掺粉煤灰煤矸石轻骨料混凝土性能研究.pdf

铁道建筑 Ra i l wa y En g i n e e r i n g 文章编 号 ： 1 0 0 3 1 9 9 5 ( 2 0 1 4 ) 0 3 0 1 1 8 - 0 4 掺粉煤灰煤矸石轻骨料混凝土性 能研究 朱 凯 ( 河南城建学 院 土木 工程 学院 ， 河南 平顶 山4 6 7 0 3 6 ) 摘要 ： 通过在煤矸石轻骨料混凝土 中掺入粉煤灰， 对不 同粉煤灰掺量下混凝土的工作性能、 力学性能、 耐 久性能进行试验研究。结果表明， 在煤矸石轻骨料混凝土中掺入粉煤灰 ， 能够有效改善混凝土的工作性 能、 后期 强度及 耐 久性 ， 当粉 煤灰掺 量 不 超过 3 0 时 ， 煤矸 石 轻 骨 料 混凝 土 能 够获 得 良好 的使 用 性 能 。 煤矸石、 粉煤灰等在混凝土 中的大量使用， 为综合利用工业固体废弃物提供 了有效途径。 关键词 ： 粉 煤灰 自燃 煤矸 石 混凝 土 性 能 试验研 究 中图分 类号 ： T U 5 2 8 3 7文献 标识码 ： A D O I ： 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 3 1 9 9 5 2 0 1 4 0 3 3 6 煤矸石作为骨料来拌制混凝土 ， 可以大量减少工 程中对天然集料的使用 ， 具有较高的经济和社会效益 。 粉煤灰掺入 昆 凝土中， 不但可以节约水泥用量 ， 而且可 以改善混凝土的技术性 能 。平顶山市是豫西南地 区最大的能源型工业城市 ， 煤炭 、 电力 、 冶金、 建材工业 比重大 ， 在生产和建设过程中伴生大量的煤矸石、 粉煤 灰等工业 固体废弃物 ， 对环境造成严重 的污染。对这 些废弃物进行综合利用 ， 必将促进 当地社会 、 经济 、 环 境 的协 调发展 。本 文采 用平 顶山本 地 的 自燃煤 矸 石为 粗 骨料 、 粉煤 灰为 掺合料 制备 混凝 土并进 行试 验研 究 ， 探讨粉煤灰不同掺量下混凝 土的工作性能、 力学性能 和耐久 性能 。 1 试验原 材料及 混凝土配合比 1 1 试 验原 材料 煤矸石采用平顶 山煤业集团六矿 的 自燃煤矸 石， 堆积密 度为 1 1 7 0 k g m ， 吸水率为 3 6 ， 经人 工破 碎 、 掺配后 ， 公称粒径范围为 5 2 0 mm， 颗粒级配如表 1所示 ， 符合 轻集料及 其试验方法 第 1部分 ： 轻集 料 ( G B T 1 7 4 3 1 1 -2 0 1 0 ) 对轻粗集料的要求。 表 1颗粒 级 配 试 验 结 果 收稿 日期 ： 2 0 1 3 0 9 2 0 ； 修 回日期 ： 2 0 1 3 - 1 1 - 3 0 基金项 目： 河南城建学院科学研究基金 ( 2 0 1 1 J Z D 0 1 1 ) 作者简介 ： 朱凯( 1 9 7 7 一) ， 男， 江苏沛县人 ， 副教授 ， 硕士。 粉煤 灰采 用平 顶 山姚 孟 电厂 级粉 煤灰 。水 泥采 用河 南省 大地 水泥 有 限公 司生 产 的 P 0 4 2 5 级 水 泥 ， 实 测 2 8 d抗 压 强度 为 4 7 6 M P a 。细集 料 采 用平 顶 山 沙河河 砂 ， 细 度 模 数 为 2 8 ， 属 中砂 ， 堆 积 密 度 为 1 5 1 0 k g m ， 颗粒级配 良好 。减水剂采用平顶 山市神 翔化工厂 F D N高效减水剂 ， 减水率为 1 8 。拌合水采 用 自来 水 。 1 2混凝 土配合 比 粉 煤 灰 掺 量 04 0 ， 胶 凝 材 料 总 量 为 3 9 0 k g m ， 水 胶 比为 0 4 1 ， 砂 率为 4 0 ， 减水 剂掺 量 为 0 5 2试验结果分析 2 1 掺粉 煤灰 煤矸 石轻 骨料 混凝土 的工 作性 能 选用 粉 煤 灰 掺 量 分 别 为 0， 1 0 ， 2 0 ， 3 0 ， 4 0 ， 试验方法按 普通混凝土拌合 物性能试验方法 标准 ( G B T 5 0 0 8 0 -2 0 0 2 ) 进行 ， 煤矸石轻骨料混 凝土拌合物的坍落度随粉煤灰掺量变化曲线见图 1 。 由图 1可 以看 出 ， 当 粉 煤 灰 掺 量 在 2 0 以下 时 ， 煤矸石轻骨料混凝土拌合物的坍落度随粉煤灰掺量的 图 1 煤矸石 轻骨料混 凝土拌合物的坍落度 随粉煤灰掺量变化 嗌线 2 0 1 4年第 3期 朱 凯 ： 掺粉煤灰煤矸石轻骨料混凝土性能研究 1 1 9 增加而增大， 这主要是因为粉煤灰颗粒 圆滑 ， 增大了混 凝土拌合 物的流动性 ； 而 当粉 煤灰掺量超 过 2 0 以 后 ， 混凝 土拌合物的坍落度随粉煤灰掺量 的增加有所 减小 ， 这是 由于粉煤灰的粒径 比水泥小 ， 粉煤灰掺量的 增加会使吸水性有所增加 ， 混 凝土拌合物的流动性有 所下降， 但粉煤灰掺量达 3 0 时 ， 混凝土拌合 物的坍 落度仍大于基准混凝土。同时 ， 通过观察 ， 不同粉煤灰 掺量下煤矸石轻骨料混凝土拌合物的黏聚性及保水性 良好 ， 没有 出现离析、 泌水现象。 2 2 掺 粉 煤灰 煤矸 石轻 骨料 混凝 土 的力学 性能 选用粉煤灰掺量分别为 0 ， 1 0 ， 2 0 ， 3 0 ， 4 0 的煤矸石轻骨料混凝 土 ， 试验方法按 普通混凝 土力 学性能试 验方法标 准 ( G B T 5 0 0 8 1 -2 0 0 2 ) 进行 ， 各掺 量 成 型 3组 试 件， 试 件 尺 寸 均 为 1 5 0 mm 1 5 0 mm1 5 0 m m， 分 别 测 定 7 ， 2 8 ， 6 0 d的 抗 压 强 度 ， 结 果见 图 2 。 重 4 o 越 酿 墨 3 0 0 l O 2 0 3 0 4 0 粉煤 灰掺量， 图 2 煤矸石轻骨料混凝土 的抗压强度 随粉煤 灰 掺量变化 曲线 由图 2可以看 出， 随着粉煤灰掺量的增加 ， 煤矸石 轻骨料混凝土的 7 d抗压强度逐渐下降 ， 粉煤灰掺量 达 到 3 0 和 4 0 时 ， 与不 掺粉煤 灰混 凝 土相 比抗压 强 度降低了 1 1 和 1 9 。2 8 d时， 粉煤灰掺量为 2 0 的煤矸石轻骨料混凝土抗压强度与不掺粉煤灰混凝土 相当， 粉煤灰掺量为 3 0 和 4 0 时 ， 与不掺粉煤灰混 凝土相比抗压强度降低 了6 和 8 ， 降低的幅度明显 减小 。到 6 0 d ， 粉煤灰掺量为 1 0 和 2 0 时煤矸石轻 骨料 混凝 土抗 压 强度 已超 过 不 掺粉 煤 灰 混 凝 土 ， 粉 煤 灰掺量为 3 0 时抗压强度也接近不掺粉煤灰混凝土。 可见 ， 粉煤灰的掺入使煤矸石轻骨料混凝 土早期抗压 强度降低 比较明显 ， 随着养护龄期 的延长强度增长 ， 后 期抗压强度高于不掺粉煤灰混凝土 ， 6 0 d时的强度 已 经接近或超过不掺粉煤灰混凝土。 2 3掺粉煤灰煤矸石轻骨料混凝土的抗渗性能 选用粉煤灰掺量分别 为 0， 1 0 ， 2 0 ， 3 0 ， 4 0 的煤矸石轻骨料混凝土 ， 试验方法 按 普通混凝土长 期性能和耐久性能试验方法标准 ( G B T 5 0 0 8 2 2 0 0 9 ) 进行 ， 各掺量分别成型标准试件并标准养护2 8 d 进行 试 验 。试 验 时， 控 制 水 压 在 2 4 h内 恒 定 在 ( 1 2 0 0 0 5 ) MP a 。2 4 h后停止试验 ， 测量渗水高度 ， 结果 见 图 3 。 图 3 煤矸石轻骨料混凝土渗水高度 随粉煤灰掺量 变化 曲线 由图 3可以看 出， 掺粉煤灰煤矸石轻骨料混凝 土 的渗水高度明显小于不掺粉煤灰混凝土 ， 充分说 明粉 煤灰能改善混凝土的内部结构 ， 提高密实性 。当粉煤 灰掺量不超过 3 0 时， 试件渗水高度随粉煤灰掺量的 增加而减小 ， 即使掺量达到 4 0 时， 渗水高度有所增 加 ， 但也小于不掺粉煤灰混凝土。可见 ， 在混凝土中掺 加粉煤灰 ， 可以改善混凝土的微观孑 L 结构， 降低混凝土 的 内部孔 隙率 ， 大幅度提 高混凝土 的密实度 和抗渗 性能 。 2 4掺粉 煤灰 煤矸 石轻 骨料 混凝 土的抗 冻性 能 选用粉煤灰掺量分别为 0 ， 1 0 ， 2 0 ， 3 0 ， 4 0 的煤 矸石 轻 骨 料 混 凝 土 ， 试 验 方 法 按 G B T 5 0 0 8 2 2 0 0 9进行 ， 采用快冻 法， 各掺 量分别成 型 1 0 0 m m 1 0 0 m m 4 0 0 m m棱柱体试件 ， 标准养护 2 8 d ， 然后在 一 1 g和 5条件下进行快速冻结和融化循环 ， 每 2 5 次冻融循环对试件进行一次横 向基频测试并称重。当 冻融至 1 0 0次， 或相对动 弹性模量下 降至 6 0 以下 ， 或质 量损 失 达 到 5 时 ， 即 可停 止试 验 。试 验 结 果 见 图 4 。为进一步研究粉煤灰对煤矸石轻骨料混凝土抗 冻性能的影响 ， 在 2 8 d抗冻试验的基础上进行了 6 0 d 抗 冻试 验 ， 结果 见 图 5 。 由 图 4、 图 5可 以看 出 ， 煤矸 石 轻骨 料混 凝 土 2 8 d 的抗冻性能随着粉煤灰掺量 的增加而 降低 ， 当粉煤灰 掺量不超过 3 0 时 ， 混凝 土质量损失率 的增加 、 相对 动弹性模量的下降幅度均较小， 粉煤灰掺量达 到 4 0 时 ， 变化幅度较大 ； 冻融 1 0 0次后 ， 混凝土质量损失率 均未超过 1 ， 相对动弹性模量均在 9 0 以上。混凝 土 6 0 d的抗冻性能均高于 2 8 d的 ， 粉煤灰掺量不超过 3 0 的煤矸石轻骨料混凝土相对动弹性模量已接近或 超过不掺粉煤灰混凝土。可见随着龄期 的增加 ， 粉煤 灰活性效应越来越明显 ， 提高了混凝土 的后期强度 和 1 2 O 铁道建筑 O 8 0 6 蓬 糌 水0 4 删 峰 0 2 1 0 O 篓9 6 慧9 4 靛9 2 罂 90 2 5 5 O 7 5 1 O 0 冻融次数 ( a ) 混凝土质量损失率 一 口 一粉煤灰 0 0 2 5 5 0 7 5 1 O O 冻融次数 ( b ) 混凝土相对动弹性模量 图 4 掺粉煤灰煤矸石轻 骨料混凝 土 2 8 d抗冻性能 0 6 o 。 一 2 l O O S 9 8 咖 9 6 慧 9 4 靛 9 2 罂 9 0 2 5 5 0 7 5 冻融次数 ( a ) 混凝土质量损失率 0 25 5 O 7 5 1 00 冻融次数 ( b ) 混凝土相对动 弹性模量 图 5 掺粉煤灰煤矸石轻骨料混凝土 6 0 d抗冻性能 密实性 ， 也有利于混凝土抗冻性能的提高。 2 5 掺 粉煤 灰煤 矸石 轻 骨料混 凝土 的抗碳 化性 能 选用粉煤灰掺量分别为 0 ， 1 0 ， 2 0 ， 3 0 ， 4 0 的煤矸 石 轻 骨 料 混 凝 土 ， 试 验 方 法 按 G B T 5 o o 8 2 2 0 0 9进行 ， 各掺量分别成型 3个 1 0 0 m m1 0 0 mm 3 0 0 mm棱柱体试件 ， 标准养护 6 0 d 后 ， 在碳化达到3， 7 ， 1 4 ， 2 8 d时测定和计算碳化深度 ， 结果见图 6 。 由图6可以看出， 煤矸石轻骨料混凝土的碳化深 图 6 掺粉煤灰煤矸 石轻骨料 混凝 土碳化深度 随时间变化曲线 度随着时间的增长而增加 ， 早期增长幅度较快 ， 后期增 长相对较慢。随着粉煤灰掺量 的增加 ， 混凝土 的碳化 深度不断增大， 当粉煤灰掺量不超过 3 0 时， 碳化 深 度随时间增长的幅度接近不掺粉煤灰混凝土 ， 当粉煤 灰掺量达到 4 0 时 ， 碳化深度增长幅度明显提高。可 见 ， 粉煤灰的掺人会降低混凝土的抗碳化能力 ， 但在一 定的掺量范围内， 选择合适的养护条件并适当延长养 护 时 间 ， 充 分 发 挥 粉 煤 灰 的活 性 效 应 ， 改 善 混 凝 土 的内部孔结构， 提高其密实性 ， 也可以提高混凝土的抗 碳化 性能 。 3 结 论 1 ) 粉 煤 灰 可 以 改善 煤 矸 石 轻 骨 料 混凝 土 的工 作 性 ， 当粉煤灰掺量不超过 3 0 时， 昆 凝 土拌 合物的坍 落度均 大于不掺粉 煤灰混凝 土， 且 黏聚性及保水性 良好 。 2 ) 随着粉煤灰掺量的增加， 煤矸石轻骨料混凝土 早期强度 降低 明显 ， 但后期强度增长高于不掺粉煤灰 混凝土。粉煤灰掺量不超过 3 0 时 ， 混凝土6 0 d的抗 压强度 已接近甚至超过不掺粉煤灰混凝土。 3 ) 粉煤灰 的掺入 明显提高 了煤矸石轻骨料混凝 土的抗渗性能。当粉煤灰掺量 为 3 0 时， 试件渗水高 度最小 ， 混凝土抗渗性最好 ， 即使掺量达 到 4 0 ， 试件 渗水高度也小于不掺粉煤灰混凝土。 4 ) 随着粉煤灰掺量的增加， 煤矸石轻骨料混凝土 2 8 d的抗冻性能有所降低 ， 但 随着龄期 的增 长， 粉煤 灰活性效应逐渐明显 ， 粉煤灰掺量不超过 3 0 的混凝 土 6 0 d相对动弹性模量 已接近或超过不掺粉煤灰混 凝土 ， 抗冻性能得到提高。 5 ) 粉煤灰会降低煤矸石轻骨料混凝土 的抗碳化 能力 ， 但粉煤灰掺量不超过 3 0 时 ， 碳化深度 随时问 增长的幅度较慢。 由以上分析可以看 出， 在煤矸石轻骨料混凝土中 掺入粉煤灰 ， 能够有效改善混凝土的工作性 、 后期强度 勰 2 问 时 化 碳 7 O 5 O gg 媾 2 0 1 4年第 3期 铁道建筑 Ra i l wa y En g i n e e r i ng 1 21 文章 编号 ： 1 0 0 3 - 1 9 9 5 ( 2 0 1 4 ) 0 3 0 1 2 1 0 3 石灰钢 渣挤密桩混合料 配比研究 杨广庆 ， 李三妮 ， 叶朝 良， 焦国木 ( 石 家庄 铁道大学 土木工程学院 ， 河北 石家庄0 5 0 0 4 3 ) 摘要 ： 对 1 2种配比的石灰钢渣挤 密桩试件进行 了无侧限抗压强度对比试验 ， 分析 了不 同龄期和不 同饱 水 时 间时桩体 试件 强度 的 变化规 律 。结果 表 明 ： 石 灰钢 渣挤 密桩 体混 合料 的最佳 配 比( 石 灰 ： 土 ： 钢 渣 ) 为7 ： 1 0 0 ： 3 0 ； 石 灰钢 渣挤 密桩 最 大无侧 限抗 压 强度 较 灰 土挤 密桩 提 高 6 0 左 右 ， 且 不 同饱 水 时 间时 石 灰钢 渣挤 密桩 的强度 均 比灰 土挤 密桩 高。 关键 词 ： 钢 渣 灰 土挤 密桩 最 佳 配比 无侧 限抗 压 强度 中 图分类 号 ： T U 4 7 3 1 文献 标识 码 ： A D O I ： 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 3 1 9 9 5 2 0 1 4 0 3 3 7 钢渣是一种工业废料 ， 已普遍应用于 国内外建筑 工程领 域。如 制备 掺 钢渣 水 泥或 掺 钢渣 水 泥 混凝 土 。 、 用石灰钢渣土作为道路基层或底基层材料 ， 用 钢渣 桩 进 行 地 基 处 理 等 。但 把 钢 渣 与 石 灰 同 时 应用到桩体 中的实践和研究还较少 。室内试验研究表 明 ， 在 石灰碱性环境 下 ， 石灰 能激发钢 渣 的活性 ， 加 速 钢渣的水化硬化 ， 可提高钢渣和石灰的强度和水稳性， 尤其是掺 细钢渣的石灰钢渣土其干缩 性能优于石 灰 土 ， 因此 可将钢渣桩 和石灰挤 密桩进行综合 改进 。 为了研究石灰钢渣挤密桩混合料的最佳配 比， 本 文依托河北省邢衡高速公路刚柔性长短桩复合地基试 验段 项 目进 行 了 室 内试 验 ， 试 验 根 据 公 路 工 程 无 机 结合料稳定材料试 验规程 进行 ， 研究 石灰钢渣挤密 桩 的强度 和水 稳性 ， 探讨 其 在地 基处 理 中的适 用性 ， 以 节约 工程 造价 ， 减 少钢 渣对 环境 的污 染 。 收稿 日期 ： 2 0 1 3 0 9 - 1 5； 修回 日期 ： 2 0 1 3 1 1 3 0 作者简 介： 杨 广庆 ( 1 9 7 1 - )， 男 ， 河北沧州人 ， 教授 ， 博士 。 1 石灰钢 渣挤密桩的强度形成机理 钢渣 中含 有 与硅 酸盐 水泥 熟料 相 似 的 C ： S和 c s ， 具有水化能力 ， 但 由于钢渣 的形成要经过高温和 急冷过程， 导致这些矿物活性明显 降低。研究表明， 掺 入一 定 的石灰 能 激发钢 渣 的活性 。钢 渣玻 璃体 的主要 化学键是 s i 一0和 A 1 一O， 它们分别 以 S i O 四面体 和 A I O 四面体或 A I O 配位 多面体 的形式存在 。 对于 S i O 四面体而言， 钢渣经过破碎后 ， 其表面存在 断键 ， 并 在碱 性 环 境 中发 生 化 学 反 应 而 生 成 H s i o ；， 类似地 A I O 生成 H A l O 一 ， H 。 S i Q -和 H 3 A I O ； 一进 而与 c a 和 N a 反应生成沸石类水化 产物 。沸石类 水化产物发生交织与连生 ， 使混合料 的网络结构逐渐 形 成 和 增 强 ， 有 利 于 其 强 度 的 形 成 和 水 稳 性 的 提高 。 游离氧化钙 f - C a O消解后生成 的 C a ( O H) ，能与 钢渣中的活性氧化物发生火山灰反应 ， 生成硅酸钙、 铝 酸钙凝胶 ， 这些水化产物将钢渣颗粒很好地胶结在 一 及耐久性。当粉煤灰掺量不超过 3 0 时， 煤矸石轻骨 料混凝土能够获得 良好 的使用性能 ， 能够满足铁路路 基 工程 的要 求 。 参 考 文 献 1 刘辉 高掺量粉煤灰 对高性 能混凝 土体积 稳定性 及耐久 性 的影响 J 铁道建筑 ， 2 0 1 0 ( 6 ) ： 2 4 2 7 2 朱凯 大掺量粉煤灰 对重交 通路 面混凝 土性能 的影响研 究 J 混凝 土 ， 2 0 1 1 ( 4 ) ： 1 2 4 1 2 6 3 中 华 人 民共 和 国 国家 质 量 监 督 检 验 检 疫 总 局 G B T 1 7 4 3 1 1 2 0 1 O 轻集料及其试 验方法 第 1 部 分 ： 轻集料 s 北京 ： 中国标 准出版社 ， 2 0 1 0 4 中华人 民共和 国住 房 和城 乡建 设部 G B T 5 0 0 8 0 -2 0 0 2 普通混凝 土拌合 物性 能试 验方法标准 S 北京 ： 中国建筑 工业 出版社 ， 2 0 0 3 5 中华人 民共 和国住 房 和城 乡建 设部 G B T 5 0 0 8 1 2 0 0 2 普通混凝土力学性 能试 验方法标准 S 北 京 ： 中国建筑工业 出 版社 ， 2 0 0 3 6 中华人 民共 和国住 房和城 乡建 设部 G B T 5 0 0 8 2 -2 0 0 9 普通混凝土长期性能 和耐久性 能试 验方法标准 S 北京 ： 中国 建筑工业 出版社 ， 2 0 0 9 7 吴克 刚， 谢 友均 ， 李 世材 粉煤 灰混凝 土 的抗 碳化性 能研究 J 粉煤灰 ， 2 0 0 8 ( 6 ) ： 3 4 3 7 ( 责任 审编葛全红)