煤矸石生态混凝土透水性与抗压强度研究

2013-02-01曹露春张志军徐州工程学院江苏徐州221008

中国建材科技 2013年3期

曹露春张志军（徐州工程学院，江苏徐州221008）

煤矸石是一种在煤形成过程中与煤伴生、共生的坚硬岩石，是在煤炭开采和洗选加工过程中被分离出来的固体废弃物，包括岩巷及煤巷掘进中排除的矸石。随着我国煤炭工业的发展，2010年我国煤矸石的排放量达到了2亿t，新增占地也将接近666.67公顷[1]，既污染环境，又占用大量耕地。据有关资料报道，美国、英国和德国等西方国家煤矸石的总利用率达90%以上，国内外在煤矸石治理和综合利用方面开展了大量的研究工作，涉及到热活化条件与煤矸石活性的关系、热活化过程中煤矸石的相变过程、煤矸石对水泥体系物理力学性能的影响等方面，为煤矸石活化理论及其工程应用起到了积极的作用，而对不经磨碎或煅烧直接利用煤矸石的系统研究较少。

我国是以煤炭为主要能源的国家，对煤矸石的利用率却仅有30%，而且主要应用于烧结砖、蒸压砖、免烧砖等。而混凝土作为建设材料而言，被广泛地运用在基础设施及各种建筑物中，但是，混凝土的大量使用也破坏了树木、水等自然环境，透水生态混凝土最近几年成为研究的热点，从现阶段使用情况看来，生态透水混凝土的原材料，特别是砂石料选择上仍然以天然砂石为主。随着生态混凝土的日益广泛应用，砂石的需求量也越来越大，需大量开山采石和掘地淘沙，严重破坏了生态环境。近年来我国有些地区的优质天然集料已趋枯竭，须从外地长途运输，这也增加了生态混凝土的成本，严重影响了生态混凝土的推广应用[2]。

煤矸石烧结砖在生产过程中，预先需要对煤矸石进行多级破碎，在破碎过程中，总有一部分矿物相主要为白云石的煤矸石，结构比较均匀，致密度高，质地坚硬，破碎到5mm以下时，对设备和能源消耗都很大，而这粒径的材料恰恰是制备透水混凝土的良好骨料。

1 试验原材料

煤矸石取自徐州某新型建材有限公司年产6000万标块煤矸石烧结砖生产线破碎工序，粒径2-15mm，在煤矸石的破碎过程中，产生很多微细粉末，包裹在破碎完的碎块上。这种微细粉末组成比较复杂，主要包括碳粉、砂灰、粉尘、以及其他杂物，在混凝土的凝固过程中影响水泥和骨料的结合界面。另外，由于这些粉尘以细骨料的形式进入透水混凝土，严重影响透水混凝土的透水性能[3]。煤矸石骨料用水冲洗，冲洗后的废水沉淀、澄清处理后，渣泥可作为烧结砖的良好原料，水可循环使用或直接用来拌合烧结砖原料。

水泥选用中联巨龙淮海水泥股份有限公司生产的42.5R普通硅酸盐水泥。

外加剂选用青岛某公司生产的HSC聚羧酸高性能减水剂，它的作用是保持一定稠度或干湿度的前提下,提高骨料颗粒间的粘结强度,进而提高透水混凝土的整体力学性能。

水选用徐州市城市自来水。

2 实验方案

本试验采用正交试验方法分析与讨论主要原材料和配比对煤矸石透水混凝土抗压强度与透水系数的影响显著性，以进一步找到煤矸石透水混凝土制备的适宜工艺。影响透水混凝土性能的因素主要有水灰比、煤矸石的粒径、骨胶比（骨料与胶凝材料之比）。

目前,透水性混凝土的最佳水灰比（W/C）通常介于0.25~0.45之间,故本研究拟选用的W/C为0.30、0.35和0.40三个水平。

为了保证透水性混凝土强度及其透水功能,粗骨料通常采用单粒径骨料。骨料的粒径越小,颗粒间的接触点愈多,配制的透水性混凝土强度越高,但由于比表面积较大,所需水泥浆的数量增多,骨料间的连通孔极易被填充密实,所以透水性能会降低。综合考虑强度和透水性,骨料选用粒级为2.5~5mm、5~10mm、10~15mm三个水平。

骨胶比(G/C)的大小影响骨料颗粒表面包裹的水泥浆薄厚程度以及孔隙率的多少,也就是影响透水性混凝土的强度和透水性。当水泥用量一定时,增大G/C,骨料颗粒表面水泥浆厚度减薄,孔隙率增加,透水性提高,但强度却降低了;反之,透水性降低,强度提高。考虑较小粒径骨料的表面积较大,为保持水泥浆体的合理厚度,小粒径骨料G/C适当小一些。本次试验采用的骨胶比初步定为4.0、4.5、5.0三个水平[4]。

正交试验因素与水平选择如表1所示：

表1 正交试验因素与水平选择表

3 试件制备与试验分析

试件的制作采用静压成型工艺，成型压力3MPa。将搅拌好的混合料放入试模，一次加压成型。工艺流程见图1。成型后带模在标准养护条件下养护24h后拆模，7d内淋水潮湿养护，自然干燥28d后测试试件性能。本试验采用试件尺寸：100mm×100mm×100mm。

图1 煤矸石透水混凝土成型工艺流程

实验使用的透水系数仪根据JC/T 945—2005中混凝土透水方法测定原理，参考相关资料[5]，测试时将预先浸水饱和并四周蜡封的试件置入测试仪中，然后用橡皮泥密封透水仪内壁与试件之间的接缝，测试时向透水仪中加水至一定高度，控制加入水的流量，维持一定水位，待渗透水流量稳定后，测试在一定时间内通过试件的渗水量。

图2 透水系数测定仪示意图

实验结果见表2。

由上述极差分析可知，对于抗压强度R水灰比=13.5，R骨料粒径=42.5，R骨胶比=5.6，骨料粒径对抗压强度的影响最大，对于透水系数R水灰比=0.26，R骨料粒径=1.08，R骨胶比=0.18，骨料粒径对透水系数的影响也最大。因此，煤矸石骨料的粒径是决定透水混凝土强度和透水性的主要因素，为保证透水混凝土的强度和透水功能，骨料常用单一粒径。骨料粒径越小，骨料的堆积密度越大且颗粒间的接触点越多，配置的透水混凝土的强度越高，透水性越低。骨料粒径越小，其比表面积越大，所形成的结构骨架单位体积内骨料颗粒之间接触点数量越多，胶结面积越大，可以提高混凝土的强度，但须同时提高水泥用量。骨料粒径越大，比表面积越小，所形成的骨架单位体积内骨料颗粒之间接触点数量越少，胶结面积越小，从而可以提高透水性，但会降低强度[6]。

表2 正交试验方案及实验结果记录

由表2可得到水灰比对抗压强度和透水系数的影响如图2、图3、图4所示：

图3 水灰比对抗压强度的影响

图4 水灰比对透水系数的影响

由图可以看出，随着水灰比的增大，混凝土的抗压强度逐渐下降，而透水系数逐渐增大，水灰比超过0.35时，透水系数增大不明显。这说明在用水量一定的范围内，水泥用量少，则强度低，但透水性较好，反之亦然[7]。

图5 煤矸石骨料粒径对抗压强度的影响

图6 煤矸石骨料粒径对透水系数的影响

由图5和图6可以看出，随着骨料粒径的增大，混凝土强度下降很快，同时透水系数也增加很快，这是由于混凝土强度主要靠骨料间的接触点或面，并以水泥浆粘结，如果水泥浆粘结强度高，则制品的强度就高。由于骨料的级配是断开级配，骨料之间并不密实，它们之间产生一些小孔，形成水的通道，即所谓透水。骨料粒径越细，空隙越小，透水能力就差，但其强度高；骨料粒径越粗，则骨料颗粒之间接触就越少，空隙越大，透水能力越好，但其强度低，这时需要有较高粘结力的高强水泥粘结。