煤矸石混凝土的渗透性影响研究★

王金涛 毛爱兰

(1.河南省郑州市轨道交通有限公司，河南 郑州 450046； 2.广西灵川县国土资源局三街国土资源管理所，广西 灵川 541202)

·建筑材料及应用·

煤矸石混凝土的渗透性影响研究★

王金涛1毛爱兰2

(1.河南省郑州市轨道交通有限公司，河南 郑州 450046； 2.广西灵川县国土资源局三街国土资源管理所，广西 灵川 541202)

用正交试验研究了煤矸石的渗透性，分析了煤矸石替代碎石量、粉煤灰替代水泥量、矿渣替代水泥量对混凝土渗透性的影响，并探讨了它们对混凝土渗透系数的影响，试验结果表明：煤矸石替代碎石量为30%、矿渣替代水泥量为10%、粉煤灰替代水泥量为20%时，混凝土抗压强度最高，渗透系数最小；在三因素中，煤矸石替代碎石量对混凝土的渗透系数影响最大；通过调整三因素的组分，可以将混凝土的力学性能和抗渗性控制在一个较好的水平。

煤矸石混凝土，粉煤灰，矿渣，渗透系数，正交试验

0 引言

煤矸石是指在煤矿建设、煤炭开采及加工过程中排放出的废弃岩石。大量废弃的煤矸石多采用圆锥式或沟谷倾倒式自然堆存，我国工业对环境的污染较大，而且存在持续污染的趋势。多年来国家非常支持、重视对煤矸石的综合开发利用，但是由于一方面煤矸石的总保有量巨大，另一方面废料综合利用的数量不大，现阶段我国煤矸石的综合利用水平并不尽如人意，尚不到排矸量的15%，因此大力发展利用煤矸石生产建筑材料势在必行。目前对煤矸石的研究大多数集中在：煅烧煤矸石生产水泥、利用化学激发、机械磨碎或煅烧提高煤矸石的活性等方面[2-12]，对不经磨碎或煅烧直接利用煤矸石的研究有较少报道。本文研究利用煤矸石替代部分碎石，利用粉煤灰或矿渣掺合料取代部分水泥，生产煤矸石混凝土绿色建筑材料。研究煤矸石混凝土的渗透性，对于煤矸石混凝土耐久性评价有直接的应用价值。国内研究煤矸石混凝土渗透系数的较少。本文主要研究煤矸石混凝土的组成对其渗透系数的影响。通过试验研究获得的上述影响因素或性能变化与渗透系数变化之间的规律，对于评估煤矸石混凝土的抗渗透性有直接帮助。另外，这些研究获得的规律对于煤矸石混凝土的耐久性设计也有重要的参考价值。

1 试验原材料与方法

1.1 试验原材料

1.1.1 水泥

本试验采用焦作坚固水泥有限公司生产的普通硅酸盐水泥(P.O42.5)(Ordinary Portland Cement)。其化学组成，矿物组成及物理性能见表1～表3。

表1 坚固牌42.5级普通硅酸盐水泥化学组成

表2 坚固牌42.5级普通硅酸盐水泥矿物组成

表3 坚固牌42.5级普通硅酸盐水泥的物理性能

1.1.2 砂子

试验采用的是黄砂，细度模数2.94，符合试验要求，为中砂。其筛分试验结果见表4。

表4 砂子筛分试验结果

1.1.3 减水剂

本试验采用的是JKH-1型高效减水剂。其主要性能指标见表5。

表5 减水剂的主要性能指标

1.1.4 煤矸石

本试验采用的煤矸石是由平顶山煤业集团天安一矿提供。煤矸石的化学成分见表6。

表6 煤矸石的化学成分

衍射分析图谱如图1所示。

1.1.5 粉煤灰

本试验用的是二级粉煤灰。平顶山市姚孟电厂生产。粉煤灰的化学成分见表7。

表7 粉煤灰的化学成分

1.1.6 矿渣

本试验用的矿渣是由焦作坚固水泥二厂，生产水泥作为混合材而加入产品的矿渣。矿渣的化学组成见表8。

表8 矿渣的化学组成

1.1.7 碎石

本试验所采用的石子是碎石，连续级配，级配范围为5 mm～20 mm。天然场地晒干，完全干燥，略有含泥量，可忽略不计。其物理性能见表9。

表9 碎石物理性能

1.2 试验方法

根据GB/T 50081-2002普通混凝土力学性能试验方法标准测定。渗透系数的测定方法是采用真空包、盐设备和NEL-PD型混凝土渗透性检测系统完成试验。该设备可快速检测混凝土中的氯离子扩散系数，从而评价混凝土渗透性的高低。

2 试验方案

2.1 因素和水平

由于要考察煤矸石替代碎石量、粉煤灰替代水泥量、矿渣替代水泥量对煤矸石混凝土的抗压强度和渗透系数的影响，对该因素选择3个水平。正交试验因素水平表见表10。

2.2 选择正交表安排试验方案

本次试验采用3个水平，3个因素的正交表。试验对应的正交表是L(34)，表示用该表需作9次试验，强度试验的试块按15 cm×15 cm×15 cm试模浇灌，分7 d,28 d抗压强度及28 d渗透系数来考核。方案设计及结果见表11。

表11 正交试验配合比与试验结果

2.3 试验结果分析

2.3.1 极差分析

表12 极差分析表

从表12可知，在试验因素水平变化范围内，以煤矸石混凝土7 d抗压强度为考核指标，则各因素的影响顺序为：煤矸石>矿渣>粉煤灰，优方案为：A2B2C2；以28 d抗压强度为考核指标，则各因素的影响顺序为：粉煤灰>煤矸石>矿渣，优方案为：A2B3C2。以渗透系数为考核指标，各因素的影响顺序为：煤矸石>粉煤灰>矿渣。优方案为：A2B3C2。

从图2～图4可知，煤矸石混凝土在煤矸石替代碎石量30%、矿渣替代水泥量10%时抗压强度达到最大，渗透系数达到最小，而在粉煤灰替代水泥量20%时，仅28 d抗压强度达到低谷。根据某因素对各指标的影响程度相差不大时，按少数服从多数的原则[13]，选取出现次数较多的优水平原则，则粉煤灰替代水泥量选取20%。因此，煤矸石混凝土的优方案为：A2B3C2，即C5方案。

从直观分析可以看出，方案C5是最优方案，煤矸石混凝土7 d,28 d的抗压强度最大，28 d的渗透系数最小。

2.3.2 三因素对混凝土渗透系数的影响

1)煤矸石对渗透系数的影响。

煤矸石混凝土的渗透系数与其组成具有紧密的关系，在煤矸石、粉煤灰、矿渣三种物质中，煤矸石替代碎石时，相比其余两种物质粒径大，它的变化对混凝土内部的孔隙率影响大，所以，煤矸石对渗透系数的影响最大。随着煤矸石替代碎石量的增加，煤矸石把混凝土中的孔隙逐渐充填，孔隙率降低，渗透系数减少，当煤矸石替代碎石超过30%时，孔隙又增多，孔隙率又增加，渗透系数增加。

2)粉煤灰对渗透系数的影响。

当粉煤灰掺量较低时，来自玻璃珍珠的润滑作用不明显，对水泥的分散作用不均匀，内部含有较多的孔隙，随着粉煤灰替代水泥量的增加，混凝土的渗透系数增大[14]。当粉煤灰的替代水泥量超过20%时，粉煤灰的微集料表现为良好的填充效应和界面效应，使混凝土有良好的粘聚性，混凝土的孔结构得到改善，混凝土的密度增加，混凝土的渗透系数降低。

3)矿渣对渗透系数的影响。

矿渣替代水泥量为10%时，渗透系数最小。矿渣替代水泥量过大时，混凝土的粘聚性增加，可供蒸发的水分少，混凝土收缩性很大，孔隙率增多，渗透系数增大。当矿渣替代水泥量较小时，混凝土的保水性相对较差，内部存在大量的自由水，混凝土的凝结时间较短，混凝土的强度较高，此时，渗透系数较低。矿渣最佳替代水泥量应使混凝土的水分充分利用，混凝土的孔隙率达到最小，渗透系数达到最低。

3 结语

利用正交试验确定了煤矸石混凝土的最优配方：煤矸石替代碎石量30%、矿渣替代水泥量10%、粉煤灰替代水泥量20%。此时的抗压强度最高，渗透系数最小。在三因素中，煤矸石替代碎石量对混凝土的渗透系数影响最大。通过调整三因素的组分，可以将煤矸石混凝土的力学性能和抗渗性控制在一个较好的水平，提高混凝土的耐久性，又充分利用了废物，保护了环境。

[1] 李永生，郭金敏．煤矸石及其综合利用[M].徐州：中国矿业大学出版社，2006：1-10．

[2] 王吉晶，公明明，高孟华，等．高温煅烧和机械球磨对煤矸石反应活性的影响[J].华东理工大学学报，2007,33(6)：765．

[3] 李化建，孙恒虎，铁旭初，等．热处理煤矸石活性评价方法的研究[J].煤炭学报，2006，31(5)：35．

[4] 宋旭艳，宫晨琛，李东旭．煤矸石活化过程中结构特性和力学性能的研究[J]．硅酸盐学报，2004，32(3)：358-363．

[5] 盂云芳，眭克仁，买文智．复合矿物掺和料对混凝土的增强效应[J].建筑材料学报,2007，10(6)：724．

[6] 周 梅，朱 涵，汪 振．双钢纤维增强自燃煤矸石轻集料混凝土试验研究[J].建筑材料学报,2008，11(6)：716．

[7] 刘贤萍，王培铭．活化煤矸石/粉煤灰水泥水化过程及性能差异[J].建筑材料学报,2010,13(3):371．

[8] 郭 伟，李东旭，陈建华,等．机械活化煅烧煤矸石水泥的早期水化过程[J].硅酸盐学报,2008,36(1)：290．

[9] V.M.Kidavainen．Review and analysis of factors controlling the mechanical flotation of gangue minerals[J]．Int.J.Miner Process,1996(46):91-92.

[10] Skarzynska K M．Reuse of coal mining waste in(ivilengineering-part2：Utilization of minestone[J].Waste Management，1995，15(2)：83-126．

[11] 孙振平，蒋正武．矿渣粉大量替代水泥对高效减水剂作用的影响[J].建筑材料学报,2003,6(3)：231.

[12] 陈 波，张亚梅，郭丽萍．大掺量粉煤灰混凝土干燥收缩性能[J].东南大学学报(自然科学版),2007,37(2)：335．

[13] 李云雁,胡传荣．试验设计与数据处理[M]．北京：化学工业出版社，2010：134．

[14] 李 东,叶以挺.聚丙烯纤维混凝土早期抗裂性能试验研究[J].混凝土与水泥制品,2009(6)：40.

Influenceonpermeabilitycoefficientofgangueconcrete★

WANGJin-tao1MAOAi-lan2

(1.HenanZhengzhouRailTransportationCompanyLimited,Zhengzhou450046,China; 2.SanjieLandandResourcesManagementOffice,GuangxiLingchuanLandandResourcesBureau,Lingchuan541202,China)

This paper researched the permeability of gangue using the orthogonal test, analyzed the application using gangue instead of gravel quantity, using fly ash instead of cement quantity, using slag instead of content quantity to concrete permeability, and discussed their influence to concrete permeability coefficient, the test results showed that: when gangue instead of gravel quantity was 30%, slag instead of cement content was 10%, the fly ash instead of cement content was 20%, the concrete compressive strength maximum, the permeability coefficient minimum, in the three factors, the permeability influence coefficient to concrete was largest using gangue instead of gravel, through adjusting the three factors components, could control the concrete mechanical properties and anti permeability in a good level.

gangue concrete, fly ash, slag, permeability coefficient, orthogonal test

1009-6825(2014)33-0095-03

2014-09-13★：河南省科技攻关项目资助(项目编号：092102310233)

王金涛(1984- )，男，助理工程师； 毛爱兰(1969- )，女，助理工程师

TU528

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