煤矸石对泡沫混凝土孔结构的影响

白应华，潘秋阳

(湖北工业大学土木建筑与环境学院，武汉 430068)

0 引 言

目前我国煤矸石排放量大，综合利用率低,大量煤矸石无序堆积不仅会造成资源浪费、环境污染，还会危害人体健康。煤矸石中含有大量的二氧化硅和三氧化二铝，是一种良好的火山灰材料[1]，某些煤矸石中还含有一定量的碳，考虑到节能减排与可持续发展，可将煤矸石用于水泥基材料中,变废为宝。

近年来，用煤矸石替代部分水泥基材料已成为研究热点。Li等[2]利用煤矸石取代碎石，发现煤矸石混凝土的流动性和抗压强度均低于普通混凝土，但前者的整体密实度高于后者。Qin等[3]报道碳化养护可改善煤矸石混凝土的干缩性能和抗氯离子渗透性能。Wang等[4]发现煤矸石最佳活化煅烧温度约为600 ℃，并以煤矸石和铁矿尾矿为原料，制备出密度为609 kg·m-3的新型蒸压加气混凝土，抗压强度为3.68 MPa。

泡沫混凝土是以水泥为主要胶凝材料，通过物理或化学发泡方式制备的新型建筑材料，具有轻质、利废、降噪、保温、隔热等诸多优点[5-7]。与普通混凝土相比，泡沫混凝土在固废利用上具有更大的潜力，然而低密和高强的矛盾在一定程度上限制了泡沫混凝土的应用。因此，研究固废对泡沫混凝土的影响，不仅有望改善泡沫混凝土的某些性能，还能为降低水泥制品的生产成本提供一种手段[8-9]。Wu等[10]以高钙煤矸石取代水泥制备蒸压加气混凝土，研究表明使用高钙煤矸石可降低40%的成本。张林春等[11]研究了粉磨时间对煤矸石活性的影响，结果表明煤矸石的活性随着粉磨时间的增加而增大。杨志渊[12]将煤矸石粉掺入泡沫混凝土中，发现流动性随煤矸石掺量的增加而下降，但浆体的稳定性随掺量的增多而增加。李月香等[13]研究表明煤矸石在泡沫混凝土中不仅有火山灰效应，还有形成骨架和弥补孔隙缺陷的作用。

综上所述，煤矸石通过机械研磨后充当水泥基材料是可行的。既往研究多是关于激发煤矸石活性的方法与煤矸石掺量对混凝土性能的影响，但关于煤矸石对泡沫混凝土微观孔径优化及其原理的研究较少，本文制备了密度等级为300 kg·m-3的泡沫混凝土，研究了煤矸石粉在大掺量下对泡沫混凝土孔结构与力学性能的影响，意在更有效地推进固废综合利用，提升环境效益。

1 实 验

1.1 原材料

水泥：唐山北极熊水泥厂产42.5R快硬复合硫铝酸盐水泥，物理性能见表1；煤矸石：河南郑州锦源环保科技有限公司生产，如图1所示，主要化学成分见表2；增稠剂：甲基纤维素，黏度为20 000 mPa·s；减水剂:市售聚羧酸粉剂减水剂；发泡剂：河南华泰HTW-1型复合蛋白发泡剂，浅色透明液体，稀释倍数为40，如图2所示。

表1 水泥的物理性能Table 1 Physical properties of cement

表2 煤矸石的主要化学成分Table 2 Main chemical composition of coal gangue

1.2 泡沫混凝土的制备

表3为不同粒径下密度等级为300 kg·m-3的泡沫混凝土的配合比，试验中分别掺入粒径为45 μm与15 μm的煤矸石粉进行泡沫混凝土的制备。采用物理发泡方法，制备过程参照DB37/T 5159—2020《预拌泡沫混凝土应用技术规程》。首先按照配合比将水泥与煤矸石粉倒入搅拌锅中先慢搅得到均匀粉体，随后将水与外加剂加入锅中，快搅均匀后加入预制泡沫，预制泡沫参照JC/T 2199—2013《泡沫混凝土用发泡剂》，搅拌制得均匀流态浆体，将混合均匀的浆体注入到模具中，标准条件下养护至龄期后测试性能。

表3 不同细度煤矸石泡沫混凝土配合比Table 3 Mixture ratio of coal gangue foam concrete with different fineness

1.3 性能测试与表征

1.3.1 抗压强度

煤矸石泡沫混凝土抗压强度参照JGJ/T 341—2014《泡沫混凝土应用技术规程》进行测试，试验前，试块在温度(20±3) ℃、相对湿度(60±5)%下养护至龄期。

1.3.2 孔结构分析

断面处理：泡沫混凝土达到龄期后，用小钢锯沿垂直于成型面将试块从浇筑面向底面进行切割，取下厚度约为10 mm的切面(40 mm×40 mm)，分别用100目和500目的砂纸进行打磨，保证表面光滑平整，用软毛刷将打磨后的表面清理干净。

断面拍摄：采用扫描电子显微镜对试样表面进行拍摄，选取拍摄的最优断面进行分析。

图像分析：利用Photoshop、FiJi-imageJ分析图片，将图片转化为灰度，选择合适的阈值进行二值化处理，最后通过FiJi-imageJ获得孔表面积、平均孔径、气孔直径等参数[14-15]。

2 结果与讨论

2.1 不同细度煤矸石粉对泡沫混凝土抗压强度的影响

泡沫混凝土的抗压强度与胶凝材料、孔径结构、配合比、外加剂等诸多因素有关，但主要影响因素为胶凝材料的组成与孔结构的分布和大小。图3为不同细度煤矸石泡沫混凝土的抗压强度，在相同密度下，掺入的胶凝材料活性越低，泡沫混凝土强度下降越明显，伴随着掺量的改变强度亦会受到影响。当煤矸石掺量为10%(质量分数，下同)时，不同粒径煤矸石制备的泡沫混凝土的抗压强度差距最为明显，掺入粒径为45 μm的煤矸石时泡沫混凝土抗压强度下降了19%，掺入粒径为15 μm的煤矸石时泡沫混凝土抗压强度提高了25%。其中掺粒径为45 μm的煤矸石时泡沫混凝土强度呈持续下降趋势，而掺粒径为15 μm的煤矸石时泡沫混凝土强度则先上升后下降，在10%与30%掺量下，前者分别占后者强度的65%和80%，在50%掺量下强度均出现大幅度下降，掺粒径为45 μm的煤矸石时泡沫混凝土强度下降了42%，掺粒径为15 μm的煤矸石时泡沫混凝土强度降幅为53%，但仍满足强度规范使用要求。

图3 不同细度煤矸石对泡沫混凝土抗压强度的影响Fig.3 Effect of coal gangue with different fineness on compressive strength of foam concrete

基于以上试验数据分析，煤矸石经过机械活化后粒径逐渐变小，从宏观角度来看，在机械力的作用下颗粒表面和内部产生裂纹，促进了煤矸石中活性SiO2和Al2O3的解聚，提高了反应速率。从微观角度来看，粉磨促使颗粒的原生晶格发生破坏，切断了煤矸石中的Si—O、Al—O键，生成活性高的原子基团和带电荷断面，使其反应活性增加。激活后的煤矸石中活性SiO2和Al2O3能与水泥的水化产物Ca(OH)2进行二次水化反应，生成硅酸盐凝胶，填充在混凝土的孔隙中，提高了混凝土的密实度。当粒径为15 μm的煤矸石粉掺量为10%时，煤矸石颗粒较小，可以分散于水泥与水化产物之间，避免了水化产物覆盖在水泥表面影响水泥颗粒的水化。水化反应速率提高，生成水化硅酸钙，可填充泡沫混凝土胞壁内部的孔隙，弥补水泥硬化浆体的缺陷和不足，增加气泡壁的强度并改善泡沫混凝土的力学性能，故强度提高。粒径为15 μm的煤矸石粉相较于粒径为45 μm的煤矸石粉，比表面积增大，使表面层离子极化变形和重排，晶格发生畸变，有序性降低，表现为化学不稳定性且表面断裂键增加，从而导致这些颗粒的反应性急剧增加。但由于煤矸石经过高温煅烧后结构中水分丢失成为中空结构，掺量过多则会对泡沫混凝土的工作性能造成影响，其次煤矸石的活性低于水泥，当煤矸石掺量达到50%时，主要胶凝材料水泥含量降低导致泡沫混凝土强度严重下降。故从煤矸石的综合利用和泡沫混凝土的使用与经济成本来看，粒径为45 μm、掺量为30%的煤矸石粉是制备煤矸石泡沫混凝土的最佳选择。

2.2 煤矸石粉对泡沫混凝土孔结构的影响

泡沫混凝土作为新型墙体保温材料，气孔结构与其渗透性、孔径分布和孔隙率息息相关，并影响泡沫混凝土的耐久性和强度[16-17]。泡沫是一种热力学不稳定体系，在重力的作用下会发生迁移—融合—排液行为[18]，泡沫混凝土的制备过程中应尽量引入稳定性高、均匀性好、孔径小、泌水少的气孔，避免大孔、有害孔的出现而造成的应力集中，从而减小对泡沫混凝土性能与使用造成的负面效应。泡沫混凝土试样显微照片的二值化图像如图4所示。

图4 泡沫混凝土试样显微镜照片的二值化图像Fig.4 Binarized images of microscope photo of foam concrete samples

掺入煤矸石粉对泡沫混凝土孔径分布的影响见图5。未掺入煤矸石粉的试样最大孔径约为1 350 μm，而随着粒径为45 μm的煤矸石粉掺量的增加，孔径逐渐变小，在50%掺量下最大孔径为655 μm，相比对照组减小了51%。在孔径分布方面，掺量为10%、30%、50%的煤矸石泡沫混凝土孔径在0～100 μm区间内占比分别为49.2%、54.8%、71.9%,较对照组均有一定改善。

图5 不同细度与掺量煤矸石泡沫混凝土的孔径分布Fig.5 Pore size distribution of coal gangue foam concrete with different fineness and content

基于以上数据分析可知，煤矸石粉的掺入对泡沫混凝土的孔结构进行了优化，孔径分布与气泡的稳定性密不可分。决定气泡稳定性的关键因素是气泡液膜的强度，当一个新的气泡产生时，液膜较厚，气泡排水主要是由重力排水控制，而浆体的黏度对重力排水起着至关重要的作用，可以增加混凝土相的电解质，降低液膜的排泄速率。适量的煤矸石粉加入到泡沫混凝土中降低了浆体的流动度，煤矸石粉密度低于水泥，可稳定地悬浮于浆体中，对泡沫起到了承托作用，阻止了较大水泥颗粒下沉对泡沫混凝土的破坏。煤矸石为中空结构，可吸收大量水分，对泡沫自身的泌水现象带来了一定缓解，同时由于粒径较小，煤矸石分散于浆体和气泡之间，抑制了泡沫的迁移融合，在泡沫壁外层形成加固区，将原来的单纯水膜变成了水膜与固体颗粒的复合膜，提高了泡沫的稳定性。因此，煤矸石粉可利用自身特性对泡沫混凝土孔径结构进行改善。

在0～100 μm孔径区间内，煤矸石掺量为10%、30%时，15 μm煤矸石泡沫混凝土孔径占比较45 μm煤矸石泡沫混凝土小幅度降低，但在50%掺量下出现明显差异。这是因为随着煤矸石的粒径逐渐变小，煤矸石中的黏土大量脱水，自身微裂缝增多，孔隙率变大，结构更疏松，故吸水能力显著增强，在50%掺量下煤矸石吸收了大量的水分致使浆体的流动度严重下降，此时水泥浆体的黏度和屈服应力非常高，浆体过于干稠，与泡沫混合困难，颗粒之间的摩擦作用变大，增加了气泡之间相互合并的概率，并且很容易在搅拌过程中通过挤压分解气泡造成破泡。

图6为不同掺量与细度煤矸石泡沫混凝土的平均孔径和气孔直径。由图6可知，总体上粒径为15 μm的煤矸石泡沫混凝土的平均孔径与气孔直径均大于粒径为45 μm的煤矸石泡沫混凝土，未掺入煤矸石粉的泡沫混凝土气孔直径为516 μm，在50%掺量下，粒径为45 μm的煤矸石泡沫混凝土气孔直径下降至350 μm，降幅为32.2%，粒径为15 μm的煤矸石泡沫混凝土气孔直径下降至487 μm，降幅为5.6%。对照组的平均孔径为194 μm，随着粒径为45 μm的煤矸石粉掺量的增加，平均孔径从164 μm下降至84 μm，减小了48.8%，而粒径为15 μm的矸石泡沫混凝土平均孔径从185 μm下降至158 μm，下降了14.6%。可见在优化泡沫混凝土孔结构方面粒径为45 μm的煤矸石粉效果更好，这是因为机械研磨的时间延长，煤矸石颗粒更细，粒径为15 μm的煤矸石粉对水的吸附能力较强，所以需水量更大，当物料用水不足，浆体过稠时，煤矸石会吸收气泡液膜中的水分使液膜变薄最终破泡，致使大孔出现。

图6 不同掺量与细度煤矸石泡沫混凝土的平均孔径和气孔直径Fig.6 Average pore size and pore diameter of coal gangue foam concrete with different content and fineness

3 结 论

(1)煤矸石的细度和掺量会对泡沫混凝土的抗压强度产生影响，粒径为45 μm的煤矸石粉掺入后抗压强度逐步下降，在50%掺量下强度下降了42%，而随着粒径为15 μm的煤矸石粉掺量的增加，抗压强度先增加后降低，在10%掺量下强度达到最大，较对照组强度提高25%，从泡沫混凝土的使用与经济成本来看，选择粒径为45 μm、掺量为30%的煤矸石粉最为合适。

(2)煤矸石粉主要依据自身特性对泡沫混凝土孔结构进行优化，改善了泡沫混凝土的平均孔径、气孔直径和孔径分布，从整体上看粒径为45 μm的煤矸石粉对泡沫混凝土孔结构的优化优于粒径为15 μm的煤矸石粉，当粒径为45 μm的煤矸石掺量为50%时，泡沫混凝土的孔结构达到最佳，孔径尺寸在0～100 μm区间内达71.9%。