冻融和碳化交替作用煤矸石混凝土耐久性研究.pdf

第3 8 卷第4 期 2 0 1 5 年7 月 非金 属矿 N O i l M e t a l l i c M i n e s Vl0l - 38 N o 4 J u l y ，2 01 5 冻融和碳化交替作用煤矸石混凝土耐久性研究 李庆文 李桂秀 李洋 ( 1 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 ；2 阜新市兴光市政工程有限责任公司，辽宁 阜新1 2 3 0 0 0 ) 摘要 为探究冻融和碳化交替作用下煤矸石混凝土的耐久性， 利用冻融与碳化循环试验， 研究其质量、 动弹性模量、 强度及碳化深度等方 面损 失特性 ， 分析冻融和碳化相互作用机理 。结果表明 ： 质量损失率与循环数呈正相关； 相对动弹性模量 与循环数呈负相关 ， 显著性 为水灰比 O 7 5 水灰比 0 6 5 水灰 比 O 5 5 ； 冻融对强度增长起 负作 用， 损失率为 O 3 2 2 0 6 ， 碳化使强度增 长， 最大增长率 7 1 1 ； 碳化 与时间呈正相 关， 碳化 一 冻 融对碳化影响比冻融 一 碳化显著， 碳化差值 O 9 4 2 0 7 m m。冬春交替对其损失率影响比秋冬交替更显著。 关键词 冻融循环； 快速碳化； 交替作用； 煤矸石混凝土； 耐久性 中图分类号： T U5 2 8 文献标识码： A 文章编号： 1 0 0 0 - 8 0 9 8 ( 2 0 1 S ) 0 4 - 0 0 3 9 - 0 4 Du r a b i l i t y S t u d y o n Co a l Ga n g u e Co n c r e t e u n d e r Al t e r n a t i v e Ef f e c t o f Fr e e z i n g t h a wi n g a n d Ca r b o n i z a ti o n L i Qi n g we n L i Gu i x i u Li Ya n g f 1 S c h o o l o f Ci v i l En g i n e e ring a n d Tr a n s po r t a t i o n， Li a o n i n g Te c h n o l o g y Un i v e r s i t y , Fu x i n ，Li a o n i ng 1 2 3 0 0 0 ； 2 Fu x i n Xi ng g ua n g M u n i c i p a l En g i n e e r i n g Co ， L t d ， F u x i n ， L i a o n i n g 1 2 3 0 0 0 ) Abs t r a c t I n o r d e r t o s tud y t h e d u r a bi l i t y o f c o a l g a n g u e c o n c r e t e u n d e r a l t e r na t i v e e ffe c t o f fre e z i n g t h a wi n g a n d c a r bo n i z a t i o n Re s e a r c h t h e l os s c h a r a c t e ris t i c s o f c o a l g a n g u e c o n c r e t e q u a l i t y ,d y n a mi c e l a s t i c mo d u l us ， c o mp r e s s i v e s t r e n g t h ， a n d c a r bo n a t i o n d e p t h b y fre e z i n g t ha wi n g a nd c a r b o n i z a t i o n c y c l e t e s t s ， a n d a na l ys i s a l t e rn a t i ve e ffe c t m e c h a ni s m o f fre e z i n g t h a wi n g an d c arbo n i z a t i o n T h e r e s ul t s s h o we d tha t c o n n e c t i o n b e t we e n i t s we i g ht l o s s r a t e a nd c y c l e n u mb e r wa s ne g a t i v e T h e r e l a t i o ns h i p be t we e n r e l a t i v e d y n a m i c e l a s t i c mo d u l u s a n d c y c l e n u mb e r wa s ne g a t i v e ， a n d t he s i g n i fic a n t s t r e n g t h i s wa t e r c e me n t r a t i o O 7 5 wa t e r c e me n t r a t i o O 6 5 wa t e r c e me nt r a t i o 0 5 5 r e s p e c t i v e l y Fr e e z i n g t h a wi n g h a s a n e g a t i v e e ffe c t o n s t r e n g t h i n c r e a s i n g ， i t s l o s s r a t i o wi thi n t h e s c o p e of O3 22 0 6 ，an d c a r b o n i z a t i o n h a s a p o s i t i v e e ffe c t o n s t r e n g t h i n c r e a s i n g， t h e b i g g e s t g r o wt h r a t e of i t s wa s 7 1 1 Ca r b o ni z a t i on wa s p o s i t i v e l y r e l a t e d wi t h t i m e 。t h e c o u p l i n g o f c a r b o n i z a t i o n a n d fre e z i n g t h a wi n g h a s m o r e i mp a c t o n c a r b o n i z a t i o n d e p t h than fre e z i n g t h a wi ng a n d c arb o n i z a t i o n t h e d i ffe r e n c e v a l u e o f t wo mo d e s wa s O 9 4 2 0 7 mm Al t e rna t e mo d e o f wi n t e r a n d s prin g h a s mo r e s i g ni fi c a nt e ffe c t o n i t s l o s s r a t i o t h a n tha t o ff a l l and wi n t e e Ke y wo r ds fre e z i ng t ha wi n g c y c l e ； a c c e l e r a t e d c a r bo n a t i o n ； a l t e r n a t i ve e ffe c t ； c o a l g a ng u e c o nc r e t e ； d u r a bi l i ty 煤矸石 为煤矿开采产 生固体废弃物 ， 形成人造 矸石山， 对周边土质环境影响巨大， 严重影响城市周 边环境 1-3 0辽宁阜新有着丰富的煤矸石资源， 大量 煤矸石经过长年累月的堆积 自燃， 形成品相性质优良 的过火煤矸石 【 4 1 。将煤矸石应用于土木工程 中， 替代 普通混凝土中的粗骨料和细骨料， 使混凝土构件的 自 重、 温度裂缝及保温性等方面均优于普通混凝土 l 5 】 。 随着城市现代化进程的加快， 复杂的环境问题 日益 突 出， 严重影响煤矸石混凝土构件 的耐久性能 】 。目 前对煤矸石混凝土 的强度、 耐久性研究都基于冻融循 环、 碳化等单一环境因素方面 7 - 1 1 1 。 为研究冻融和碳化交替作 用对煤矸石混凝土的 耐久性影响， 通过冻融和碳化循环试验 ， 分析其质量、 动弹性模量、 强度及碳化深度等方面特性 ， 及冻融和 碳化交替作用机理。为进一步研究煤矸石混凝土在 收稿 日期 ：2 0 1 5 - 0 5 1 3 基金 项 目：国家 自然科 学基金 ( 5 1 1 7 4 2 6 8)。 通讯作者 。E - ma i l ： l g j z l q w1 6 3 c o m。 一 3 9 复杂环境中的耐久性提供参考。 1 实验部分 1 1 原料水泥采用阜新大鹰水泥制造有限公司产 阜鹰山牌 P 0 4 2 5 普通硅酸盐水泥； 试验用水为普通 自来水； 采用北京市化工建材厂产 D N - I 型萘JI生 高效 减水剂 ， 有较高减水和增强 陛能， 当掺量为0 5 1 0 时， 减水率可达 1 0 1 5 ； 粗、 细骨料均采用阜新五 龙煤矿产生的自燃煤矸石， 其烧失量约为 1 0 ， 表观 颜色为砖红色， 煤矸石经机械破碎后颗粒级配范围， 见图 1 。自燃煤矸石与水泥的化学组分见表 1 ， 水泥 物理力学性能见表 2 ， 自燃煤矸石基本性质见表 3 。 萋 萋 H -1 0 0 窒 1 00 图1 骨料颗粒级配曲线 a 煤矸石 ：b - 煤矸砂 第3 8 卷第4 期 非金 属矿 2 0 1 s g7 月 表 l 水泥与自燃煤矸石化学组分 ( w 1 ) 原料C a O S iO2 AI ： O3 F e 2 0 3 T F e 2 O 3 Mg O Na 2 0 T i O 2 K 2 0 S O3 水 泥5 4 5 3 5 3 2 0 5 7 1 0 1 3 0 1 0 3 1 1 煤矸石1 0 5 5 9 7 2 l 4 8 O 6 5 4 1 6 7 2 9 9 O 2 5 2 6 3 0 2 4 2 6 2 5l - 2 5 5 9 1 1 31 2 3 3 1 2 配合比设计试验主要探究煤矸石混凝土在冻 融和碳化交替环境中的耐久性能， 参照 J G J 1 2 2 0 0 6 轻骨料混凝土结构技术规程 ， 结合煤矸石自 身特 性， 为满足其规程规定的和易性与坍落度， 确定其水 灰比为 0 5 5 、 0 6 5 和 O 7 5 ， 具体配合比见表 4 。 表 4 煤矸石混凝土配合 比 1 - 3 试 件 制 作 及 试 验 方 法 煤 矸 石 混 凝 土 试 件 按 照 表 4配 比 制 作，其 试 件 尺 寸 为 1 0 0 m m 1 0 0 m m 4 0 0 ra i n的棱柱体， 控制其强度试件 尺寸为 1 0 0 n l r n x 1 0 0I m 1 0 0i l l m 的立方体。利用混 凝土振动台进行振捣成型， 在室内标养 ( ( 2 0 -3 ： 2 ) o c， 相 对湿度大于等于 9 5 ) 环境 中养护 2 4 h后进行拆模， 准备做冻融和碳化交替试验。 在实际工况条件下， 秋冬季交替、 冬春季交替为 煤矸石混凝土处于冻融和碳化交替作用真实环境。 试验采用碳化 7 d为一阶段， 冻融 5 0次为一阶段， 二 者构成一个大循环， 共进行4次大循环试验。冬春交 替模式为先冻融后碳化试验， 用F 5 0 C 7 (先冻融5 O 次， 后碳化 7 d ， 1 5 d为 1 次循 环， 共 4次循环)表示 ； 秋 冬交替模式为先碳化后冻融试验， 用 C 7 F 5 0( 先碳化 7 d ， 后冻融 5 0次， 1 5 d 为 1 次循环 ， 共 4 次循环) 表示。 各水灰比对应试验模式见表 5 。 煤矸石混凝土在两种试验模式下进行试验， 参照 GB 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 1 3 0先冻融后碳化试验模式 ： 将脱模 后试件放入到 ( 2 0 - _ 2 )水中， 进行 4 d饱和试验， 使 之处于饱和状态， 取出擦干表面水分并测定其质量与 表 5 煤矸石混凝土试验模式 动弹性模量； 冻融循环 2 5 次取出试件擦干表面测定 其质量与动弹性模量， 试件放 回时应掉头装入， 以减 小上下面温差 ； 冻融 5 0 次时 ， 取 出试件测定其强度； 从冻融箱取出其余试件晾干 2 d ， 在干燥箱放置 1 d ， 再进行快速碳化试验 7 d ， 最后取 出试件测定碳化深 度及抗压强度， 进而依次进行其余 3个循环。对于先 碳化后冻融试验模式： 将按照配比制作好 的试件放到 烘干箱内干燥 1 d ， 再进行 7 d快速碳化试验， 取 出试 件进行碳化深度以及抗压强度测试； 将碳化后试件 浸没在水中 4 d ， 使之达到饱和状态， 擦掉试件表面水 分 ， 对其质量以及动弹性模量进行测定； 每冻融 2 5次 后擦掉试件表面水分 ， 对其质量 以及动弹 l 生 模量进行 测定 ， 再将试件掉头放到冻融箱中， 排除试件上面与 下面的温差 ； 冻融循环 5 0次时， 取出试件进行抗压强 度的测定， 重复上述操作过程进行其余 3 个循环。 冻融试验采用 陕冻法 ， f 】 ， 箱内温度 一 2 0 - 2 0， 混凝土试件 中心温度控制在 ( 一 1 8 土 2 ) 和 ( 5 士 2 ) 范 围内， 冻融间转化不宜超过 1 0 mi n 。 碳化试验采用“ 快 速碳化 ” ， 期间使其 C O ， 质量分数维持在 ( 2 0 士 3 ) 范围内， 温度( 2 0 士 2 ) oC 、 相对湿度( 7 0 士 5 稳定范围， 分别测定龄期为 7d 、 1 4 d 、 2 1 d 和 2 8 d时的碳化深度。 采用岩石切割机进行破型 ， 测定方式见文献 1 3 1 。 2 结果与讨论 2 1 煤矸石混凝土质量按照两种试验模式进行煤 矸石混凝土冻融和碳化循环试验 ， 得到其相同试验模 式 ( 水灰比不同) 的质量损失率与循环次数的关系， 见 图 2 ； 不同试验模 式 ( 水灰比相 同， 均为 0 6 5 )条件下 的质量损失率与循环次数关系 ， 见 图 3 。 4 0 循 环 数 次 图2 冻融一 碳化模式质量损失率与循环数关系 从图2 可知， 在冻融一 碳化试验模式下， 煤矸石 混凝土剥落率与循环次数呈现正相关， 随水灰比增 李庆文，李桂秀，李 洋 冻融和碳化交替作用煤矸石混凝土耐久性研究 大 ， 剥落率也增加 。 循环次数7 5 次以内时， 水灰比0 5 5 和 0 6 5 煤矸石混凝土质量剥落率变化不显著， 最大增 长变化率仅为 0 7 5 ； 循环数在 7 5 - 2 0 0 次区间内， 其 剥落率变化显著 ， 最大增长变化率为 1 6 6 。水灰比 0 7 5时， 5 0次以内循环时， 煤矸石混凝土剥落最大增 长变化率为 1 6 0 ； 循环次数为 5 0 - 2 0 0范围内时， 其 增长变化率比较平缓， 趋于稳定状态。其最大损失率 均控制在 5 以内， 达到试验规定标准 。 循 环 数 次 图 3 不同试验模式质量损失率与循环数关系 从图 3 可知 ， 在水灰比 0 6 5条件下 ， 两种循环环 境 的煤矸石混凝土质量损失率与循环次数成正相关 的关系。在 5 0次循环数 以内， 秋冬交替模式对煤矸 石混凝土质量损失率的影响要比冬春交替模式显著； 在 5 0 7 5次循环范围内， 为两种模式的共 同作 用区 域， 其表现为 “ 此消彼长”模式； 循环数 7 5 2 0 0次范 围内时， 冬春交替模式对煤矸石混凝土质量损失率的 影响比秋冬交替模式更显著 。 2 2 煤矸石混凝土动弹J陛模量研究两种试验模式 对煤矸石混凝土动弹性模量的影响， 冻融和碳化相 互作 用下其动 弹性模量损失率与循环次数 的关系 ， 见 图 4 ； 不同模式下其动弹性模量损失率与循环数的 关系 ， 见图 5 。 1 00 循 环 数 次 图4 冻 融一 碳化模 式动 弹性 模量损 失率与循 环数 关 系 从图 4可知， 煤矸石混凝土的相对动弹性模量变 化率与循环次数成负相关的关系， 负相关的显著性强 弱为水灰 比 O 7 5 水灰 比 O 6 5 水灰比 O 5 5 。在 2 0 0 次循环内时， 水灰比 0 5 5条件下 ， 其相对动弹性模量 损失变化率最小 ， 仅为 3 8 4 。水灰 比 0 7 5 条件下 ， 试验循环数在 5 0次以内时， 其相对动弹性模量损失 变化率不显著， 仅为 2 4 3 ； 在 5 0 1 2 5 次循环范围 一 41 内， 出现陡降趋势 ， 最 大损失变化率 7 5 6 ， 循环数 1 2 5 2 0 0 次区间内， 其损失变化率消长比较平缓。 1 O0 ： 制0 9 7 畦 酬 0 96 篓 0 9 5 赣 0 9 4 幅 0 9 3 40 誉 3 2 禁 z 鬓 1 6 誉s 蝠0 u r 0 u u 7 1 O 0 C 1 4 1 5 0 G2 1 F 2 0 0 C 2 8 不同 试验 状 态 图6 冻融一 碳化模式强度损失率与阶段关系 2 4 煤矸石混凝土碳化深度为分析在复杂环境 中 煤矸石混凝土碳化性能， 考察 了冻融和碳化循环模式 下其碳化深度与时间的关系 ， 结果见图 7 ； 在不同试验 模式下其碳化深度与时问关系， 见图8 。 苫 ； s ： 旨 ； 腿 0 0 O 0 O 0 阱 删 掣亩 5 臀靛 罂 第3 8 卷第4 期 非金属 矿 2 0 1 5 年7 月 6 4 5 6 星4 8 4 0 3 2 蔷2 4 1 6 0 8 O 5 图7 冻融一 碳化模式碳化深度与时间关系 从图7 可看出， 在冻融一 碳化模式下， 煤矸石混 凝土碳化深度与时间成正相关的关系， 水灰比对其 影响程度强弱表现为水灰 比 0 7 5 水灰 比 0 6 5 水 灰 比 0 5 5 。在水 灰比 0 5 5和 0 6 5条件 下， 碳化时间 为 7 - 2 1 d范围内时， 其碳化深度增长 比较平缓 ， 碳 化深度增量分别为 0 6 4 IT I1T I 和 1 4 3 m r n ； 在 2 1 2 8 d 碳化时间内， 其碳化 深度出现陡增的趋势 ， 变化量值 分别 为 1 7 6I l l T I 和 2 0 4ml lq 。水灰 比 0 7 5时， 其 碳 化深度增长体现出平稳趋势 ， 但其碳化深度量值水 平较高。 5 2 8 E 2 3 6 。 o 2 4 1 8 1 2 O 6 碳 化 时 fq d 图8 不 同试验 模式碳化 深度 与时 间关 系 从图 8 可看出， 在水灰比相同的条件下 ， 对于冻 融 一 碳化模式与碳化 一 冻融模式， 其碳化深度与时间 均呈正相关。秋冬交替季节对其碳化深度影响程度 比冬春交替季节显著 ， 两种模式问最大碳化深度差值 2 0 7 mm， 最小碳化深度差值 0 9 4 mm。 2 5 相互作用机理煤矸石混凝土冻融破坏机理与 其碳化机理是两种变化过程， 前者可归属为 “ 物变” 过程 ， 后者则属于复杂的 “ 物化”过程。冻融与碳化 交替作用下， 冻融致使煤矸石混凝土结构性表征为由 致密到疏松多孔的渐变过程； 在快速碳化实验中， 渗 透性强的 C O 会与煤矸石混凝土 中 C a ( O H) 发生中 和反应， 产生C a C O 能填充其内部结构孔隙， 起到注 浆效果， 致使其孔隙率暂时陆减小。依据化学反应动 力学原理 ， 反应物 ( 胶凝材料机体 C a ( O H ) )不断被消 耗 ， 其反应浓度迅速降低， 导致反应平衡缺乏内在动 力， 同时也产生新开放性孔隙， 这对再次冻融时其抗 冻性能不利。这也验证了实验初期， 其强度因碳化导 致有所增长， 然而随着交替作用 ， 其强度仍产生陡降 的趋势。通过相互作用破坏机理分析， 秋冬交替模式 使煤矸石混凝土在质量损失率及相对动弹性模量等 方面均显著于冬春交替模式。 3 结论 1 煤矸石混凝土剥落率与循环数呈正相关， 随水 灰比增大， 其剥落率也增加 ， 冬春交替模式对其损失 率的影响要比秋冬交替模式更显著。 2 相对动弹性模量变化率与循环数呈负相关， 负 相关显著性强弱为水灰比 0 7 5 水灰比 0 6 5 水灰比 O 5 5。 3 首次循环中， 冻融对其强度增长起负作 用， 但 影响水平较低 ， 仅为 0 3 2 2 0 6 ； 碳化时， 水灰比为 0 5 5 与 0 7 5的强度产 生增长， 最大增长率为 7 1 1 。 二次循环中， 水灰比0 6 5 和 0 7 5 的强度受冻融影响 较大 ， 变化率分别为 1 5 0 、 2 2 6 。 4 碳化深度与碳化时间呈正相关， 水灰比对其碳 化深度影响程度表现为水灰比 0 7 5 水灰比 0 6 5 水 灰比0 5 5 ； 秋冬交替对其碳化深度影响程度比冬春交 替的影响程度显著 ， 两种碳化差值 0 9 4 2 0 7 r n l T l 。 参考文献： 1 宋洋， 赵禹， 祝 百茹， 等 煤矸石轻集料 混凝 土性能试验研究 明 非 金属矿 ， 2 0 1 4 ， 3 7 ( 1 ) ： 2 8 3 0 2 李永靖， 张旭， 闫宣澎， 等 测定煤矸石骨料混凝土性能的试验分析 J 】 非金 属矿 ， 2 0 1 3 ， 3 6 ( 3 ) ： 4 3 _ 4 5 3 Ne v e s R， B r a n c o E d e B r i t o J A me t h o d f o r t h e u s e o f a c c e l e r a t e d c a r b o n a t i o n t e s t s i n d u r a b i l i t y d e s i g n J 1 Co n s t r u c t i o n a n d B u i l d i n g M a t e r i a l s ， 2 01 2 ， 3 6： 5 8 5 5 9 1 4 】 王国平 辽宁阜新煤矸石资源化研究 D 1 成都： 成都理工大学， 2 0 0 5 5 张凯峰 ， 吴雄 ， 杨文 ， 等 煤矸石建材资源化 的研 究进展 材料导 报 ， 2 0 1 3 ， 2 7 ( z 1 ) ： 2 9 0 2 9 3 6 6 肖前 慧 冻融环境 多因素耦合作用混凝土结构耐久性研 究 D 西 安： 西安建筑科技大学， 2 0 1 0 【 7 周梅 ， 牟爽 ， 王强 基 于正交设计的 大流动性 自燃煤矸石全轻混凝 土试验研究 J 】 非金属矿 ， 2 0 1 2 ， 3 5 ( 6 ) ： 1 9 2 2 ， 4 8 【 8 周梅， 田博宇， 王强， 等 自 燃煤矸石粗集料对砂轻混凝土性能影响 的试验研 究 【 J 硅 酸盐通报 ， 2 0 1 3 ， 3 2 ( 1 1 ) ： 2 2 3 1 2 2 3 7 9 周梅 ， 田爽， 郭涛 ， 等 自燃煤矸石配制混凝 土的试验研 究 【 J J 硅酸 盐通报 ， 2 0 1 1 ， 3 0 ( 5 ) ： 1 2 2 1 - 1 2 2 6 1 O 】 周梅， 白金婷， 薛忠泉 自 燃煤矸石全集料混凝土强度研究 J 建 筑结构 ， 2 0 1 1 ， 4 l ( S 2 ) ： 2 0 0 - 2 0 2 1 1 王栋民， 王剑锋 ， 范兴 旺， 等 自燃煤矸石粉对混凝 土耐 久性 的影 响 【 J 硅酸盐通报 ， 2 0 1 3 ， 3 2 ( 5 ) ： 8 3 9 8 4 3 f 1 2 】 J G J 1 2 2 0 0 6轻骨料混凝 土结构技 术规程 【 S 【 1 3 1 GB 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 风 4 2