自燃煤矸石陶粒作为骨料制备喷射混凝土试验研究.pdf

第 3 0卷增刊 Vo 1 ． 3 0 S u pp 1 ． 辽宁工程技术大学学报 自然科学版 J o u r n a l o f Li a o n i n g T e c h n i c a l Un i v e r s i t y Na t u r a l S c i e n c e 2 0 1 1 年 5月 M a V 201 1 文章编号1 0 0 8 ． 0 5 6 2 2 0 1 1 增T iJ I - 0 0 4 0 0 3 自燃煤矸石陶粒作为骨料制备喷射混凝土试验研究 袁家呜 ，单继舟。 ，唐彦秋 1 ． 辽宁省阜新矿业集团公司 计划处，辽宁 阜新 1 2 3 0 0 0 ； 2 ． 辽宁天信工程设计咨询有限公司，辽宁 阜新 1 2 3 0 0 0 摘要 为 了对采 用 自燃煤矸石取代砂石作 为骨料配制喷射混凝土的可行性进行研 究， 通过采用试验 的方法优化 自燃煤矸石骨料级配 ，比较J I- D H 剂 、I 级粉 煤灰、水泥用量等对所配混凝土强度及性 能的影响，确定配制 C 2 0自 燃煤矸石骨料喷射混凝土的最佳配合 比。结果表 明在掺加速凝剂情况 下，配制同标 号混 凝土采用 自燃煤矸石骨 料取代砂石骨料可 以大幅 降低水泥用量 。 关键词 自燃煤矸石 ；喷射混凝土 ；配合 比；I 级粉煤灰 中图分类号T N 9 1 1 ． 7 文献标识码A T e s t s t u d y o n p r e p a r a t i o n s p r a y e d c o n c r e t e wi t h s p o n t a n e o u s c o m b u s t i o n g a ng ue a s a g g r e g a t e YUAN Ji a m i n g, SHAN Ji z hou， TANG Ya nq i u 1 ． Pl a n n i n g De p a r t me n t ， Fu x i n Co a l Mi n i n g Gr o u p， Fu x i n 1 2 3 0 0 0 ， Ch i n a ； 2 ． Li a o n i n g Ti a n x i n En g i n e e r i n g D e s i g n C o n s u l t i n g Co ． ， L t d ， F u x i n 1 2 3 0 0 0 ， C h i n a Abs t r a c t I n o r de r t o s t u dy t he f e a s i b i l i t y o f p r e pa r a t i o n s p r a y e d c o n c r e t e b y a do pt i ng s po n t a n e o u s c o mb us t i o n g a n g ue t o r e p l a c e s a n d a s a gg r e g a t e ， b y o p t i mi z a t i o n s p on t a ne o us c o mb us t i o n g a n g u e a gg r e g a t e g r a d a t i o n， c o mpa r i n g t he s t r e ng t h a nd p e r f o r ma n c e i nflu e n c e o f t he c o n c r e t e un d e r t h e c o nd i t i o n o f a d mi x t u r e s ， I g r a d e f l y a s h ， c e me n t c o n t e n t，t h e b e s t mi x t u r e r a t i o wh i c h c a n ma k e s p r a y e d c o n c r e t e wi t h s p o n t a n e o u s c o mb us t i o n ga n g ue i s de t e r mi ne d．The r e s u l t s h o ws t h a t I n a d d i ng h e r e i n c a s e s ，mi x i n g c o nc r e t e wi t h l a b e l b y s po n t a n e o u s c o mb u s t i o n g a n g ue a g g r e ga t e r e pl a c e s a n d a g g r e g a t e c a n d r a m a t i c a l l y r e d uc e d o s a g e of c e me n t ． Ke y wo r d s s p o n t a n e o u s c o mb u s t i o n g a n g u e ； s p r a y e d c o n c r e t e ； mi x t u r e r a t i o ；I g r a d e fl y a s h 0 引 言 采用 自燃煤矸石取代砂石作为骨料配制喷射 混凝土，一方面可以解决煤矸石大量堆放 ，占用上 地 ，污染环境等系列问题；另一方面还可 以大幅降 低混凝土配制成本 ，提高企业的经济效益 ，因此采 用 白燃煤矸石作为骨料配制喷射混凝土 不失为一‘ 条处理 自燃煤矸石 的长期有效途径 。 早在2 0 世纪8 0 年代 ，阜矿集 团就 曾尝试采用白 燃煤矸石作为骨料配制喷射混凝土，由于种种原因 未能得到推广应用 ；2 0 0 0 年开滦集团在大量试验的 基础上，向国家专利产权局申请 了白燃陶粒 的发明 专利；由于 自燃煤矸石品种不 ，其相应的致密性 及活性等均不一样 ，针对不 同种类 的自燃煤矸石， 在配制不 同标号喷射混凝土时，须根据 自身的特 点，调整骨料级配及混凝土配合比，为此 ，阜矿集 团下 属嘉成建筑工程有 限公司针对其 自身拥有 的 自燃煤矸石资源 ，委托同济大学材料工程研究所进 行 自燃煤矸石替代砂石作 为骨料配制喷射混凝 土 的试验研究工作 ，在 自燃煤矸石骨料全部替代砂石 骨料成功 的基础上 ，进一步优化喷射混凝土配合 比，同时搞清 白燃煤矸石骨料喷射混凝土与砂石骨 料喷射混凝土在收缩 、抗渗等性能指标上的差异， 为进一步推广 和应用 白燃煤矸石骨料喷射混凝土 打下坚实的基础l l J 。 1 自燃煤矸石骨料喷射混凝土试验 1 ． 1 试验原料 1 水泥 在整个试验过程 中采用 了两种 水 泥，水泥A为 阜矿集 团水泥厂 生产 的3 2 ． 5 矿渣硅酸 盐水泥 ，水泥抗 压强度 按GB 1 7 5 1 9 9 9 R 2 6 ． 2 收稿 日期2 0 1 1 ． 0 1 ． 0 5 作者简介袁家鸣 1 9 5 7 - ，男，辽宁 早新人，工程师，主要从事工程施工与管理方面的工作。本文编校 于永江 增刊 袁家呜，等自 燃煤矸石陶粒作为骨料制备喷射混凝土试验研究 4 l MP a ，R 2 8 4 6 MP a ；水泥B为冀东水泥厂生产 的盾 石牌3 2 ． 5 复合硅酸盐水泥 ，水泥抗压强度 按GB 1 7 5 ． 1 9 9 9 R 3 2 7 ． 4 MP a ，R 2 8 4 3 ． 2 MP a 。 2 砂来料w H 2 0 5 ． 2％，中砂 ，烘干后具体 级配 见表 1 。 3 石子来料w H2 0 3 ． 0％，5 ～ 1 5 mm级配的 碎石，烘干后具体级配见表1 。 f 4 煤矸石 自燃煤矸石，化学成分见表2 。 表1 砂 、石子骨料级配 Ta b． 1 s a nd a nd gr a ve l ag gr e g at e gr a dat i on 表2 白燃煤矸石化学成分 Ta b． 2 s pont a ne ous c ombus t i on ga ngne c he mi c a l c ompos i t i o n 5 速凝剂辽宁葫芦 岛金星水泥外加剂厂生 产的金壁牌7 8 5 型。 6 外加剂义县头台乡 白灰厂乍产的符合标 准Q I Y ． WH 0 0 1 2 0 0 2 的 白灰。 7 粉煤灰阜新 电J 一 生产 的I 级粉煤灰 ，需 水 k L 9 1 ％。 本项试验首先参照砂石骨料配 q c 2 o 喷射混凝 土的配合 比，在 同水泥用量 4 7 2 k g／m 砼 、同坍 落度 4 ～ 5 c m 情况下，采用 自燃煤矸石骨料取代砂 石骨料配制喷射混凝土 ，在实验室试配强度及现场 试喷效果均可行的情况下，优化 自燃煤矸石骨料级 配，比较外加剂 、I 级粉煤灰、水泥用量等对所配混 凝土强度及性能的影响，确定配 0 c 2 o自燃煤矸石 骨料喷射混凝上的最佳配合 比；最后 比较 自燃煤矸 石骨料 喷射混凝土和砂石骨料 喷射 混凝土干燥收 缩和抗渗性能的差别 。 在整个试验过程中， 采用A种水泥的砂石骨料混 凝 编号为AJ ，自燃煤矸石骨料混凝土编号为A M； 采用B种水泥的砂石骨料混凝土编号为B J ， 白燃煤矸 石骨料混凝土B M；现场喷射混凝土编号为x。 2 配制喷射混凝土可行性试验研究 首先参照阜新嘉成建筑工程有限公司提供的 现场砂石骨料配制C 2 0 喷射混凝士的配合比，在控 制水泥与 白灰总用量相同且混凝土坍落度控制在 4 --5 c m范围情况 下， 按普通混凝土力学性能试验方 法成型，测定 了不同骨料和级配对喷射混凝士强度 的影 响，结 果 见表 3 。 表3 实验试 配喷射混凝土 配合 比 Ta b．3 m i xt ur e r a t i o o f e xpe r i m e nt a l c onc r e t e 所 刚水泥 立 刳为 f 创 生 明3 2 5 l J 倒 酸盐 水泥 。 由表3 可见， 1 在水泥用量为4 7 2 k g／1T I 砼且 混凝土坍落度控制在4 ～ 5 c m范 围情况 卜，无论是砂 石骨料混凝土还是 自燃煤研石骨料混凝上所配混 凝土标号均能达 i] C 2 0 标准； 2 采用 自燃煤矸石作 为骨料配制喷射混凝 士，与砂石骨料喷射混凝土相 比，存同水泥用量、刚坍落度情况下， 白燃煤矸石 喷射混凝 士需水 比明显增大 ，所配喷射混凝十2 8 d 抗压强度在不掺加速凝剂的情况下， 砂石混凝土 基本相当。 在掺加～ 一 定量 的速凝剂 水泥刖篷的3 后，砂石骨料喷射混凝土各龄期强度均大幅下降， 2 8 d 抗压强度从3 4 ． 5 MP a 下降到2 5 ． 6 MP a ，降幅达 2 6 ％；而在采用 自燃煤矸石作为骨料情况下，所配 混凝土在掺加速凝剂前后混凝土强度变化不大，但 明显高于砂石混凝土强度，幅度在3 0 左右 。究其 原因，主要是由 掺加速凝剂后，促进了熟料水泥 的水化，导致凝结时问大幅缩短，但这同时抑制了 熟料水泥的进一 步水化及强度发展。对于砂石骨料 混凝土，由于砂石本身是惰性材料，与水泥熟料及 速凝剂不起任何反应，因此掺加速凝剂后，混凝土 一 天 以后的各龄期强度必然大幅下 降；而对于 自燃 0 9 3 9 加 “ 7 0 8 3 3 4 3 O 3 0 3 4 ” 3 3 2 2 7 7 3 3 如 ∞ ∞ ∞ ● 呓 ∞ O O 2 7 0 O 钉 钾 ∞踞 2 2 3 3 ∞ ∞ O O 0 O 觎 4 2 辽宁工程技术大学学报 自然科学版 第3 O卷 煤矸石骨料混凝土，尽管与砂石骨料混凝土相 比， 其需水比大幅增加，但 由于 自燃煤矸石骨料中含有 大量偏高岭土，及相当一部分具有活性 的无定形的 S i O 2 和Al 2 O3 ，能与水泥水化产生的C a OH 2 等发生 反应 ，生成水化硅酸钙和水化铝酸钙等产物，加上 速凝剂、白灰等 的激发作用，提高了混凝土的后期 强度，弥补了需水比增大及掺加速凝剂对强度带来 的负面影响L 2 J 。 由此可见，在实验室条件下，按普通混凝土力 学性能试验方法，采用 自燃煤矸石完全取代砂石作 为骨料配制C 2 0 混凝土是可行 的。 由于现场 喷射 混凝土 实际喷射成型方法与普 通混凝 土力学性能试验 中的成型方法有一定的差 异，故有必要进行现场喷射试验 ，进一步验证实验 室试验结果，同时可以观察现场使用效果，以便为 今后进一步优化配比，以及大面积推广打下基础。 为此，我们在2 0 0 4 年 l 2 月至2 0 0 5 年1 月在阜矿集团 下属五龙矿井下巷道进行 了现场喷射试验 ，具体配 比及各项性能数据见表4 。由表4 中编号XM1 的数据 与表3 中编号AM1 的对 比可见， 在配合 比接近煤矸石 级配相差不大且均掺加速凝剂情况下，现场喷射成 型的混凝土试件2 8 d 抗压强度 明显低于实验室振动 成型的试件强度，幅度达3 0 4 0％；分析造成强度 明显下降的原因，主要是 由于现场喷射成型的混凝 土试件与实验室振动成型 的试件相 比在容重上轻 1 0 ％左右，即现场喷射成型的混凝土，其孔隙率大 幅增加 。根据以往 的经验数据，配合比一定的混凝 土，成型试件的强度与试件重量的三次方成正比， 试件轻l O％左右 ，最终将带来混凝土试件强度下降 3 0％左右，即现场喷射混凝土实际强度仅是实验室 振动成型混凝土试件强度韵7 0％左右；同时由表4 中编号XM0 的数据与表8 中编号为A M】 3 的数据对 比 可以看出，在不掺加速凝剂情况下，现场喷射混凝 土试件的重量与实验室振动成型试件的重量接近， 即密实度基本相 当。此外，由表4 还可以看出，现 场试喷的 白燃煤矸石骨料混凝土，虽然煤矸石骨料 未经优化 ，级配稍差，细粉含量稍多，但现场试喷 的 自燃 煤矸石混凝土2 8 d 抗 压强度仍然达到 1 9 ． 9 MP a 远远超过C 2 0 喷射混凝土标准要求的1 0 MP a ， 且远远高 出现场 同水泥用量的砂石骨料 喷射混凝 土的 强度 _ 。 表4 现场混凝土配合 比及性 能 Ta b． 4 m i xt ur e r a t i o and pe r f o r m a nc e of s i t e c onc r e t e 所用水泥均为阜矿生产 的3 2 ． 5 矿渣酸盐水泥 3 结 论 采用 白燃煤矸石骨砂石作为骨料配制 C 2 0 喷射 混凝土是可行的；在掺加速凝剂情况下，配制 同标 号混凝土采用 自燃煤矸石骨料取代砂石骨料可 以 大幅降低水泥用量。 参考文献 [ 1 】孙金荣 ． 自燃 陶粒 轻集料 混凝土 的研 究与 应用[ J ] ． 建井 技术 ， 2 0 0 0 ， 6 2 5 - 2 7 ． [ 2 】肖同社， 孙正放， 商屹， 等． 煤矸石 自燃陶粒在喷划混凝土中的应用I J 1 中国矿业， 2 0 0 6 ， 6 1 4 ． 1 9 ． [ 3 】李德富．特殊混凝土施工[ M】 ． 北京水利电力出版社， 1 9 8 5 ． [ 4 ] Z HA NG C h u n h u i ， Z H A O Q S ， Y U Y J ， Mo d e l o f c o u p le d g a s fl o w a n d d e f o r ma t i o n p r o c e s s i n h e t e r o g e n e o u s c o a l s e a m s and i t s a p p l i c a t i o n [ J ] ． J o u rna l o f C o a l S c i e n c e E n g i n e e r i n g C h i n a ．2 0 1 1 ， 1 7 1 7 6 I 8 0 ． [ 5 】张春会， 于永江， 赵全胜． 煤岩瓦斯抽放固结数学模型及应用f J 1 ． 辽宁 工程技术大学学报． 2 0 0 8 ， 2 7 6 8 4 4 ． 8 4 6 ．