自燃煤矸石集料预处理对混凝土工作性及强度影响.pdf

Industrial Construction Vol. 44， No. 12， 2014工业建筑2014 年第 44 卷第 12 期113 自燃煤矸石集料预处理对混凝土工作性及强度影响 * 周梅赵华民路其林浦倍超 辽宁工程技术大学建筑工程学院，辽宁阜新123000 摘要自燃煤矸石集料的多孔性能决定了其吸水特性， 其附加水及预湿时间对混凝土性能影响较大。 通过对自燃煤矸砂 天然碎石、 天然河砂 自燃煤矸石两种组合集料配制的混凝土进行试验研究， 揭示附加 水及预湿时间的变化对混凝土拌合物工作性及硬化强度的影响。结果表明 自燃煤矸砂按饱和吸水率的 60、 自燃煤矸石按吸水率的 80 加入附加水， 拌合物可获得预拌混凝土大流动性的配制要求。自燃煤矸 砂、 煤矸石随着附加水的递增， 混凝土 7， 28 d 抗压和劈拉强度皆呈下降的趋势， 抗压强度下降幅度较大; 自燃 煤矸石粗集料预湿时间越长其强度增长越好， 但当预湿时间大于 1 h， 变化幅度很小。而自燃煤矸砂随预湿 时间的递增， 强度呈递减趋势。 关键词自燃煤矸砂;自燃煤矸石;附加水;预湿时间;工作性;强度 DOI 10. 13204/j． gyjz201412022 THE EFFECTS OF PＲETＲEATMENT OF SPONTANEOUS COMBUSTION GANGUE AGGＲEGATE ON THE WOＲKABILITY AND STＲENGTH OF CONCＲETE Zhou MeiZhao HuaminLu QilinPu Beichao College of Civil and Architecture Engineering ，Liaoning Technical University ，Fuxin 123000，China AbstractThe porous properties of spontaneous combustion gangue aggregate determine its water absorption properties，and the additional water and pre- wetting time have a greater influence on the perance of concrete． Through experimental study on the concrete prepared by two kinds of combined aggregates including the coal gangue sand natural gravel and natural river sand spontaneous combustion gangue，it was revealed the influence of change in additional water and pre- wetting time on the workability and hardening strength of concrete mixture． The results show that the concrete mixture can get the large liquidity configuration requirement of the premixed concrete while 60 and 80 additional water is added respectively to the coal gangue sand and the spontaneous combustion gangue． as the additional water of coal gangue sand and spontaneous combustion gangue increasing，the concrete compressive strength and splitting tensile strength are a downward trend at 7 d and 28 d， and the compressive strength decreased largely;as the pre- wetting time of the spontaneous combustion gangue coarse aggregate is longer，its strength growth is better，but when the pre- wetting time is greater than 1 h，the change is very small． While the pre- wetting time of the coal gangue sand increases，the intensity will show the tendency of decreasing． Keywordsself combustion coal gangue sand;spontaneous combustion gangue;added water;pre- wetting time; workability;strength * 国家自然科学基金委员会与神华集团有限公司联合资助项目 U1261122 ; 国家自然科学基金资助项目 51008148 。 第一作者 周梅， 女， 1964 年出生，教授级高级工程师，硕士生导师。 电子信箱 zhoumei1108126． com 收稿日期 2014 －01 －16 我国有 10 左右的过火煤矸石经破碎、 筛分， 即可直接制得集料， 被称之为自燃煤矸石集料。自 燃煤矸石集料以其质量较好、 储量较大、 易开采、 价 格低廉的特点， 在轻集料家族中占一席之地 ［1 －4 ］。 20 世纪 80 年代自燃煤矸石集料配制的混凝土构件 在阜新地区应用得如火如荼， 但随着预拌混凝土的 广泛应用， 自燃煤矸石集料混凝土在阜新销声匿迹 了。究其原因主要有 1 煤矸石自燃后具有孔隙率 大、 吸水率高的特点， 搅拌过程中自燃煤矸石会吸收 混凝土中的拌合水， 使拌合物过于干稠， 且坍落度经 时损失较严重， 不能满足预拌混凝土大流动性的制 备要求; 2 自燃煤矸石集料的诸多性质介于轻集料 与普通天然集料之间， 目前没有可遵循的配合比设 计方法; 3 自燃煤矸石集料配制的混凝土耐久性受 114工业建筑2014 年第 44 卷第 12 期 到工程界质疑 ［5 －7 ］。 本研究选择自燃煤矸砂、 煤矸石附加用水量及 预湿时间为影响因素， 通过混凝土拌合物工作性及 强度试验， 揭示二者对混凝土拌合物工作性、 硬化强 度的影响规律， 通过修正普通混凝土配合比设计方 法， 优化制备工艺等， 实现自燃煤矸石集料替代天然 集料配制混凝土的目标。 1试验 1. 1原材料 1 自燃煤矸石粗集料 阜新新邱露天矿自燃煤 矸石， 人工破碎、 筛分和级配， 主要技术性质指标见 表 1、 表 2 以及图 1、 图 2。 表 1自燃煤矸石粗骨料的颗粒级配范围 Table 1Particle size distribution range of spontaneous combustion gangue coarse aggregate 试验 序号 级配 不同筛孔尺寸下累计筛余 按质量计 / 5 ～10 mm10 ～15 mm15 ～20 mm 1未人工级配121672 2级配 172370 3级配 273162 4级配 373954 5级配 474746 6级配 575538 表 2自燃煤矸石粗集料主要技术性质指标 Table 2Main parameters of spontaneous combustion gangue coarse aggregate 试验 序号 表观密度/ kg m －3 吸水率/ 压碎指标/ 松堆密度/ kg m －3 紧堆密度/ kg m －3 12 686. 811. 8618. 21 223. 171 204. 50 22 686. 811. 4217. 91 262. 781 208. 00 32 686. 811. 5417. 81 182. 171 258. 40 42 686. 811. 6817. 31 020. 971 321. 10 52 686. 811. 8618. 11 289. 641 473. 30 62 686. 811. 8818. 21 209. 041 348. 10 2 自燃煤矸砂 阜新高德矿自燃煤矸砂细度模 图 1自燃煤矸石粗集料吸水率随预湿时间变化曲线 Fig．1The curve of change in absorption of spontaneous combustion gangue coarse aggregate with wetting time 图 2自燃煤矸石粗集料颗粒级配与空隙率的关系 Fig．2The relationship between grain size distribution and porosity of spontaneous combustion gangue coarse aggregate 数 Mx为 2. 76， 筛分曲线见图 3， 其他主要技术性质 指标见表 3 和表 4。 Ⅱ区;－－★－－ 煤矸砂级配;－■－ 天然砂级配 图 3自燃煤矸砂及天然砂筛分曲线 Fig．3Sieving- analysis curve of self combustion coal gangue sand and natural sand 3 胶凝材料 42. 5 普通硅酸盐水泥， 密度为 3 000 kg/m3; Ⅰ 级粉煤灰， 密度为 2 720 kg/m3; 表 3天然砂、 自燃煤矸砂的颗粒级配 Table 3Grain size distribution of the natural sand and self combustion coal gangue sand 砂源 各级筛孔孔径上的累计筛余/ 4. 75 mm2. 36 mm1. 18 mm0. 60 mm0. 30 mm0. 15 mm＜0. 15 mm 细度模数 天然砂3. 0811. 2336. 9259. 4886. 491. 781002. 80 煤矸砂11. 9636. 3247. 8662. 3876. 7284. 721002. 76 表 4自燃煤矸砂主要技术性质指标 Table 4Main technical indicators of self combustion coal gangue sand 砂源 饱和吸水率/ 含水率/ 表观密度/ kg m －3 松堆密度/ kg m －3 紧堆密度/ kg m －3 松散空隙率/ 紧密空隙率/ 煤矸砂13. 43. 72 4331 1051 18554. 651. 3 自燃煤矸石集料预处理对混凝土工作性及强度影响 周梅， 等115 S95 矿粉， 密度为 2 780 kg/m3。 4 天然砂 当地河砂， 细度模数 Mx为 2. 8， 级配 见图 3， 表观密度为 2 640 kg/m3， 含泥量为 2. 8。 5天 然 碎 石 当 地 石 灰 岩， 其 粒 径 为 5 ～ 26. 5 mm， 级配合格， 表观密度为 2 700 kg/m3。 6 水 普通自来水。 7 减水剂 棕色粉末状萘系高效减水剂， 掺量 0. 95， 减水率 15 ～17。 1. 2试验方法 以自燃煤矸砂、 煤矸石附加用水量及预湿时间 为影响因素， 按普通混凝土配合比设计方法， 以自燃 煤矸砂 天然碎石、 天然河砂 自燃煤矸石两种组 合集料， 配制强度等级为 C30 的混凝土。其中 S 系 列 自燃煤矸砂 天然碎石。G 系列 天然河砂 自 燃煤矸石。其中， 煤矸石集料的附加水质量 煤矸 石集料质量 煤矸石的吸水率 k。 1 自燃煤矸砂、 煤矸石集料的附加水， 分别按 k 为 0、 20、 40、 60、 80及 100 取值， 预湿时 间为 10 min。通过对比试验， 优选出工作性和强度 都满足要求的最佳附加用水量。 2 以上组优选出的附加水加入自燃煤矸砂及 煤矸石中， 自燃煤矸砂、 煤矸石的预湿时间为变量， 选择 10， 30， 60， 80 min 四种不同预湿时间， 通过对 比试验， 优选出工作性和强度都比较理想的自燃煤 矸石、 煤矸砂预湿时间。 1. 3试验配合比及试验步骤 从表 1 中可知， 自燃煤矸石粗集料的几种级配 各项技术性质出入并不大， 因此直接选取了最简单 的未组配的自燃煤矸石作为粗集料。试验配合比详 见表 5。具体试验步骤为 1 首先将称量好的附加水， 掺入称量好的自燃 煤矸砂或煤矸石集料中， 并搅拌均匀。待到相应预 湿时间后加入对应的天然粗、 细集料， 拌和1. 5 min。 然后再掺入胶凝材料拌和1. 5 min， 最后加入稀释均 匀的减水剂溶液， 继续拌和 2. 0 min。 2 按 GB/T 500802002普通混凝土拌合物性 能试验方法标准 进行拌合物工作性检测。 3 按 GB/T 500812002普通混凝土力学性能 试验方法 进行强度检测。本试验成型的试件尺寸 为 100 mm 100 mm 100 mm， 24 h 后拆模、 编号， 放置在室内的水桶中养护。养护至规定龄期， 取出 测 7， 28 d 抗压和劈拉强度。 表 5自燃煤矸砂、 煤矸石集料混凝土配合比 Table 5Mix proportion of the self combustion coal gangue sand and spontaneous combustion gangue concrete 编号 k/ 水泥/ kg m －3 粉煤灰/ kg m －3 矿粉/ kg m －3 煤矸石/ kg m －3 河砂/ kg m －3 天然石/ kg m －3 煤矸砂/ kg m －3 减水剂/ kg m －3 水/ kg m －3 坍落度/ mm S10342. 543431 0496945. 417220 S220342. 543431 0496945. 419080 S340342. 543431 0496945. 4208150 S460342. 543431 0496945. 4226160 S580342. 543431 0496945. 4244170 S6100342. 543431 0496945. 4262180 G10316. 790. 545. 21 032633. 28. 1185. 110 G220316. 790. 545. 21 032633. 28. 1203. 040 G340316. 790. 545. 21 032633. 28. 1220. 880 G460316. 790. 545. 21 032633. 28. 1238. 7130 G580316. 790. 545. 21 032633. 28. 1256. 5180 G6100316. 790. 545. 21 032633. 28. 1274. 4190 注 S1S6 代表自燃煤矸砂混凝土， G1G6 代表自燃煤矸石混凝土; 水的质量 拌和用水量 附加用水量。 2试验结果及分析 2. 1附加水对自燃煤矸石集料配制的混凝土拌合 物坍落度影响 从图 4 中可以看出， 随着附加用水量的递增， 混 凝土拌合物坍落度明显增大， 最初增大的幅度较大， 但随着自燃煤矸砂或煤矸石集料吸水程度的逐渐饱 和， 坍落度变化幅度逐渐减小。对于 S 系列混凝土， 当 k 为40时坍落度已达到150 mm、 k 为60时坍 落度达 160 mm、 k 为 80 时坍落度达 170 mm。鉴 于随着附加水的递增， S 系列混凝土强度呈现递减 趋势且下降幅度较大， 自燃煤矸砂的附加水量中 k 取 60比较合理; 同理， G 系列混凝土， 当 k 取 60 时坍落度达到 130 mm、 k 取 80 时坍落度达 170 mm、 k 取 100时坍落度达 190 mm。由于 G 系列混 凝土随附加水递增， 混凝土强度下降幅度并不大， 且 自燃煤矸石粗集料吸水量及吸水时间相对较大， 自 燃煤矸石量中 k 取 80比较合理。 2. 2附加水对自燃煤矸石集料配制的混凝土强度 影响 图 5 和图 6 是两个系列混凝土， 由于自燃煤矸 116工业建筑2014 年第 44 卷第 12 期 ◆自燃煤矸砂混凝土;■自燃煤矸石混凝土 图 4附加水对混凝土拌合物坍落度影响 Fig．4Effect of additional water on the concrete mixture slump coal gangue sand and natural sand 石集料附加水不同， 导致混凝土强度不同的试验结 果。随着附加用水量的递增， 无论 S 系列还是 G 系 列， 混凝土的抗压强度逐渐减低。且 S 系列即自燃 煤矸砂配制的混凝土， 随着附加水的递增， 抗压强度 降低幅度较大; 随着附加用水量的递增， 劈拉强度总 体上呈下降趋势， 但 S 系列 k 为 60 时， 有上升的 峰值。G 系列混凝土随着附加水量的递增， 无论是 3 d， 还是 28 d 的劈拉强度变化幅度都较小， 且 k 为 80时， 与未加附加水旗鼓相当。 ◆S 系列混凝土 7 d ;■S 系列混凝土 28 d ; ▲G 系列混凝土 7 d ;G 系列混凝土 28 d 图 5自燃煤矸石集料附加水与混凝土抗压强度的关系 Fig．5The relationship between additional water of spontaneous combustion gangue aggregate and the concrete compressive strength ▲G 系列混凝土 7 d ;G 系列混凝土 28 d ; ◆S 系列混凝土 7 d ;■S 系列混凝土 28 d 图 6自燃煤矸石集料附加水与混凝土劈拉强度的关系 Fig．6The relationship between additional water of spontaneous combustion gangue aggregate and the concrete splitting tensile strength 鉴于混凝土流动性与强度双重目标的考虑， 自 燃煤矸砂附加水中 k 为 60、 自燃煤矸石附加水中 k 为 80比较合理。 2. 3自燃煤矸石集料预湿时间对混凝土拌合物坍 落度的影响 当 S 系列混凝土中自燃煤矸砂附加水按吸水 率 60 、 G 系列混凝土中自燃煤矸石附加水按吸 水率 80 加入时， 自然煤矸砂或煤矸石随着预湿 时间不同， 混凝土拌合物坍落度变化见图 7。从图 7 中可看出， 自燃煤矸石无论作细集料， 还是粗集 料， 附加水预湿集料时间越长， 拌合物坍落度越 大。主要是因为自燃煤矸石集料孔隙率大， 预湿 时间越长， 集料吸附水越多， 从而导致拌合物坍落 度变大。 ◆S 系列混凝土;■G 系列混凝土 图 7自燃煤矸石集料预湿时间与混凝土坍落度的关系 Fig．7The relationship between pre- wetting time of spontaneous combustion gangue aggregate and concrete slump 2. 4自燃煤矸石集料预湿时间对混凝土强度影响 两种系列混凝土， 集料随着预湿时间的递增， 抗 压强度表现出两种不同的发展趋势， 详见图 8。G 系列混凝土， 随着煤矸石预湿时间递增， 混凝土抗压 强度呈递增趋势。其原因主要基于以下两点 G 系 列混凝土中自燃煤矸石粗集料颗粒粒径相对较大， 集料吸水过程及吸水时间相对较长， 因此集料预湿 时间越长， 附加水被集料吸收的程度及概率就越大， 甚至到最后还会抢部分拌合用水， 造成粗集料附近 的水灰比变小， 对强度增长非常有利。另外， 随着混 凝土龄期的增长， 煤矸石吸收的部分水可能释放出 来参与水化反应， 对后期强度增长非常有利。但当 预湿时间超过 1 h 之后， 自燃煤矸石粗集料吸水逐 渐饱和， 强度变化幅度已经很小。S 系列混凝土， 由 于自燃煤矸砂颗粒粒径较小、 比表面较大， 在短时间 内就易吸水饱和， 因此预湿时间对其强度影响不显 著。之所以有小幅度下降， 主要源于自燃煤矸砂的 级配。从图 3 中可知， 自燃煤矸砂中颗粒粒径小于 0. 2 mm 的过细颗粒偏多， 这部分颗粒的细度与粉体 材料相当， 是不会吸水的， 而附加水量是按自燃煤矸 砂总质量 饱和吸水率 60计算的。随着自燃煤 矸砂预湿时间的递增， 多余的附加水附在细集料颗 粒表面的概率将增大， 削弱了细集料与水泥浆界面 的黏结力， 导致强度有所下降。 自燃煤矸石集料预处理对混凝土工作性及强度影响 周梅， 等117 ◆S 系列混凝土 7 d ;■S 系列混凝土 28 d ; ▲G 系列混凝土 7 d ;G 系列混凝土 28 d 图 8自燃煤矸石集料预湿时间与混凝土抗压强度的关系 Fig．8The relationship between pre- wetting time of spontaneous combustion gangue aggregate and concrete compressive strength 2. 5两个系列混凝土对比分析 无论从图 5、 图 6， 还是图 8 中都可以清晰地看 出， S 系列混凝土强度明显高于 G 系列混凝土强度。 这源于以下两个方面 一是集料的影响。当混凝土 的集料级配良好， 砂率适当时， 由于组成了坚强密实 的骨架， 有利于混凝土强度的提高。自燃煤矸石粗 集料破碎后， 只剔除了大于 26. 5 mm 和小于 5 mm 的颗粒， 未进行颗粒组配， 级配不如采石场购置的天 然碎石。另外， 自燃煤矸石粗集料本身强度也不及 天然石材; 二是自燃煤矸石配制的混凝土附加水掺 量中 k 为 80， 而自燃煤矸砂附加水掺量中 k 为 60。所以， 可以认为附加水增多是导致两个系列 混凝土强度有出入的主要原因。 3结语 采用合理的配制技术， 利用自燃煤矸砂、 煤矸石 代替天然砂、 石集料， 配制大流动性 C30 混凝土是 可行的。对自燃煤矸砂 天然碎石组合集料配制的 混凝土， 当自燃煤矸砂按 k 为 60 加入附加水， 且 预湿时间控制在 10 min 时， 可满足大流动性及强度 的要求; 对天然河砂 自燃煤矸石组合集料配制的 混凝土， 当自燃煤矸石按 k 为 80 加入附加水， 且 预湿时间控制在 60 min 时， 混凝土能满足大流动及 强度的要求。 参考文献 ［ 1］周梅， 田爽， 郭涛， 等． 自燃煤矸石配制混凝土的试验研究［J］． 硅酸盐通报， 2011， 30 5 1221 －1226． ［ 2］周梅， 王强， 牟爽． 自燃煤矸石粗集料特性对混凝土拌合物工 作性影响研究［J］． 非金属矿， 2013， 36 1 8 －11． ［ 3］史巍， 侯景鹅． 再生混凝土技术及其配合比设计方法［J］． 建筑 技术开发， 2001 8 18 －20． ［ 4］张宝生， 孔丽娟， 袁杰， 等． 轻骨料预湿程度对混合骨料混凝土 力学性能的影响［J］． 混凝土， 2006 10 24 －30． ［ 5］胡曙光， 王发洲， 丁庆军， 等． 轻集料的吸水率与预处理时间对 混凝土工作性的影响［J］． 华中科技大学学报， 2002，19 2 1 －4． ［ 6］马成理． 自燃煤矸石的材料性能试验研究［J］． 中国太原理工 大学学报， 2003， 34 2 154 －157． ［ 7］陈炜林． 煤矸石作为水泥混凝土骨料可行性的基础研究［D］． 北京 北京工业大学， 2010． 上接第 87 页 参考文献 ［ 1］Terzaghi K． Theoretical Soil Mechanics［M］ ． New YorkWiley and Sons， 1943． ［ 2］Collins K，Megown A． The and Function of Microfabric Feature in a Variety of Natural Soils［J］ ． Geotechnique，1974 2 ． ［ 3］Casagrande A．The Structure of Clay and Its Importance in Foundation Engineering ［J］ ． Boston Society Civil Engineering， 1932， 19 3 11 －18． ［ 4］Mitchell J K． Fundamentals of Soil Behavior［M］ ． 2nd Ed． New York Wiley， 1993． ［ 5］Mitchell J K． Shearing Ｒesistance of Soil as a Ｒate Process ［J］ ． Journal Soil Mechanics and Foundation Division， 1964， 90 1 29 －61． ［ 6］Lambe T W． The Engineering Behavior of Compacted Clay ［J］． J． Soil Mech． and Foundation Division， 1958， 84 2 1 －35． ［ 7］Lambe T W． The Structure of Compacted Clays［ J］ ． Journal Soil Mechanics and Foundation Division， 1958， 84 2 1 －34． ［ 8］Seed H B，Chan C K． Structure and Strength Characteristics of Compacted Clays［J］ ．Journal Soil Mechanics and Foundation Division， 1959， 85 5 87 －128． ［ 9］Olson Ｒ E，Mesri G． Mechanisms Controlling the Compressibility of Clay ［J］． Journal Soil Mechanics and Foundation Division， 1970， 96 6 1863 －1878． ［ 10］ Soga K． Mechanical Behavior and Constitutive Modeling of Natural Structured Soils［D］． Berkeley，California Department of Civil and Environmental Engineering，University of California， 1994． ［ 11］ 刘祖典． 黄土力学与工程［M］． 西安 陕西科学技术出版社， 1997 9 －11． ［ 12］ 刘东升． 黄土的物质成分和结构［M］． 北京 科学技术出版社， 1985． ［ 13］ 高国瑞． 黄土的微结构分类和湿陷性［J］． 中国科学， 1980 12 ． ［ 14］ 高国瑞． 中国黄土微结构［J］． 科学通报， 1980 20 1465 － 1478． ［ 15］ 谢定义， 姚仰平， 党发宁． 高等土力学［M］． 北京高等教育出 版社， 2008． ［ 16］ 谢定义， 齐吉林． 土结构性及其定量化参数研究的新途径［J］． 岩土工程学报， 1999， 21 6 651 －656． ［ 17］ GB/T 501232007土工试验方法标准［S］． ［ 18］ 沈珠江． 土体结构性的数学模型 21 世纪土力学的核心问 题［J］． 岩土工程学报， 1996， 18 1 95 －97．