摻煤矸石混凝土的抗?jié)B性能研究

1、中國科技論文在線摻煤矸石混凝土的抗?jié)B性能研究#孟云芳1,2，王德志1，孫慶合1*（1. 寧夏大學土木與水利工程學院，銀川 750021；51015202530352. 旱區(qū)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)水資源高效利用教育部工程研究中心，銀川 750021）摘要：本文利用煤矸石、粉煤灰、礦渣代替部分水泥，制作 C50 復合混凝土，分析混合材對混凝土的力學特性和抗?jié)B性能的影響。采用正交試驗設計與微觀相結合，并對復合混凝土的抗?jié)B性能做了初步研究。試驗結果表明，煤矸石摻量在 10%以下時，混凝土的抗?jié)B性能得到提高。關鍵詞：煤矸石；抗?jié)B性；粉煤灰；混凝土；強度中圖分類號：TU528Research of anti-perme

2、ability properties of concrete withgangue Meng Yunfang, Sun Qinghe, Wang DezhiMENG yunfang1,2, WANG Dezhi1, SUN Qinghe1(1. College of Civil and Hydraulic Engineering, Ningxia University, Yinchuan City, China 750021;2. Engineer Research Center funded by Ministry of Education for effective utilization

3、 of waterresource of modern agriculture in droughty area, Yinchuan City, China 750021)Abstract: This paper use gangue, fly ash and slag to take place cement respectively. Making thecompound concrete of C50.The paper analyzed the influence of the mechanical properties and theperformance of anti-perme

4、ability of concrete with mixtures. Adopted orthogonal experimentcombination with microcosmic, the performance of anti-permeability of the compound concrete havebeen researched fundamentally. Research result show that the properties of anti-permeability of thecompound concrete are enhanced as the pro

5、portion of gangue is less than 10 percent.Key words: gangue;anti-permeability;ash-fly;concrete;strength0 引言盡管混凝土的品種不斷改進，技術水平日益提高，但抗裂、抗?jié)B性能仍然很低，而且脆性破壞的特征非常突出，這些缺陷極大地限制了混凝土材料的應用范圍。科研工作者和工程技術人員進行了長期的研究和不懈的努力，混凝土的抗裂性能、抗?jié)B性能雖然得到了極大提高，但裂縫和水滲漏仍然屢見不鮮，沒有得到根本治理。本研究的目的是修正混凝土脆性和抗?jié)B性的問題，主要是調(diào)整混凝土的內(nèi)部結構、改變孔特征和減少微觀結構中共

6、價鍵，增加粒子鍵、次價鍵，以降低混凝土中鍵的方向性和飽和性，從源頭治理裂縫和滲漏。除考慮到煤矸石除作為廢料資源的開發(fā)與利用外，也為可持續(xù)經(jīng)濟建設發(fā)展提供了能源補充，是保護生態(tài)環(huán)境和綠色工程相結合的扭帶2。通過不同的試驗配比，研究它們之間的復合疊加效應對混凝土強度、抗裂及抗?jié)B性的影響，同時宏觀與微觀手段相結合進行比較，最終確定出復合高性能混凝土抗裂、抗?jié)B性能最佳的優(yōu)化方案及混合材、外加劑的摻量，為工程設計與施工提供有意義的重要依據(jù)。基金項目：教育部高等學校博士學科點基金資助項目（2007074901）；寧夏自然科學基金項目（NZ0510）作者簡介：孟云芳（1952-），女，教授，主要從事混凝土耐

7、久性能及新材料開發(fā). E-mail: meng_yf-1-中國科技論文在線1 原材料及試驗方法401.11.1.1試驗原材料膠凝材料(1) 水泥為寧夏賽馬水泥廠生產(chǎn)的 52.5MPa 普通硅酸鹽水泥，其密度為 3.1g/cm3，細度為 2.3%，水泥的各項技術指標均符合國家現(xiàn)行技術標準的要求；（2）粉煤灰為寧夏青銅峽電收塵干排級粉煤灰；（3）礦渣來源于寧夏石嘴山鋼廠，滿足水泥中應用的?；郀t礦45渣的國家標準 GB203；（4）煤矸石采自寧夏大武口煤廠。1.1.2粗細集料本試驗用粗集料為賀蘭山天然巖石破碎加工而成的 5-30mm 連續(xù)級配，干視密度為 2.7332.63g/cm3，松散容重為

8、1.58 g/cm3。501.1.3外加劑本試驗采用了三種外加劑。(1) NF 高效減水劑，由寧夏靈武鑫海實業(yè)總公司生產(chǎn)；（2）DH9 引氣劑，由河北省景縣振興化工建材廠生產(chǎn)；（3）UEA 膨脹劑，由河北省景縣振興化工建材廠生產(chǎn)。551.2試驗方法(1) 抗壓強度試驗：模型采用 150mm 的立方體，齡期選擇 28d；（2）抗?jié)B試驗：根據(jù)SD105-82水工混凝土試驗規(guī)程方法試驗；（3）微觀電鏡掃描（SEM）試驗：試樣從混凝土抗壓、抗?jié)B試驗結果中選取。1.3正交試驗設計本試驗采用正交試驗設計并考慮了三個水平與五個影響因素即：（1）水灰比：擬選用600.45，0.40，0.35 三個水平；（2）

9、摻和料：粉煤灰，礦渣及煤矸石，等量取代部分水泥用量，并將此摻量選用三個水平見表 1；（3）外加劑：引氣劑單摻；減水劑和膨脹劑共摻； 膨脹劑單摻。本次試驗選用 L18（37），7 因素三水平正交表、試驗方案及試驗結果見表 2。表 1 正交試驗的因素水平表 Table 1 In the concrete factor level of orthogonal test657075-2-因素水平水灰比 1（%）粉煤灰 2（%）礦渣 3（%）煤矸石 4（%）外加劑 5（%）10.3520%0%0%引氣劑20.4010%10%5%減水劑+膨脹劑30.450%20%10%膨脹劑g/cm ，松散容重為 1.4

10、0 g/cm3；細集料取自寧夏青銅峽黃河砂，砂的級配良好，視密度為中國科技論文在線801.41.4.1表 2 L18（37）試驗方案和試驗結果Table 2 The project of concrete orthogonal test and results試驗配合比基準混凝土的配合比及試驗結果基準混凝土的配合比及相應的試驗結果見表 3 所示。85表 3 基準混凝土配合比及試驗結果Table 3 Mixture composition of benchmark concrete and results1.4.2復合混凝土配合比90復合混凝土配合比如表 4 所示。95100105-3-列號試驗

11、號水灰比A粉煤灰（%）B礦 渣（%）C煤矸石（%）D外加 劑E空列F空列G考核指標抗壓強度（MPa）滲透高度(cm)12345671231(0.35)1(0.35)1(0.35)1(20)2(10)3(0)1(0)2(10)3(20)1(0)2(5)3(10)1(引)2(減+膨)3(膨)123123415039.63.332.466.224562(0.40)2(0.40)2(0.40)1(20)2(10)3(0)1(0)2(10)3(20)2(5)3(10)1(0)2(減+膨)3(膨)1(引)31231239.530.938.43.589.844.327893(0.45)3(0.45)3(0.

12、45)1(20)2(10)3(0)2(10)3(20)1(0)1(0)2(5)3(10)3(膨)1(引)2(減+膨)23131233.132.536.55.215.014.981011121(0.35)1(0.35)1(0.35)1(20)2(10)3(0)3(20)1(0)2(10)3(10)1(0)2(5)2(減+膨)3(膨)1(引)23112339.742.348.93.913.262.521314152(0.40)2(0.40)2(0.40)1(20)2(10)3(0)2(10)3(20)1(0)3(10)1(0)2(5)1(引)2(減+膨)3(膨)31223135.436.344.8

13、3.343.262.001617183(0.45)3(0.45)3(0.45)1(20)2(10)3(0)3(20)1(0)2(10)2(5)3(10)1(0)3(膨)1(引)2(減+膨)12323131.237.335.65.354.785.19編號水灰比3水 kg/m3水泥 kg/m3砂 kg/m3石 kg/m抗壓強度（MPa）滲透高度（cm）010.35196560619101053.88.41020.40186465661107747.39.52030.45185411624115943.711.6中國科技論文在線1101.5表 4 復合混凝土配合比Table 4 Mixture co

14、mposition of compound concrete試件成型與養(yǎng)護本試驗按水工混凝土試驗規(guī)程SD105-82 標準振搗成型。每組混凝土成型 9 個試件，6 個抗?jié)B試件，3 個立方體抗壓試件。成型后帶模試件用濕布或塑料薄膜覆蓋表面，養(yǎng)護室溫度為 203，相對濕度在 95%以上。1152 試驗結果分析與討論2.12.1.1正交試驗結果的直觀分析與方差分析直觀分析對正交試驗方案的試驗結果進行直觀分析與方差分析，比較各因素對考核指標的影響順序和影響大小，直觀分析結果見表 5，方差分析結果和滲水高度見表 6、7。120表 5正交試驗結果的直觀分析Table 5 Directness analys

15、is of orthogonal test and results考 核指 標抗壓強度滲因素分析指標K1K2K3K 1K2K 3Rj主次K1K2K3水灰比A261.50225.30206.2043.5837.5534.379.22A21.7026.3430.52粉煤灰B219.90229.30243.8036.6538.2240.633.98D24.7228.6125.23礦渣C241.40233.90217.7040.2338.9836.283.95B21.9328.5628.07煤矸石D226.70246.90219.4037.7841.1536.574.58C24.5720.9233.0

16、7外加劑E233.50237.60221.9038.9239.6036.982.62F23.3023.3831.88空列F224.80243.30224.9037.4740.5537.483.07E29.2822.6826.60空列G224.50233.80234.7037.4238.9739.121.5529.2823.7125.57透高度KKK1233.624.395.094.124.774.213.664.764.684.103.495.513.883.905.314.883.784.434.883.954.26Rj主次1.47D0.65A1.11E2.03C1.43F0.65B0.93

17、-4-編號水灰比水3kg/m水泥3kg/m不同礦物摻和料的摻量 %膠材總量3kg/m砂3kg/m石3kg/m粉煤灰礦渣煤矸石膨脹劑10.351871692094293313852010001020051008.3852746857959267458996610999622340.40163199186281318372201000102051008.3804044824656896306241125102610185670.4518517015726524528820100102000510808.341137834961560666611421125123889100.35167216192

18、219490467201002001010058.38047758254565458458910679539611112130.401671582022512544492010010200100508.384193965056437056291049115010251415160.4517415714219527925920100200105100808.33853493146316316951172117112911718中國科技論文在線表 6 以 28d 抗壓強度為考核指標的方差分析Table 6 Variance analysis of as estimated target of 28

19、day compressive strength方差來源水灰比 A粉煤灰 B平方和262.9648.32自由度22均方和131.4824.16F 值16.773.08FF0.99(2,9)=8.02F0.95(2,9)=4.26顯著性*（*）礦渣 C48.91224.463.12F0.9(2,9)=3.01（*）煤矸石 D外加劑 E誤差項 e67.6422.1048.4522733.8211.056.924.31*70.5597.84125表 7 以滲水高度為考核指標的方差分析Table 7 Variance analysis of as estimated target of permeab

20、le altitude方差來源平方和自由度均方和F 值F顯著性水灰比 A粉煤灰 B礦渣 C煤矸石 D外加劑 E誤差項 e6.49 2 3.24 3.72 F0.99(2,9)=8.021.49 2 0.74 F0.95(2,9)=4.264.55 2 2.27 2.61 F0.9(2,9)=3.0112.96 2 6.48 7.448.10 2 4.05 4.656.35 7 0.91（*）*7.84 9 0.87注：“*”影響高度顯著；“*”影響顯著；（*）有一定影響；其余皆無影響130從表 5 的直觀分析結果可看出：影響混凝土的 28d 強度因素的影響順序為：水灰比 A煤矸石 D粉煤灰 B

21、礦渣 C誤差項 F外加劑 E，水灰比和煤矸石的影響較大，而外加劑的影響較小，它的影響被誤差項所淹沒。影響混凝土的滲透高度值的因素影響順序為：煤矸石 D水灰比 A外加劑 E礦渣 C誤差項 F粉煤灰 B，煤矸石對混凝土抗?jié)B性影響最大，其次是水灰比，粉煤灰對滲透高度的影響在試驗誤差范圍內(nèi)。1352.1.2方差分析由于直觀分析法對影響試驗結果的各因素的重要程度不能給出精確的數(shù)量估計，不能判斷因素對試驗結果的影響是否顯著，因此，需對試驗結果進行方差分析，彌補直觀分析的不足。表 6、表 7 分別是以混凝土 28d 抗壓強度、滲水高度值為考核指標的方差分析表，從兩表中可看出：對于混凝土 28d 抗壓強度而言

22、，水灰比的影響高度顯著，煤矸石的影響顯著，140礦渣、粉煤灰有一定的影響，外加劑對混凝土的強度沒有影響?？己酥笜藶榛炷翝B水高度時，煤矸石、外加劑影響顯著，水灰比有一定影響，而粉煤灰、礦渣則沒有影響。2.1.3最優(yōu)配合比的確定首先確定考核指標為混凝土 28d 抗壓強度時的最優(yōu)配合比，由于混凝土的抗壓強度越高混凝土的抗?jié)B性能也越強，本次強渡結果得出最優(yōu)配合比為：A1B3C1D2E2；對于混凝土滲145150水高度值，則是越小越好，最優(yōu)配合比為 A1B1C1D2E1 或 A1B1C1D2E2。比較兩個配合比方案，二者在因素 B、因素 E 的水平的選擇上存在差異。因素 B 即粉煤灰對混凝土的 28d

23、 抗壓強度有一定影響,對滲水高度值影響不顯著，因此選擇 B3。因素 E 對混凝土 28d 抗壓強度的影響被誤差所淹沒，但其對滲水高度值的影響顯著，由于 E1 和 E2 所對應的滲水高度幾乎相同，選 E1 或 E2 均可，選擇 E1 時表明引氣劑摻入能改善混凝土的和易性，減少用水量，但其減水作用甚微。選擇 E2 表明摻入高效減水劑加膨脹劑能夠減少用水量，改善和易性，膨脹劑能夠取代部分水泥，二者同摻既能改善混凝土性能，又節(jié)約水泥，因此，因素 E 選擇 E2。依上述綜合平衡分析結果，得到最優(yōu)方案為：A1B3C1D2E2。-5-中國科技論文在線2.22.2.1影響混凝土抗?jié)B性的因素煤矸石的影響1551

24、60165由正交試驗的直觀分析和方差分析結果可知，煤矸石對混凝土滲水高度的影響顯著，且其對滲水高度的影響比水灰比的影響還大。煤矸石對混凝土滲水高度的影響與摻量有關。如15 號試驗中，單摻煤矸石微粉 5%，外加劑為膨脹劑時，混凝土的滲水高度僅為 2.00cm，抗壓強度為 44.8MPa。與基準混凝土相比，強度下降了 16.7%，但滲水高度卻較基準混凝土的滲水高度降低了 79%。試驗號 9 和 18 中相比，二者水灰比、所摻混合材的摻量、外加劑均相同，但第 9 組混凝土的抗?jié)B標號大于 W22，而第十八組混凝土的抗?jié)B標號僅為 W18，可見在混凝土中添加煤矸石微粉能有效地提高混凝土的抗?jié)B性能，且煤矸石

25、微粉比礦渣更有利于提高混凝土的抗?jié)B性能3 7 8。圖 1 所示，水灰比為 0.35、0.40 時，混凝土的滲水高度隨煤矸石摻量的增加先減少后增加，即在試驗范圍內(nèi)，煤矸石的摻量存在一個最佳摻量 5%。水灰比為 0.45 時，混凝土的滲水高度隨煤矸石摻量的增大而降低，但降低幅度較小。因此，可以認為，當混凝土水灰比為 0.350.45，煤矸石的最佳摻量為 5%時，混凝土的滲水高度最小。87651412104321w/c=0.35w/c=0.40w/c=0.4586420摻混合材的混凝土基準混凝土00.350.40.4500.050.1水灰比煤矸石摻量（%）圖 1 煤矸石摻量對混凝土滲水高度的影響圖

26、2 不同水灰比時摻混合材混凝土與基準混凝土的滲水高度對比2.2.2水灰比的影響由正交試驗結果的方差分析可知，水灰比對混凝土抗?jié)B性的影響顯著，其影響順序僅次170于煤矸石。眾多研究表明，降低混凝土的水灰比可減少混凝土內(nèi)部連通的毛細管道，提高混凝土的密實度，從而提高混凝土的強度和抗?jié)B性能。本試驗再次證明了這一規(guī)律。圖 2 給出了不同水灰比時混凝土的滲水高度。從圖中可看出無論是摻混合材的混凝土還是基準混凝土，它們滲水高度均隨水灰比的降低而降低?；鶞驶炷恋臐B水高度均比同水灰比下?lián)交旌喜牡幕炷恋臐B水高度高 50%。1752.2.3外加劑的影響本次實驗摻入膨脹劑、引氣劑和減水劑。引氣劑使混凝土內(nèi)部產(chǎn)生

27、大量微小、均勻的氣泡，氣泡隔斷了混凝土內(nèi)部連通的毛細管孔道；減水劑能改善混凝土的和易性，減少用水量，水分蒸發(fā)時留下的毛細孔管少，從而提高了混凝土的密實度和抗?jié)B性，摻入膨脹劑能與水泥水化產(chǎn)物發(fā)生化學反應，生成鈣礬石，堵塞混凝土的孔隙。本次試驗中，外加劑對混凝土的180滲水高度的影響顯著。如圖 3、圖 4 所示，膨脹劑與引氣劑和減水劑相比，摻入后對提高混凝土抗?jié)B性的貢獻較大，混凝土的水灰比為 0.350.45 時，混凝土的滲水高度均高于 5cm。-6-滲水高度（cm）滲水高度（cm）中國科技論文在線膨脹劑摻入后，致使混凝土的強度有所降低，同時，膨脹劑使混凝土的單方用水量增大，強度稍低。但是，與同水

28、灰比下不摻膨脹劑的基準混凝土的滲水高度相比，摻入膨脹劑仍然提高了混凝土的抗?jié)B性。當引氣劑或減水劑與膨脹劑共摻，水灰比為 0.350.40 時，混凝土的185滲水高度遠小于基準混凝土的滲水高度。因此，在混凝土中摻入外加劑必能提高混凝土的抗?jié)B性，當水灰比較小時，外加劑應優(yōu)先采用引氣劑或減水劑與膨脹劑共摻。1412108642摻引氣劑摻減水劑加膨脹劑摻膨脹劑1412108642摻引氣劑摻減水劑加膨脹劑摻膨脹劑00 .350. 4水灰比0.45基準混凝土00.350.4 0.45水灰比基準混凝土圖 3 不同水灰比時摻入不同外加劑對混凝土滲水高度的影響圖 4 不同水灰比時摻入不同外加劑對混凝土滲水高度的

29、影響2.3混凝土微觀電鏡掃描（SEM）結構分析從圖 5 看出，混凝土中的水泥水化后生成大量的絮狀水化硅酸鈣凝膠、細長的針狀的鈣190195200礬石晶體，水化產(chǎn)物之間存在很大的孔隙而且水化產(chǎn)物之間連接呈弱勢。圖 6 中，水泥凝膠之間填充了大量不同粒徑的混合材顆粒，其中圓球狀的粉煤灰顆粒的最小粒徑為 3-5 微米。粉煤灰顆粒表面光滑，僅有少量的水化產(chǎn)物附著其上，水化物間孔隙小，密實性明顯增強，這與宏觀狀態(tài)強度試驗結果一致。摻入混合材后的水泥凝膠之間的孔隙減少，這是因為混合材中的 SiO2、Al2O3 與 Ca(OH)2 發(fā)生二次反應產(chǎn)生更多的晶體和膠體，使混凝土的強度增大1化產(chǎn)物之間的孔隙成為裂

30、縫的發(fā)源地，裂縫向四面擴展開來，混凝土中水泥水化顆粒在水壓的作用下，從中間裂為兩半，水化產(chǎn)物之間的孔隙孔徑長達 5-10 微米。復合混凝土滲后的SEM 圖中，粉煤灰顆粒在壓力水作用下，發(fā)生了輕微移位，粉煤灰顆粒周圍的水化產(chǎn)物之間雖然也有裂紋，但路徑迂回、曲折，數(shù)量較少。水化產(chǎn)物之間的大孔隙減少，小孔增多。因此混凝土中摻入混合材后，混凝土的孔隙率降低，孔結構得到了改善，隨著齡期的增長，混合材中的活性 SiO2 及 Al2O3 與 Ca(OH)2 反應生成水化硅酸鈣、水化鋁酸鈣凝膠增多，粘結強度增加，密實度進一步提高，混凝土抗?jié)B性也隨之提高2 3 5 7。205圖 5 W/C =0.35基準混凝土

31、3 結論圖 6 W/C =0.35復合混凝土圖 7 W/C=0.35基準混凝土滲后圖 8 W/C=0.35復合混凝土滲后（1）對于復合混凝土 28d 抗壓強度，影響因素的主次順序依次為：水灰比 A煤矸石 D粉煤灰 B礦渣 C誤差項 F外加劑 E，水灰比對混凝土 28 抗壓強度的影響高度顯著，煤矸石影響顯著，粉煤灰、礦渣有一定影響。（2）對于復合混凝土的滲水高度，影響因素的順序為：煤矸石 D水灰比 A外加劑 E-7-滲水高度（cm）滲水高度（cm）。比較圖 7、8 所示，從基準混凝土滲后的 SEM 圖可看出，在壓力水的作用下，混凝土水中國科技論文在線210215220225230235礦渣 C誤差項 F粉煤灰 B，煤矸石、外加劑對混凝土的滲水高度的影響顯著，水灰比有一定影響，其余均無影響。（2）根據(jù)正交試驗結果確定出最優(yōu)方案：A1B3C1D2E2 即水灰比為 0.35，粉煤灰摻量為 0，礦渣摻量為 20%，煤矸石摻量為 5%，減水劑與膨脹劑共摻，最佳試驗方案為