煤矸石粉替代粉煤灰制备混凝土及其性能研究

□□ 唐伟桐,黄 瑶,甘元初,侯庆振 (南华大学 土木工程学院,湖南 衡阳 421001)

引言

煤矸石是煤炭开采和加工过程中产生的固体废弃物,居于我国工业固体废物的最大类别之一。据统计,我国目前的煤矸石堆积量超过50亿t,每年仍有数亿t的新增量。大量的煤矸石露天堆积不仅占用了宝贵的土地资源,而且造成了严重的环境污染。因此,有效地利用和处理煤矸石已成为我国资源节约和环境保护的紧迫问题之一[1-2]。随着“双碳”目标的推进,传统火电占比将下降,导致粉煤灰产量减少。寻找能替代粉煤灰的矿物掺合料成为当务之急。

近年来,国内外对煤矸石粉混凝土性能及应用方面的研究已取得一定进展。煤矸石经过高温煅烧后,其活性得以提高,具有火山灰活性,能在常温下与碱或碱盐反应,生成具有水硬性胶凝性能的混合物。学者们认为,经过一定活化处理的煤矸石有望作为混凝土掺合料,甚至可部分代替水泥[3-5]。

学者们已对自燃煤矸石粉对胶凝材料体系需水性的影响及其应用于建筑工程材料的经济、环境和社会效益,并对混凝土耐久性能的影响进行了深入研究[6-8]。此外,还有研究探讨了砂率对煤矸石粉混凝土和易性及强度的影响[9],并运用BP神经网络对煤矸石粉混凝土的抗压强度进行预测[10]。此次研究将通过煅烧煤矸石粉部分或完全替代粉煤灰,探究不同替代率下煤矸石粉混凝土的和易性、经时损失及力学性能,为煤矸石粉取代粉煤灰作为新型胶凝材料提供理论依据和参考。

1 试验

1.1 试验原材料

水泥:南方牌P·O 42.5水泥。

煤矸石粉:45 μm(325目)煅烧煤矸石粉,由灵寿县创博矿产品有限公司提供,煅烧温度为900 ℃,煅烧时长为4 h。

粉煤灰:优质二级灰,5 μm方孔筛筛余量为16%,密度为2.55 g·cm-3,堆积密度为1.12 g·cm-3,化学成分见表1。

表1 煤矸石粉和粉煤灰的主要化学成分

细骨料:机制砂,含水率为4%,细度模数为2.9,Ⅱ区中砂,石粉含量为5.6%。

粗骨料:碎石,粒径范围为5～25 mm。

减水剂:聚羧酸减水剂,减水率为20%。

水:自来水。

1.2 试验配合比

试验按照JGJ 55—2011《普通混凝土配合比设计规程》进行试验配合比设计。采用水胶比为0.41和0.38、基准组采用粉煤灰等质量替代水泥,替代率为30%,并采用煅烧煤矸石粉等质量1/3、2/3及完全替代粉煤灰。试验共8组,配合比见表2。试件尺寸为100 mm×100 mm×100 mm,自然养护1 d后,移至温度为20 ℃、相对湿度为95%的标准养护室,分别养护7 d和28 d。每一组预留12个立方体试块,用于立方体抗压强度和劈裂强度测试,累计浇筑96个立方体试块。

表2 混凝土配合比

1.3 试验方法

探究不同水胶比和替代率下的混凝土拌合物性能,拌合物性能测试按照GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》测试坍落度、扩展度试验及其经时损失试验。

将8组试块分别养护7 d和28 d,按照GB/T 50081—2019《混凝土物理力学性能试验方法标准》测试其立方体抗压和劈裂强度,探究煤矸石粉与粉煤灰复掺对混凝土早期强度和28 d强度的影响。

2 试验结果与分析

2.1 试验结果

试验结果见表3和表4。

表3 混凝土和易性试验结果

表4 混凝土力学性能试验结果

2.2 和易性试验结果分析

煤矸石粉混凝土初始坍落度如图1所示。由图1可以看出,随着煤矸石粉对粉煤灰替代率的上升,混凝土初始坍落度呈下降趋势,说明煤矸石粉改善混凝土和易性的能力不如粉煤灰。这可能是因为:煤矸石粉是煤炭燃烧后的剩余物,主要由硅酸盐、Al2O3和Fe2O3等组成,其粒径通常较粗,化学活性较低;而粉煤灰的微小粒径和球形形状有助于填充混凝土中的空隙,改善其流动性。同时可以看到,以坍落度为100 mm(图1中纵轴分界线)作为泵送混凝土的标准,煤矸石粉混凝土仍可以满足泵送要求。另外,在只添加粉煤灰的对照组出现了泌水现象,而添加煤矸石粉掺量越多,混凝土的保水性越好,说明掺入煤矸石粉可以在一定程度上改善混凝土拌合物的和易性。

图1 试验混凝土初始坍落度

煤矸石粉混凝土1 h后坍落度如图2所示。由图2可以看出:相比于单掺粉煤灰的对照组,煤矸石粉混凝土的经时损失较为严重,1 h后坍落度普遍不再满足泵送混凝土的需求,在工程中,煤矸石粉仍是可行的选项,但可能需要更为精细的调整和优化。

图2 试验混凝土1 h后坍落度

2.3 力学性能试验结果分析

2.3.1立方体抗压强度分析

煤矸石粉混凝土立方体抗压性能如图3所示。由图3可以看出,当替代率达到100%时,28 d的抗压强度都有显著的提高,也就是说单独掺入30%的煤矸石粉替代水泥比相同条件下的粉煤灰效果更好;在较低替代率下,煤矸石粉与粉煤灰复掺的混凝土强度相比于对照组稍有下降,这可能是因为在较低替代率下,煤矸石粉的活性不足以弥补水泥减少造成的活性损失,而且煤矸石粉的粒径较大,可能未能充分充当微观填充物质,从而在较低替代率下对强度产生负面影响,导致强度的降低。

图3 试验混凝土立方体抗压强度

普通混凝土的7 d抗压强度通常达到设计抗压强度的60%～70%。煤矸石粉混凝土早期强度如图4所示。从图4可以发现,对照组7 d立方体抗压强度为28 d的70%(取两组试验平均值),而试验组的早期强度相比于对照组皆有提升,说明煤矸石粉可以提高混凝土的早期强度。

图4 试验混凝土早强情况

2.3.2劈裂抗拉强度分析

煤矸石粉混凝土立方体劈裂抗拉性能如图5所示。由图5可以看出,随着替代率的增加,劈裂抗拉强度略有下降,这表明煤矸石粉可能会降低混凝土的抗裂能力。

图5 试验混凝土劈裂抗拉强度

2.3.3拉压比分析

煤矸石粉混凝土拉压比(立方体劈裂抗拉强度/抗压强度)变化情况如图6所示。由图6可以看出,拉压比随替代率的增加而减小。相较于抗压性能,煤矸石粉混凝土的抗拉性能显得不足,在工程中,煤矸石粉混凝土适用于主要承受压力的构件,如柱子、墙体、地基和支撑等,在非结构性构件以及预应力混凝土的压应力区域也可以考虑使用;但由于其抗拉性能相对较弱,在梁、屋顶和悬臂结构等构件中的使用有待挖掘。

图6 试验混凝土拉压比情况

3 结论

煤矸石的处理和再利用有助于解决土地占用和环境污染问题。随着粉煤灰产量的减少,将煤矸石粉作为其替代材料应用于混凝土,试验及结果分析可知:

3.1 煤矸石粉改善混凝土和易性的能力不如粉煤灰,且其经时损失较严重,但其初始坍落度仍>100 mm,可满足泵送要求。

3.2 在较低替代率下,混凝土强度稍有下降;但当替代率达到100%时,28 d抗压强度显著提高。同时煤矸石粉可提高混凝土早期强度,但可能会降低抗裂能力。

3.3 在工程应用中,煤矸石粉混凝土更适用于主要承受压力的构件,如柱子、墙体、地基和支撑等,在非结构性构件和预应力混凝土的压应力区域也可考虑使用。