煤矸石混凝土收缩性能的研究.pdf

2 0 1 5 年 第 1 0期 (总 第 3 1 2 期) Nu m b e r 1 0 i n 2 0 1 5 ( T o t a l N o 3 1 2 ) 混 凝 土 Co n c r e t e 原材 料及辅助物料 M ATE RI AL AND ADM I NI CLE d o i ： 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 2 3 5 5 0 2 0 1 5 1 0 0 1 7 煤矸 石混凝土收缩性 能的研 究 王睛 ， 赵振清 ，刘颖琦 ， 刘锁 ( 沈阳建筑大学 材料科学与工程学院， 辽宁 沈阳 1 1 0 1 6 8 ) 摘要： 通过煤矸石替代部分碎石、 粉煤灰作为矿物掺合料研究其对混凝土收缩性能的影响， 并通过优化设计方法确定复掺混 凝土抗收缩性能最佳配合 比。 研究结果表明 ， 随着煤矸石掺量在 3 0 5 0 、 粉煤灰掺量在 1 0 9 6 3 0 范围内增加 ， 混凝土的收缩 值逐渐降低， 且掺加煤矸石混凝土的收缩值低于未掺加煤矸石的混凝土收缩值。 2 8 d 混凝土收缩性能最优配合 比为煤矸石替代 碎石量 5 5 ， 水胶 比为 0 4 4 ， 粉煤灰掺量为 3 5 ， 此时混凝土收缩应变值仅为2 4 5 8 4 5 X1 0 。 关键词： 煤矸石 ； 粉煤灰； 混凝土；收缩； 优化设计 中图分类号： T U 5 2 8 0 4 文献标志码： A 文章编号： 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 5 ) 1 0 0 0 6 8 0 3 Re s e a r c h on s h r i n k a g e p e r f o r ma n c e o f c o a l g a n g u e c o n c r e t e WANG Qi n g， Z HAO Z h e n q i n g， L I U Y i n g q i ， L 【 ， S u o ( S c h o o l o f Ma t e ri a l s S c i e n c e a n d E n g i n e e ri n g ， S h e n y a n g J i a n z h u U n i v e r s i t y ， S h e n y a n g 1 1 0 1 6 8 ， C h i n a ) Abs t r ac t ： Cr us h e d s t o n e wa s p a r t i a l l y r e p l a c e d b y g a n g u e a n d fly a s h wa s a d d e d a s mi n e r a l a d mi x t u r e s ， i n wh i c h t h e s h r i n ka g e p e r f o r ma n c e o f c on c r e t e wa s i n v e s tig a t e d Th e o pti m a l d e s i g n s c h e me o f t h e r e s i s t a n c e t o s h r i n ka ge p e r f o r ma n c e o f c o mp o s i a d mi xtur e c o n c r e t e wa s d e rm i ne d b y o pt i mi z i n g d e s i g n Th e r e s ul t s s h o w tha t ， a s t h e a dd i t i o n o f ga n g u e i n c r e a s e d i n a mo un t s f r o m 3 0 t o 5 0 a n d fl y a s h i n c r e a s e d f r o m 1 0t o 3 0 ， t h e s h rin k a g e v a l ue o f t h e c o n c r e d e c r e a s e d b y d e g r e e s Th e s h rin k a g e v a l ue o f c on c r e a d d e d wi th ga n g u e wa s l o we r t h an tha t wi t h o ut g a ng u e The m i x t u r e o f o p t i m a l r e s i s t a n c e t o s h rin k a g e o f 2 8 d c o nc r e t e wa s t h a t the r e p l a c e me n t o f c r u s h e d s t o n e b y g an g u e wa s 5 5 wa t e r b i n d e r r a ti o wa s 0 4 4 fly a s h wa s 3 5 a n d c o r r e l a t e d s h rin k a ge v a l u e wa s 2 4 5 8 4 5 1 O- 。 Key wor ds： c o a l g a n g u e； f l y a s h； c o n c r e ； s h rink a ge； o p t i ma l d e s i g n 0 引 言 煤矸石是煤矿生产过程 中采煤 、 洗煤 时排放 的工业废 渣 。 目前我国煤矸石累计堆存量 已达 5 0多亿 吨 ， 占用 了大 量的土地， 同时， 煤矸石在自燃过程中不断排放有害气体， 严重污染环境 。 随着 国家环保力度 的加大 ， 解决 煤矸石 的综合利用显得尤 为重要 。 利用煤矸石生产混凝 土制品 ， 替代混凝土中部分碎石， 可以大量减少建筑行业对天然集 料 的使用 ， 具有较高 的经济效益和社会效 益。 粉煤 灰是燃 煤 电厂烟囱收集的灰尘 ， 是 一种工业 副产品 。 粉 煤灰掺 人混凝土 中， 不但 可 以节约水泥用 量 ， 而且 可以改善混凝 造成了混凝土容 易开裂 ， 尤其 在大体积混凝 土中 ， 此现象 更为明显 。 为 了深入研究混凝土 的收缩特性 ， 本研究分别 讨论煤矸石掺量 、 粉煤灰取代率及水胶 比等因素对混凝土 收缩性能的影 响规律。 在此基础上 ， 采用正交 优化设 计方 法， 得出掺煤矸石混凝土抗收缩性能的最佳配合比 。 1 原材料及试验 方法 1 1 原材料 ( 1 ) 水 泥 ： 采用 唐 山冀 东水 泥有 限公司生 产 的 P O 4 2 5级水泥 。 ( 2 ) 粗集料 ： 采用碎石和煤矸石 ， 连续级 配 ， 级 配范围 土的技术性能。目前 ， 混凝土收缩是非常普遍的现象 ， 而其 5 2 0 m m， 2 0 3 1 iT l i n ， 测试其物理性能指标见表 1 。 表 1 煤矸 石和 碎石 物理 性能指 标 ( 3 ) 粉煤灰 ： 大连德林建材有 限公 司所产粉煤灰 ， 其化 学成分见表 2 。 ( 4 ) 细集料 ： 试验采用的是河砂， 细度模数为 2 9 4 ， 属中砂。 收稿 日期 ： 2 0 1 5 一O 卜 1 3 基 金项 目： “ 十二五” 国家科技支撑计划课题 ( 2 0 1 2 B A J 1 7 B 0 1 ) 6 8 ( 5 ) 减水剂 ： 采 用聚羧 酸高效减 水剂和 萘系高效 减水 剂。 聚羧酸高效减水剂的减水率为 3 0 6 ， 含气量 为 4 5 ， 固含量为 1 8 2 4 ， p H值为 6 0 3 ， 掺量在 1 2 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 表 2粉煤灰 的化 学成 分 1 2试 验 方 法 本试验采 用 S P 5 4 0型混凝 土 收缩仪 ， 其 测量 标距 为 5 4 0 r n n l ， 装有精度为 0 0 1 m m 的百分表 ， 同时配有钢制 的 标准杆 以校核百分表 的读数 j 。 混凝土收缩试件在浇筑完 成 2 4 h后 ， 拆模立即测定试件长度 ， 之后按要求每隔几天 测试一次 ， 待后期收缩稳定后 ， 可相应延长间隔时间。 通过对混凝土收缩试件长度的测定 ， 可得 到每组试件 各龄期 的长度值 ， 按收缩应变计算公式计算 每组试件各龄 期混凝土收缩应变 。 ，一 r 8 = _ 1 0 0 ( 1 ) Lb 式 中： s 龄期为 t 时混凝土收缩应变值( 取 3 个试件 的 平均值) ， t 从初始测定试件长度时算起 ： L t 试件在龄期为 t 时测得的长度 ， m m； L 试件在初始 时刻测得 的长度 ， m m； L h 试件 的测量标距 ， 用混凝土收缩仪测定 时， 等 于初始时刻试件两 测头 内侧 的距离 ， 即等于 混凝 土试件长度( 不计测头凸出的部分 ) 减去 2倍测头埋入深度 ， m m。 1 3试 验 方案 先分别 以煤矸石掺量 、 粉煤灰 取代率 、 水胶 比三个 因 素作为单因素变量研究对混凝土收缩性能的影 响规律 ， 确 定各 因素变量范 围， 在 此基 础上 ， 进行三 因素 三水 平正交 优化试验， 因素水平表见表 3 。 表 3 正交优化试验因素水平表 2 试验 结果与分析 2 1 煤矸 石掺 量的影 响 煤矸石取 代碎 石分 别 为 0 、 3 0 、 4 0 、 5 0 ， 对 应 M ( 0 ) 、 M ( 3 0 ) 、 M ( 4 0 ) 、 M ( 5 0 ) 四组试验 ， 测试龄期 1 2 0 d内混凝土的收缩值 ， 并计算其收缩应变 。 在不 同龄期 下煤矸石掺量对混凝土收缩应变影响规律如图 1 所示 。 5O O 450 4 0 0 _。3 5 0 氟3 0 0 2 5 0 篓 2 o o 1 5 0 1 0 0 5 O 龄期 d 图 1 煤矸石掺量对混凝土收缩应变的影响 由图 1可知 ， 掺煤 矸石混凝 土 收缩值 随着龄 期 的延 长 ， 混凝土收缩应变 曲线趋势类似 。 与不掺煤矸石相比 ， 煤 矸石掺量在 3 0 5 0 范 围内变化时 ， 随着煤矸石掺量 的 增加 ， 混凝土的收缩值逐渐减小 ， 在早期 ， 煤矸石掺量 的变 化对混凝土收缩影响不 大， 龄期 1 4 d之后， 混凝 土收缩值 增幅较大 ， 但掺煤矸石混凝土的收缩增 幅普遍小于不 掺煤 矸石混凝土 。 当煤矸石掺量为 3 0 、 4 0 、 5 0 时 ， 掺煤矸石 混凝土 1 2 0 d收缩应变值分别 比不掺煤矸石混凝土减小了 6 4 、 9 3 、 2 0 8 。 煤矸石的堆 积密度 大于碎石 的堆积密 度， 随着煤矸石掺量的增加， 使得粗集料的体积分数增加， 而集料本身对混凝土的收缩起一定 限制作用 ， 因此显示 出 随着煤矸石掺量的增加 ， 混凝土 的收缩应 变减小 j 。 当煤 矸石掺量超过 6 0 时 ， 昆 凝 土力学性能 达不到设计要求 ， 故煤矸石掺量在 5 0 左右 。 2 2 粉煤灰掺 量的影响 粉煤灰掺量分别为 1 0 、 2 0 、 3 0 ， 对应为 F ( 1 0 ) 、 F ( 2 0 ) 、 F ( 3 0 ) 三 组试 验 ， 测试 1 2 0 d内混凝 土收缩 值 ， 并计算收缩应变值。 在不同龄期下粉煤灰掺量对混凝 土收缩应变影响规律见图 2 。 婚 龄 期 d 图 2粉煤 灰掺 量对 混凝 土收缩 应变 的影 响 由图 2可知 ， 随着龄期 的增长 ， 混凝土的收缩应 变总 体是增大的。 在龄期为 7 d之前 ， 不同掺量 的粉煤灰对 混 凝 土收缩应变影 响不大 ； 当龄期 7 d后 ， 混凝土 的收缩应 变迅速增加 ， 且 随着粉煤灰 掺量的增加 ， 混凝土 收缩 应变 增幅逐渐减小 ， 当龄期为 1 2 0 d时 ， 粉煤灰掺量为 3 0 的混 凝 土收缩应变 明显小 于粉煤灰掺量为 1 0 的粉煤灰 ， 即较 高掺量粉煤灰对混凝土收缩应变能起到很好的抑制作用。 由于存在混凝 土中未水化 的粉煤灰颗粒 和水 泥颗粒对混 凝土 自身收缩具有 约束作用 ， 当用水量一定 时 ， 粉煤 灰 的 掺量越大 ， 未水化 的水 泥颗粒和粉煤灰颗粒 将会增加 ， 使 其约束相 的数量增加 ， 进而使混凝土 的收缩应变减 小 。 当粉煤灰掺量超过 4 0 是对混凝土力学性能影 响较大 ， 故 选择粉煤灰掺量范 围在 3 0 左右 。 2 3水胶 比的影响 水胶比分别为0 3 4 、 0 3 8和0 4 2 ， 对应 w ( 0 3 4 ) 、 w ( 0 3 8 ) 、 w ( O 4 2 ) 三个组 ， 测试 1 2 0 d内混凝土收缩值 ， 并 计算收缩应变值 。 在不 同龄期下水胶 比对混凝土收缩应变 6 9 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 影响规律如图 3所示。 600 5 0 0 0 0 接 3 o o 2 O O 1 00 0 2 0 4 0 6 O 8 O l O 0 1 2 O 龄期， d 图3水胶比对混凝土收缩应变的影响 收缩影响不大 ， 当龄期为 1 4 d之后 ， 不同水胶 比下的混凝 土的收缩应变迅速增大 。 当龄期达到 1 2 0 d时 ， 水胶 比为 0 4 2的混凝土相较于水胶 比为 0 3 4的混凝土收缩应变减 少 了 2 4 9 ， 即在一定的水胶 比范围 内， 水胶 比越大 ， 混凝 土的收缩应变越小。 水胶 比越低 的 昆 凝土 ， 其 内部 的细化 程度越高 、 最大孔径越小 ， 因此混凝 土内部孔 的临界 半径 也越小 ， 引发的 自收缩就越大 ， 所 以低水胶 比的凝土 的收 缩应变大于高水胶 比的混凝土 。 当水胶 比超过 0 4 5后 ， 混凝土强度降低较大 ， 故选择水胶 比在 0 4 2左右 。 2 4 正 交试验结果与分析 由图 3可知 ， 随着混凝土凝结硬化 时间 的增长 ， 混凝 以混凝土 2 8 d收缩应变为考核指标 ， 混凝土正交试验 土的收缩 随之 增大 。 在龄期 为1 4 d 之前 ， 水胶 比对 混凝土 方案及结果见表 4 。 表 4 混凝土正交试验方案及结果 通过极差分 析 ， 根据极差值大小 比较 ， 水胶 比对混凝 土的收缩应变影 响最大 ， 粉煤灰取代率次 之 ， 煤矸 石掺量 影响最小 。 通过 k 、 k 、 k ， 值的纵 向比较 ， 混凝 土收缩应变 值随着水胶 比和粉煤灰取代率增大而减小 ； 随着煤矸石掺 量的增大混凝土收缩应变值呈现出先增大后减少的趋势。 根据 直 观 分 析 结 果 可 得 正 交 设 计 的优 化 方 案 是 A 3 B 3 C 3 ， 即煤矸 石掺量为 5 5 ， 粉煤灰掺量 3 5 ， 水胶 比 为 0 4 4 ， 此时混凝土收缩应变最小 ， 仅为 2 4 5 8 4 5 x 1 0 。 3 结 论 ( 1 ) 随着煤矸石掺量增 多， 混凝土收缩逐渐减小 ， 当煤 矸石掺量为 3 0 、 4 0 、 5 0 时 ， 掺煤矸石混凝土 1 2 0 d收缩 应变值 分别 比不 掺 煤 矸 石 混 凝 土 减 小 了 6 4 、 9 3 、 2 0 8 。 ( 2 ) 在龄期为 7 d之前 ， 不 同掺量 的粉 煤灰对混凝土 收缩影响不大 ； 当龄期 7 d后 ， 混凝 土的收缩应变 迅速增 加 ， 且随着粉煤灰掺量在 1 0 3 0 范 围内增加 ， 混凝土收 缩应变增幅逐渐减小 。 ( 3 ) 在龄期为 1 4 d之前 ， 水胶 比对混凝 土收缩影响不 大 ； 当龄期为 1 4 d之后 ， 不同水胶 比下 的混凝土的收缩应 变迅速增大 。 水胶 比在 0 3 4 - 0 4 2范围 内变化 ， 水 胶 比越 大 ， 混凝土 的收缩应变越小 。 当龄期达到 1 2 0 d时， 水胶 比 为 0 4 2的混凝土相较于水胶 比为 0 3 4的混凝土收缩应变 减少了 2 4 9 。 7 0 ( 4 ) 根据正交试验可知 ， 煤矸石替代碎石量为 5 5 ， 粉 煤灰取代水泥量为 3 5 ， 水胶 比 0 4 4 ， 混凝 土 的收缩应 变 值最小 ， 仅为 2 4 5 8 4 5 1 0 。 参考文献 ： 1 苌现伟 应用煤矸石回填高速公路路基 J 交通世界， 2 0 1 3 ( 9 ) ： 1 8 71 8 8 1- 2 李永生， 郭金敏 煤矸石及其综合利用 M 徐州： 中国矿业大 学出版社 ， 2 0 0 6 3 宋旭艳 ， 宫晨琛， 李东旭 煤矸石活化过程中结构特性和力学 性能的研究 J 硅酸盐学报 ， 2 0 0 4 ， 3 2 ( 3 ) ： 3 5 8 3 6 3 4 王铁成 ， 王永平 混凝土收缩试验研究 天津 ： 天津大学， 2 0 0 4 ： 1 5 3 7 5 高原 ， 张君， 韩宇栋 混凝土超早期收缩试验与模拟 硅酸盐学 报 ， 2 0 1 2 ， 4 0 ( 8 ) ： 1 0 8 8 1 0 9 4 1- 6 张君， 侯东伟 ， 高原 混凝土自收缩与干燥收缩的统一内因研 究 清华大学学报 ， 2 0 1 0 ， 5 0 ( 9 ) ： 1 3 2 1 1 3 2 4 7 M B a o g u o ， W X i a o d o n g ， W Mi n g y u a n D r y i n g S h r i n k a g e o f Ce me n tBa s e d M a t e r i a l s Und e r Co n d i t i o n s o f Co ns t a n t Te rn p e r a t u r e a n d V a r y i n g H u mi di t y J J o u r n a l o f C h i n a U n i v e r s i t y o f Mi n i n g&T e c h n o l o g y， 2 0 0 7， 1 7 ( 3 ) 第一作者 ： 王睛( 1 9 6 5一) ， 女 ， 教授 ， 主要从事严寒地区混凝土高 性能化研究。 联系地址： 沈阳币浑南新区浑南东路 9号 沈阳建筑大学材料学 院( 1 1 0 1 6 8 ) 联 系 电话 ： 1 3 8 9 8 8 6 4 6 2 6 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m