煤矸石混凝土材料耐久性研究进展

2023-10-24李九阳朱岳鹏范辛美罗靖炜胡广朝

山西焦煤科技 2023年8期

李九阳,朱岳鹏,范辛美,罗靖炜,陈立,胡广朝

(1.长春工程学院土木学院, 吉林长春 130012;2.吉林省建筑一体化集成技术科技协同创新中心, 吉林长春 130012)

我国北方地区四季温度变化大,其中东北地区是最明显的季节性寒冷区域,冬夏季昼夜温差大,混凝土极易受冻融破坏,严重影响结构耐久性[1]. 混凝土是目前用量最大的建筑材料之一,骨料约占其总体积的75%,大量开采天然骨料给环境造成极大压力。

我国拥有世界上最多的煤炭资源,煤矸石是目前我国工业固体废物排放量最多的废物之一[2]. 煤矸石的堆放不仅压占大量土地,影响生活环境,其贮存、运输也给煤矿企业造成较大的经济损失[3]. 此外,我国煤矸石分布广泛,尤其北方地区,故从就地取材角度出发,将煤矸石作为骨料掺入混凝土,不仅可改善煤矸石砼各项性能,还可降低运输成本。

为响应“双碳”政策,推动煤矸石混凝土材料在我国北方地区的发展及应用,同时为改善建筑物耐久性能提供更广泛的思路,本文综述了煤矸石混凝土材料耐久性的研究进展,对改善煤矸石砼性能的配制原则和技术进行探讨,总结了煤矸石的掺入对混凝土耐久性能的影响并进行了下一步研究展望。

1 煤矸石混凝土的配制技术

1.1 配制原则

经过多年技术研究,国内外学者对煤矸石混凝土配置原则不断进行改善,所设计出的配合比不仅要满足良好的性能,而且还需要达到耐久性能的要求[4].基本原则主要包括:

1) 提高和易性[5-7].对于天然集料混凝土与自燃煤矸石集料混凝土来说,当骨料含水量增加,起始坍落度均随之增加,不同的是天然骨料的坍落度变化幅度小,自燃煤矸石骨料变化幅度大。搅拌自燃煤矸石骨料之前可加水预湿,使水饱和程度较大,预拌自燃煤矸石集料的混凝土坍落度比普通混凝土低。正确处理不同因素的交互影响,可改善混凝土和易性。

2) 提高混凝土耐久性[8].通过对煤矸石混凝土进行电镜扫描分析,可发现掺入煤矸石有利于混凝土耐氯性能。随着煤矸石骨料用量增加,其固化氯离子能力也愈强;在煤矸石混凝土配制过程中,水泥用量相对较少时,可采用煅烧煤矸石作粗集料,提高其抗碳化能力,从而获得更高的耐久性。

3) 改善孔隙结构[9-11].煤矸石混凝土的致密程度大于一般砼,煤矸石在其中能起到骨架和弥补孔隙缺陷的作用。煤矸石自燃后发挥出火山灰作用,经过水化效应,可以在集料内部形成网状的硅酸钙凝胶,并将其填满在集料内部的空隙中,改善孔隙结构。

1.2 配制技术

良好的配制技术是煤矸石混凝土获得较高耐久性能和较好和易性的前提条件,对煤矸石混凝土耐久性能更深入地探索应从配制技术开始。

朱泽忠[12]在试验中发现煤矸石集料混凝土适宜强度是C30以下,并采用正交试验法得出其最佳配合比:煤矸石用量占总体积的60%,最大颗粒直径是20 mm,水灰比为0.5.此外,利用该实验研究出的最佳配比对标准组进行耐久性测试,通过对比分析,得出煤矸石掺量为60%时其抗冻性能最佳。

朱红光等[13]使用煤矸石作细集料复合矿渣制备不同水胶比的混凝土,通过正交试验,研究水胶比、矿渣掺量及煤矸石细集料掺量对混凝土抗压强度、抗冻性能的影响,通过抗冻性能极差分析得出:当水灰比为0.4、矿渣粉掺量为40%、煤矸石掺量为30%时混凝土拥有最优的抗冻性能。

Jinmin Guo等[14]采用正交试验和综合平衡法对煤矸石混凝土进行耐久性能测试,通过综合分析冻融后弹性模量损失和硫酸盐腐蚀后抗压强度损失得出,当煤矸石取代35%体积的碎石、粉煤灰取代20%水泥、矿渣替代10%水泥时,该煤矸石混凝土拥有较好的耐久性能。

王晴等[15]通过正交试验,对煤矸石混凝土进行电通量法测定煤矸石砼抗氯性能,通过实验分析得出当采用煤矸石全部替代普通碎石,且水灰比为0.39、砂率为43%、集灰比4.2、集料配比1.2时,煤矸石混凝土具有良好的抗氯盐渗透性能力,且此时通电6 h可达985.36电通量。

综上可知,适量掺入煤矸石对混凝土耐久性能有良好地改善,为获得更高性能煤矸石混凝土,在原材料选择、配合比设计等方面有待深入研究。

2 煤矸石混凝土耐久性能研究

2.1 抗氯离子渗透性能

氯离子通过渗透作用进入混凝土后造成钢筋锈蚀。文献[4]中表明,氯离子是对混凝土耐久性能产生影响的主要原因之一,在混凝土中掺加适量的活化煤矸石制成的煤矸石混凝土能有效改善混凝土抗氯离子渗透性能。

莫金川等[16]利用离子选择电极法测定了不同煤矸石掺量的混凝土试块的氯离子含量,分析了煤矸石掺量对混凝土氯离子扩散系数的影响。实验表明:加入煤矸石可改善混凝土抗氯离子侵蚀的能力,但当煤矸石掺量超过抗氯离子峰值时会导致其抗氯离子性能降低,研究表明掺量为30%的混凝土氯离子扩散系数最小。

周双喜等[17]利用电导率法测定了煤矸石混凝土的抗氯离子渗透性能,通过测定其在某一交流电压作用下所经过的电荷量,来反映经过混凝土中氯离子含量。实验表明:随水化时间变化,掺活化煤矸石混凝土的相对氯离子扩散系数逐渐减小,特别是水化180 d后,粉煤灰和矿渣粉混凝土氯离子扩散系数均最低,其扩散系数小于普通混凝土的二分之一。

马宏强等[8]采用快速氯离子渗透试验对试件进行测评,使用煅烧和未煅烧的煤矸石替代普通碎石制备混凝土试块,并设置普通混凝土为对照组,探究煤矸石掺量对氯离子渗透性能的影响。实验表明:无论是煅烧还是未煅烧的煤矸石混凝土抗氯离子渗透性能都优于素混凝土,且当煤矸石粗集料掺量达到45%时,煅烧后的煤矸石粗集料能表现出更优越的抗氯离子渗透性,而未煅烧煤矸石作为粗集料时掺入25%最合适。

宋小军等[18]使用活化煤矸石为水泥混合材料,来配制强度等级为C30和C60的混凝土,并设置普通混凝土为对照组,采用氯离子渗透试验表征抗渗性能。实验测得:通电6 h后,两种强度等级的普通混凝土电导数都高于煤矸石混凝土,这是由于煤矸石的掺入使得水泥中的氢氧化钙含量减少,同时改善了孔隙结构使得水泥结构更加密实,故C30和C60的混凝土掺活化煤矸石后抗氯离子渗透性都优于普通混凝土。

综上所述,掺入煤矸石可显著提高混凝土抗氯离子渗透性能,但当煤矸石掺量超过峰值时,会反抑制抗氯离子渗透性能。其次,经过处理的煅烧煤矸石抗氯离子渗透性能更优越。此外,合理的水胶比、硅灰掺量、煤矸石掺量、减水剂掺量能够较好发挥煤矸石砼的抗氯离子渗透能力。

2.2 抗冻融性能

煤矸石混凝土在我国南方应用时少见冻融破坏,但应用于北方时必须考虑冻融破坏问题。

李永靖等[19]采用45%和65%两种水灰比的煤矸石混凝土,并与普通混凝土作对照组。实验采用快速冻融法。研究发现:由于煤矸石骨料吸水率较大,同一水灰比下,煤矸石混凝土耐久性低于普通混凝土耐久性,且煤矸石混凝土试块表面损伤更严重,但仍能满足规范要求,故煤矸石混凝土可作为一般承重结构,在制配时添加高性能减水剂可改善其抗冻性能。

白朝能等[20]使用煤矸石作粗骨料制作C30混凝土,采用快速冻融法测试其抗冻性能。实验表明:经50—70次冻融循环后,未掺煤矸石的混凝土耐久率为10.81,掺煤矸石的混凝土耐久率在6.49～7.61,且在不掺煤矸石的情况下,冻融循环可达到75次,掺煤矸石的情况下只有50次,特别是当煤矸石掺量大于30%后,混凝土抗冻性能明显下降。

邱继生等[21]通过快冻法对冻融过的煤矸石混凝土进行单轴受压实验,验证了煤矸石取代量与冻融次数对力学性能的影响,实验得出在未进行冻融试验时不同取代率的煤矸石混凝土力学性能基本相同,而经过一定冻融循环的煤矸石混凝土较素混凝土应力-应变曲线明显下降,这种情况是由于煤矸石吸水率大,强度也较普通碎石低,在冻融情况下受到明显的冻胀力,导致其冻融损伤严重。

周梅等[22]采用快速冻融法探究了煤矸石混凝土中掺入硅灰、粉煤灰对其抗冻性的影响。试验表明:掺粉煤灰的混凝土在经冻融后产生大量钙矾石,这些物质的出现不利于水泥与骨料粘结,还会使界面结构疏松,而掺入硅灰的煤矸石混凝土在冻后虽然也出现钙矾石,但尺寸较小、密集度低,并且硅灰和粉煤灰之间可进行二次水化反应,使水泥与煤矸石骨料粘结更密集,也可降低混凝土的膨胀破坏,抗冻性能得到改善。

综上所述,随着煤矸石取代率增加,煤矸石混凝土抗冻融能力下降,煤矸石作为粗集料加入混凝土中对其抗冻性能有不利影响,但掺入硅灰和粉煤灰对煤矸石混凝土可起促进作用,且在合理水灰比情况下抗冻性能可满足要求,可作为一般承重结构使用。

2.3 抗腐蚀性能

冬季雨雪天气,道路被冰雪覆盖时常使用氯盐作融雪剂,缓解路面积雪问题,这时路面会形成一个冻融和氯盐腐蚀的复杂环境,故对煤矸石混凝土块的抗腐蚀性研究就显得十分重要。

张向东等[23]制备了100 mm×100 mm×400 mm的棱柱体试块,采用快速冻融法将冻融循环水换成3%、6%、12%、25%的氯化钙和氯化钠溶液,探究冻融质量损失率、动弹性模量损失率随循环次数的变化规律等。实验表明:在使用小于25%的氯化钙和氯化钠溶液时,煤矸石砼的盐冻循环周期与质量损失率呈正相关,大于25%时呈负相关。在质量分数越高的氯化钠环境中,盐冻循环次数与动弹性损失率正相关。在相同盐冻循环下,煤矸石混凝土强度损失率与氯盐质量分数呈负相关。

刘世[24]等制作了3组不同掺量煤矸石混凝土(掺量分别为0%、30%和60%)将其分别放入PH值为3、5、7的溶液中浸泡30 d后,进行吸水试验研究酸性溶液对煤矸石的影响,实验得出,在PH值越小的溶液中浸泡的煤矸石混凝土其吸水率越大,且煤矸石混凝土与普通混凝土相比,其在不同PH值溶液中的吸水率都随煤矸石掺量增大而增大。说明煤矸石混凝土在酸性溶液下对其耐久性影响较大。

白金婷等[25]探究了煤矸石混凝土的抗硫酸盐侵蚀性能,实验配置了普通混凝土和煤矸石混凝土后,将其放入5%的硫酸钠溶液中进行干湿循环测试,实验得出:两种混凝土试件在经历91次干湿循环后,普通混凝土的耐腐蚀系数下降至72%,而煤矸石混凝土只下降至77%,可以得出煤矸石对抗硫酸侵蚀能力有一定的提高,其原因是煤矸石和硫酸钠反应后产生钙矾石,而钙矾石对早期混凝土强度有提高作用。

路沙沙等[26]探究了在煤矸石混凝土中掺入钢纤维增强其耐久性能实验,使用普通煤矸石混凝土和掺1%、2%的钢纤维煤矸石混凝土,浸泡入PH≤4的溶液中,模拟酸雨情况下的混凝土侵蚀实验。实验显示:1%掺量钢纤维煤矸石能有效增强酸性溶液的侵蚀,其密实性也有所提高,且对煤矸石混凝土在酸性环境下抗拉强度损失率起抑制作用。

综上所述,在酸性环境下,随着煤矸石的掺量增多,其混凝土的抗酸性能逐渐降低,为此可在煤矸石混凝土内掺入1%钢纤维,以抑制煤矸石在酸性环境下的损失。而在碱性环境下掺入煤矸石后能对混凝土块的强度降低起到缓解作用。因此,在工程使用时,需综合考虑使用环境和煤矸石取代率等因素,确保混凝土耐久性最优。

2.4 抗碳化性能

混凝土碳化主要是因为腐蚀性组分与水泥水化产物的化学反应破坏了混凝土结构,是影响其耐久性的关键因素,其中最严重的是混凝土碱度的下降,引起了钢筋表面的腐蚀,从而影响了混凝土的稳定性,影响混凝土的寿命。

王洋等[27]通过对煤矸石混凝土进行正交试验研究了各种因素对煤矸石砼抗碳化能力的效果。采用极差分析、方差分析两种方法综合得出不同因素对煤矸石混凝土抗碳化性能的影响程度,按从大到小排序为:水灰比、硅灰掺量、煤矸石掺量、减水剂掺量。

易成等[28]通过快速碳化试验研究了水灰比、煤矸石掺量、碳化时间对抗碳化性能的影响,使用电镜扫描分析了其微观结构及影响机理。研究发现当水灰比增大,通过水泥水化作用而产生的Ca(OH)2和C-S-H凝胶减少,使水泥浆体和集料粘结处存在大量的孔隙,从而影响煅烧煤矸石发挥活性。根据实验结果分析得出煤矸石混凝土抗碳化能力会在很大程度上受到水灰比的影响。

李永靖等[29]探讨了煤矸石粗骨料混凝土的碳化深度和养护时间的关系,结果表明:在不同水泥用量条件下,随煤矸石混凝土养护时间逐渐增大,它的碳化深度也变大,初期增长较快,后期速度逐渐变缓,最终达到平稳状态。

李庆文等[30]通过快速碳化试验研究了相对湿度、温度对煤矸石砼碳化深度的变化规律,根据在快速碳化箱中养护 7 d后的试验结果,发现煤矸石混凝土碳化深度与养护环境中的相对湿度呈现负相关,与养护环境中的温度呈正相关。

综上所述,煤矸石砼抗碳化性能与其它普通混凝土一样,受到多种因素的影响,对其影响最大的是水灰比,且与没有掺入煤矸石的混凝土抗碳化性能相比,掺入煤矸石骨料的混凝土抗碳化能力会有所提升;煤矸石混凝土抗碳化性能受多种因素影响,对煤矸石进行煅烧、调节外部环境及养护龄期、选择合适的水灰比和煤矸石掺量等是改善混凝土耐久性能的合理手段,还可将煤矸石混凝土用于普通建筑物结构构件,为煤矸石的应用提供新思路。