掺煤矸石泡沫混凝土制备及力学性能

2020-10-17张林春张爱莲高小建杨志渊

硅酸盐通报 2020年9期

张林春，张爱莲，王倩，李珂，韩艳，高小建，杨志渊

(1.四川建筑职业技术学院土木工程系，德阳 618000;2.哈尔滨工业大学土木工程学院，哈尔滨 150001)

0 引言

我国是世界上主要的煤炭生产国之一。在煤炭生产过程中, 煤矸石(一种洗煤废弃物)的排放量约占煤炭产量的15%～20%，已成为我国排放量最大的工业废渣之一[1-4]。国内历年积存下来的煤矸石已超过45亿吨，且每年煤矸石仍在至少以1.8亿吨的速度持续排放，但是我国煤矸石的综合利用率较低，发电年处理煤矸石等废弃资源能力仅在1.35亿吨左右，存在巨大的缺口。不能及时处理的煤矸石导致其堆存总量持续增加，占压了大量土地，对周边环境造成了诸多危害(如: 占用大量土地资源,污染大气和水土,时常发生自燃等)[5]。

泡沫混凝土是一种将气泡与水泥基材料搅拌混合后形成的一种轻质混凝土材料。这种混凝土的机械性能与强度较低，但是其具有良好的保温、隔热效果，用于建筑中的隔墙或者低层承重墙可以起到良好的隔热、保温作用，同时也可以起到减重的作用[6]。

为了解决煤矸石堆积带来的环境污染问题，Awang[7]、Jones[8]、Nambiar[9]等在制作泡沫混凝土时选择了经过粉磨的煤矸石当细骨料，经过研究得知将磨细后的煤矸石选为细骨料能够满足泡沫混凝土强度和导热性能的要求。国内煤矸石主要应用于发电、路面材料以及泡沫混凝土的制备等。俞心刚[10-12]和揣丹[13]等研究了煤矸石泡沫混凝土的流动度、体积密度、抗压强度受发泡剂掺量的影响规律并揭示了相关机理。煤矸石作为一种矿区生产煤时产生的工业废料，利用其制备泡沫混凝土能达到废物利用的目的，响应了当今国家对工业生产“环保”“废物再次利用”的提倡。然而，煤矸石的粉磨时间对其粉末的粒径分布以及掺煤矸石泡沫混凝土的体积密度和力学性能影响的研究却较少。

为了能更有效再次利用固废，本文用煤矸石来制备泡沫混凝土材料。将煤矸石的掺量与粉磨时间作为变量，研究这两变量与泡沫混凝土流动度、体积密度和抗压强度的关系，在保护环境、节约资源方面具有一定的研究意义和工程价值。

1 实验

1.1 原材料

水泥使用亚泰集团哈尔滨水泥有限公司生产的“天鹅牌”袋装P·O 42.5普通硅酸盐水泥，其累计通过率与化学成分分别如表1与表2所示。

表1 水泥的累计通过率Table 1 Particle passing percentage of cement

表2 水泥的主要化学成分Table 2 Main chemical composition of cement /%

河砂作为细骨料，其细度模数为2.75。煤矸石来源于伊春市晨明地区的某矿区。该煤矸石是一种红矸和黑矸的混合体(大部分为红矸)，其粒径大小不一，所选材料里面混杂了些许较大块粒径的煤矸石，如图1所示。减水剂是淡黄色的40%固含量的聚羧酸高效减水剂。发泡剂是淡黄色、粘稠液体状、有芳香气味的植物型发泡剂。做发泡应用时发泡剂与水的比例为1∶30，如图2所示。

图1 试验用煤矸石Fig.1 Coal gangue for testing

图2 试验用泡沫Fig.2 Foam for testing

1.2 试件制备

使用Hobart A200C型搅拌机对浆体进行搅拌。使用压缩空气发泡机制备泡沫混凝土中的原材料泡沫。使用无锡市锡仪建材仪器厂生产的SMΦ500×500型球磨机对煤矸进行粉磨。使用济南恒瑞金生产的YAW300型微机全自动水泥压折试验机检测抗压强度。成型后的试件采用标准养护(温度(20±2) ℃，湿度95%)。

首先将称量好的原材料(水泥、砂子、煤矸石、水以及减水剂)投入搅拌锅中搅拌均匀(慢搅2 min后再快搅2 min)，得到水泥砂浆，然后将压缩空气发泡机制备的泡沫称量好后和水泥砂浆混合均匀制备成掺煤矸石泡沫混凝土浆体，最后将制备好的混凝土浆体浇筑成型，并置于标准养护室内养护至相应的龄期后测试其相关性能。表3为掺煤矸石泡沫混凝土的配合比，其中，混凝土的水料比(水与干料的质量比)分别为0.37和0.27。

表3 掺煤矸石泡沫混凝土配合比(质量比)Table 3 Mixing proportion of foamed concrete mixed with coal gangue (mass ratio)

采用40 mm×40 mm×160 mm的棱柱体试件，依据规范GB/T 17671—1999《水泥胶砂强度检验方法(ISO法)》测试材料的抗压、抗折强度，并采用测得的抗压强度来计算煤矸石的活性指数。计算煤矸石活性指数采用的方法参照GB/T 1596—2017《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》中的附录D，如式(1)所示。

H28=(R/R0)×100%

(1)

式中：H28为活性指数,%;R为试验组28 d抗压强度,MPa;R0为对照组28 d抗压强度,MPa。

研究中先采用BT-2001激光粒度分布仪和X射线衍射法对煤矸石原材料进行分析。

2 结果与讨论

图3为煤矸石XRD谱，由图可看出，煤矸石具有连续的XRD峰，从中得知煤矸石中含有一定量的无定型杂质。XRD谱中呈现的衍射峰大部分和石英(SiO2)的相对应，由此得知煤矸石中含有大量石英晶体。因此，增加煤矸石的细度能增大其在水泥基材料中的活性，从而促使水泥发生二次水化，增加煤矸石泡沫混凝土的后期强度。

图3 煤矸石XRD谱Fig.3 XRD pattern of coal gangue

图4为水泥和不同粉磨时间煤矸石粉的颗粒粒径分布图。试验中不同算法下的平均粒径大小采用面积平均粒径和体积平均粒径进行计算。由图4得知,经过粉磨45 min后的煤矸石粉的细度与普通水泥的细度非常接近。

图4 水泥和不同粉磨时间煤矸石粉的颗粒粒径分布图Fig.4 Distribution of particle sizes of cement and coal gangue powder with different grinding time

图5为煤矸石粉的活性指数与粉磨时间和平均粒度的关系。由图可知，煤矸石的活性指数随着煤矸石粉磨时间的增加而升高，而煤矸石平均粒径的增加导致其活性指数降低。煤矸石的活性指数与其平均粒径成明显的线性关系，线性函数的拟合度达0.99以上。当粉磨时间达到45 min时，煤矸石的活性指数达到80%以上，说明煤矸石的粉磨时间超过45 min后，煤矸石会有较高活性。45 min之后，随着粉磨时间的增加，煤矸石的活性指数呈现缓慢上升的趋势。由此可以说明煤矸石的活性指数在粉磨时间为45 min时达到拐点。

图5 煤矸石粉的活性指数与粉磨时间和平均粒度的关系Fig.5 Relationship between activity index of coal gangue powder and grinding time and average particle size

图6为煤矸石掺入泡沫混凝土后混凝土的扩展度。由图可知，随着煤矸石粉的掺入，泡沫混凝土的流动度略微下降。由图4水泥和煤矸石的粒径分布可以得知，煤矸石粉磨60 min和75 min后的比表面积大于水泥，因此，煤矸石粉掺量越多，灰料总比表面积越大，在混凝土拌和时的需水量也越大，更多的自由水会被煤矸石吸附从而导致泡沫混凝土流动度降低。此外，图中显示，水料比越大，掺煤矸石泡沫混凝土的流动度越大。究其原因，材料中含的自由水随着水料比的增加而提高，从而导致泡沫混凝土的流动度升高[14-17]。较高煤矸石掺量下，水料比为0.27时，粉磨时间越大，泡沫混凝土的流动度越小。然而，水料比为0.37时，粉磨时间越小流动度越小。

图6 掺煤矸石泡沫混凝土的扩展度Fig.6 Slump flow of foamed concrete mixed with coal gangue

图7为不同煤矸石粉掺量下泡沫混凝土的体积密度。由图得知，水料比为0.37时，煤矸石粉对泡沫混凝土的体积密度无规律性影响作用。然而，当水料比为0.27时，掺煤矸石泡沫混凝土的体积密度随煤矸石粉掺量的增加先减小后增加。其它条件相同时，当煤矸石的粉磨时间为90 min时，掺煤矸石泡沫混凝土的体积密度最大。然而，当煤矸石掺量低于40%时，粉磨时间为60 min的掺煤矸石泡沫混凝土的体积密度较粉磨时间为75 min时高。然而，当煤矸石掺量达到40%时，粉磨时间为75 min的煤矸石泡沫混凝土的体积密度更高。

图7 不同煤矸石粉掺量下泡沫混凝土的体积密度Fig.7 Volume density of foamed concrete mixed with different dosage of coal gangue

图8为水料比分别为0.27和0.37时，养护时间分别为3 d、7 d和28 d下，不同煤矸石粉掺量的泡沫混凝土的抗压强度。由图可知，随煤矸石粉掺量、水料比的增加以及养护龄期的降低，掺煤矸石泡沫混凝土的抗压强度明显降低。煤矸石粉掺量为30%的泡沫混凝土的抗压强度约为煤矸石粉掺量为10%的一半。

图8 不同煤矸石粉掺量下泡沫混凝土的抗压强度Fig.8 Compressive strength of foamed concrete mixed with different dosage of coal gangue

图9为养护时间分别为3 d、7 d和28 d下，不同粉磨时间掺煤矸石泡沫混凝土的抗压强度。由图可知，当煤矸石的粉磨时间由15 min增加至30 min时，泡沫混凝土的抗压强度因粉磨时间的增加而降低。粉磨时间由30 min增加至90 min时，泡沫混凝土的抗压强度总体呈现上升的趋势。然而,泡沫混凝土3 d、7 d和28 d的抗压强度在粉磨时间为75 min时最高。由于煤矸石是一种活性材料，粉磨时间的增加能提高煤矸石的细度，从而使煤矸石粉末的活性增大，煤矸石与水泥的水化程度得以提高，因此粉磨时间的增加能提高泡沫混凝土的抗压强度[18-19]。但是，粉磨时间过高时(超过75 min)，煤矸石粉末的细度过大，其表面积大，导致吸水量大，细度增大导致的活性增加不能弥补由于吸水量增加导致混凝土强度减少的效应，因此会引起泡沫混凝土强度的下降，故粉磨时间超过75 min时，掺煤矸石泡沫混凝土的抗压强度会随着粉磨时间的增加而降低[20-22]。

图9 不同粉磨时间掺煤矸石泡沫混凝土的抗压强度Fig.9 Compressive strength of foamed concrete mixed with different grinding time of coal gangue

图10为煤矸石粉磨时间为75 min时，掺煤矸石泡沫混凝土的SEM照片。从图中可以明显看出，当养护龄期为7 d时，混凝土中Ca(OH)2(CH)的含量高于养护龄期为28 d时CH的含量，且养护龄期为28 d时混凝土的密实程度更高。从图中可以得知，养护龄期从7 d增加至28 d时，煤矸石中的SiO2与CH以及水发生反应，消耗了CH导致CH含量下降，促进了水泥的二次水化，所以提高了混凝土密实程度，强度增大。