煤矸石陶粒轻集料混凝土体积稳定性研究

邱景平 刘 骎，2 邢 军 孙晓刚

(1.东北大学资源与土木工程学院，辽宁 沈阳110819;2.中国黄金集团科技有限公司，北京100176)

煤矸石是煤矿在开拓、回采和洗选加工过程中排放的一种固体废弃物，其排放量占煤炭产量的10%～15%［1］，是我国排放量最大的工业固体废弃物之一。煤矸石的长期堆存不仅占用大量的土地，还对堆存地周边环境造成严重的污染和破坏。据统计［2］，目前我国煤矸石堆存量累计高达50 亿t 以上，并且每年约以2 亿t 的速度增加。

利用煤矸石生产的集料替代普通碎石骨料配制轻集料混凝土，不仅可以资源化大宗利用煤矸石，还能大量减少建筑行业对天然集料的消耗，此外与普通混凝土相比，轻集料混凝土还具有轻质、高强、抗震等优良特性。

我国20 世纪80 年代开始研究和生产煤矸石陶粒轻集料混凝土［3］，到21 世纪，随着煤矸石陶粒生产的规模化，我国煤矸石陶粒轻集料混凝土技术得到较快发展。但在实际工程中，混凝土开裂现象仍普遍存在，增加胶凝材料用量、掺加高效减缩剂和活性矿物掺合料是配制轻集料混凝土的主要技术方法，也正是由于这些措施造成了混凝土的明显收缩、开裂和耐久性下降，严重制约了其在结构工程上的应用［4］。因此，提高轻集料混凝土的体积稳定性、减少收缩开裂对煤矸石陶粒轻集料混凝土的研究和应用具有重要意义。

试验以某砂岩质煤矸石陶粒为轻集料试制混凝土，研究了预湿陶粒内养护、添加减缩剂及二者复合对轻集料混凝土收缩的影响，以寻求有效改善轻集料混凝土体积稳定性的措施，促进煤矸石陶粒轻集料混凝土的推广和应用。

1 轻集料混凝土体积稳定性研究现状

1.1 轻集料混凝土的体积变形

混凝土的体积稳定性是指混凝土凝结硬化后，在无荷载作用下保持其初始几何尺度的能力［5］。作为促使混凝土开裂的最主要因素，收缩是影响轻集料混凝土体积稳定性的最主要的体积变形。混凝土的收缩变形主要有6 种，下面结合轻集料混凝土的具体特点进行分析［6-7］。

(1)化学减缩。指水泥在水化反应后，浆体中胶凝材料和水的绝对体积减小所引起的收缩。硅酸盐水泥完全水化后的化学收缩为7% ～9%。混凝土初凝后的化学收缩大部分由内部形成的孔隙结构来补偿，对混凝土宏观体积的影响较小。

(2)温度收缩。指混凝土内部温度由于水泥水化而升高，最后冷却到环境温度时产生的收缩，其大小与混凝土的热膨胀系数、内部最高温度及降温速率等因素有关。轻集料混凝土的低弹性模量和较小的热膨胀系数，使其在相同温度梯度下产生的收缩小于普通混凝土。

(3)碳化收缩。指在相对湿度合适的条件下，大气中的CO2与水泥的水化产物如Ca(OH)2、C－S－H凝胶等发生化学反应而引起的收缩。

(4)塑性收缩。指在混凝土凝结硬化前，由于表面失水速率大于内部水分向外迁移速率而产生的收缩。轻集料在拌和阶段吸入水泥浆中的水分，会增大混凝土表面失水速率与内部水分向表面迁移的速率之差，从而加大轻集料混凝土的早期塑性收缩。

(5)自收缩。指在恒温恒湿条件下，由于胶凝材料在混凝土初凝后的继续水化引起内部湿度降低而造成的收缩，它随着水灰比的降低而增大。与普通混凝土相比，轻集料混凝土有效水胶比较小，使自收缩在总收缩中所占比例增大。

(6)干燥收缩。混凝土停止养护后，在不饱和的空气中失去内部毛细孔水、凝胶孔水及吸附水而发生的不可逆收缩，其主要影响因素是胶凝材料用量和集料的用量及其弹性模量。轻集料的弹性模量较低，胶凝材料用量较高，致使轻集料混凝土的干燥收缩较大。

1.2 轻集料混凝土的收缩机理

轻集料混凝土收缩主要是由于硬化水泥浆体内部的湿度平衡被打破所致，而导致这种平衡发生变动的原因则来自于混凝土内部水分的迁移或转化。关于其作用机理的学说主要有毛细管张力学说、拆开压力学说、表面吸附学说和层间水迁移学说［8］。毛细管张力学说认为混凝土的收缩与水分迁移过程中毛细管水的弯液面有关。随着混凝土内部相对湿度的降低，毛细管中弯液面的曲率下降，从而导致表面张力增大，此表面张力对管壁产生拉应力造成混凝土宏观体积的收缩。拆开压力学说认为水吸附在C－S－H凝胶表面会产生一个拆开压力，其值与湿度成正比，在较低的相对湿度下，当拆开压力小于范德华力时，水泥浆体中的凝胶颗粒就会聚集引起收缩。表面吸附学说认为凝胶颗粒的表面吸附水膜会减小其表面张力，当吸附水从颗粒上脱离，表面张力就要增加，从而引起体积减小。层间水迁移学说是指随着相对湿度的降低，存在于C－S－H 凝胶内层区的层间水在能量梯度的作用下逐渐向外迁移而产生的收缩。

对于这几种收缩学说，不同的学者看法并不一致，但普遍认为混凝土的收缩是无法用单一学说完全解释的，而是多种原因复合造成的［9］。

当相对湿度为100%时，混凝土不会产生较大的体积变形;当水泥浆体所处环境湿度小于100%时，混凝土便开始出现失水并产生收缩。一般认为，当环境湿度小于100%时，孔径50 nm 以上的毛细孔内的自由水首先蒸发，此时由水的表面张力引起的毛细管应力很小，并不会造成体系的显著收缩;当相对湿度在85% ～35%时，孔径50 ～2.5 nm 的毛细孔逐渐失水，毛细管应力增大，体系收缩显著增大。存在于胶体中的吸附水，在相对湿度低于60%时才开始蒸发。当相对湿度小于45%时，将失去C－S－H 凝胶内层区的层间水，使水泥浆体的收缩增大。在相对湿度为35% ～100%的常规环境中，毛细管应力是造成收缩的主要因素;而当相对湿度小于35%时，由于太细的毛细孔不能保持溶液弯液面，毛细管张力不再是混凝土收缩的成因。

1.3 轻集料混凝土体积增稳技术研究现状

轻集料混凝土的体积稳定性涉及胶凝材料的类型及用量、外加剂的种类及集料性能等多方面因素，而且这些因素间又相互作用、相互影响。因此，必须从原材料选择到配合比设计进行统筹优化，采取适当的减缩措施才能够有效提高轻集料混凝土的体积稳定性。目前，我国在轻集料混凝土体积增稳方面的研究不多，主要包括以下几个方面。

(1)优化原材料和配合比。研究表明［10-11］:减少胶凝材料的用量、提高有效水胶比、增加砂率、掺加粉煤灰和矿渣，以及采用高吸水率的轻骨料可在一定程度上减小轻集料混凝土的收缩，提高体积稳定性。但在实际工程中，由于受到施工条件、原材料来源及经济条件等因素的限制，无法完全从控制收缩的角度来设计和制备混凝土，因此减缩效果并不显著。

(2)掺加外加剂或纤维。掺加适量的膨胀剂和高弹性模量纤维能够有效减小轻集料混凝土的收缩，但是膨胀剂不同程度存在高温稳定性、延迟膨胀、早期养护条件苛刻等问题，而掺加纤维则会影响混凝土的性能，且减缩效果受其在混凝土中分散程度的影响较大，这些原因大大制约了膨胀剂和纤维的推广［12-13］。减缩剂于20 世纪80 年代由日、美先后开发出来，是一种通过降低水溶液的表面张力来降低混凝土收缩的化学外加剂［14］。宋培晶［15］研究证明，减缩剂对轻集料混凝土的体积稳定性有一定的促进作用。

(3)加强混凝土养护。对于轻集料混凝土而言，由于实际工程中构件的截面较大，传统的保湿养护对混凝土内部的养护作用比较有限。近20 a 研究者开始关注混凝土的内养护，普遍认为内养护对混凝土内部湿度的降低以及收缩具有显著的抑制作用。目前已有不少研究者开展了轻集料混凝土内养护研究［12-16］，其研究结果表明，内养护可以改善水泥浆体的孔径分布，抑制内部相对湿度的下降，并且随着轻集料吸水率和预湿程度的提高，内养护减缩效果逐渐增强。

2 煤矸石陶粒轻集料混凝土试验方案

2.1 试验原料

煤矸石陶粒轻集料混凝土的原料中粗集料为实验室自制砂岩质煤矸石陶粒，基本性能见表1;细集料为北京某建筑工地河砂，细度模数为2.6，表观密度为2 610 kg/m3，堆积密度为1 350 kg/m3;水泥为辽宁工源牌P·O·A 32.5 矿渣硅酸盐水泥;减缩剂为HUNTSMAN 公司生产的JEEFMINE⑩D－230 聚醚胺;减水剂为DC－WR1 型萘系高效减水剂，减水率为15% ～20%。

表1 煤矸石陶粒的基本性能Table 1 Basic performance of coal gangue ceramsite

2.2 试验配合比

参照《JGJ51—2002 轻集料混凝土技术规程》，通过正交试验确定混凝土原料水泥、河砂与干陶粒的基准配合比，即水泥、砂与干陶粒的用量分别为420 kg/m3、564 kg/m3、702 kg/m3，水灰比为0.40。

试验将按基准配合比，并在减水剂掺量为0.75%(与水泥的质量比)情况下，研究减缩剂掺量(与水泥的质量比)、陶粒预湿程度以及二者复合对煤矸石陶粒轻集料混凝土收缩性能的影响。

2.3 试验方法

参照《GB/T50082—2009 普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》进行收缩试验，测定以干燥收缩为主的收缩率。试验以100 mm×100 mm×515 mm 的棱柱体试件为标准试件，试块成型1 d 后脱模，并测定其长度。置于恒温恒湿(20±2 ℃，60%±5%)环境中养护，分别测定养护1、3、7、14、28、56 d 时的长度，并计算收缩率。

采用JYW－200A 型全自动界面张力仪测量减缩剂对模拟孔溶液表面张力的影响。

3 煤矸石陶粒轻集料混凝土试验结果与讨论

3.1 陶粒预湿程度对试件收缩性能的影响

不同养护龄期下，陶粒预湿程度对轻集料混凝土收缩性能影响试验的减缩剂用量为0，不同养护龄期混凝土试件的收缩率见图1。

图1 陶粒预湿程度对混凝土收缩率的影响Fig.1 Influence of ceramsite pre-wetting degree on concrete shrinkage

由图1 可以看出:相同养护龄期的陶粒，预湿时间越长，也即预湿程度越高，试件的收缩率越小，但收缩率下降的幅度逐渐趋缓;陶粒预湿程度相同，养护时间越长，试件的收缩率呈先快后慢的上升趋势。因此，合适的预湿时间为12 h。

由于煤矸石轻集料陶粒具有大量的三维网状结构，经预湿处理的陶粒内部存有一定量的水分，当水泥浆体毛细孔网络中的水分因水泥水化而不断消耗时，在毛细管压力差和湿度差的作用下，轻集料中的水分逐渐向水泥中迁移，形成微养护机制，从而降低毛细管应力，宏观表现为混凝土收缩变形的降低［18］。

3.2 减缩剂掺量对试件收缩性能的影响

减缩剂掺量对试件收缩性能影响试验的陶粒不预湿，不同养护龄期混凝土试件的收缩率见图2。

图2 减缩剂掺量对混凝土收缩率的影响Fig.2 Influence of shrinkage reducing agent dosage on concrete shrinkage

由图2 可以看出:相同养护龄期的陶粒，减缩剂掺量越多，试件的收缩率越小，但收缩率下降的幅度趋缓;减缩剂掺量相同，养护时间越长，试件的收缩率呈先快后慢的上升趋势。即在煤矸石陶粒轻集料混凝土中掺入减缩剂可有效抑制混凝土的收缩。因此，合适的减缩剂掺量为2%。

进一步的研究表明，掺加减缩剂的试件收缩率显著小于不掺加减缩剂的试件，这是由于无减缩剂时随着水化作用的进行，试件内部相对湿度下降，毛细孔中逐步产生弯月面，导致试件受负压作用而强化收缩;添加减缩剂从微观结构上降低了毛细孔水的表面张力，减小了孔内附加应力，从而减少了附加负压产生的收缩变形［14］。减缩剂溶液的表面张力与减缩剂溶液浓度的关系见图3(用浓度为5%的减缩剂溶液调制混凝土，减缩剂的掺量即为2%)。

图3 减缩剂溶液浓度对表面张力的影响Fig.3 Influence of the concentration of shrinkage reducing agent on surface tension

3.3 陶粒预湿且添加减缩剂对试件收缩性能的影响

陶粒预湿且添加减缩剂对试件收缩性能影响试验结果见图4。

图4 陶粒预湿且添加减缩剂对试件收缩率的影响Fig.4 Influence of ceramsite pre-wetting degree and shrinkage reducing agent dosage on concrete shrinkage

由图4 可以看出，陶粒预湿24 h 并掺加2%减缩剂的试件的收缩率显著低于同一养护龄期不预湿且无减缩剂、或仅预湿陶粒24 h、或仅掺加2%减缩剂的试件的收缩率，表明预湿和添加减缩剂产生了“叠加”效应。

4 结 论

(1)随着煤矸石陶粒预湿时间的延长、预湿程度的提高，煤矸石陶粒轻集料混凝土试件的收缩率下降;预湿时间达到12 h 时，煤矸石陶粒吸水基本饱和，继续增加预湿时间，陶粒的吸水率增长缓慢，混凝土试件的收缩率下降微弱。

(2)添加减缩剂可降低毛细孔溶液的表面张力，减小毛细管压力，抑制煤矸石陶粒轻集料混凝土试件的收缩，改善其体积稳定性。试件的收缩率随减缩剂掺量的增加而下降，当减缩剂掺量大于2.0%后，继续增加减缩剂的掺量，混凝土试件的收缩变形改善不明显。

(3)在煤矸石陶粒预湿，且添加减缩剂的情况下，煤矸石陶粒轻集料混凝土试件的收缩率较单独采取2 种手段时的收缩率明显下降，有利于提高轻集料混凝土的体积稳定性。

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