化学腐蚀作用下煤矸石混凝土力学特性试验.pdf

第3 9 卷第4 期 2 0 1 6 年7 月 非金 属矿 No n M e t a 1 l i c M i n e s Vo 1 3 9 NO 4 J ul y ，201 6 化学腐蚀作用下煤矸石混凝土力学特性试验 李思慧刘海卿 ( 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 ) 摘要探究煤矸石混凝土在化学腐蚀条件下的力学特性， 以不同p H值化学溶液浸泡过的试样为研究对象进行三轴压缩试验， 通过浸泡过 程中试样质量变化、 溶液p H值变化及三轴压缩试验结果， 分析不同p H值化学溶液对煤矸石混凝土力学特性的影响。结果表明： 随着浸泡时间的 增长， 每种试样都有质量损失， 而且溶液的p H值都稳定趋于碱性； 围压大小与溶液p H值都是影响煤矸石混凝土力学特性的重要因素， 在围压相同 的情况下 ， 随着溶液 p H值 的增 大， 试样 三轴压缩试验的强度随之增加 ； 在溶液 p H值相 同的情况下， 随着围压的增大， 试样三轴压缩试验的强度随 之增加 ； 并进一步分析 了化学溶液对试样的腐蚀机理 。 关键词 混凝土； 煤矸石； 化学腐蚀； 三轴压缩试验； 腐蚀机理 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 ( 2 0 l 6 1 0 4 0 0 5 6 - 0 4 Co a l Ga n g u e Co n c r e t e M e c h a n i c s Pe r f o r ma n c e T e s t u n d e r Ch e mi c a l Co r r o s i o n Li Si h u i Li u Ha i q i n g ( C o l l e g e o f C i v i l a n d T r a n s p o r t a t i o n ， L i a o n in g T e c h n i c a l U n i v e r s it y , F u x i n ， L ia o n i n g 1 2 3 0 0 0 ) A b s t r a c t Ex p l o r e t h e me c ha n i c a l p r o p e r t i e s o f c o a l ga n g ue c o n c r e t e u n de r t h e c on d i t i o n o f c h e m i c a l c o r r o s i on ，c he m i c a l s o l u t i o n s wi t h d i ff e r e n t p H v a l u e o f s o a k e d s a mp l e s a s t h e r e s e a r c h o b j e c t t o c a rr y o n t h e t r i a x i a l c o mp r e s s i o n t e s t ， t h r o u g h s o a k i n g i n t h e p r o c e s s o f s a mp l e q u a l i ty c h a n g e s ， s o l u t i o n p H a n d t r i a x i a l c o mp r e s s i o n t e s t r e s ul t s f o r t h e a n a l y s i s of d i ffe r e n t c h e mi c a l s o l u t i o n p H e ffe c t s o n c o a l g a n g u e c o n c r e t e me c h a n i c a l p r o p e rti e s Re s u l t s s h o w t h a t a l o n g with th e i nc r e a s e o f i mm e r s i o n t i me ， e a c h s a m p l e h a s q u a l i t y l o s s ， a n d th e p H o f t h e s o l u t i o n i s s t a b l e t o a l k a l i n e ； Co n fini n g p r e s s ur e s i z e a n d s ol u t i o n p H v a l u e s a r e t h e im p o r t a n t f a c t o r s t ha t a f f e c t c oa l g a n g u e c o n c r e t e m e c h a n i c a l p r o p e r t i e s ， u n d e r t h e s a m e c o n fi ni n g p r e s s u r e ， wi th the inc r e a s e o f s o l u t i o n p H v a l ue ， t h e s t r e n g t h o f t h e s a m p l e o f t r i a x i a l c o m p r e s s i o n t e s t a l s o wi l l i n c r e a s e ， i n s o l u t i o n p H v a l ue o f t h e s a me c i r c ums t a n c e s ， wi th the i n c r e a s e o f c o n fin i n g p r e s s u r e ， t h e s t r e n g t h o f t h e s a mpl e o f t r i a xi a l c o mp r e s s i o n t e s t a l s o wi l l i n c r e a s e ； An d f u r t h e r a n a l y s e s the c o r r o s i o n me c h a n i s m o ft h e c h e mi c a l s ol u t i o n f o r s a mp l e Ke y wor d s c o n c r e t e ； c o a l g a ng ue ； c h e mi c a l c o r r o s i o n ； t r i a x i a l c o m p r e s s i o n t e s t ； c o r r o s i o n me c h a ni s m 近年来， 煤矸石在发电、 塌陷区回填和建筑材料 等领域已得到应用， 将煤矸石作为骨料拌制混凝土， 既能达到混凝土在工程应用上的强度要求 ， 又能节省 天然集料使用量 1-5 o李永靖等 对煤矸石混凝土和 普通碎石混凝土的干燥收缩和抗冻性能进行 了对比 分析 ， 探讨了煤矸石混凝土的耐久性。段晓牧等 _ 1 分 析 了煤矸石细集料的活性对水泥砂浆微观结构和强 度发展的作用机理。詹炳根等 将煤矸石掺入具有 潜在碱硅酸反应的混凝土中， 发现煤矸石对混凝土的 碱硅酸反应有较好的抑制作用。张欣等 9 研究了煤 矸石泡沫混凝土与早强剂的相容J陛、 早强效果和影响 抗压强度的因素。周梅等 0 运用煤矸石、 煤矸砂和 自然煤矸石共 同配制不同强度等级的混凝土。多数 试验都是针对煤矸石混凝土耐久性、 配合比等方面的 收稿 日期 ：2 0 l 6 0 6 一 l 8 基金项 目：高等学校博士点 学科 专项基 , ( 2 0 0 9 2 1 2 1 1 1 0 0 0 1 ) ；辽 宁 省 自然科学基 , ( 2 0 1 0 2 0 9 1 ) 。 5 6 研究， 对于水化学腐蚀条件下的煤矸石混凝土三轴压 缩试验的研究则鲜见报道。本实验选取煤矸石混凝 土作为主要研究对象， 在不同化学溶液中进行浸泡腐 蚀， 待其反应稳定后进行三轴压缩试验， 分析化学腐 蚀对煤矸石混凝土的影响及腐蚀后煤矸石混凝土的 力学特性。 1 实验部分 1 1 原料及试剂水泥 ： 阜新鹰山牌 ( P O 4 2 5 ) 普通 硅酸盐水泥， 其物理性能见表 1 。 煤矸石： 采自阜新高 德矿区， 级配为 4 1 2 m m， 压碎指标 1 3 4 ， 堆积密度 为 1 3 5 0 k g m 。水泥和煤矸石的化学成分见表 2 。天 然骨料 ： 取 自阜新本地天然砂， 其性能指标见表 3 。 水 ： 取 自阜新地区自来水。减水剂 ： J K k t 一 1 型高效减水剂 ， 减水率为 1 8 - 2 5 ， 掺量为 0 5 l 。 表 l 水泥物理性能 李思慧，刘海卿 化学腐蚀作用下煤矸石混凝土力学特性试验 表 2 水泥和煤矸石化学成分 ( w ) 原料 C a O A1 ， O F e 2 0 S i O ， Mg O Na 2 0 S O K2 0 水 泥 5 5 5 31 2 5 6 3 4 1 4 l - 2 1 1 0 6 煤 矸 石3 6 3 】 5 2 3 5 9 6 6 3 4 l 3 5 6 0 3 2 一 1 2 仪 器设备三轴压缩试验在辽宁工程技术大学 土木实验室 T A W- 2 0 0 0三轴试验仪上进行 ， 该仪器主 要由计算机系统、 电控箱、 控制柜、 自 平衡压力室、 围 压加载系统等部分组成。 l -3 溶液配制本实验主要考察地下水及 自然环境 对煤矸石混凝土试样的腐蚀影响， 以 N a 2 S O 4 溶液为主 进行配制 ， 共制备 3种不同p H值的化学溶液， 见表 4 。 表 4 溶液配制 1 4 试样制备配制混凝 土试样， 室温养护 2 4 h后 拆模 ， 标准养护 2 8 d ， 加工成 5 0 n l i n x 1 0 0 n l i n的圆 柱体。要保证试件表面光滑无缺陷， 并对每个试样两 端进行研磨， 保证试样两端平行度和垂直度误差在 土 0 0 2 m ln ， 确保试样在加载过程中受力平衡， 不会因 为偏压而影响试验结果。选取 3 种溶液， 每种溶液中 放入 4个混凝土试样 ， 一共 1 2 个试件。 1 5 试验 方法记录试样原质量 ， 为了模拟 自然情 况下混凝土所处环境， 化学腐蚀试验将煤矸石混凝土 半封闭式浸泡在化学溶液中， 以保证与外界联通。在 浸泡过程中， 记录试样质量和溶液p H值的变化， 试验 周期为 3 0 d 。三轴试验先在试件四周分别施加 2 、 6 、 1 0 MP a的围压 ， 随后增加轴向压力直到试件破坏 ， 记 录试验结果。 2 结果与讨论 2 1 试样质量 变化浸泡在 不同溶液中的试样 ， 其 浸泡前后的质量发生一定变化， 各水溶液中试样的相 对质量差 A m的变化规律 ， 见图 1 。从图 1 可看出， 初 期相对质量差的变化幅度 比较大， 后期趋于稳定。3 种溶液中试样质量变化规律相似 ， 只是大小不同。酸 性溶液中Am 最大， 为 0 7 6 g ； 其次是中性溶液， Am 为 0 4 5 g ； 最后是碱性溶液， Am 为 0 2 7 g 。随着浸泡时 间的延长， 试样表面变得粗糙 ， 容器中开始出现颗粒 状脱落物， 导致试件质量减少。 一 5 7 O 8 O 7 0 6 口 0 5 0 4 咚 0 3 0 2 01 0 0 图1 相对质量差的变化规律 2 2 溶液 p H值变化从试样放入化学溶液中开始， 分时间段对溶液p H值进行测量并记录， 不同溶液中 p H值变化情况见图 2 。从图 2可看出： ( 1 ) 在 试样浸泡初 期， 水溶 液 p H值变 化显著 ， 随着试样浸泡时间的增加， 水溶液 p H值逐渐稳定。 说明在相对较封闭的空间内， 化学溶液对煤 矸石混 凝土试样 的腐蚀作 用随着时 问增长逐渐减弱并稳 定。 ( 2 ) 在浸泡过程中， 3 种溶液最终p H值都趋于碱 性。分析原 因： 硅酸盐水泥和煤矸石骨料在与化学溶 液反应过程中， 生成大量碱性物质 ， 如氢氧化钙、 水化 硅酸钙等。伴随化学腐蚀的过程， 溶液中 r逐渐减 少， 导致 3种溶液的 p H值趋于碱陛。 ( 3 ) p H值为 3和 p H值为 7溶液中p H值变化幅 度比较大， 而p H值为 l 0 的溶液 p H值变化幅度相对 平稳。说明在酸性和中性溶液中， 煤矸石混凝土与溶 液的化学作用对溶液环境的影响比较显著， 化学反应 较强烈。而在碱性溶液中， 煤矸石混凝土与溶液 的化 学作用对溶液环境的影响较小， 化学反应较弱。 因此， 煤矸石混凝土具有一定的耐碱性腐蚀眭能。 时 IN d 图2 p H值 变化 关 系 2 _ 3 试样 变形与强度特征不同 p H值溶液浸泡后 的煤矸石混凝土在围压分别为 2 、 6和 1 0 I V I P a 下的应 力 一 应变曲线 ， 见图 3 ； 相同 p H值溶液中不同围压条 件下的应力 应变 曲线 ， 见图 4 。三轴压缩试验结果 见表 5 。 从图 3 、 图4和表 5可看出： ( 1 ) 在相同围压条件下， 每条 曲线都经历了压密 第3 9 卷第4 期 非金属 矿 2 0 1 6 年7 月 轴 向应 变 1 0 。 图3 不同围压下不同p H值化学溶液浸泡后试样应 力 应 变曲线 围压 ：a 一 2 MP a ；b - 6 MP a ；c 一 1 0 MP a 图4 不同围压下应力一 应变曲线( p H = 3 1 表 5 三轴压缩试验结果 阶段、 弹性阶段和屈服阶段。压密阶段中偏应力与轴 向应变成线性关系， 但随着溶液p H值减小， 发现偏应 力增加的速率较轴 向应变要小 ， 其压密阶段变长。主 要原因是： 试样在浸泡过程中， 其胶结物和骨料矿物 与化学溶液相互作用时被溶解或溶蚀 ， 造成试样有颗 粒物脱落， 孔隙率增大导致压密阶段变长， 相对弹性 阶段变短， 屈服阶段越来越明显， 其试样破坏 的延性 增强。 ( 2 ) 在相 同化学溶液浸泡条件下， 随着围压 的增 加 ， 试样的峰值强度、 弹性模量总体呈上升趋势 ， 塑性 变形变大 ， 试样的延性增强 。说明围压的存在对试样 裂缝的扩展有一定抑制作用， 使试样具有一定韧度。 ( 3 ) 对比三轴压缩试验结果， 化学溶液对煤矸石 混凝土三轴压缩强度的影响显著。当围压为 1 0 IV I P a 时， 酸性、 中性、 碱性溶液浸泡试样的峰值强度分别为 2 2 2 9 2 i P a 、 2 7 2 1 1 a 、 3 1 8 1 2 MP a ， 说 明酸性 溶液 对试件腐蚀最强， 其次是中性溶液， 碱性溶液最弱。 2 - 4 化学腐蚀机理分析水化学溶液与试样相互作 用造成的腐蚀在微观上是其矿物成分及结构 的变化， 在宏观上表现为试样本身力学性能的劣化 。造成试 样不同腐蚀程度有以下几种原因： ( 1 ) 化学溶液中的各种离子通过混凝土试样上的 毛细管 一 孔隙与试样 发生化学反应， 在溶蚀过程 中， 试样 的质量损失增加 ， 孔隙率增大 ， 导致试样上矿物 颗粒 的胶结作用、 接触面积和数量减少， 因此试样的 强度降低 ， 力学参数劣化。 ( 2 ) 煤矸石混凝土中主要矿物组成有黏土岩类、 砂石岩类、 碳酸盐类和铝质岩类， 主要化学成分有 S i O 、 A 1 O 、 C a O 、 Mg O等。其中试样表面矿物与化 学溶液中的 OH 一 、5 0 4 2 。 反应， 使其分解及改变原有矿 物成分和结构 ， 引起试样表面颗粒脱落 。 ( 3 ) 化学溶液中的 H + 与试样表面氢氧化钙等反 应转化出大量 c a 2 十 ， 当溶液 p H值越小， 酸性越强时， 溶液 中 H _ 浓度越高， 试样腐蚀越严重 ， 同时随着 HT 被中和， 溶液的 p H值会逐渐升高。 3 结论 1 浸泡在不同溶液中的试样均有质量损失， 酸性 溶液中的试样质量损失量最大， 其次是 中性溶液， 最 后是碱性溶液。 2 在半封 闭环境条件下， 随着浸泡时间的延长 ， 所有溶液的 p H值最后都趋于碱 陛。说明在酸性和中 性溶液中， 煤矸石混凝土与溶液的化学作用对溶液环 境的影响比较显著， 化学反应较强烈。而在碱性溶液 中， 煤矸石混凝土与溶液的化学作用对溶液环境的影 响较小 ， 化学反应较弱。 3 在不同化学溶液与试样相互作用下， 试样的变 形和强度特征表现出不同结果， 化学溶液 p H值与围 压都影响着试样的破坏模式。围压越大和溶液 p H值 越小时试样破坏延性增强 ， 而围压越大和溶液 p H值 越大时其三轴试验的峰值强度越大。 ( 下转第 6 2页) 5 8