防冻剂对自燃煤矸石混凝土力学性能影响研究.pdf

第3 9 卷第2 期 2 0 1 6 年 3 月 非金 属 矿 N o n M e t a l 1 i c M i ne s Vo 1 3 9 N o 2 M ar c h，201 6 防冻剂对 自燃煤矸石混凝土力学性能影响研究 贾宝新 李庆文 梁鹏飞 李桂秀 ( 1 辽宁工程技术大学 土木与交通学院，辽宁 阜新1 2 3 0 0 0 ；2 阜新市公路工程质量与安全监督处，辽宁 阜新1 2 3 0 0 0 ；3 阜新市兴光 市政工程有限责任公司，辽宁 阜新1 2 3 0 0 0 ) 摘 要 为探究防冻剂对煤矸石混凝土力学性能的影响， 以防冻剂种类、 不同掺量和养护温度等为因素进行对比试验， 分析其对煤矸石混凝 土强度影响水平和作用机制。结果表明： 通过单掺不同防冻剂标养煤矸石混凝土强度分析， 早强效果显著性为氯化钙硝酸钙乙 二醇； 养护环境 由负温度到正温度， 基准煤矸石混凝土的抗压强度损失率与养护温度呈正相关； 在 一 5 和 1 O 养护环境中， 不同 掺量 3 种防冻剂对负温煤矸石混 凝土均起 一定 防冻效果， 其显著性体现 为氯化钙 硝酸钙 乙二醇。 关键词防冻剂； 负温煤矸石混凝土； 力学性能； 抗压强度 中图分类号： T U5 2 8 2 ； T U 5 2 8 o 4 2 6 文献标识码 ： A S t u d y o f Ef f e c t s o f An t i f r e e z i n g Ag e n t s o n M e c h a n i c a l Pr o p e r t i e s o f S po n t a n e o u s Co mb u s t i o n Co a l Ga n g u e Co ne r e t e J i a B a o x i n L i Qi n g we n L i a n g P e n g f e i L i G u i x i u ( 1 S c h o o l o f C i v i l E n g i n e e r i n g a n d T r ans p o r t a t i o n ， L ia o n i n g T e c h n o l o g y Un i v e r s i t y , F u x i n ， L i a o n i n g 1 2 3 0 0 0 ； 2 F u x i n Hi g h wa y E n g i n e e ri n g Qu a l i t y a n d S a f e t y S u p e r v i s i o n De p a r t me n t ， F u x i n ， L i a o n i n g 1 2 3 0 0 0 ； 3 F u x i n Xi n g g u a n g Mu n i c i p a l E n g i n e e ri n g Co ， L t d ， F u x i n ， L i a o n in g 1 2 3 0 0 0 ) Abs t r a c t I n o r d e r t o i n v e s t i g a t e t h o r o u g h l y t h e e ffe c t s o f a n t i f r e e z i n g a g e n t s o n m e c h a ni c a l p r o p e r t i e s o f c o a l g a n g u e c o n c r e t e ， i n c o n s i d e r a t i o n o fv a r i o us f a c t o r s s u c h a s t h e k i n d o fa n t i f r e e z i n g a ge n t s ， d os a g e s o fa n t i f r e e z i n g a g e n t s a n d c u ri n g t e mpe r a t u r e ， c o n t r a s t t e s t i s c o n d u c t e d t o a n a l y z e the i n flu e n c e o f t h e s e f a c t o r s o n c o a l ga n g u e c o n c r e t e s t r e ng t h a n d me c h a ni s m o f a c t i o n Th e r e s u l t s s h ow t h a t t he s i g n i fic a n c e o f e a r l y s t r e n g t h ，t h r o ug h mi x i n g j u s t o n e t y p e o f a n t i f r e e z i n g a g e n t e a c h t i me ， b y a n a l y z i n g c o mp r e s s i v e s t r e n g t h o f c o a l g a n g u e c o n c r e t e u n d e r s t a n d a r d c u r i n g c o n d i t i o n ， i s a s f o l l o ws ： c a l c i u m c h l o r i d ec a l c i u m n i t r a t ee t h y l e ne g l y c o 1 T he c o mp r e s s i v e s t r e n g t h l o s s r a t e o f fid u c i a l c o a l g a n g u e c o n c r e t e h a s p o s i t i v e c o r r e l a t i o n wi t h c ur i ng t e mp e r a t u r e a s c u rin g e n v i r o n me nt v a r i e s f r o m ne g a t i v e t e mp e r a t u r e t o p o s i t i v e t e mp e r a t ur e I n a d d i t i o n， u n d e r d i ffe r e n t c u r ing e n v i r o n me n t o f一 5 a n d一 1 0 t h r e e t y pe s of a n t i f r e e z i n g a g e n t s wi t h d i f f e r e n t d o s a g e s e xe rt a n t i f r e e z i n g e ffe c t o n n e g a t i v e t e mpe r a t u r e c o a l ga n g u e c o n c r e t e t o s o me e x t e n t The s i g nific a n c e of e a r l y s t r e n g t h i s a s f o l l o ws ： c a l c i u m c h l o r i d ec a l c i u m n i t r a t ee t h yl e n e g l y c o 1 Ke y wo r d s a n t i f r e e z i n g a g e n t s ； n e g a t i v e t e mp e r a t u r e c o a l g a n gu e c o n c r e t e ； me c h a ni c a l p r o p e rti e s ； c o mp r e s s i v e s t r e n g t h 煤矸石为煤矿开采产生固体废弃物， 形成人造矸 石山， 对周边土质环境影响巨大， 严重影响城市周边 环境问题1 -2 o 辽宁阜新大量煤矸石经长年堆积自燃， 形成品相性 质很好的砖 红色或红色 自燃煤矸石 p 】 。 将煤矸石应用于土木工程中， 替代普通混凝土中的粗 骨料， 使混凝土构件的自重、 温度裂缝、 抗震性能及保 温性等均优于普通混凝土。目前对 自 燃煤矸石混凝 土的研究主要围绕其力学强度、 拌合性及耐久性 。 北方城市的煤矸石混凝土结构或构件， 受到冻融交替 气候影响， 使 自 燃煤矸石混凝土因盐冻、 冰冻而产生 破坏， 最终降低煤矸石混凝土结构物的使用寿命 。 在普通混凝土配合比设计时， 常会掺入一定量外加剂 等以适应冻融环境中普通混凝土施工需求。掺防冻 剂 【7 。 州 对普通混凝土力学性能的影响研究较多， 对 自 收稿 日期 ：2 0 1 6 一 叭 一 1 1 通讯作者， E - m a i l ： l g j z l q w 1 6 3 c o rn 6 8 燃煤矸石混凝土力学性能影响研究则较少。 为探究防冻剂对煤矸石混凝土力学性能的影响， 以防冻剂种类、 不同掺量和养护温度等为 因素进行对 比试验 ， 分析其对 自燃煤矸石混凝土力学强度影响水 平和作用机制。 1 实验部分 1 1 原料水泥采用阜新市大鹰水泥制造有限公司 产阜鹰山牌 P 0 4 2 5 普通硅酸盐水泥， 其基本性质 见表 1 ； 试验用水为普通 自来水。为排除其他外加 剂等干扰因素， 只掺防冻剂， 包括无机盐类和有机防 冻剂两大类 ， 两种无机盐分别为氯化钙 ( C a C l 2 ) 、 硝酸 钙 ( C a ( N O ) 2 ) ， 均为无水分析纯， 质量分数均大于等于 9 9 ； 有机防冻剂为无水乙二醇 ( C 2 H o r 0 ， 质量分数大 于等于9 9 7 ， 其密度 (2 0 ) 为0 7 8 9 0 7 9 1 g r r， 均 满足试验要求。粗骨料采用阜新矿务局新五龙煤矿自 燃产生的煤矸石 ， 细集料采用经机械加工而成的煤 矸砂， 表观颜色均为砖红色或红色， 煤矸石和煤矸砂颗 贾宝新，李庆文，梁鹏飞，等 防冻剂对 自燃煤矸石混凝土力学陛能影响研究 粒级配范围见图 1 ， 基本性质见表 2 ， 自 燃煤矸石与水 泥的化学组分见表 3 。 表 1 水泥物理力学性能 表 2 自燃煤矸石基本性质 表 3 水泥与自燃煤矸石组分 ( w ) 原料C a O S i O 2 AI2 0 3 F e 2 0 3 T F e 2 0 3 Mg O Na z O T i O2 K 2 0 S O 3 烧失量 水 泥5 6 5 3 8 3 0 - 2 5 2 1 3 1 2 0 2 0 5 1 1 一 煤矸石 1 2 5 5 9 5 2 l 5 8 0 l 5 8 0 5 5 4 1 4 7 3 1 9 0 3 5 2 5 3 O 2 4 1 0 1 1 图1 粗( a ) 细f b ) 骨料颗粒级配曲线 l - 2 煤矸石 混凝土配合 比设 计依据 J G J 1 2 2 0 0 6 轻骨料混凝土结构技术规程 进行配合比设计， 煤 矸石混凝土设计强度等级为C 4 0 ， 结合煤矸石自身特 性， 为满足其规程规定的和易性与坍落度， 经多次试 配， 确定其水灰 比为 0 4 8 ， 基准煤矸石混凝土配合 比 用 A表示 ， 具体配合比见表 4 。 表 4 煤矸石混凝土配合比 煤矸石混凝土配合比 ( k g m3 ) 组号水灰 比 砂率 水 水泥 煤矸砂 煤矸石 A 0 4 8 2 1 4 8 4 4 7 5 7 2 5 1 1 0 4 3 4 041 1 3 试件制作及试验方法为探究防冻剂对自燃煤 矸石混凝土力学I生 能的影响， 参照 J C 4 7 5 2 0 0 4 混凝 土防冻剂 规定进行配比设计， 在基准配比A基础上 掺不同种类的防冻剂， 两种无机盐掺量等级为 1 、 3 和 7 ， 乙二醇发挥作用时需要掺量较小， 采用0 5 、 1 5 和 2 三个掺量等级。按照 G B T 5 0 0 8 1 2 0 0 2 ( ( 普 6 9 通混凝土力学性能试验方法标准 进行混凝土抗压强 度试验， 试验采用 1 0 0 l n lT I X 1 0 0 m mx 1 0 0 m n的立方体 试件， 故其强度应乘以 0 9 5 的换算系数。基准煤矸石 混凝土试件和掺防冻剂煤矸石混凝土试件同时制作， 利用振动台进行振捣成型， 掺防冻剂煤矸石混凝土试 件在 ( ( 2 0 -3 ： 3 ) ， R H( 相对湿度) 9 5 ) 环境温度下按 照表 5 中规定的时间进行预养后放入低温箱 ( 5 或 一 1 0) ， 负温养护 7 d后脱模， 放在 ( 2 0 -3 ： 3 ) 环境 温度中依据表 5 规定的解冻时间进行解冻。解冻后 方可进行抗压强度试验或者转为标准养护。 表 5 负温养护混凝土的预养护与解冻时间 2 结果与讨论 2 1 防冻剂对标养煤矸石混凝土强度影响分析在 标准养护环境中， 各防冻剂不同掺量对煤矸石混凝土 各龄期抗压强度的影响， 见图2 。 50 4 5 4 0 3 5 3 0 2 5 2 0 1 5 1 3 7 1 4 养 护 时 间 d 养 护时 I 司 d 图2 不同掺量防冻剂标准养护煤矸石混凝土强度 a C a C 1 2 ；b - Ca ( NO 3 ) 2 ；c C 2 H 5 OH 从图2 可知： ( 1 ) 掺氯化钙使煤矸石混凝土早期 强度有较大程度增长， 其 1 d 强度提高2 5 6 6 6 4 ， 3 d强度提高 8 1 2 1 6 ， 且随掺量 的增加， 其强度 加 柏 O 2 s ； 坩 0 9 6 繇 删蜓盆 群 加 侣 仲 第3 9 卷第2 期 非金 属矿 2 0 1 6 年3 月 也有一定的增加。 ( 2 ) C a ( N O ， ) 具有一定的早强效果， 随 C a (NO ) 掺量增长， 煤矸石混凝土早期强度增大， 且后期强度没有 出现 回缩现象 。C a ( N O ) ： 作为防冻 剂， 能显著降低冰点， 故防冻作用显著， 且无毒性。( 3 ) 各掺量 c O H条件下其强度均在 4 0 - 4 7 5 V P a 应 力水平范围内， 但不掺 C 2 Hs O H煤矸石混凝土的强度 比2 0 掺量的强度提高 6 7 3 。 2 2 负温度养 护对基准煤矸石混凝 土强度 影响分 析对比不同养护温度条件下， 基准煤矸石混凝土不 同龄期的抗压强度比l1 “ ， 见图3 。 8 8 51 魑 嘲 3 4 1 7 0 - 7 - 7 + 7 7 + 2 8 龄 期 d 图3 不同养护温度基准煤矸石混凝土抗压强度比 从图 3 可知， 养护环境由负温度到正温度， 基 准煤矸石混凝土的抗压强度损失率与养护负温度 呈现正相关 ， 对于 一 7 + 2 8 d的养护模 式来说 ， 养护温 度为 一 5和 一 1 0条件下， 其强度损失率分别约为 1 8 7 6 、 2 9 1 4 。负温度养护下煤矸石混凝土强度低 的主要原因是： 水冻结时产生的冻胀应力会破坏煤矸 石混凝土早期形成的结构， 造成塑性强度损失， 且温 度越低， 冻胀应力越大， 其结构破坏越严重， 故煤矸石 混凝土在转入正温养护时， 也无法达到设计强度 。 在 - 5、 一 1 O或者更低的负温度养护环境中， 只有 小部分水能以液相的形式存在于煤矸石混凝土的微 孔 中， 其余均以冰晶的形式存在 ， 水冻结后体积增大 约为 9 。 2 _ 3 防冻剂对 负温煤矸石混凝土抗压强度影响分析 2 3 1 不同类型防冻剂对强度影响： 在不同养护负温 度环境中， 掺加不同防冻剂 ( 两种无机盐掺量 7 ， 乙 二醇掺量 1 5 ) 煤矸石混凝土各龄期的抗压强度比， 见图 4 。 从图4 可知， 掺防冻剂煤矸石混凝土强度损失率 与养护负温度降低呈正相关的关系。与基准煤矸石 混凝土相比， 都能起到一定程度防冻作用， 有效提高 煤矸石混凝土早期与后期的抗压强度。其中C a C 1 2 、 C a (NO ) ： 防冻效果较好。 在早期负温度养护阶段， 一 7 d 强度大干基准煤矸石混凝土， 表明掺防冻剂煤矸石混 凝土在负温度环境中能够继续水化。c H O H仅有单 一 降低冰点的作用， 早强效果不显著， 且掺量较大时 7 0 - 7 7 + 7 - 7 + 2 8 龄期 d 图4 不同养护温度下防冻煤矸石混凝土强度 比 a C a C1 2 ；b ca ( NO 3 ) 2 ；c C 2 H5 OH 对煤矸石混凝土有缓凝作用， 故在负温度煤矸石混凝 土早期阶段并未起明显提高煤矸石混凝土强度的作 用。但转入正温度养护后， 其强度仍有较好发展。故 对于不同的防冻剂， 在负温度煤矸石混凝土中所起到 作用各不相同， 防冻效果强弱为 C a C 1 C a (NO 3 ) C2 H5 OH 。 2 3 2 不同掺量防冻剂对强度影响： 不同负温度养护 环境中， 各防冻剂不同掺量煤矸石混凝土各龄期的抗 压强度比， 见图5 。 从 图 5可 知： ( 1 ) 随 C a C 1 ： 、 C a ( NO ) ： 掺 量 增加 ， 负温度煤矸石混凝土早期和后期强度损失率均呈现 负相关， 在 7 掺量时各龄期煤矸石混凝土强度损 失率达到最小值， 其中 一 7 + 2 8 d 养护模式下强度不但 没有损失， 而且强度比标养 2 8 d 增加约为 6 5 。( 2 ) 对于 7 d 养护模式， 不同掺量 c O H在早期负温 养护中防冻效果显著性较差， 转入正温养护后， 随掺 量增加其强度增加 ， 在 2 0 掺量时煤矸石混凝土强 度损失达到最小值， 其中- 7 + 2 8 d 养护模式下强度比 标养 2 8 d 增加约为 5 0 。故不同掺量不同防冻剂 种类的防冻效果显著性表现为 C a C 1 C a ( N O ， ) ： C， H OH。 I 回 I _ 一 I I 回 I u。 牾 侣 O ：g 5 ； 2 惦 O 吾 ； 2 非 侣 0 9 6 趔嚼至 f 菅 5 擐 莓 f 罾 5 塔 贾宝新，李庆文，梁鹏飞，等 防冻剂对 自燃煤矸石混凝土力学性能影响研究 1 0 5 9 0 芝 7 5 6 0 置 s 螺 3 0 1 5 0 1 0 5 9 0 7 5 6 O 誉 s 螺 3 O 1 5 0 1 o 5 9 0 专 7 5 倒 6 0 置 s 3 0 1 5 0 - 7 7 + 7 - 7 + 2 8 龄 期 d 一 7 + 7 - 7 + 2 8 龄期 d 一 7 一， +7 7 +2 8 龄 期 d 图5 1 0条件下防冻煤矸石混凝土抗压强度比 a Ca C I 2 ；b C a ( NO3 ) 2 ；c C 2 H 5 OH 3 结论 1 通过对单掺不同防冻剂标养煤矸石混凝土强 度分析可知， 早强效果显著性表现为C a C 12 C a ( N O ) 2 C 2 H s O H， 在标养龄期 1 4 - 2 8 d 范围内， 各防冻剂对 应标养煤矸石混凝土抗压强度增长均体现出平稳趋 势； 2 养护环境 由负温度到正温度， 基准煤矸石 混凝土抗压强度损失率与养护温度呈现正相关， 对 于一 7 + 2 8 d 的养护模式来说， 养护温度为 5 和一 1 0 条件下， 其强度损失率分别约为 1 8 7 6 、 2 9 1 4 ； 3 从分析 - 5和 一 1 O环境中防冻剂对其力学 性能影响来看， 3种防冻剂均能起到一定防冻效果 ， 其 防冻效果显著性表现为 C a C 1 2 C a ( NO3 ) 2 C 2 H 5 O H。 参考文献 ： 1 宋洋， 赵禹， 祝百茹， 等 煤矸石轻集料混凝土性能试验研究 非 金属矿 ， 2 0 1 4 ， 3 7 ( 1 ) ： 2 8 - 3 0 【 2 李永靖， 张旭， 闰宣澎， 等 测定煤矸石骨料混凝土性能的试验分析 非金 属矿 ， 2 0 1 3 ， 3 6 ( 3 ) ： 4 3 - 4 5 【 3 王国平 辽宁阜新煤矸石资源化研究 D 】 成都： 成都理工大学， 2 0 0 5 4 李庆文， 李桂秀， 李洋 冻融和碳化交替作用煤矸石混凝土耐久性 研 究 非金属矿 ， 2 0 1 5 ， 3 8 ( 4 ) ： 3 9 -42 5 】 周梅， 牟爽， 王强 基于正交设计的大流动性 自 燃煤矸石全轻混凝 土试验研 究 非金属矿 ， 2 0 1 2 ， 3 5 ( 6 ) ： 1 9 2 2 ， 4 8 6 】 张向东， 李庆文， 李桂秀， 等 自 燃煤矸石轻集料混凝土碳化性能试 验研究 【 J 非金属矿 ， 2 0 1 5 ， 3 8 ( 3 ) ： 4 0 42 ， 5 1 【 7 张军 防冻剂对混凝土性能影响的研究叨 甘肃农业， 2 0 1 1 ( 5 ) ： 7 6 - 7 7 8 1 文婧， 李家和， 朱卫中， 负温条件下防冻组分对H C S A膨胀荆性能 影响 低温建筑技 术， 2 0 0 8 ， 3 0 ( 3 ) ： 8 - 1 0 9 】 王稷 良， 孙 小彬 ， 杨 志峰 防冻组分对水泥混凝土性能的影响研 究 明 硅酸盐通报 ， 2 0 1 4 ， 3 3 ( 1 2 ) ： 3 3 3 1 3 3 3 7 【 1 0 】 T s i v i l i s S ， Ka k a l i G， Ha l d e o u e t a1 Ama t h e ma t i c a l mo d e l f o r the c o n t r o l o f c em e n t s e t t i n gu s in g c a l c i u mc h l o r i d e a S a c c e l e r a te J C em e n t a n d C o n c r e t e Re s e a r c h ， 1 9 9 5 ， 2 5 ( 5 ) ： 9 4 8 - 9 5 4 1 1 】 周新华 防冻组分对液体防冻泵送剂性能影响的研 究 【 D】 西安 ： 西安建筑科技大学， 2 0 0 7 ( 上接第 6 7 页) 知， 经过水合肼插层、 超声处理和研 磨剥片制得的伊利石， 颗粒明显变小， 晶片直径均小 于 1 u m， 厚度一般在 1 0 5 0 a m， 基本达到一维纳米材 料的技术要求。 2 制备纳米伊利石最佳插层条件为： 水合肼用量 为 1 0 、 m水： 水 俞 肼- 2： 1 、 反应温度为 4 0、 反应 时间为 6 h 。 3 综合制得所有样 品的测试结果表 明， 与纯 P P 相比， 纳米伊利石脚 复合物拉伸强度平均高 2 2 2 4 ， 弹性模量平均提高 5 1 4 0 ， 断裂伸长率则平 均下降 4 1 8 。说明经过插层剥片制得的纳米伊利 石对 P P 具有明显的增强效果， 为伊利石开发一维纳 米材料提供依据。 一 71 参考文献 ： 1 】 潘兆橹， 赵爱醒， 潘铁虹 结晶学及矿物学( 下册 ) M 北京： 北京地 质 出版社 ， 1 9 9 3 ： 1 7 0 1 7 1 2 L i Xi a o mi n , Ko uX i a o we I l l i te： ANe wP o t e n t i a l Cl a y Mi n era l Ma t e r i al J Wo r l d Ge o l o g y , 1 9 9 4 ， 1 4 ( 5 ) ： 2 4 - 2 9 【 3 】 S u r a j G， l y e r C S R u g mi n i S ， e t a 1 T h e e ff e c t o f mi c r o n i z a t i o n o n k a o l in i t e s a n d the i r s o r p t i o n b e h a v i o u r J Ap p l C l a y S c i ， 1 9 9 7 ( 1 2 ) ： 1 1 1 1 3 0 4 B a u d e t G，P e r r o t e l S e r o nA， e t a 1 T wo d i me n s i o n s c o mmi n u t i o n o f k a o l i n i t e c l a y p a r t i c l e s J P o w d e r T e c h n o l ， 1 9 9 9 ， 1 0 5 ： 1 2 5 - 1 3 4 5 】S n c h e z S o t o P J ， J im6 n e z d e Ha r o M C， P &e z Ma q u e d a L A， e t a 1 E ff e c t s o f d r yn d i n g O l l t h e s l r u c t u r al c h a n g e s o f k a o l i n i t e p o wd e r s J Am C e r a m S o c ， 2 0 0 0 ， 8 3 ( 7 ) ： 1 6 4 9 1 6 5 7 【 6 阎琳琳， 张存满， 徐政 高岭石插层 一 超声法剥片可行性研究【 】 非 金属矿 ， 2 0 0 7 ， 3 0 ( 1 ) ： 1 _ 4