比普通碎石混凝土大,50 d 時的干燥收縮率占整個齡期的85%左右,超過120 d 后逐漸趨于穩定。

盡管洗選煤矸石的研究取得了豐碩的成果,但是由于洗選煤矸石雜質多、孔隙率大和吸水性強等特性,限制了其在混凝土中的大規模應用。洗選煤矸石作為骨料在拌合混凝土時不僅會大量吸收拌合用水,顯著影響混凝土拌合物的坍落度,還會減少水泥水化反應所需的水量,減弱水泥和骨料連接界面處的粘結性能。針對以上問題,本文通過優化拌合工藝,選擇洗選煤矸石細骨料的附加用水量及預濕時間為因素變量,研究其對混凝土流動性和力學強度的影響,并確定最優的附加水量和預濕時間。本文有望為洗選煤矸石細骨料混凝土的大規模應用提供理論依據和技術支持。

1 試驗原材料

(1)洗選煤矸石細骨料。洗選煤矸石來自河北省邯鄲市馬頭洗選廠,對其進行人工篩分。以洗選煤矸石(粒徑≤4.75 mm)作為細骨料,其化學成分和物理性質分別見表1 和表2,顆粒級配曲線見圖1。結果表明:洗選煤矸石細骨料屬于中砂,位于Ⅱ區,洗選煤矸石細骨料的吸水率和含泥量較大。SEM 分析結果(圖2)顯示,洗選煤矸石細骨料呈不規則的形狀。

圖1 洗選煤矸石細骨料的顆粒級配曲線Fig.1 Grain gradation curve of washing coal gangue fine aggregate

圖2 洗選煤矸石細骨料的微觀形貌Fig.2 Micromorphology of washing coal gangue fine aggregate

表1 洗選煤矸石細骨料的化學成分Table 1 Chemical composition of washing coal gangue fine aggregate%

表2 洗選煤矸石細骨料的物理性能Table 2 Physical properties of washing coal gangue fine aggregate

(2)天然碎石。天然碎石粗骨料來自河北省邯鄲市峰峰礦區,壓碎值為12%,吸水率為2.07%,表觀密度為2.700 g/cm3,粒徑范圍為4.75～19.5 mm。

(3)膠凝材料。采用河北省邯鄲市成安縣金隅太行有限公司生產的P·O 42.5 普通硅酸鹽水泥,其28 d 抗折強度為8.8 MPa,抗壓強度為51.2 MPa。采用河北省邯鄲市肥鄉區生產的Ⅰ級粉煤灰,燒失量為5%。

(4)減水劑。采用湖南省中研建材科技有限公司生產的早強型聚羧酸高效減水劑,固含量為40%,減水率為20%。

(5)水。采用邯鄲市自來水廠提供的飲用水。

2 試驗方法

2.1 問題與方法

洗選煤矸石作為細骨料制備混凝土,其較高的吸水率使它大量吸收拌合水。用水量不足時會吸收參與水泥水化反應的水,造成水泥和骨料連接處的界面粘結強度降低,而水量加入過多又會使拌合物泌水,局部水灰比升高,混凝土孔隙率增大,密實度降低,硬化后的力學強度下降。對此,一般對其拌合工藝進行優化,常見的方法有一次投料法、二次投料法、水泥裹砂法和凈漿裹石法等[9-12]。不同的拌合工藝會對混凝土的和易性與抗壓強度產生影響,考慮到實際工程應用的便捷性和可操作性,本文提出先對洗選煤矸石細骨料預濕處理,再采取一次投料法[13],即將細骨料、粗骨料、膠凝材料、水和減水劑一起放入攪拌機拌合。此試驗步驟可避免拌合水向煤矸石細骨料表面聚集產生的不良影響,保證較好的坍落度和抗壓強度。

2.2 附加水預濕處理

洗選煤矸石經預濕處理后,附加水會被吸收并封存在骨料里面,可改善拌合物的流動性和界面粘接性,但不影響混凝土的正常水灰比,混凝土硬化后的力學強度較高。預濕處理有2 種思路:一種是從混凝土配合比的用水量中提前扣除一定比例的水,預先加入洗選煤矸石細骨料中靜置一段時間,然后再加入剩余部分的水和材料攪拌;另一種是固定混凝土配合比中的用水量,預先根據洗選煤矸石細骨料的吸水率加入額外的水潤濕細骨料,然后再加入原配合比中的水和材料攪拌。兩者相比,后者更有利于改善洗選煤矸石混凝土的和易性,提高膠凝材料與骨料連接界面處的粘結強度。

2.3 試驗方案

本試驗按照普通混凝土配合比設計方法,以強度等級為C30 的大流動性混凝土為配制目標。固定水泥、粉煤灰、水、粗骨料、細骨料和減水劑的質量比為1∶0.43∶0.51∶2.38∶2.86∶0.02,采用單因素試驗方法對洗選煤矸石細骨料進行附加水預濕處理,粗骨料為不預濕的天然碎石,研究附加水量和預濕時間對混凝土流動性與抗壓強度的影響,確定附加水量和預濕時間的最佳值。為了考察不同附加水量和預濕時間對洗選煤矸石細骨料的處理狀況,提出了附加水預濕公式:

式中,Mf為洗選煤矸石細骨料的附加水質量,kg;Mg為洗選煤矸石細骨料的質量,kg;Sg為洗選煤矸石細骨料的吸水率,%;K為吸水折算系數。

本試驗方案設計見表3,關于使用的命名,XK-T表示試件名稱,如X100-80表示吸水折算系數為100%、預濕時間為80 min,X0表示不預濕處理的對照組。

表3 洗選煤矸石細骨料預濕試驗方案和混凝土配合比Table 3 Pre-wetting test scheme and concrete mixture of washing coal gangue fine aggregate

3 試驗結果與分析

3.1 附加水量對洗選煤矸石混凝土流動性和力學強度的影響

3.1.1 附加水量對混凝土拌合物坍落度的影響

附加水系數K分別選擇0、40%、60%、80%和100%,固定預濕時間T為80 min,采用一次投料法拌合混凝土,研究附加水量對混凝土拌合物坍落度的影響,結果見表4。

表4 附加水量對混凝土拌合物坍落度的影響Table 4 Effect of additional water amount on slump of concrete mixture

由表4 可知,隨著附加用水量的遞增,混凝土拌合物的坍落度明顯增大。不進行預加水潤濕時混凝土拌合物的坍落度表現較差,無坍落度,而附加水處理可顯著地增加混凝土拌合物的坍落度。當K為40%時,拌合物坍落度達到65 mm;K為60%時,拌合物坍落度達到105 mm;K為80%時拌合物坍落度漲幅較大,達到165 mm;K為100%時,坍落度為175 mm。當K在0～80%時,拌合物坍落度增長的幅度較大,而K超過80%后,坍落度變化趨于平緩。這是因為洗選煤矸石細骨料吸水率較高,附加水加入后被快速吸收,導致混凝土在拌合時煤矸石細骨料吸收拌合用水的比例減小,宏觀表現為拌合物坍落度的增加;但隨著煤矸石細骨料吸水程度的逐漸飽和,拌合混凝土時僅有很小一部分的拌合用水被煤矸石細骨料吸收,使得此時拌合物的坍落度增長幅度降低。

3.1.2 附加水量對混凝土硬化后強度的影響

圖3 為附加水量對硬化后混凝土抗壓強度的影響結果。

圖3 附加水量對混凝土硬化后抗壓強度的影響Fig.3 Effect of additional water amount on compressive strength of hardened concrete

從圖3 可以看出,附加水量的變化對混凝土抗壓強度有較大影響,經過不同附加水量潤濕后,混凝土在各齡期的抗壓強度均有不同程度的提升,整體表現為隨著附加水量的增加而增加。混凝土成型養護7 d后,當K為100%時抗壓強度最大,為29.4 MPa,比K為0 時增大了20.4%;混凝土成型養護28 d 后,K為100%時抗壓強度達到峰值,為32.9 MPa,較K為0時增大了26.4%。水泥必須與水發生水化反應才能產生強度,若用水量不足,水化反應則無法充分進行,水泥石中會有大量沒有水化或水化不充分的水泥顆粒[14],從而導致硬化后的混凝土抗壓強度降低。鑒于混凝土流動性與抗壓強度雙重目標的考慮,僅當K取100%時,混凝土的坍落度和抗壓強度可同時有較好表現,所以洗選煤矸石細骨料附加水中K為100%較為合理。

3.2 預濕時間對洗選煤矸石混凝土流動性和力學強度的影響

3.2.1 預濕時間對混凝土拌合物坍落度的影響

固定附加水系數K為100%,選擇預濕時間T分別為0、10、30、60 和80 min,探究預濕時間對混凝土拌合物坍落度的影響,結果見表5。

表5 預濕時間對混凝土拌合物坍落度的影響Table 5 Effect of pre-wetting time on slump of concrete mixture

由表5 可知,預濕時間對混凝土拌合物坍落度具有顯著的改善作用,坍落度隨著預濕時間的增加而增大。當T為0 時,混凝土拌合物的坍落度較差,僅為25 mm,T為10 min 時坍落度達45 mm,T為30 min時坍落度達75 mm,T為60 min 時坍落度達140 mm,T為80 min 時坍落度有最大值165 mm。當預濕時間較短時,坍落度增長的幅度較大,但隨著預濕時間的延長,洗選煤矸石細骨料吸水程度逐漸達到飽和,坍落度變化幅度逐漸減小。從洗選煤矸石細骨料的物理性能(表2)可知,洗選煤矸石細骨料的孔隙率大、吸水性較強,故預濕時間越長,吸收的水就越多[15],從而改善混凝土拌合物的流動性。

3.2.2 預濕時間對混凝土硬化后強度的影響

圖4 為預濕時間對硬化后混凝土抗壓強度的影響結果。

圖4 預濕時間對混凝土硬化后強度的影響Fig.4 Effect of pre-wetting time on compressive strength of hardened concrete

由圖4 可知,隨著預濕時間的延長,硬化后混凝土的7 d 和28 d 抗壓強度變化趨勢一致,均表現為先上升再下降。混凝土成型7 d 后,T為60 min 時的抗壓強度最大,達到30.2 MPa,較T為0 時增大了48.0%。隨著齡期的延長,T為60 min 時混凝土的28 d 抗壓強度達到上升的峰值,為37.9 MPa,較T為0 時增大了26.8%;而當預潤濕時間超過60 min 后抗壓強度出現降低。這是由預濕時間對混凝土起到兩個互為相反的作用所決定的:一方面,預濕時間低于60 min 時,由于洗選煤矸石細骨料內部結構疏松、連通率高,隨著骨料預濕時間延長,附加水被吸收得就越多[16]。當預濕結束進行混凝土拌合時,這部分骨料處于近似吸水飽和狀態,只會再吸收少量的拌合用水,一定程度降低了拌合物的水灰比[17]。隨著混凝土齡期的延長,煤矸石細骨料預濕時吸收的部分附加水被釋放出來參與水化反應,促進了強度的增長。另一方面,潤濕時間超過60 min 后,洗選煤矸石細骨料過度吸水達到飽和,混凝土拌合時不再繼續吸收拌合用水,骨料表面吸附的多余附加水融入拌合用水,導致水膠比增大,直接降低了拌合物體系的密實程度,使混凝土產生較多的內部孔隙,導致內部毛細管道發展擴張[9],影響界面微缺陷的產生和粘結性能,從而使混凝土強度降低。綜合混凝土流動性與抗壓強度兩方面的表現,洗選煤矸石細骨料選擇T為60 min較好。此時,在流動性方面,混凝土拌合物的坍落度為140 mm,滿足大流動性混凝土的施工使用要求;而從抗壓強度方面來看,高于或低于60 min 時抗壓強度均有不同程度的降低,僅當T為60 min 時,附加水剛好能被洗選煤矸石細骨料充分吸收封鎖在骨料內部,拌合時不會影響混凝土里面的原定水灰比,同時又能提高水泥和骨料間的界面粘接強度,促進水泥水化反應,提高混凝土的抗壓強度。故選擇預濕時間T為60 min 比較合理。

3.3 微觀樣貌與圖像灰度分析

取測試完坍落度的混凝土拌合物裝模養護使其硬化,7 d 時取部分混凝土試塊破碎,放入無水乙醇中浸泡終止水化反應。試驗前將碎塊移入真空干燥箱常壓烘干。借助美國FEI 有限公司生產的JEOL分析型場發射掃描電子顯微鏡進行微觀形貌分析,所得SEM 圖像如圖5(a)、(b)所示。可以看到,不進行預濕處理的混凝土試件養護7 d 后,存在大量孔隙和裂縫,整體較疏松。相比于前者,預濕處理對混凝土結構形貌有極大的改善,預濕處理后的混凝土結構整體更加致密,缺陷較少。通過Image J 對圖5(a)、(b)分別進行灰度化、去背景、反色表征、孔隙選取與參數計算,導出數據,利用Origin 軟件繪制點線圖(圖5(c)、(d))。分析可知,孔隙面積與灰度值的趨勢具有一致性,未預濕的混凝土結構內孔隙數量更多,大小差異較大,多為細小孔隙(面積≤100 μm2),同時存在部分較大的孔隙(面積≥400 μm2),其對應的灰度值也較大。預濕后的混凝土結構內孔隙數量少,大小差異較小,面積多處于100～300 μm2,其灰度值相應地也明顯減小。這是因為洗選煤矸石混凝土不進行預濕處理時,水化反應不充分,水泥石中有大量未水化或水化不充分的礦物顆粒,從而產生微小孔隙和裂縫,使結構變得疏松;而預濕處理有助于混凝土拌合完成后持續釋放出水來參與水化反應,生成的大量Ca(OH)2與洗選煤矸石中含有的偏高嶺土相反應生成C—S—H 凝膠,填充大孔和毛細連接孔,增強界面之間的粘結,改善混凝土的致密程度,宏觀上表現為更高的抗壓強度。

圖5 洗選煤矸石混凝土養護7 d 的微觀形貌與圖像灰度分析Fig.5 Analysis of micromorphology and image gray level of washing coal gangue concrete after curing for 7 days

4 結論

(1)通過對拌合工藝進行優化,利用洗選煤矸石作為細骨料可制備出C30 大流動性混凝土。

(2)隨著附加水量的增加,混凝土拌合物的坍落度呈現上升的趨勢,7 d 和28 d 抗壓強度隨之增加。煤矸石細骨料預濕時間越長,拌合物坍落度越大,7 d和28 d 抗壓強度均先表現為增大后減小。

(3)當洗選煤矸石細骨料按附加水量為100%,預濕時間為60 min 預處理時,制備的混凝土具有較好的流動性和較高的抗壓強度。

(4)預濕處理可以促進生成更多的C—S—H 凝膠,改善混凝土的微孔結構,提高密實度。