自燃煤矸石粗集料特性对混凝土拌合物工作性影响研究.pdf

第3 6 卷第 1 期 2 0 1 3 年 1 月 非金 属 矿 N on M e t al l i c M i r l es Vo 1 3 6 NO 1 自燃煤矸石粗集料特性对混凝土拌合物工作性影响研究 周梅王强牟爽 ( 辽宁工程技术大学 建筑工程学院，辽宁 阜新1 2 3 0 0 0 ) 摘要利用自燃煤矸石取代天然石材作粗集料配制煤矸石砂轻混凝土， 并实现预拌混凝土大流动性的 目 标。采用正交设计， 选取代表粗集 料特性的附加用水量 、 砂率及颗粒级配范围 3个影响 因素 ， 研 究三者对 自燃煤矸石砂轻混凝土拌合物工作性的影响及变化规律。结果表 明， 附加 用 水量对 自燃煤矸石砂轻混凝土拌合物工作性影响最大， 其次是砂 率及煤矸石级配。 当粗 集料附加 用水量为吸水率的 7 8 、 砂 率为 4 4 及煤矸石颗 粒级配范围为 m ( 5 1 0mm)： m( 1 0 1 5 mm)： m( 1 5 2 0 mm) = 7： 4 7： 4 6时， 拌舍物在保持粘聚性和保 水性能 良好的前提下， 流动性最大， 且满足 C 2 0 强度等级的设计要 求。 关键词煤矸石砂轻混凝土工作性 附加用水量砂率颗粒级配 中图分类号： T U 5 2 8 2 文献标识码： A 文章编号： 1 0 0 0 - 8 0 9 8 f 2 o 1 3 ) o 1 - 0 0 0 8 - 0 4 Th e Ef f e c t s o n W o r k a b i l i t y o f Co nc r e t e M i x t u r e o f S p o n t a ne o u s Co mbu s t i o n Co a l Ga n g u e Co a r s e Ag g r e g a t e Ch a r a c t e r i s t i c s Z h o uMe i Wa n gQi a n g Mu S h u ang ( I n s t i t u t e o f Ar c h i t t e c t u r e and C i v i l E n g in e e ri n g ， L i a o n i n g T e c h n i c a l Un i v e r s i ty , F u x i n ， L i a o n i n g 1 2 3 0 0 0 ) Ab s t r a c t Us i n g s p o n t a n e o us c o mb us t i o n c o a l g a n g ue I n s t e a d o f n a t u r a l s t o ne a s c o a r s e a g g r e g a t e t o p r e p a r e g an g u e s a n d l i g h t we i g h t c o n c r e t e ， a n d r e a l i z i n g t h e m o b i l i t y t a r g e t of r e a d y m i x e d c o n c r e t e Th e or t h o g o n a l d e s i g n wa s us e d t o s e l e c t t h e a d d i t i o n a l wa t e r c o n s u mpt i o n of c o a r s e a g g r e g a t e ， s and r a t i o a n d g r a d a t i o n o f t he c o a r s e a g g r e g a t e pa r t i c l e s r a n g e a s t h r e e i n fl u e n c i n g f a c t o r s f o r t h e r e s e a r c h o f s p o n t a n e o u s c o mb u s t i o n t h e g a n g u e s an d l i g h tw e i g h t c o n c r e t e m i x t u r e wo r k a bi l i t y a n d v a r i a t i o n Th e r e s u l t s s ho we d tha t ： t h e a d d i t i o n a l a mo u n t o f wa t e r i mp a c t e d mo s t ly o n t h e s p o n t a n e o u s c o mb u s t i o n c o a l g a n g u e s and l i g h twe i g h t c o n c r e t e mi x t u r e wo r k a b i l i ty, f o l l o we d b y t h e gra d i n g o f g ang u e and s a n d r a t i o Wh e n t h e c o a r s e a g g r e g a t e a d d i t i o n a l a mo u n t o fw a t e r i s 7 8 o f wa t e r a b s o r p t i o n r a t e ， s a n d r a t i o i s 4 4 a n d g angn e p a r t i c l e s i z e d i s t r i b u t i o n r ang e i s m( 5 1 0 mm1： m( 1 O 1 5 mm)： m( 1 5 2 0 mm) b e i n g 7： 4 7： 4 6 ， t h e mi x t u r e u n d e r t h e p r e mi s e o f ma i n tai n i n g g o o d c o h e s i v e n e s s and w a t e r r e t e n t i o n p r o p e r t i e s ， it h a s t he mo s t l i q u i d ， a n d me e t t h e d e s i g n r e q u i r e me n t s t r e n g t h gr a d e o f C20 K e y wo r ds c o a l g a n g ue s an d l i g h tw e i g h t c o nc r e t e wo r k a d d i t i o n a l wa t e r c o n s u mp t i o n s a n d r a t i o p a r t i c l e s i z e di s t r i b u t i o n 在混凝土应用与发展过程中， 伴随着 巨大的资源 和能源消耗以及环境污染。因此 ， 对混凝土原材料资 源合理开发以及工业固体废弃物在混凝土中再循环 利用的研究就显得尤为重要。 阜新市矿区常年经受风化侵袭， 周边地区有矸石 山2 3处 ， 压占土地 1 9 4 x 1 0 h m2 ， 累计堆存量约 1 9 8 8 亿 t I 1 。利用 自燃煤矸石作集料配制混凝土有重要的 现实意义 。随着现浇混凝土的普及， 特别是预拌混凝 土的推广应用， 自燃煤矸石集料混凝土受到很大限 制。这是因为煤矸石自燃后具有吸水率大的特性， 现 场搅拌时加在混凝土中的部分拌合用水被 自燃煤矸 石集料吸收， 使得拌合物过于干稠， 不能满足施工 的 流动性要求。本试验以 自燃煤矸石砂轻混凝土在高 度协调中实现大流动性为研究目标， 从自 燃煤矸石粗 收稿 日期 ：2 0 1 2 1 1 - 2 5 基金项 目：国家 自然科学基金煤炭联合基金( U1 2 6 1 1 2 2)。 一 8 集料材质特性入手， 研究 自燃煤矸石砂轻混凝土拌合 物工作性的主要影响因素， 为 自燃煤矸石砂轻混凝土 的设计及应用提供理论基础。 1 实验部分 1 1 原料 自燃煤矸石粗集料， 选取阜新新邱露天矿 自燃煤 矸石 ， 粗集料加工过程为 ： 自燃煤矸石一大锤破碎叶 颚式破碎机破碎一对其中粒径较大针片状骨料进行 挑选并小锤破碎叶筛分出各级配煤矸石 组配。其 主要技术性质指标见表 1 2 】 。 胶凝材料， 阜新大鹰牌4 2 5 普通硅酸盐水泥 ( E O) ， 阜新热 电厂 I级粉煤灰； 阜新 红帽子天然河 砂， 细度模数 Mx 2 8 ， 级配为 I I 区， 含水率 3 0 2 ， 含 泥量 2 8 ； 普通 自来水 ； 减水剂 ， 棕色粉末状萘系高 效减水 剂， 减水率 1 5 1 7 ， 掺 量 0 9 5 ； Z Y - 9 9 型 三萜皂甙引气剂， 掺量 0 0 0 5 7 ， 每立方米混凝土中 引入的气泡数多达 1 0亿个以上。 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 表1 自燃煤矸石粗集料主要技术性质指标 1 2 试验 设计 1 2 1 正交试验设计： 为研究 自燃煤矸石粗集料特性 对煤矸石砂轻混凝土拌合物工作性的影响， 选取影响 粗集料体积含量的砂率、 煤矸石级配范围以及煤矸石 附加用水量 3个影 响因素 ， 每个 因素选择 5个水平， 按正交表 ( 5 ) 安排试验， 因素水平值见表 2 。 表2 正交试验因素水平表 注 ：附加用水量是与粗集料2 4 h 吸水率的百分比。 1 2 2 配合比： 由表 1 可知， 新邱矿 自 燃煤矸石表观 密度处于轻集料上限和普通天然集料下限之间， 没有 适用的配合 比设计方法。本试验仍按照 J G J 5 5 2 0 1 1 普通混凝土配合比设计规程 进行 C 2 0 强度等级的 混凝土配合比设计， 考虑到粗集料吸水率大 的特性， 增加了附加用水量 。施工要求实现预拌混凝土大流 动性的 目标 ， 因此坍落度 日1 6 0 1T I 1 T I 。 表3 C 2 0 燃煤矸石砂轻混凝土试验配合比及拌合物工作性指标 注：基 准配合比 中的水是拌合水用量 ，不 包括 附加 水用量。 9一 第3 6 卷第1 期 非金 属矿 2 0 1 3 年1 月 为实现大流动性混凝土配制要求， 采用掺入粉煤 灰、 引气剂以及附加用水等措施。试验选用 I 级粉煤 灰超量取代水泥， 取代率 3 0 。现场拌合用水分为两 部分 ： 拌合用水及附加用水 。自燃煤矸石粗集料吸水 率随时间变化曲线 ， 见图 1 。由图 1 可知 ， 自燃煤矸石 在 1 0 mi n时吸水量已达到其 2 4 h吸水率的 9 8 8 ， 因 此选择在搅拌前 1 0 m in 先用附加用水将粗集料润湿。 时 14 f ll i 图1 自燃煤矸石粗集料吸水率随时间变化曲线 1 2 - 3 搅拌与测试 ： 实验室搅拌投料顺序见图 2 。按 照 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 3 1 对混凝土拌合物工作性进行实测和观测 ， 正交实验结果见表 3 。 提前1 0 m i n 润湿 塑 附加用水l I 搅拌1 2 0 s 图2 自燃煤矸石砂轻混凝土搅拌投料顺序 2 结果与讨论 2 1 极差分析正交试验结果极差分析见表 4 ， 附加 用水量、 砂率、 粗集料颗粒级配对坍落度影响分别见 图 3 图 5 ， 粗集料颗粒级配对空隙率影响见图 6 。 表4 正交试验结果极差分析 由表 4和图 3 图 5 可知， 对 自燃煤矸石砂轻混 凝土工作性影响的主次顺序为： 附加用水量 砂率 级配范围。综合考虑煤矸石砂轻混凝土拌合物的 粘聚性和保水性 ， 选取最优配合 比为 A B C ( 即砂率 4 4 、 煤矸石级配范围为 7： 4 7： 4 6 、 煤矸石粗集料 的 附加用水量为煤矸石饱和吸水量的 7 8 ) 。 2 2 方差分析正交试验结果方差分析见表 5 。由 表 5 可知， 附加用水量对煤矸石砂轻混凝土坍落度的 影响特别显著， 砂率影响一般， 而煤矸石级配对坍落 一 1 0 230 220 至 2 1 0 萄2 0 0 1 90 睿 1 8 O 1 70 1 60 图3 225 22 0 l 2 1 5 0 艘 2 0 5 赛 2 0 0 1 9 5 1 9 0 附加 用水 量 附加 用水量对坍 落度的影 响 砂率 7 ： 2 3 ： 7 0 7 ： 3 1 ： 6 2 7 ： 3 9 ： 5 4 7 ： 4 7 ：4 6 7：4 5 ： 3 8 粗 集料 颗 粒 级 配 范 围 图5 粗集料颗粒级配对坍落度的影响 0 64 0 62 O 6 O 0 58 凿 0 56 制 0 5 4 O 52 0 5 0 度无明显影响。 表5 正交试验方差分析 耄 苎 自 由 度均 方F 值 来 源 平 方 和 一 F 临 界 值 显 著 性 O 1 0 0 5 0 O1 2 _ 3 回 归分析 2 3 1 建立以坍落度为 目标函数的回归方程 ： 通过对 试验结果进行回归分析， 建立 自燃煤矸石砂轻混凝土 流动性影响的定量关系式。采 用正交多项式回归方 法， 将 自 燃煤矸石砂轻混凝土拌合物坍落度的效应函 数设为三次正交多项式： Y = ) + 1 P1 ) + J P 2 ) + fl 3 P 3 ( x ) + e ( 1 ) 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 将表 3中的试验数据代入回归模型， 利用最小二 乘法， 求得各项回归系数 ， 回归方程为 ： Y=24 30- 3 61 4 08 X +0 6 7 X 2 - 0 0 0 6 6 2 X ( 2 ) 式中： Y ， 混凝土拌合物坍落度， mm； 五 煤矸石粗集料 的附加用水量。 2 3 2 回归方程显著性检验 ： 对回归系数 进行显 著性方差检验 ， 见表 6 。 表6 坍落度回归方差分析 注：F o 1 ( 1 ， 1 2 ) 3 1 8 ，F o o 5 ( 1 ， 1 2 ) = 4 7 5，F o o 1 ( 1 ， 1 2 ) 9 3 3 。 由 最 优 条 件 计 算 出 坍 落 度 预 报 值 为 Y = 2 1 4 6 ton i ， 预报误差 S y =1 1 3 4 。 2 4 各影响 因素对混凝土拌合物工作性影响分析 2 4 1 附加用水量 ： 附加用水量是被集料完全 吸收 的水分， 这部分水在拌合物中不能起到润滑和提高 流动性 的作 用， 它是集料吸水至饱和面干状态 时的 用水量 【4 J 。 自燃煤矸石疏松多孔的特性使其在拌合 时会大量吸取拌合用水 ， 致使拌合用水减少， 拌合物 变干稠。试验表明附加用水是影响自燃煤矸石砂轻 混凝土坍落度的主要因素， 由图3 可知， 随着附加用 水量增加， 拌合物坍落度明显递增 ， 当附加用水量为 粗集料饱和吸水的 7 8 时， 坍落度达到峰值 ， 之后， 附加用水量增加， 坍落度基本不变 ， 不仅易造成拌合 物 的粘聚和保水性变差 ， 出现离析， 泌水和分层现象， 而且影响硬化混凝土的强度和耐久性。 2 4 2 砂率 ： 砂率是指混凝土中细集料质量 占集料总 质量的百分比。合理的砂率不仅可保证混凝土坍落 度最大， 且胶凝材料 用量最少 。由图 4可知， 砂率为 0 4和 0 4 4 时， 坍落度较大； 砂率为0 3 8 和 0 4 6时坍 落度较小。因为砂率为 0 3 8 时， 细集料较少， 形成砂 浆量不足以包裹煤矸石粗集料表面， 不能填满石子间 空隙 ， 即煤矸石间没有足够的砂浆润滑层， 不但降低 了混凝土拌合物的流动性， 而且会严重影响其粘聚性 和保水性 ， 使混凝土产生粗集料离析、 水泥浆流失 ， 甚 至出现溃散现象。砂率为 0 4 6时， 集料总表面积和 空隙率均增大， 在胶凝材料一定 的情况下， 集料颗粒 表面水泥浆层相对变薄 ， 拌合物显得干稠， 流动性变 小。因此， 对于 自然煤矸石砂轻混凝土而言， 砂率选 择 0 4 - 0 4 4比较合理。 2 4 - 3 颗粒级配范围： 以往研究混凝土级配是为了获 得最大密实度， 提高混凝土强度， 但忽视了粗集料级 配和粒形对混凝土拌合物工作性能也有很大影响 5 】 。 从 图 5可看 出， 在 自燃煤矸石粗骨料 中， 粒径为 1 0 1 5 l r l l Y l 和 1 5 2 0 1 y l r l l 的比值在 2 3 7 0 - 3 9 5 4范 围 内时， 随着粒径为 1 0 - 1 5 IT IIT I 粗集料含量的增加， 坍 落度逐渐减小。主要原 因， 粗集料中较细颗粒增多， 集料比表面积增大， 集料表面吸附水量就增大； 粗集 料中较大粒径含量越多， 拌合物稳定性越差， 越容易 发生崩塌现象。由图 6 可知， 随着煤矸石级配范围的 变化， 粗集料空隙率 由 0 5 3增加到 0 6 2 ， 在细集料和 胶凝材料不变 的前提下， 包裹集料的浆体减少， 粗集 料表面的砂浆润滑层变薄， 起不到润滑、 “ 悬浮” 作用， 将粗集料彼此之间点、 面的柔性接触变为润滑层之 间 的刚性接触， 从而增大了混凝土拌合物中由于粗集料 的相互接触碰撞而带来的内摩擦力， 这使混凝土拌合 物坍落度减小 】 。 从图 5 还可看出， 当粗集料粒径为 1 0 -1 5 mn l 和 1 5 - 2 0 1 T I 1 T I 的比值在 3 9 5 4 - 4 5 3 8 范 围内时， 随着粗 集料粒径为 1 0 - 1 5 n q_n l 含量的增加， 坍落度逐渐增 加。由图 6可知， 此时的粗集料所组成的骨架中空隙 率逐渐减小， 从而使拌合物的粗集料能被浆体较好地 包裹 ， 并且形成相对稳定、 不易离析的拌合物。 3 结论 1 自燃煤矸石 砂轻混凝 土拌合物工作性 影响 因素主 次顺序为粗 集料 附加 用水 量 砂率 粗集 料级 配范 围。 自燃 煤矸石砂轻混凝 土拌合物 工作 性最优配合 比： 附加用水量为粗集料饱和吸水率 的 7 8 ， 砂率 4 4 ， 煤矸石级配范围比值 m( 5 1 0 mm )： m OO -1 5 mm)： m ( 1 5 2 0 r n m) = 7： 4 7： 4 6 。 2 通过 回归分析建立了附加用水量对 自燃煤矸 石砂轻混凝土拌合物坍落度影响的定量关系式， 求出 最优配合比的拌合物坍落度为 2 1 4 6 mm， 实现了制备 大流动自 燃煤矸石砂轻混凝土的配制目 标。 参考文献 ： 【 1 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 2 周梅 ， 田爽 ， 郭涛， 等 自燃煤矸石配制混凝 土的试验研究 叨 硅酸 盐通报 ， 2 0 1 1 ， 3 O ( 5 ) ： 1 2 2 1 1 2 2 6 3 】中华人 民共和国建设部 GB 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 4 】 秦拥军 ， 祁忠科 ， 罗超 影响再生混凝土和 易性的初 步试验分析 【 J 混凝土 ， 2 0 1 2( 2 ) ： 8 1 8 2 ， 8 5 5 】 任峰 集料对混凝土性能影响的试验研究 D 大连： 大连理工大学， 2 0 0 7 6 曹明莉 混凝土架构模型研究 D 大连： 大连理工大学， 2 0 0 9 风