煅烧超细磨煤矸石作高性能混凝土掺合料的研究.doc

煅烧超细磨煤矸石作高性能混凝土掺合料的研究陈寒斌陈剑雄张彭成吴建成 后勤工程学院 重庆大学要：般烧并趣细后的蝶矸石具有较商的活性，其指数(抗压强度比J高达B“，与将煤灰的活性接近， 是理想的活性参台抖在合理配比的混凝土中，煤矸石掺合抖可以很好地生桴大山友_教应，畿集抖填竟冀 应和时久性艘应：瞢代部分束jl邑(在不掺加任何激发剂的情况下取代量不超过3喊)，改善木范蒙并的 壤配蛆成提高混凝土的工作性；硬化后的混凝土的密实度提高：耐久性提高尤其是抗琉t盐侵蚀的奠 力大大提高如秉与硅灰震掺，对提高混凝土的时蚀性有明曼的作用 关#诃：艨矸石、掺台料，高性麓混凝土1、引言煤矸石是夹在煤层中的岩石，是采煤和运煤过程中排出的度弃物，也是我 国排放量最大的一种工业废渣据有关统计“1 ，煤矸石数量按屎煤产量的15 计，每年煤矸石至少增加l亿吨以上，历年积存的煤矸石已超过20亿吨大量 的煤矸石不仅占用良田，也对环境造成严重的污染 大部分蝶矸石污染土岩类，其主要矿物组成为粘土矿物，其次为磺、长石、 云母和黄铁矿、碳酸盐等向生矿物在经过700-900高温煅烧后，原来的结晶和分解破坏，变成天定型的非晶体，使煤矸石具有治性活性的大小，和矸石的物相组成有关，还和煅烧温度有关“1煅烧磨细后煤矸石比表面积3 300cm2g，si02和Al 20，含量8 0l以上在砼中 的作用机理与硅灰及其它火山灰相似，具有火山灰质活性效应、傲集料效应及 耐久性效应活性si0：和l：O，与血(oH)：作用生成csH凝胶、水化铝酸钙和水 化硫铝酸钙2、原材料和试验方法21原材料211水泥：试验采用重庆水泥生产的P0525水泥，其性能指标见表1，属525R型水泥物理力学性能 表1标准稠 凝结时间 抗压强度 抗折强度 细度h：min跚Pa) 0dPa)度用水 安定性量lc酽g初凝 终凝3d 28d3d 28d251 3300合格1：45 2：52 369 563 721 943注：水泥的力学强度系采用GBll 785试验方法测定的222、煤矸石 试验用的煤矸石是产于华莹山脉，经过充分煅烧及磨细(达水泥细度)中田肿瞍舳学会第八屙水抛化学会泌 删雨庆其化学成分及性能指标见表2，表3化学成分 Si02 l 203Fe203 Ca0M90 S0】烧失量 煅烧前j6 5146 2175 47l 508 093 263 1136 979 煅烧后，6581 2454 53l 57 3 105 297 9770细度cm2g需水量烧失量含水量l I三氧化硫 活性值)3320963 O92 263 813由蝶矸石的化学成分可以看出，si02和1203含量70经煅烧后的s i0： 与Al。0，的总量801它在砼中的作用机理与硅灰，粉煤灰及其它火山灰相似， 都具有火山灰质活性效应、微集料效应、及耐久性效应煤开石经高温煅烧后， 高岭石分解，产生活性si0：和活性Al：0，在水泥的水化和硬化过程中，体系中 的碱性物质与煤矸石的活性siO。和A1：0，反应，生成csH凝胶、水化铝酸钙及 水化琉铝酸钙等由于煤矸石细粉的填充效应和对硅酸盐水泥的二次水化作用。填充了原有的 水泥石结构孔隙，使水泥石的结构更加密实，提高了混凝土的密实度。这不仅增 加了混凝土的强度，而且提高了混凝土的抗渗自B力，并提高混凝土的耐久性。2。23，粉煤灰： 试验用粉煤灰是重庆九龙坡电厂的干排灰，其性能符合GBl59691“用于水泥和混凝土中的粉煤灰”标准级品的指标要求224、细集料：四川简阳中砂，细度模数Mx一232，级配合格，砂的含泥量1眠砂的泥块含量03j1225、粗集料 重庆小泉石灰石碎石，o一20叫。连续级配合格，针、片状含量3，压碎指标6226、外加剂： 以FDN为主的复合型的微引气的缓凝高教减水利，减水率23，其它技术指标满足砼外加剂(GB80761997)的一等品品质要求，掺量为12I23混凝土配合比 掺煤矸石混凝土只要配合比设计合理，一般硬化后的性能与普通混凝土相同，某些性能超过普通混凝土。根据混凝土原材料的性能，试验中的基准配合比列于表5试验中所用配 合比均在此基础上调整而得的。混凝土基准配合比 表5水渑 砂 石水 外加剂 Sp(种51 061 21140l 68 612351120 224 O3 30012中闽硅暗盐学会笫八届水泥化学会议 中用再庆3、煅烧后煤矸石的性能31抗压强度比(活性指数)牯土岩类煤矸石主要由粘土矿物组成加热到一定温度(一般为700一900)时，屎来的结晶相分解破坏，变成无定型的非结晶体，使煤矸石具有活性 活性的大小和煤矸石的物相组成有关，还和煅烧温度有关自燃过的煤矸石都 具有一定的活性煤矸石的火山灰活性可以根据一定时间内石灰一一煤矸石混合物中未反应 的ca(0H)，的量来确定但由于这种反应速度非常缓慢，因此工程上在确定火 山灰质混合材的火山灰活性时多采用比抗压强度GBl59691规定粉煤灰的活性为28d的水泥胶砂抗压强度比，印测定掺30粉煤灰的水泥砂浆强度与同龄 期的纯水泥砂浆强度的比值煤矸石的活性测定参照GBl59691进行其抗压 强度平均为813这与粉煤灰的活性接近活性指数测定 表6次数 平均活性 标准差。最高值 最低值17 813 47865 746虽然媒矸石中含有活性siO。和l，0，经自燃或人工煅烧后具有一定的恬 性，但它并不能取代水泥，不同掺量的煤矸石对水泥的物理性能的影响不同， 在不掺加任何激发剂的情况下，煤矸石掺量为2p3 ojl时，强度增长较好结果 见表8煤开石 暂凝 终凝 执折强度呻 抗压曩虚峨掺量h：In h：ln。定性3d 28d36M 埘2ld 36叫O l：-5 2：52 寺格 721 931073，695，5615 1：5l 3：12 告格 629 993 儿23 326 528S7310 l：53 3：03 合格 607 lO081155 317 525 56915 1：“2：58 畚格606 997 119312523 57720 l：50 3：16 合格 609 976 1156 ，17515 5830l：43 3：01 合格46932 lO7 263 469 52O2：12 3：21 合格 I48 824 926 196 418 柏052：16 3：29 合格 ：48821 431 78 390 4184、实验结果与讨论中国硅艘盐学会第八届水泥化学会嫂中田重庆41煤矸石混凝土拌合物的工作性及坍落度损失煤矸石砼拌合物性能及强度表10序初凝 终凝 坍落度扩展度() 抗压强度(岫)号h：皿inh：min 初始 lh 2h 3d 28d9M17：35 8：28 210490 2 00430 160，350 49O 699 74227：52 8：47 215，515 2lO，452 185395 463 682 74638：lO 9：31 2l 5510 210460 200，420 432 678 732注：煤矸石取代水泥的量分；4 l为o2。为15，3。为3睇从表10中可以看出：煅烧磨细煤矸石粉掺入砼后，混凝土的凝结时问(包括初、终凝)随着掺t的增加而延长B掺煅烧磨细煤矸石粉的混凝土的坍落度损失要比未掺者小如2h，未掺者砼坍藩度损失达50咖，而掺15的砼的坍落庹损失为30咖，掺30的砼坍 落度损失仅为15衄混凝土扩展度的减少也具有上述的规律性这种现象对于 预拌砼具有积极的意义c掺入煅烧磨细煤矸石的混凝土强度与未掺者相比，混凝土早期强度随着掺量的增加而降低，砼后期强度基本持平而砼的强度增长率：未掺者为(R。R，)R，I(742490)499-51，l；掺30的(R。一R，)R广a32432)432-69笔者认为：混凝土早期强度稍偏低一些，在某种程度上来说对砼质量有盏42煤矸石混凝土抗压强度根据配合比设计，试配的混凝土R。可满足c60混凝土试配强度保证率要 求，见表(煅烧磨细煤矸石的掺量是30)试配强度统计表 裹Il一146中I=l：|排艘拈学会旃八届水怩化学会改cj-同晌庆试配次数 平均强度R：，。标准差6RinRih-26 7 0236663 732煤矸石混凝土强度的发展取决于其配合比，印水泥的标号和品种，wc的 大小，煤矸石的掺量，煤矸石的细度，外加剂的品种和掺量，环境温度、养护 条件等但总的来说，只要材料质量好、配比恰当，可以配出高强混凝土煤 矸石混凝土与其粉煤灰混凝土很相似，能够保证混凝土的后期强度加强早期养护，有利于煤矸石混凝土的强度发展43煤矸石混凝土的抗弯强度 抗弯试验采用四点加荷法，试件尺寸为400l 001 00(叫)，踌距300岫，试验简圈见图3，试验结果列于表12煤矸石砼28天的抗弯强度(MPa)表12掺量(*) oj1020304028d强度 456 l462 532 497 435从试验结果看出，煤矸石掺量变化，对混凝土的抗弯强度影响不明显这 结论与表7中的水泥胶砂抗折强度基本上吻合，在煤矸石掺量不超过30时， 水泥胶砂试件的抗折强度基本上变化不大，但超过40后，其抗折强度有所下 降44煤矸石混凝土的耐久性煤矸石混凝土的抗渗性煤矸石混凝土的抗渗试验按普通混凝土长期性能和耐久性能实验方法 (GBJ8285)进行由于高性能混凝土曲水灰比小，加上磨细蝶开石的火山灰 效应及填充效应，(即煤矸石中的火山灰反应生成水化硅酸钙等，可以填充混凝 土中的孔隙，堵塞毛细孔)肢凝物多且结构密实，故选用敬配良好的碎石，掺 用合适的混凝土外加剂，很客易配制出高抗渗性的混凝土煤矸石混凝土的抗渗试验结果表l 3抗压强度 抗渗压力 试验情况 渗水高度mPa) 咖pa)压力达到22MPa后 劈开后，试件底部渗678 2O 持压lo小时无渗水水平均为35cm。最高 现象的为11cm注：煤矸石掺量为30煤矸石混凝土的抗硫酸盐侵蚀性 本项目组采用10硫酸钠，硫酸镁溶液浸泡已经标准养护28天和90天的试件，测定侵蚀28天和90天后与淡水养护的试件的抗折、抗压强度之比，来研究其抗硫酸盐侵蚀性胶砂试件的配比列于表14，砂是标准砂，成型方法按照水泥胶砂试件成型 方法进行。胶砂试件配合比 表14一147中国醚艘赫学会第八届水泥化学会议 中同霞庆编号水泥 煤矸石 粉煤灰硅灰 砂 永l1002 0 0 250 50275 25 0 O 250 50，1S0 25O 2S0 504 7025O j 250 50胶砂试件的抗折强度试验结果表l 5编28天抗折强 浸泡28d抗折强度号度哪Pa)淡水N8 2SOMgS0 】875 913 792 O37 763 0942870 920 1 03l 11 2 942 1023903 9】5】0】O110 9。65 1054903 997 1203 121 109，110胶砂试件的抗压强废试验结果袁16编28夭抗压强 浸泡28天抗折强度号度mPa) 淡水HalSOI MgSOI X1513 537 423 O79 4 o10752 470 542 561 104 537 O993483 557 578 104 5811044539 613 664 108 62，l，03肢砂试件的抗折强度试验结果表17编28天抗折强 浸泡90天抗折强度mPt)号度帆)淡水 HalS0 M瘩S0冀l875 949 645 O68 522 D552 870 960 989 103 835 O873 372 921 930 】01g01 O874 9n3 1037 1141 110 964 O93胶砂试件的抗压强度试验结果表18 辖28天抗压强 浸泡90天抗压强度号度olpa) 淡水 2SO 地So l513 552 41O O74 365 0662470 573 j71 100 516 O903483 566579 102 526 O9 34 539 627 659 105 6 D2B96中目辟艘虢学会第八扁水泥化学会议 中冈重庆从试验结果可知，掺有煤矸石的胶砂试件在硫酸盐溶液中漫泡28天后， 强度有所增长，煤矸石与硅灰复合使用，其抗硫酸盐漫蚀性更佳煤矸石中的 活性siO。能够与混凝土中的ca(oH)，反应生成二次水化硅酸钙，从而在化学上 稳定并使结构密实并提高混凝土的抗渗能力此外，煅烧磨细后的煤矸石能够 降低肢结料中铝酸钙的数量，因而也提高了混凝土的抗硫酸盐能力五、结论：将煤矸石完全煅烧并磨细后，作为混凝土掺合料、配制高性能混凝土是可行的煤矸石的大量堆放，已严重污染环境并存在自燃的隐患，但煤矸石的利用 远远低于其它工业废渣，如粉煤灰、矿渣等，而且作为混凝土的掺合料在我国 的应用研究中尚未见详细的报导，本项目组通过大量系统实验，已证实蝶矸石 可以与其它类似的工业废渣一样、可以用于混凝土，如果配比恰当，并采用性 能良好的外加荆，改善混凝土的性能，并配制出高性能混凝土，实现绿色高性 能混凝土参考文献：1、国家环境保护局，工业废瀣建筑材聿，中国环境科学出版社，19922、昊中伟，康慧碜，高性能混凝土，中国铁道出版社。19993，昊中伟，蠓色i两性能混凝土一一混凝土的发晨方向、混凝土与木泥制品19 981_、庸畴述、胡遭和译水泥和混凝土化学，1966SChen Pllf-，Studyon Rehtio