粉煤灰对矿用炉渣喷射混凝土性能影响.pdf

2 0 1 0年 第 3期 f 总 第 2 4 5期 ) N u mb e r 3 i n 2 O L O ( T o t a l No 2 4 5 ) 混 凝 土 Co n c r e t e 原材料及辅助物料 MATER 山 AND ADM I NI CLE d o i ： 1 0 3 9 6 9 8 i s s n 1 0 0 2 3 5 5 0 2 0 1 0 0 3 0 3 3 粉煤灰对矿用炉渣喷射混凝土性能影响 杨雷，罗树琼。管学茂。余洪汇 ( 河南理工大学 材料科学与工程学院，河南 焦作 4 5 4 0 0 3 ) 摘要： 炉渣作为骨料制备喷射混凝土可以降低混凝土自重， 减少回弹， 但易出现分层现象， 因此研究了粉煤灰对炉渣喷射混凝土性能 的影响。 研究表明， 粉煤灰可以改善混凝土的和易性， 降低炉渣混凝土的分层度， 提高炉渣喷射混凝土的后期抗压强度、 降低混凝土的弯曲 韧性， 提高矿用喷射混凝土的抗氯离子渗透性。 关键词： 粉煤灰； 炉渣；矿用喷射混凝土 中图分类号 ： T U5 2 8 0 4 1 文献标志码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 0 ) 0 3 0 1 0 8 0 3 I n f l ue nc e of f l y as h on pr ope r t i e s o f m i ni ng s l a g s ho t c r e t e YANGLe i ， LUO S hu q i o n g， GUAN Xu e - ma o； YUHo n g- h u i ( F a c u l t yo f Ma t e r i a l s S c i e n c e a n dE n g i n e e ri n g ， H e n an P o l y t e c h n i c U n i v e r s it y ， J i a o z u o4 5 4 0 0 3 ， C h i n a ) Ab s t r a c t ： S l a g a g g r e g a t e wh i c h C an b e p r e p a r e d a s s h o t c r e t e c a nr e d u c et h e we i g h t a n d r e b o u n do f c o n c r e t e ， b u t i t i s e a s yt o a p p e a r l a y e r e dp h e - n o me n o n， S O i n fl u e n c e o f f I y a s h o n p r o p e r t i e s o f mi n i n g s h o t c r e t e h a s b e e n s t u d i e d S t u d i e s h a v e s h o wn t h a t fl y a s h C an i n c r e a s e t h e c o h e s i o n o f c o n c r e t e， r e d u c e h i e r a r c h i c a l d e g r e e s o f s l a g c o n c r e t e。 i n c r e a s e the c o mpr e s s i v e s t r e n g t h o f s h o t c r e t e s l a g ， r e d u c e t h e fle x u r a l t o u g h n e s s o fc o n - c r e t e， a n d i mp r o v e the mi n ing s h o t c r e t e a n t i - c hlo rid e i o n pene t r a t i o n K e ywo r d s ： n ya s h ； s l a g ； mi n ing s h o t c r e t e 0 引言 巷道的锚杆一 喷射混凝土支护是在科学的围岩白稳理论基 础上发展起来的一种支护方式， 喷射混凝土、 锚杆与围岩共同 组成有效的承载拱 ， 改善了巷道的稳定性， 提高了围岩的自稳 能力， 变被动支护为主动支护【 】 】 。 喷射混凝土在整个支护体系中 的作用主要有： 支撑作用、 填充作用、 隔绝作用和转化作用嘲 。 随着煤矿巷道锚喷支护技术的飞速发展， 支护理论呈现多 样化并逐步成熟和统一起来， 支护材料、 安装工艺及机具也发生 了根本性的革新 ， 这些都为巷道支护技术的创新创造了条件【3 J 。 特别是新型锚杆和锚固剂的出现促进了锚网喷支护和巷道锚 索支护等技术的发展， 提高了支护的效果。 大部分巷道在使用锚杆、 锚索和金属网组合支护后， 支护 效果就可以得到保证。在此前提下， 使用喷射混凝土提供附加 支护， 主要作用是及时封闭围岩表面， 对围岩和金属网进行保 护， 隔绝空气、 水和围岩的接触 ， 避免环境效应对巷道支护产生 不良影响， 如围岩的风化、 潮解和钢筋网的锈蚀4 1 等； 对成形巷 道进行补平 ， 去除围岩应力集中点， 阻止围岩松动 ； 弱化了传统 的喷射混凝土支护的支撑作用。 传统的喷射混凝土由碎石、 砂和水泥组成， 存在 自重大、 黏 结不牢、 使用寿命短等缺点。 相比之下， 轻质喷射混凝土则更适 用于现在的锚喷支护体系。 使用工业废渣炉渣为骨料制备喷射 混凝土， 不仅可以降低混凝土的自重， 减少混凝土的回弹5 - 7 1 ， 而 且可以降低混凝土的生产成本， 减少废料堆积对土地的占用， 有 收稿 日期 ：2 0 0 9 一 l 1 一 l 4 基金项目：国家重点基础研究发展计划( 9 7 3 ) 项目( 2 0 0 9 C B 6 2 3 1 0 6 3 1 ) 1 0 8 利于环境保护， 但 由于炉渣属于多孔轻质废渣， 充当骨料制备 喷射混凝土时， 容易出现分层现象， 因此掺人粉煤灰以改善炉 渣为骨料的矿用喷射混凝土的和易性、减少喷射混凝土的回 弹， 提高混凝土的后期强度和抗渗性 、 保证混凝土喷层的耐久 性与和长期性 0 1 。 1 原材料与试验方法 1 1 原材料 河南焦作中晶水泥厂生产的P O 3 2 5 级水泥； 试验所用粉 煤灰为焦作电厂的I I 级粉煤灰， 化学成分见表 1 ； 砂子采用信阳 黄砂， 细度模数 3 1 ， 含泥量 3 ， 堆积密度为 1 5 6 5 k g m ； 石子为 壶关石子， 粒径 8 1 0 r n l T l ， 堆积密度为 1 4 5 0k g m ； 炉渣采用山 西晋丰化工公司生产炉渣， 粒度 2 3 5 1 0 n l l r l ， 筒压强度 6 7 MP a ， 堆积密度 1 0 5 0 k g m 。 表 1 粉煤灰化学成分 1 2 试 验方 法 1 ， 2 1 混凝土分层度试验方法 ( 1 ) 试验模具： 研究混凝士分层度的专用模具见图 1 。 ( 2 ) 操作方法： 试验前， 将模具的上、 中、 下三部分固定成为 一 体， 并润湿待用； 将新拌混凝土分三层装入模具， 每层用捣棒 插捣 2 0次； 插捣完后， 刮去多余的混凝土， 并用抹刀抹平 ； 将模 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 具放在振动台后， 开始振动， 从装料到开始振动时间应控制在 1 5 0 s 内完成( 表层振出的混凝土应记人上层总量中) ； 振动完 毕， 静止后， 分别称量三层混凝土的质量。 。 日 H l H 图 1 分层度试验模具 ( 3 ) 利用下列公式计算骨料的分层百分率 ： 一= ( l 十 2 + 3 ) x 1 0 0 式中： 广每层的分层度， ； 一 各层混凝土的质量( n = 1 、 2 、 3 ) ， k g ； 、 ： 、 广分别为上、 中、 下层混凝土的质量， k g 。 1 2 2 混凝土力学性能试验方法 抗压强度、 抗折强度、 劈裂抗拉强度试验参照 G B T 5 o 0 8 l 一 2 0 0 2 普通混凝土力学性能试验方法标准 进行， 抗压强度 、 劈 裂抗拉强度试件尺寸为 1 0 0 mmx l 0 0 m mx l 0 0 i n n 试块 ， 抗折强 度试件尺寸为 1 0 0 m mx l 0 0 mmx 4 0 0 mm； 喷射混凝土韧度指数 试验参照 J G T 3 0 6 2 -1 9 9 9 ( 钢纤维混凝土 和A S T M C 1 0 1 8 标 准进行。 1 2 3 混凝土氯离子渗透性能试验方法 喷射混凝土氯离子渗透试验采用 N E L法测试混凝土氯离 子渗透性能， 试件尺寸为 1 0 0 mmx l 0 0 mmx 5 0 n l l n 。 2 试验 结果与分析 炉渣是块煤或粒煤燃烧后呈疏松状或块状未经水淬的残渣， 主要矿物组成是玻璃相、钙长石。用炉渣为骨料制备喷射混凝 土， 可以大大减轻喷射混凝土自重， 降低混凝土的回弹率。试验 采用的炉渣中含有 1 4的5 mm以下颗粒 因此试验中用 5 ton i 以下炉渣替换砂。炉渣使用前预湿 1 h 。 粉煤灰是从燃料煤粉的锅炉烟气中收集的粉状灰粒， 它是 一 种排放量大的工业废料 ， 粉煤灰作为一种火山灰质材料， 取 代部分水泥不仅降低工程造价， 而且可以改善轻质喷射混凝土 的性能。使用粉煤灰等量取代水泥， 取代率分别选取 1 0 、 2 0 、 3 0 、 4 0 ， 研究粉煤灰的不同取代率对轻质喷射混凝土性能的 影响， 试验配合比如表2 。 表 2 粉煤灰在轻质 喷射混凝土 中的掺量 编号 水胶 比 砂率 炉渣 ( k g m )水泥 ( k g m )粉煤灰 ( k g m ) 2 1 粉煤灰对炉渣喷射混凝土分层度的影响 掺加粉煤灰可以减少水泥浆体的需水量， 提高炉渣喷射混 凝土的和易性 ， 从而抑制炉渣的分层， 试验数据见表 3 。 表 3 粉煤灰对由 1 1 渣喷射混凝土分层度的影响 编 号 焉 A0 3 2 2 7 3 3 0 7 3 46 6 0 8 0 1 5 9 2 3 9 A 1 3 2 4 6 3 3 1 8 3 43 6 0 7 2 1 1 8 1 9 0 A2 3 2 7 5 3 3 2 5 3 4O 0 O5 O O 7 5 I 2 5 A3 3 2 8 6 3 3 _ 2 4 3 3 9 0 0- 3 8 O6 6 l _0 4 A4 3 29 8 3 3 - 3 2 3 3 7 0 0 3 4 0-3 8 0 7 2 由表 3 可知， 掺人粉 灰后混凝土的上 、 下层分层度之差 逐渐减小， 且粉煤灰掺量由 1 0 增加到 4 0 时， 混凝土的中层 和下层的分层度差由 1 9 0 减小至 0 7 2 ， 说明粉煤灰的掺加有 效抑制了炉渣喷射混凝土的分层。这是由于粉煤灰的形态效应 使水泥浆体需水量降低并使部分浆体填充到炉渣孔隙中， 且由 于粉煤灰的活性效应和微集料效应改善了混凝土的孔结构， 提 高了炉渣与水泥浆体的黏结作用， 增加了混凝土的和易性。 从而 使炉渣的上浮变得困难， 有效抑制了炉渣喷射混凝土的分层。 2 2 粉煤灰对轻质喷射混凝土力学性能的影响 在轻质喷射混凝土中掺入粉煤灰会对混凝土的力学性能 产生影响， 试验结果见图 2 。 时 山 、 鹱 出 搐 O 1 0 2 0 3 O 粉煤灰掺量， ( a ) 图 2 0 1 0 2 0 3 0 4 0 粉煤灰掺量， ( b ) 土力学性能的影响 由图 2 ( a ) 可以看出， 随着粉煤灰的掺量的增加 ， 轻质喷射 混凝土的3 d 和 7 d 抗压强度逐渐降低 ， 且粉煤灰的掺量越大， 抗压强度降低的幅度就越大， 当掺量为 4 0 时， 混凝土的 7 d 抗 压强度降低 3 4 1 9 。而混凝土 2 8 d 抗压强度在粉煤灰掺量为 1 0 时却增加了 2 8 2 ， 但当掺量超过 1 0 时， 2 8 d 抗压强度逐 渐减小， 且随掺量增加幅度的提高， 降低程度越大。这是因为在 早期， 由于水泥水化程度不高 ， 粉煤灰的火山灰效应还没有得 到发挥， 因而随着粉煤灰取代率的增加， 水泥用量减少， 导致混 凝土早期强度随粉煤灰掺量的增多而下降。而在后期， 混凝土中 粉煤灰的火山灰效应开始逐渐发挥， 水泥石中的粗大结晶、 稳 定性极差的水化产物 C a ( O H) 转变为水化硅酸钙凝胶的量增 加 ， 也就是说水泥石中 C a ( O H) 的含量降低 ， 更易于形成细小 的晶粒。 而生成的水化硅酸钙凝胶相互交织搭接形成网络结构 晶体， 改善了水泥石的结构， 使混凝土的抗压强度有一定增长。 但随着粉煤灰掺量的继续增加， 导致混凝土中水泥用量大大减 一 少， 从而使得混凝土的强度逐渐减小。 】 09 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 如图2 ( b ) 所示 ， 当粉煤灰的掺量小于 2 0 时， 轻质喷射混 凝土的抗折强度随掺量的增加而增大， 掺量为 l O 时抗折强度 的增加幅度达 8 5 9 。当粉煤灰掺量超过2 0 ， 抗折强度则开始 下降， 并随粉煤灰掺量增加迅速降低。劈裂抗拉强度随粉煤灰 掺量的增加而逐步降低 ， 变化幅度小于抗折强度 ， 在粉煤灰掺 量 1 0 到2 0 之间劈裂抗拉强度的降低较为缓慢 ， 当掺量大于 2 0 时， 劈裂抗拉强度降低幅度较大。 这是因为粉煤灰的活性较 低， 火山灰效应难以发挥， 对混凝土的贡献主要还是形态效应 及微集料效应， 当粉煤灰掺量为 1 0 时， 喷射混凝土的抗折强 度有所增加 ， 而这些密实填充效应的发挥是有限的， 当粉煤灰 掺量较大时， 喷射混凝土的抗折强度逐渐下降。掺加粉煤灰的 喷射混凝土劈裂抗拉强度降低， 主要原因是粉煤灰的使用减少 了混凝土中的水泥用量。 2 3 粉煤灰对轻质喷射混凝土弯曲韧性的影响 由于混凝土的弯曲韧性， 在现阶段并没有统一的标准和明 确的指标来表征。因此结合韧度指数和折压比， 共同反应轻质 喷射混凝土的弯曲韧性。 关于粉煤灰对轻质喷射混凝土的弯曲 韧性的影响， 试验结果如表4所示。 表 4 粉煤灰对轻质喷射混凝土弯曲韧性的影响 由于轻质喷射混凝土发生的是脆性破坏， 其应力超过峰值 后陡降， 很快为零 ， 不完全能达到 ， l 0 要求的 5 倍初裂挠度的条 件， 完全不能达到 要求的 1 5 5倍初裂挠度， 因此只用 ， 5 表示 其韧度指数。 表 4列出了掺加 1 0 和 2 0 粉煤灰的轻质喷射混凝土的 韧度指数 厶， 由试验结果可知， 粉煤灰的加入提高了轻质喷射 混凝土的弯曲韧性， 1 0 掺量时韧度指数增大了 1 6 ， 但随着 粉煤灰掺人量的增加 轻质喷射混凝土韧度指数的增大程度 降低。合适比例的粉煤灰掺人有利于轻质喷射混凝土脆性的 降低。 由表 4可以看出， 使用粉煤灰后轻质喷射混凝土的折压 比增加， 混凝土的脆性得以改善， 但随着粉煤灰掺量的增加， 混凝土的折压比增大的程度降低。粉煤灰掺量在 2 0 以内， 折压比增加较快 ， 在粉煤灰掺量 1 0 时折压比增大 5 6 2 ， 增加程度最大。这主要是因为粉煤灰可以改善混凝土的脆 性 ， 这是因为尽管粉煤灰球状颗粒的球壁很薄 ， 但水泥石中 的裂缝扩展却是绕过而不是贯穿它们发展 ， 这种颗粒阻挡了 水泥石 中微裂纹的扩展， 使裂缝在水泥石基体中的扩展路径 更为曲折 ， 裂缝尖端存在更多分叉 ， 大大增加了混凝土的断 裂能量。 2 4 粉煤灰对轻质喷射混凝土抗氯 离子渗透性能的 影响 不同掺量的粉煤灰对轻质喷射混凝土抗氯离子渗透性能 产生影响， 试验结果如表 5 所示。 从表 5数据可以看出， 粉煤灰取代水泥能较大幅度降低轻 质喷射混凝土氯离子扩散系数 ， 提高混凝土的抗氯离子渗透性 能。混凝土 中掺加 1 0 的粉煤灰后氯离子扩散系数降幅达 l 1 0 表 5 粉煤灰对轻质喷射混凝土抗氯离子渗透性的影晌 3 0 6 4 ， 但较多的使用粉煤灰会导致混凝土的抗氯离子渗透性 能的降低， 粉煤灰掺量 2 0 时的氯离子扩散系数较 1 0 掺量时 增大 5 6 8 。 粉煤灰的掺人可以改善轻质喷射混凝土的抗氯离子渗透 性能， 因为粉煤灰的掺入填充了水泥颗粒之间的孔隙， 使胶凝 材料体系的堆积更加密实。随着水泥水化的进行 ， 粉煤灰的活 性成分能与水泥水化产生的大量 c a ( O H) ： 反应， 生成比较稳定 的水化硅酸钙凝结 ， 不仅有助于强度的增长， 而且填充了毛细 孔和其他孔隙 ， 使混凝土结构更加密实 ， 轻质骨料与水泥石之 间的界面也得到了改善和强化， 从而有效地延长了毛细孔通道， 使得混凝土抗氯离子渗透性能大大增加。 3结论 粉煤灰改善了炉渣喷射混凝土的和易性， 降低其分层度， 提高了炉渣喷射混凝土的抗氯离子渗透性， 1 0 掺量的粉煤灰 有利于矿用炉渣混凝土 2 8 d 抗压强度、 抗折强度和弯曲韧性的 提高。 参考文献 ： 1 1程良奎， 杨志银 喷射混凝土与土钉墙 M I 北京： 中国建筑出版社， 1 9 9 8： 1 6 9 【 2 】陈宾 ， 高明中 喷射 混凝土在巷道支护中的作用 J 】 煤炭技术 ， 2 0 0 6 ， 2 5 ( 3 ) ： 6 3 6 5 ： 【 3 】 于龙先 ， 肖军 新型锚喷支护技术 J 】 煤炭技术 ， 2 0 0 7 ， 2 6 ( 4 ) ： 1 2 9 1 31 4 王利新型喷射混凝土技术的运用 J 四川水利， 2 0 0 8 ( 1 ) ： 5 9 6 1 ， 【 5 】 龚洛书轻集料混凝土【 M 】 北京： 中国铁道出版社， 1 9 9 6 ( 8 ) ： 7 6 S a n g p i l l e e ， D o n g h y u n K i m， J o n g h y u n R y u ， e t a I An e x p e ri m e n t a l s t u d y O i l t h e d u r a b i l i t y o f h i s h p e rfo r ma n c e s h o t c r e t e f o r p e r ma n e n t t u n n e l s u p p o r t J T u n n e l l i n g a n d U n d e r g r o u n d S p a c e T e c h n o l o g y ， 2 0 0 6 ， 2 1 ( 3 ) ： 4 3 1 【 7 】吴芳， 谭盐宾， 杨长辉 ， 等 高强轻集料混凝土抗氯离子渗透性能试 验研究 J 】 重庆建筑大学学报 ， 2 0 0 7 ， 2 9 ( 6 ) ： 1 1 7 1 2 0 【 8 】邓寅生， 邢学玲， 李小雷 粉煤灰在煤矿巷道锚喷支护中的应用研 究【 J 】 矿业安全与环保， 2 0 0 7 ， 3 4 ( 3 ) ： 3 5 3 6 9 】 王志良 粉煤灰在煤矿支护中的研究与应用【 J 】 粉煤灰综合利用， 2 0 o 6 ( 5 ) ： 4 l 4 2 【 1 O 】 唐旭光， 谢友均 矿物掺合料对混凝土抗氯离子渗透性能影响的试 验研究叨 湘潭师范学院学报： 自然科学版， 2 0 0 5 ， 2 7 ( 2 ) ： 5 - 8 作者简介 ： 单位地址 ： 联 系电话 ： 杨雷( 1 9 7 8 一 ) ， 男， 讲师， 博士， 主要从事固体废弃物资源化 利用、 混凝土耐久性的研究。 河南省焦作市河南理工大学材料学院( 4 5 4 0 0 3 03 91 2 2 3 01 5 8 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m