煤矸石粗集料粒径对混凝土性能的影响

汪振双, 谭晓倩, 周　梅, 赵一键

(1. 东北财经大学 投资工程管理学院, 辽宁 大连　116025; 2. 国家知识产权局 专利局, 北京　100088;

3. 辽宁工程技术大学 建筑工程学院, 辽宁 阜新　123000)



煤矸石粗集料粒径对混凝土性能的影响

汪振双1, 谭晓倩2, 周梅3, 赵一键1

(1. 东北财经大学 投资工程管理学院, 辽宁 大连116025; 2. 国家知识产权局 专利局, 北京100088;

3. 辽宁工程技术大学 建筑工程学院, 辽宁 阜新123000)

摘要:从混凝土架构结构模型出发,采用对比实验,研究了煤矸石粗集料粒径对混凝土坍落度、抗压强度、抗折强度、弹性模量和抗冻性的影响.研究结果表明,煤矸石粗集料对混凝土的坍落度、抗压强度、抗折强度和弹性模量影响十分显著.煤矸石粗集料的掺入降低了混凝土的坍落度和抗折强度,提高了混凝土的抗压强度和弹性模量,改善了混凝土的抗冻性.随着煤矸石粗集料粒径的增大,煤矸石混凝土的坍落度逐渐增大,抗折强度和抗冻性逐渐降低,而抗压强度和弹性模量变化并不显著.

关键词:煤矸石粗集料; 粒径; 架构混凝土; 强度; 抗冻性

集料是混凝土材料的重要组成部分[1]. 在传统四组分混凝土当中一直把集料当作惰性填充物,用来限制水泥石硬化过程中的收缩.传统混凝土强度理论是基于水泥石结构模型, 认为混凝土的强度主要取决于水泥石.水泥石结构模型在混凝土理论中具有极其重要的地位和作用, 当前有关混凝土理论的全部研究和计算都围绕着水泥石结构模型中“水灰比”这个参数展开的, 认为混凝土的强度与水灰比呈线性关系,而没有考虑其他因素对混凝土强度的影响.通过现有研究发现,水灰比在0.5左右时, 与混凝土的强度线性关系较为显著.此外,要发挥水泥石作用,就必须和细集料配合使用,这就是为什么水泥标号的确定要用标准砂的原因.通常情况下,粗集料的强度对普通混凝土的影响很小,这是因为混凝土的破坏是由其他两项决定的, 大部分粗集料强度几乎得不到利用.粗集料对混凝土强度的影响可以追溯到水灰比的变化,但已发表的文献中有足够的证明, 情况却未必总是如此.粗集料的粒径、级配等也影响界面过渡区的特性,进而影响混凝土的强度,而这与水灰比无关. 此外,混凝土水泥石结构模型理论夸大了水灰比参数对混凝土性能的影响,同时也混淆了混凝土中粗细集料的作用[2]. 美国著名混凝土材料专家Mehta P K教授曾经指出:“我们应该像重视水泥一样重视混凝土中的集料[3].” 随着混凝土应用领域的不断拓展,对混凝土材料性能的要求越来越高,集料的重要作用才真正被研究人员所认识和了解.实际上, 集料的几何特性和物理性能等方面因素对混凝土材料早期的工作性、硬化后的力学性能和耐久性能影响都比较显著, 如粗集料的尺寸分布、级配、表面形状、形状、弹性模量等[4-7].在此基础上,王立久教授提出混凝土架构结构模型[8], 指粗集料在搅拌、振捣和重力作用下, 按照一定当量配位形式最紧密堆积构成混凝土骨架, 使得粗集料具有一定的承载能力, 按一定砂灰比的砂浆填充其空隙,进而粘结龛固粗集料, 形成具有一定强度整体的现代混凝土结构模型,为研究混凝土的性能开辟了新的视角.

随着我国城镇化进程的不断推进,混凝土的大量使用,消耗大量的砂石资源,给环境和能源带来沉重负担.煤矸石是煤炭在开采过程中排放的固体废弃物,约占煤炭开采总量的10%～25%.煤矿区煤矸石的大量堆积占用耕地资源,污染环境.因此,将自燃煤矸石作为粗集料配制混凝土,变废为宝,利在当代,功在千秋.本研究从混凝土架构结构模型视角出发,研究了煤矸石粗集料的粒径对混凝土材料性能的影响,为煤矸石粗集料的工程应用提供参考.

1试验

1.1原材料

大连小野田水泥厂生产的P·O42.5普通硅酸盐水泥,密度3.17 g/cm3,比表面积360 m2/kg,性质指标如表1所示;河砂,表观密度2 683 kg/m3,细度模数2.9;阜新市海州矿废弃的煤矸石,将其破碎筛分冲去集料表面不洁附着物,表观密度2 673 kg/m3,筒压强度变化范围8.3 MPa,试验连续级配煤矸石粗集料筛分结果见表2;高效高性能AE减水剂,减水率13%;普通自来水.

表1　水泥材料的性质

表2　煤矸石粗集料筛分结果

1.2煤矸石混凝土配合比

在混凝土粗集料架构结构模型的基础上,在保证混凝土各种材料用量和配合比不变的情况下,采用对比实验,改变煤矸石粗集料的级配粒径,研究煤矸石粗集料对混凝土性能的影响.其中,混凝土砂浆基体配合比用N表示,4种不同粒径的煤矸石混凝土配合比如表3所示.

表3　煤矸石混凝土的配合比

1.3煤矸石混凝土测试方法

煤矸石混凝土的力学性能按《普通混凝土力学性能试验方法标准》(GB/T 50081—2002)进行测试,测试煤矸石混凝土28d的抗压强度、抗折强度和弹性模量.煤矸石混凝土抗冻性按GBJ 82—85快冻法进行.实验所用设备为北京燕科公司生产的TRD1型混凝土冻融试验机和天津建筑仪器厂生产的DT-8W动弹仪.

2试验结果与分析

2.1煤矸石混凝土的坍落度

煤矸石混凝土坍落度测试结果如图1所示.图1显示,混凝土砂浆N的坍落度为82 mm,煤矸石混凝土S1的坍落度为10 mm,S2的坍落度为37 mm,S3的坍落度为40 mm,S4的坍落度为61 mm.可以看出,煤矸石粗集料的加入,改变了混凝土砂浆,使其坍落度降低,混凝土的流动性减弱.由坍落度的测试结果可以看出,当煤矸石粗集料的最大粒径为9.5 mm时,混凝土的坍落度最小,对混凝土的影响最为显著.在煤矸石混凝土各种材料用量和配合比不变的情况下,煤矸石粗集料粒径越小,需要包裹煤矸石粗集料所需要的水泥砂浆用量就越多,新拌煤矸石混凝土拌合物的流动性越弱.

图1　煤矸石混凝土的坍落度

2.2煤矸石混凝土的抗压强度和抗折强度

煤矸石混凝土28 d抗压强度和抗折强度测试结果如图2和图3所示.从图2可以看出,混凝土砂浆N的抗压强度为46.4 MPa,煤矸石混凝土S1的抗压强度为52 MPa, S2的抗压强度为51 MPa,S3的抗压强度为50.5 MPa,而S4的抗压强度为50.1 MPa.与混凝土砂浆N的抗压强度相比,煤矸石粗集料的加入增强了混凝土的抗压强度.在混凝土各种材料用量和配合比不变的情况下,改变煤矸石粗集料最大粒径对混凝土28 d抗压强度影响并不显著.粗集料这种架构作用与粗集料的强度有关,试验选用的煤矸石粗集料,不同级配的压碎指标相差不大,因此在混凝土中的架构增强作用相差不大.在配制高强混凝土时,Griffith指出,粗集料粒径过大会使混凝土断裂应力值降低,应使粗集料的最大粒径尽可能小些[2].

图2　煤矸石混凝土的抗压强度

图3　煤矸石混凝土的抗折强度

从图3煤矸石混凝土抗折强度试验结果中可以看出,混凝土砂浆N的抗折强度为7.75 MPa,煤矸石混凝土S1的抗折强度为7.61 MPa,S2的抗折强度为6.83 MPa, S3的抗折强度为6.41 MPa,而S4的抗折强度为6.31 MPa.与混凝土砂浆的抗折强度相比,煤矸石粗集料的加入降低了混凝土的抗折强度,随着煤矸石粗集料粒径的增大,这种降低作用就越明显.这是由于粗集料粒径越大,粗集料内部存在缺陷的概率也就越大;此外,混凝土配合比中粗集料的粒径越大,导致粗集料比表面积越小,使与混凝土砂浆之间界面的粘结强度越低.已有的研究结果表明,在配制高强混凝土时,粗集料的最大粒径应控制在25 mm以下[9].

2.3煤矸石混凝土的弹性模量

煤矸石混凝土弹性模量的试验结果如图4所示.从图4的试验结果中可以看出,混凝土砂浆N的弹性模量为28.5 GPa,煤矸石混凝土S1的弹性模量为41.2 GPa,S2的弹性模量为38.2 GPa,S3的弹性模量为39 GPa,而S4的弹性模量为40.2 GPa.与混凝土砂浆的弹性模量相比,在混凝土中各种材料用量和配合比不变的条件下,煤矸石粗集料的加入显著提高了混凝土的弹性模量,使混凝土抵抗变形的能力增强.混凝土的弹性模量主要与混凝土的抗压强度有关,煤矸石粗集料的粒径对混凝土的抗压强度影响不显著.因此,煤矸石集料的粒径对混凝土弹性模量影响不大.

图4　煤矸石混凝土的弹性模量

2.4煤矸石混凝土的抗冻性

煤矸石混凝土快冻法试验结果如图5和图6所示.从图5煤矸石混凝土的质量损失率与冻融循环次数的试验结果中可以看出,混凝土砂浆N的质量损失明显要大于其余各组煤矸石混凝土的质量损失,经过100次冻融循环后,混凝土砂浆N的质量损失率已达到7.1%,而其他煤矸石混凝土的质量损失率还不到4%.与混凝土砂浆相比,粗集料的加入能改变混凝土中的空隙结构,改善混凝土的抗冻性.经过225次冻融循环之后,煤矸石混凝土质量损失率不断增大,S1为4.4%,S2为5.56%,S3为6.71%,而S4为6.82%.可以看出,随着粗集料粒径的增大,煤矸石混凝土的质量损失率增大,混凝土的抗冻性降低.在冻融循环初期,试件表面剥落后内部孔隙与外界连通,致使煤矸石混凝土吸水量增加,导致混凝土质量增加[7,10].因此,在冻融循环初期,煤矸石混凝土的质量损失率呈负值.

图5　煤矸石混凝土质量损失率随冻融循环次数变化

图6　煤矸石混凝土的相对动弹模量

混凝土的冻融循环劣化是混凝土由致密到疏松的变化过程,利用相对动弹性模量能更好地反映这个物理化学过程.从图6煤矸石混凝土相对动弹性模量的测试结果中可以看出,随着冻融循环次数的增加,混煤矸石混凝土的相对弹性模量逐渐降低.混凝土砂浆N的相对动弹性模量降低的更快,经过100次冻融循环后,相对动弹模下降为83.12%,150次冻融循环后,相对动弹性模量下降到63.54%.与混凝土砂浆相比,煤矸石粗集料的加入明显改善了混凝土的抗冻性.煤矸石混凝土S1和S2经过175次冻融循环后,相对动弹性模量为85.22%和83.15%,经225次冻融循环后,相对动弹性模量下降至66.42%和63.25%.而S3和S4经过150次冻融循环后,相对动弹性模量下降为82.11%和80.21%,200次冻融循环后,相对动弹性模量下降至67.75%和64.43%.可以看出,随着冻融循环次数和粗集料最大粒径的增加,煤矸石混凝土的质量损失率和相对动弹性模量变化趋势一致.由此可知,粗集料本身并不是混凝土受冻破坏的薄弱区域,随着煤矸石粗集料最大粒径的增大,煤矸石混凝土的抗冻性逐渐减弱.

3结论

煤矸石生产粗集料配制混凝土有着重要的环境经济价值, 本文从混凝土架构模型出发, 采用对比实验研究了不同煤矸石粗集料粒径对混凝土工作性、强度和耐久性的影响. 得出的主要结论有:

(1) 与混凝土砂浆相比,煤矸石粗集料改善了混凝土的强度和耐久性,然而降低了混凝土的弹性模量和抗折强度.

(2) 煤矸石粗集料级配粒径对混凝土的工作性、抗折强度和抗冻性影响比较显著,而对混凝土的抗压强度和弹性模量影响并不显著.

参考文献:

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【责任编辑: 祝颖】

Influence of Particle Size of Coal Gangue Coarse Aggregates on Concrete Properties

WangZhenshuang1,TanXiaoqian2,ZhouMei3,ZhaoYijian1

(1. School of Investment & Construction Management, Dongbei University of Finance and Economics, Dalian 116025, China; 2. Patent Office, State Intellectual Property Office, Beijing 100088, China; 3. College of Civil and Architecture Engineering, Liaoning Technical University, Fuxin 123000, China)

Abstract:Coal gangue coarse aggregate with the different maximum particle size are used to check slump, compressive strength, flexural strength, modulus of elasticity, and the influence on frost resistance property. The results show that, slump, compressive strength, flexural strength, and modulus of elasticity of concrete are affected by coarse aggregate significantly. Flow ability and flexural strength of concrete are decreased, but compressive strength and modulus of elasticity of concrete are increased due to coarse aggregate mixed, furthermore, coarse aggregate improved frost resistance of concrete. The maximum particle size of coarse aggregate increases the concrete slump, decreases the concrete flexural strength and frost resistance, and has little role on modulus of elasticity and compressive of concrete.

Key words:coal gangue coarse aggregate; particle size; framework concrete; strength; frost resistance property

中图分类号:TU 528.79

文献标志码:A

文章编号:2095-5456(2016)01-0069-05

作者简介:汪振双(1982-),男,辽宁岫岩人,东北财经大学讲师,博士.

基金项目:国家自然科学基金煤炭联合基金项目(U1261122); 第八批博士后特别资助项目(2015T80259); 辽宁省教育厅基金一般项目(W2015130); 东北财经大学博士后资助项目(BSH201523); 东北财经大学青年科研培育项目(DUFE2015Q15).

收稿日期:2015-06-17