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煤矸石集料煤基固废混凝土性能研究
摘要：煤基固废资源化利用是当前研究热点,以煤基固废制作混凝土是解决煤基固废大量积存的重要方向,并且可以有效缓解混凝土天然原材料的大量消耗。研究使用破碎的连续级配煤矸石替换同体积天然碎石,并采用大量粉煤灰作为胶凝材料制备煤基固废混凝土。优化了实际施工过程中煤基固废混凝土的制作方法,探究了材料在标准养护和自然养护条件下的性能,使用SEM进行了分析。
结论:随着煤矸石替代量的增加,材料自然养护28d,强度减小明显,浆体坍落度减小明显;标准养护条件下,煤矸石体积率约为35%时,材料强度损失大幅增加;材料自然养护条件下,强度增长率迅速,0~3d材料强度增长率最高为6.93MPa/d,为同龄期标准养护条件下的1.8倍。28d自然养护强度最高为45.5MPa,为同龄期标准养护条件下的1.6倍。SEM分析发现,自然养护条件下,28d水化产物较标准养护明显增多,且发现大量二次水化产物。
关键词：煤基固废; 煤矸石集料; 固废混凝土; 标准养护; 自然养护
00引言
煤基固废混凝土材料（CSWC）的原料一般包括煤矸石、粉煤灰、脱硫石膏、水泥和外加剂,可被用于工程建设中替代传统混凝土,是一种绿色的混凝土建筑材料。CSWC是使用部分或全部煤矸石集料替代天然砂石集料,用部分粉煤灰、脱硫石膏替代水泥作为胶凝材料制备而成的混凝土材料。CSWC材料的抗压强度主要取决于胶凝材料与集料中强度较弱的一方,所以在强度较低的煤矸石逐步替代天然碎石的过程中,CSWC材料的强度一般会有明显变化。
CSWC材料中煤矸石与粉煤灰的大量掺入,使其与传统混凝土产生了差别。原料中煤矸石相比于天然石料,其物理化学性质有所差异,如:煤矸石经Na2SO4溶液侵蚀后质量损失约为天然石料的五倍,压碎值低,吸水率高等。
本研究使用大量煤基固废原料(煤矸石、粉煤灰、脱硫石膏)制作CSWC。测试了不同煤矸石替代量、不同养护方式下,CSWC浆体坍落度、材料抗压性能的表现,并使用SEM对材料各龄期微观形态进行观察和分析。
01试验
1.1 原材料及性质
试验用煤基固废原料均来自山西省西山涉煤产业聚集区的相关企业,水泥选用唐山马牌P.O42.5水泥,减水剂使用山东飞科新材料有限公司的高效聚羧酸减水剂,掺量为0.2%。对粉煤灰进行物理加化学活化,根据GB/T1596—2017《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》中粉煤灰强度活性指数试验方法,计算粉煤灰强度活性指数,测得活化后粉煤灰活性97.6%,平均粒径26.4μm。确定胶凝材料配比:粉煤灰掺量60%、水泥32%、脱硫石膏8%。使用颚式破碎机对天然石料(花岗岩)与煤矸石进行破碎,得到连续级配集料,所制得天然砂石和煤矸石集料的物理性质如表1,图1。
1.2 试验方法与 CSWC 配合比设计
制备150mmCSWC立方体试块,每种配比成型3组,每组3块,设计CSWC的配合比见表2。根据GB50164-2011《混凝土质量控制标准》对各配比浆体进行混凝土坍落度测试。在标准养护或自然养护3d、7d、28d后,进行抗压强度试验。试验搅拌时间为10min,目的是使煤矸石、天然石料与浆体内水分充分接触。
如表2,试验SU1~SU4,确定水胶比为0.35,同体积煤矸石替换天然石料,标准条件养护;试验SU5~SU7调节水胶比,改善浆体坍落度,控制坍落度在160~170mm范围,标准条件养护;试验NU8~NU10中天然碎石、煤矸石集料经饱水24h,将CSWC试块置于室内阴暗处,表面覆盖吸水纸,每隔2d对表面进行洒水,即室内自然条件养护。
02试验结果与分析
2.1 煤矸石替换量对 CSWC 和易性的影响
采用坍落度表达CSWC浆体的和易性。如表2可知,SU1、SU2浆体坍落度较大,表现出明显的离析现象,且出现泌水情况。为了避免出现以上情况,需要根据煤矸石替代量的变化,合理调节水胶比,控制浆体坍落度。SU1~SU4相同水胶比下随着煤矸石替代量的增加,浆体塌落度逐渐降低,出现这种现象主要是煤矸石自身性质原因:①煤矸石孔隙率高,造成吸水率高,大量水分被煤矸石吸收,浆体内保留水分减少;②煤矸石集料摩擦力大,使得浆体内集料—集料、集料—胶凝材料间摩擦力增大,浆体不容易发生运动。另外,煤矸石饱水过程会进一步增加煤矸石表面粗糙度,使得自然养护条件下,NU8~NU10随着饱水煤矸石替代量的增加,坍落度降低。
2.2 煤矸石替代量对 CSWC 强度的影响
对SU1~SU10各配合比的CSWC进行不同龄期的抗压强度测试,结果如图2和图3所示。由图2可知,标准养护条件下,除28d龄期SU3、SU4强度略小于同龄期其他组外,SU1~SU4同龄期抗压强度表现较为平均,表明相同水胶比下,煤矸石替代量的增加对CSWC抗压强度影响较小。
由图2可知,经调节水胶比,SU5~SU7改善了离析现象,其中除SU7外,各龄期抗压强度较SU1~SU4变化小。由表2、图2可知,SU7制作过程中增大了水胶比,但坍落度增长难;SU7为标准养护条件下煤矸石替代量最多,水胶比最大,同时各龄期强度表现最低,原因在于:①SU7煤矸石体积率约为35%。由于煤矸石表面粗糙度大,在过大的煤矸石体积率下,浆体中集料—集料、集料—浆体间摩擦力急剧增大,此时连续级配煤矸石集料中,小颗粒煤矸石会镶嵌在大颗粒煤矸石间,很难运动分散,出现聚集颗粒团。Gu的研究也表明,聚集的颗粒团内会有众多空隙,且主要被水填充,致使颗粒团内胶凝材料浓度大幅减小,各阶段水化反应困难。②CSWC上述空隙中的水会进入煤矸石内部,且短时间无法挥发,容易造成煤矸石集料泥化崩解。泥化必然造成煤矸石集料硬度降低[23],进而减弱了材料抗压强度。
由图3可知,自然养护条件下,饱水煤矸石替代量从0%增加到20%,3d龄期CSWC强度几乎没有变化,7d龄期强度略有增高,28d龄期强度降低12%;饱水煤矸石替代量增加到50%后,饱水煤矸石体积率约为20%,各龄期强度均降低明显;NU9的7d龄期强度略高于NU8,是因为:饱水集料内部水分外抽离,向硬化水泥浆体迁移,对水化进行了水分补充,即饱水集料可以起到内养护的效果。而饱水煤矸石集料比饱水天然石料可以挥发更多的水分参与内养护过程,促进前期的水化发展,这与李北星所述一致;NU10各龄期强度明显小于NU8、NU9,是因为:煤矸石的饱水过程造成其表面粗糙度增加,虽然煤矸石体积率远小于35%,依然出现上述颗粒团聚的现象,造成强度大幅减弱的结果。另外,因为煤矸石集料硬度较低,经饱水过程煤矸石集料泥化,硬度进一步降低,此时随着煤矸石替代量的增加,CSWC中出现大量硬化水泥石(强)包裹泥化煤矸石(弱)的情况,造成强度的逐渐减弱。对比图2、图3可以看出,自然养护状态下各龄期抗压性能较标准养护明显提高,28d龄期自然养护条件下,材料平均抗压强度约为标准养护条件下的1.5倍,其中28d龄期NU8抗压强度达到45.5MPa,对比标准养护条件SU5为28.3MPa,强度增加了60%。
2.3 自然养护对 CSWC 强度增长速率的影响
以煤矸石与天然石集料体积比91∶400的试块为例,绘制龄期与强度增长速率曲线如图4所示。由图4可知,0~7d自然养护条件下NU9强度增长速率明显高于SU2与SU6,NU9强度增加最高达6.93MPa/d,为同龄期标准养护条件下的1.8倍。标准养护条件下SU6与SU2材料强度增长速率差别不大。0~7d自然养护条件下CSWC强度发展迅速是由于:①自然养护温度(平均温度28℃)较标准养护温度(20±1℃)高,水化早期,较高的温度使Ⅰ阶段快速增长,这与党晗菲等研究结果一致;②自然养护状态下,早期水化反应与水分蒸发消耗了大量水分,使得内部水灰比迅速降低,从而提高了胶凝材料和集料的粘结性能。段晓牧也认为饱水集料内部水分外抽离,起到内养护效果。
7~28d龄期,NU9与SU2、SU6养护方式不同,强度增长速率却几乎相同,原因在于:①定期的表面洒水通过CSWC孔隙进入内部,为NU9水化反应进行了水分的补充,促进了水化的进行;②较高的温度,促进了粉煤灰火山灰效应的提前被激发。武永琦也发现自然养护条件下,粉煤灰混凝土14d左右发生二次水化反应,使得材料后期强度稳定持续增长。
2.4 CSWC 的 SEM 分析
对CSWC的SU6、SU7和NU9试块进行SEM观察分析发现:
SU6的7d龄期SEM如图5(a),水化产物较少,可以发现较圆滑的球状粉煤灰。SU6的28d龄期的SEM如图5(b),过渡区发现明显的絮状过渡区产物。
SU7组7d龄期断裂面发现大量煤矸石集料被压碎的情况,如图6(a),证明了煤矸石泥化变脆弱。SU7的28d龄期SEM如图6(b),SU7颗粒团内水分消耗后,集料过渡区水化产物不足,过渡区缝隙明显。
NU9的7d龄期SEM如图7(a),可以看出NU9水化产物比同龄期SU6明显增多,并出现六方薄片层状氢氧化钙(CH)产物,证明了水化反应发展迅速。NU9的28d龄期SEM如图7(b),水化产物较7d龄期进一步大量增加。另外,由于高温促进了粉煤灰火山灰效应提前激发,28d龄期发现大量的二次水化产物(C-S-H)。
28d的NU9的SEM如图8(a)、图8(b),NU9内部发现大量大孔隙,此为自然养护条件下水分大量蒸发所致,表面洒水通过这些孔隙进入CSWC内部,对水化反应进行补水。图8(b)则反映自然养护条件下,水化反应温度较高,水化反应中I阶段被缩短或跳过,过渡区未发现如图5(b)中的絮状过渡区产物。
03结论
(1)相同水胶比下,随着煤矸石替代量的增加,CSWC坍落度逐渐降低。煤矸石饱水过程会进一步增大煤矸石集料表面粗糙度,增加浆体内摩擦力。
(2)标准养护条件,相同水胶比下,连续级配煤矸石替代量的增加,对CSWC各龄期强度的影响较小。当煤矸石体积率接近35%时,各龄期强度出现大幅降低。自然养护饱水煤矸石集料条件下,煤矸石替代量的增加,对CSWC前期强度影响小,但后期强度降低明显;自然养护饱水煤矸石集料体积率约为20%时,各龄期强度均大幅降低。
(3)自然养护条件下,CSWC各龄期强度发展明显高于标准养护,28d自然养护强度最高为45.5MPa,为同龄期标准养护条件下的1.6倍;0~3d材料强度增长率最高为6.93MPa/d,为同龄期标准养护条件下的1.8倍,7~28d强度增长基本与标准养护相等。
(4)通过SEM分析发现:连续级配煤矸石体积率接近35%时,其集料过渡区出现明显缝隙;自然养护条件下7d水化产物较同龄期标准养护明显增多,并出现CH产物,28d龄期发现大量二次水化产物;自然养护条件下CSWC内部出现大量孔径较大的孔隙;自然养护过渡区未发现如标准养护条件下絮状过渡区产物,反映了自然养护条件下,水化反应温度较高,水化反应中I阶段被缩短或跳过。
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