基于集料級配優(yōu)化的煤矸石混凝土性能改進(jìn)

孫韜，張領(lǐng)雷

( 1.江蘇建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院，建筑建造學(xué)院，江蘇 徐州 221116；2.江蘇建筑節(jié)能與建造技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心，江蘇 徐州 221116 )

煤矸石是煤炭開采使用過程中產(chǎn)生的固體廢棄物，通常對其進(jìn)行簡單破碎，然后部分替代或者全部替代天然砂石制備混凝土。其級配同砂石相近，并未考慮集料間的級配問題，且相對于普通砂石，煤矸石集料具有質(zhì)量輕、強(qiáng)度低、表面多孔、吸水率大等特點。由此造成煤矸石混凝土強(qiáng)度大幅降低，工作性能變差[1-4]。集料作為混凝土的重要組成部分，占其體積的70%以上。傳統(tǒng)的混凝土使用的是典型的粗、細(xì)二元集料，兩者都有各自的級配。但通常在兩者之間缺乏2.36～9.5 mm粒徑范圍的顆粒(即中間集料)，使得集料形成“間斷級配”，堆積密度降低。為保證混凝土性能，往往增加水泥用量，造成生產(chǎn)成本的提高[5-6]。

因此，在保證混凝土各性能的基礎(chǔ)上，合理使用煤矸石集料，達(dá)到優(yōu)化混凝土集料級配、減少水泥用量的目的，具有重要的研究意義。國內(nèi)外研究人員采用如基于混合料密度和孔隙率、粗糙度系數(shù)、8-18分布圖等不同的方法，對集料的級配優(yōu)化進(jìn)行了多方面的研究[7-9]。

本文結(jié)合普通砂石的粒徑分布，以煤矸石破碎后特定篩的篩余量配置成的煤矸石集料作為中間集料，以期達(dá)到優(yōu)化普通砂石的級配的目的。并考慮石灰石粉優(yōu)良的減水作用對煤矸石吸水率大等問題，摻加一定量的石灰石粉改善煤矸石混凝土的工作性能，在滿足混凝土各性能要求的前提下，減少煤矸石混凝土的水泥用量。

1 原材料選配

1)水泥選用徐州中聯(lián)水泥廠生產(chǎn)的P·C 32.5普通硅酸鹽水泥(C)，其基本性能見表1。石灰石粉(LP)取自徐州市鑄本混凝土公司，密度約為2.7 g/cm3，比表面積約為300 m2/kg。

表1 水泥的基本性能

2)細(xì)集料(S)選用細(xì)度模數(shù)為2.55的天然河砂，粗集料(G)為普通碎石。煤矸石(CG)取自徐州大屯煤電集團(tuán)公司龍東煤礦的未自燃煤矸石，其粒徑分布為0.6、1.18、2.36、4.75 mm篩網(wǎng)的篩余各占25%，作為砂石的中間集料(M)使用，以達(dá)到優(yōu)化粗細(xì)集料級配的目的。具體砂石級配詳見圖1。

3)減水劑為徐州鑫固建材公司生產(chǎn)的聚羧酸減水劑(J)，拌和水(W)采用自來水。

2 試驗方案

2.1 確定煤矸石作中間集料的最佳摻量

為實現(xiàn)集料的良好級配，試驗通過添加煤矸石作為中間集料來優(yōu)化砂石二元集料，具體試驗中共制作了5類不同集料配比的試件，配合比方案詳見表2。其中A0組與A1組使用砂石二元集料，且A1組的水泥用量相對減少8.3%。A0、A1組作為對照組，驗證集料級配優(yōu)化后，是否能夠在滿足混凝土使用要求的基礎(chǔ)上，減少水泥的用量。A2組～A4組使用煤矸石作中間集料，通過控制砂石和煤矸石的組成比例得到不同的混合集料，研究煤矸石摻量對混凝土性能的影響?；炷猎嚰尚统叽鐬?00 mm×100 mm×100 mm，每個配比澆筑成型兩組，每組3個試件，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)(溫度為20±2 ℃、相對濕度為95%以上)后，測定3 d、28 d的混凝土抗壓強(qiáng)度。澆筑過程中，觀測新拌混凝土的流動性、黏聚性、保水性等工作性能，并按照規(guī)范《普通混凝土拌合物性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50080—2002)[10]，測量混凝土的坍落度或坍落擴(kuò)展度。

2.2 石灰石粉對煤矸石混凝土工作性能的影響

由于煤矸石具有孔隙率大、吸水明顯等特征，其摻入必然使混凝土的自由水量減少，易造成新拌混凝土干稠，流動性變差[11]。另外，混凝土中除了部分水泥和礦物摻合料參與水化反應(yīng)形成水化產(chǎn)物，其他起填充作用。而惰性的石灰石粉可以發(fā)揮填充作用，且具有良好的減水作用。因此，將石灰石粉作為摻合料應(yīng)用到煤矸石混凝土中，既能代替部分水泥起填充作用，又能代替部分細(xì)集料增加煤矸石混凝土的流動性能。試驗選擇表2中性能良好的方案，摻入石灰石粉，研究石灰石粉摻量對煤矸石混凝土工作性能的影響，具體實驗方案如圖2所示。其中A5組相比A0、A1組，水泥用量繼續(xù)減少，用以驗證集料級配優(yōu)化后，節(jié)約水泥的上限值。A6為選定的煤矸石最佳摻量下的混凝土配合比，A7、A8組在A6組的基礎(chǔ)上，用石灰石粉取代部分水泥和砂，以期達(dá)到普通混凝土的使用要求并能夠進(jìn)一步減少水泥用量。

圖2 煤矸石混凝土配合比優(yōu)化方案

2.3 石灰石粉對煤矸石混凝土力學(xué)性能的影響

按圖2所示的煤矸石混凝土配合比優(yōu)化方案成型混凝土，混凝土試件成型尺寸為100 mm×100 mm×100 mm，每個配比澆筑成型兩組，每組3個試件，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)后，測定3 d、28 d的混凝土抗壓強(qiáng)度，研究石灰石粉摻量對煤矸石混凝土力學(xué)性能的影響。

綜上所述，為達(dá)到試驗?zāi)康?，整個試驗過程中對每組試件均需測定表3中的參數(shù)。

表3 試驗待測參數(shù)列表

3 試驗結(jié)果分析

3.1 煤矸石作中間集料的最佳摻量

1)集料的級配曲線。結(jié)合普通混凝土粗細(xì)集料級配曲線、中間集料的分計篩余以及三者在混合集料中的比例(表2)，計算得到的各組混合集料的級配數(shù)據(jù)見圖3。從圖中可以看出，隨著煤矸石摻量的增加，混合集料的中間粒徑區(qū)逐漸被填充，級配曲線由間斷級配的“峰-谷-峰”型逐步轉(zhuǎn)化為良好級配的“干草堆”型。從混合集料的級配曲線可以看出A3、A4組基本達(dá)到良好級配的要求，集料顆粒在各粒徑范圍內(nèi)包括中間粒徑均分布良好。

圖3 混合集料級配

2)煤矸石混凝土的工作性能。在對煤矸石混凝土工作性能分析之前，先對煤矸石的化學(xué)組成進(jìn)行分析。利用X射線熒光分析，測得煤矸石的化學(xué)組成見表4，從表4中可以看出，該煤矸石的化學(xué)成分以SiO2和Al2O3為主，還含有部分Fe2O3及少量的CaO和MgO。利用X射線衍射分析，測得該煤矸石的礦物相主要為石英、高嶺石、白云母等。

表4 煤矸石化學(xué)組成

煤矸石混凝土的工作性能變化情況見表5。隨著煤矸石摻量的增加，混凝土的混合集料級配由間斷級配向良好級配轉(zhuǎn)變。從表5可以看出，使用煤矸石優(yōu)化后的混合集料能夠有效地改善混凝土拌合物的離析狀態(tài)。但混凝土拌合料的塌落度明顯降低，流動性能變差。相比未加煤矸石中間集料的A1組，煤矸石摻量為20%時，坍落度變?yōu)?80 mm，降幅達(dá)到18.2%。添加量為30%時，坍落度為170 mm，降幅達(dá)到22.7%，流動性明顯變差。這與煤矸石材料本身特點有關(guān)，煤矸石與輕集料一樣，顆粒孔隙率和吸水率大。在混凝土拌和過程中，煤矸石吸水明顯，減少了體系中的自由水量。煤矸石摻量越大，體系的自由水量相對越少，流動性能越差。

表5 煤矸石混凝土的工作性能比較

3)煤矸石混凝土的力學(xué)性能。從圖4中可以看出，A1組的28 d抗壓強(qiáng)度32.11 MPa要低于A0組的33.25 MPa。這是由于A1組中的水泥用量相對A0組減少了8.3%，使得包裹集料的漿體減少，試件成型不密實，造成抗壓強(qiáng)度降低。

圖4 煤矸石混凝土強(qiáng)度變化

隨著煤矸石摻量的增加，混凝土強(qiáng)度呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢。當(dāng)煤矸石中間集料添加量為混合集料的20%左右時，混凝土28 d抗壓強(qiáng)度均達(dá)到最高，為41.55 MPa。與同膠凝材料用量的A1組相比提高了29.4%。與膠凝材料用量多8.3%的A0組相比提高了25%。主要原因有如下兩點：一是添加的煤矸石中間集料改善了混凝土集料的級配，使得內(nèi)部形成密實的集料骨架，內(nèi)部孔隙率減小。從而使包裹集料所需的水泥漿減少，提高強(qiáng)度，節(jié)約水泥用量。二是未自燃煤矸石內(nèi)部孔隙較多，表面粗糙，吸水率大。這就使得混凝土局部的水灰比降低，一定程度上提高了強(qiáng)度。綜合考慮混凝土的工作性能和力學(xué)性能，試驗選擇20%煤矸石的最佳摻量。

3.2 石灰石粉對混凝土工作性能的影響

石灰石粉對煤矸石混凝土工作性能的影響見表5。從表5可以看出，普通混凝土中，A5組相對A0、A1組水灰比不變，水泥用量減少，坍落度降低幅度較大。這是由于隨著水泥用量的減少，水泥漿體不能完全包裹混凝土集料，混凝土流動性能變差。A6組是在A3組的基礎(chǔ)上減少水泥用量，混凝土坍落度降低，流動性能變差。A7、A8組摻入石灰石粉后減水效果明顯，坍落度增加較大，尤其是A8組流動性能同普通混凝土A1組基本相當(dāng)。這說明摻加石灰石粉可以明顯改善煤矸石混凝土的工作性能。

3.3 石灰石粉對混凝土強(qiáng)度的影響

石灰石粉對煤矸石混凝土抗壓強(qiáng)度的影響見圖5。從圖5可以看出，在普通混凝土中，A5組混凝土強(qiáng)度為30.27 MPa，較A0、A1組則強(qiáng)度明顯降低，降幅分別為8.9%、5.7%。這是由于隨著水泥用量減少，水泥漿體不能完全包裹混凝土集料，導(dǎo)致混凝土澆筑成型不密實。

圖5 石灰石粉對混凝土強(qiáng)度的影響

同等水泥用量情況下，摻煤矸石的混凝土A6組混凝土強(qiáng)度為34.79 MPa，明顯高于普通混凝土A5組。A7、A8組是在A6組煤矸石混凝土中摻加不同質(zhì)量的石灰石粉，進(jìn)一步減少水泥用量。A7、A8組混凝土強(qiáng)度相差不大，分別為34.17 MPa、34.0 MPa，但均高于普通混凝土的A0、A1和A5組。這由于石灰石粉填充了水泥和砂粒徑的中間區(qū)域，使混凝土從粗集料、細(xì)集料到膠凝材料的整個體系的顆粒級配更加合理，提高了混凝土的強(qiáng)度。

3.4 煤矸石混凝土經(jīng)濟(jì)效益分析

A8組在普通混凝土的基礎(chǔ)上使用煤矸石作中間集料，優(yōu)化了混凝土的集料級配；并利用石灰石粉的減水效應(yīng)，調(diào)節(jié)了煤矸石混凝土的工作性能。A8組既滿足了普通混凝土的工作性能和力學(xué)性能的使用要求，又使水泥用量由最初的360 kg/m3降至270 kg/m3，降低幅度高達(dá)25%，大大降低了混凝土生產(chǎn)成本。其主要原因有兩個方面：一方面，石灰石粉代替了混凝土中不發(fā)生反應(yīng)僅起填料作用的水泥和部分細(xì)集料砂，這樣既能降低水泥用量又能達(dá)到減水效果，保證流動性能。另一方面，煤矸石作為中間集料改善了混凝土集料的級配，使得其內(nèi)部形成密實的集料骨架，提高了混凝土強(qiáng)度并減少了水泥用量。

4 結(jié)論

通過多組試驗對比和對試驗數(shù)據(jù)的理論分析，最終可以得出以下關(guān)于煤矸石混凝土集料配比與其性能關(guān)系的結(jié)論。

1)煤矸石作中間集料可以明顯優(yōu)化砂石二元集料的級配，使其由“間斷級配”逐步變?yōu)椤傲己眉壟洹?，澆筑成型的煤矸石混凝土的力學(xué)性能明顯高于僅含砂石二元集料的普通混凝土。煤矸石摻量20%時，混凝土的強(qiáng)度最高且水泥用量減少8.3%以上。

2)在煤矸石優(yōu)化混凝土集料級配的基礎(chǔ)上，石灰石粉替代部分水泥和砂使用，進(jìn)一步優(yōu)化混凝土整體組成的級配，從粗集料石、中間集料(煤矸石)、細(xì)集料砂到膠凝材料水泥、石灰石粉形成所有原材料連續(xù)級配的結(jié)構(gòu)體系，獲得工作性能和力學(xué)性能與對照組相當(dāng)、成本進(jìn)一步降低的混凝土配合比設(shè)計。

3)相對普通混凝土，摻加石灰石粉和煤矸石后的混凝土，水泥用量減少25%，大大降低了混凝土生產(chǎn)成本，具有明顯的經(jīng)濟(jì)效益。