煤矸石细集料混凝土实心砖胶凝材料体系.pdf

2 0 1 4年 第 1期 (总 第 2 9 1期 ) Nu mb 1 i n 2 0 1 4 ( T o t a l No 2 9 1 ) 混 凝 土 Co n c r e t e 原材料及辅助物料 M ATE R 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 4 0 1 0 1 5 煤矸石细集料混凝土实心砖胶凝材料体系 漆贵海 1 2 。蔡 昌明 z 。赖振彬 z ，王玉麟 z ( 1 重庆大学 材料科学与工程学院，重庆 4 0 0 0 4 5 ；2 贵州中建建筑科研设计院有限公司，贵州 贵阳 5 5 0 0 0 6 ) 摘要： 通过正交试验 ， 研究了胶凝材料中粉煤灰 、 二水石膏 、 半水石膏和外加价掺量等因素对煤矸石作为集料的混凝土实心 砖性能的影响。 试验结果显示 ： 粉煤灰对实心砖密度和力学性能影 响最大， 掺量从 2 0 增加到 6 0 后 ， 实心砖密度从 2 1 6 3 k g m3 降低到 2 0 1 3 k g m 。 ， 强度从 2 5 8 MP a 降低到了 6 5 MP a ； 外加剂 、 二水石膏和半水石膏对实心砖性能的改善也有一定的作用。 通 过试验得 出煤矸石实心砖胶凝材料组分 的适宜配合比是胶凝材料 中粉煤灰 占2 0 ， 半水石膏和二水石膏分别 占4 和 5 ， 外加 剂掺量为胶凝材料总量的3 。 关键词： 煤矸石；胶凝材料 ；正交设计 ；抗压强度 ；密度 中图分类号： T U 5 2 8 0 4 1 文献标志码： A 文章编号 ： 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 4 ) 0 1 0 0 5 3 0 3 Ce m e n t i t i ou s m a t e r i a l s i n s o l i d c o n c r e t e b r i c k w i t h f i n e a g g r e g a t e o f c o a l g a n gu e Gu i h a i ， CAICha n gmi n g2 , LAI Zh e nb i n ， WANG Yu l i n g ( 1 C o l l e g e o f Ma t e r i a l S c i e n c e a n dE n g i n e e ri n g ， C h o n g q i n g U n i v e r s i t y ， C h o n g q i n g 4 0 0 0 4 5 ， C h i n a ； 2 G u i z h o uCo n s t r u i o n S c i e n c eR e s e a r c handDe s i g nI n s t i t u t e o f CS C EC， Gu i y a n g 5 5 0 0 0 6 ， Ch i n a ) Abs t r ac t ： Th r o u g ht h e o r t h o go n a l e x p e r i me n t s ， t hei n flu e n c e s o fflya s h， d i h y d r a t eg y p s t lm ， s e mi - h y d r a t e dg y ps u m an d a d mi x t u r ei n c e - me n t i t i o u s m a t e ri a l s o n p r o p e a i e s o f s o l i d c o n c r e b ri c k w i t h c o a l g ang u e a s i t s fi n e a g g r e g a t e w e r e s tu d i e d T h e r e s u l t s i n d i c a t e d t h a t n y a s h wa s t h e mo s t i n fl u e n t i a l f a c t o r o n the d e n s i ty a n d me c h ani c a l p r o p e r t i e s o f s o l i d b ric k wi 1 the i n c r e a s e d o f mi x i n g a mo u n t o f t h e fl y a s h in c e me n t i t i o u s ma t e ri a l s f r o m 2 0 t o 6 0 ， d e n s i ty o f t h e b ric k d e c r e a s e d f r o m 2 1 6 3 k g m3 t o 2 0 1 3 k g m ， and c o mp r e s s i v e s t r e n g t h d e c r e a s e d fro m 2 5 8 M P a t o 65 SPa The o p t i ma l f o r mu l a o fthe c e me n t R i o u s ma t e r i a l s i n the e x pe rime n t wa s 2 0 a mo un t ofn y a s h， 4 d i hy d r a t e gy ps u m 5 s e mi - hy d r a t e d g y p s u m a n d 3 a dm i x t u r e Ke y wo r ds ： c o a l g a n g u e ； c e me n t i t i o u s ma t e r i a l s ； o r t h 0 g o n a 1 d e s i gn ； c o mp r e s s i v e s t r e n g t h； d e n s i ty 0 引言 煤矸石是与煤炭相伴而生 的岩石 ， 是煤炭开采 、 洗选 过程中产生的固体废弃物， 排放量相当于煤炭产量的 1 0 2 0 d ” ， 是我国 目前排放量最大的固体废弃物之一。 据有关部 门统计 ， 目 前我国历年累计堆放的煤矸石总量约为4 5 亿 t ， 年排放量 1 亿 t ， 规模较大的煤矸石山将近 1 6 0 0座， 占用 土地约 1 5 万公 顷回 。 煤矸石长期堆存 ， 不仅 占用宝贵的土 地资源， 对环境造成了污染， 而且煤矸石中的S O 和 S O 等 硫化物遇水发生化学反应 ， 使土壤慢慢酸化 ， 影 响植物正 常生长 3 。 煤矸石山堆积到一定高度后 ， 容易引起坍塌、 滑 坡和泥石流等， 造成财产损失和人员伤亡。 在夏季高温闷热 的情况下 ， 煤矸石山内部容易氧化积聚热量 ， 易引发自燃 和爆 炸 ， 严重威胁到居民生命财产安全嗍 。 煤矸石 引发的一系列环境问题和社会 问题引发 了社 会的普遍关注， 综合开发利用煤矸石是解决煤矸石危害的 有力措施 。 本试验以贵州地 区的煤矸石为集料研制混凝 土 空实心砖， 分析胶凝材料中各组分对实心砖性能的影响， 实 现煤矸石在建筑材料中的资源化利用， 缓解煤矸石对环境 的污染和破坏 。 1 试验原材料及试验方案 1 1 原材料 水泥 ： 贵州乌江水泥厂 P C 3 2 5 级水泥。 粉煤灰： 市售 I I 级粉煤灰。 煤矸石： 破碎并筛除5 0 to n i 以上粒径的煤矸石细集料。 二水石膏 ： 原装工业废渣磷石膏。 半水石膏 ： 磷石膏煅烧而成 。 外加剂 ： 自制复合早期剂 ， 粉剂 。 水 ： 自来水 。 1 2试验方案 本次正交试验选择胶凝材料： 煤矸石细集料 = 4 5 0 g ： 收稿 1 5 t 期：2 0 1 3 - 0 7 - 0 1 基金项 目：“ 十二五” 国家科技支撑计划项 目( 2 0 1 1 B A J 0 3 B 1 0 ) ； 科技部科研 院所专项经费( 2 0 1 2 E G1 3 3 0 9 2 ) ； 贵 阳市科技局2 0 1 2 新人才计 划( 筑科合同 2 0 1 2 H K 2 0 9 2 9 号 ) ； 财政部施工新技术研究与开发项 目资助课题 53 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 1 3 5 0 g ， 用水量为 2 2 5 m L， 正交试验分析胶凝材料中粉 煤灰 、 半水石膏 、 二水石膏等胶凝材料组分以及外加剂 对混凝土砖力学性能和密度的影响。 试验中影响因素是 4 个 ， 每个影响因素选取 3 个水平 ， 则应采用 L 9 ( 3 ) 正交 表， 各因素的水平选取情况详见表 1 所示。 表 1 正交表试验因素与水平 试验中将水泥、 粉煤灰、 煤矸石、 半水石膏和二水石膏 和外加剂先搅拌均匀， 然后加水搅拌 3 m i n ， 将搅拌好的料 浆倒入 1 0 0 mm x l 0 0 m mx l 0 0 m l n的混凝土钢模中， 振动密 实 。 1 d后拆模 ， 在室温条件下养护 ， 养护早期注意对试件 进行喷水养护。 养护到 7 、 2 8 d 后参照 混凝土小型空心砌 块试验方法 嘲 测试件的密度 ， 参照 普通混凝土力学性能 试验方法标准 网 的方法测试试件的抗压强度， 试验结果三 个试件的平均值。 按照 ( 3 ) 正交表的试验数量， 进行了 9 组煤矸石基混凝土实心砖的试验 ， 分别对混凝土实心砖 的 7 、 2 8 d 抗压强度和密度进行 了测试 ， 正交试验方案及结 果 见表 2 表 2 正交试验方案及结果 2 试验 结果与讨论 2 1 对 7 d强度 的影响 对煤矸石实心砖 7 d 抗压强度正交试验结果的分析见 3 所示。 通过极差分析可知， 影响煤矸石实心砖早期强度因 素的主次顺序为： Ac B D。 胶凝材料中粉煤灰掺量 是影响煤矸石实心砖早起抗压强度的主要 因素 ， 随着粉煤 灰掺量 的增加 ， 胶凝材料 中水泥总量减少 ， 导致实心砖早 期强度降低。 半水石膏和二水石膏对增强实心砖早期强度也有一 定的作用， 这可能是石膏中的 C a S O 对激发粉煤灰的活性 有一定 的作用 ， 促进了粉煤灰的水 化。 外加剂主对 增强煤 矸石实心砖的早期强度作用不明显， 可能是胶凝材料中粉 煤灰掺合料掺量较大， 掺合料活性未完全被激发出来， 因 此早强剂所起 作用有 限。 从试验结果分析 ， 煤矸 石实心砖 的早期强度的最优配合 比是 A1 B1 C 2 D3 ， 即胶凝材料中粉 5 4 表 3 7 d强度试验结果分析 煤灰掺量 2 0 、 半水石膏掺量 2 、 二水石膏掺量 1 0 ， 外 加剂掺量 3 。 2 2 对 2 8 d强度的影响 对煤矸石实心砖 2 8 d 抗压强度 正交试验 结果 的分析 见表 4 所示 。 通 过极差分析可知 ， 影 响煤矸石 实心砖 2 8 d 强度因素的主次顺序为： A D B c 。 与 7 d 抗压强度相 比， 胶凝材料中粉煤灰掺量仍然是影响煤矸石实心砖 2 8 d 抗压强度的主要因素， 随着粉煤灰掺量的增加 ， 实心砖抗 压强度不断降低。 并且粉煤灰对煤矸石实心砖 2 8 d 强度的 影响比对 7 d时更加 明显 ， 极差从 7 d时的 1 0 3 增加 到了 2 8 d 时 的 1 9 3 。 外加剂对实心砖 强度 的影响 明显增加 ， 极 差从 7 d时的 0 5 增加到 了 2 8 d 时的 2 5 。 与 7 d 龄期相 比， 随着水泥的进一步水化， 实心砖中的C a ( O i l ) 等不断增加， 促进了粉煤灰掺合料活性的激发， 外加剂对胶凝材料强度 的增强作用也体现出来。 后期研究还应加强外加剂进行专 门研究， 寻找对增加煤矸石实心砖早期强度作用明显的早 强剂类型。 半水石膏和二水石膏对增强实心砖 2 8 d强度也有一 定的作用 ， 但是其影响作用是几种组分中最小的， 极差与 7 d时的变化不 大。 说 明半水石 膏和二水石膏在实心砖胶 凝材料早期的水化过程中已经发挥了作用， 对后期强度的 增加所起作用不明显。 从试验结果分析， 煤矸石实心砖 2 8 d 强度的最优配合比是 A1 B 2 C 1 D 3 ， 即胶凝材料中粉煤灰掺量 2 0 、 半水石膏掺量4 、 二水石膏掺量 5 ， 外加剂掺量 3 。 表 4 2 8 d强度试验结果分析 2 3 对密度的影响 对煤矸石实心砖密度正交试验结果 的分析见 5 所示 。 通过极差分析可知， 影响煤矸石实心砖密度因素的主次顺 序为 ： A D ( B ) 一C， 胶凝材料中二水石膏和外加剂掺量对 实心砖密度因素的影响作用是相同的， 其极差都为 3 0 。 胶凝 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 材料中粉煤灰掺量是影响煤矸石实心砖密度的主要因素， 其极差达到了 1 5 0 。 粉煤灰密度比水泥小， 用粉煤灰等量取 代水泥后， 胶凝材料体积增加， 实心砖密度随之减小； 其实 是二水石膏和外加剂掺量 ， 极差都是 3 0 ； 影响最小的是半 水石膏掺量， 极差仅为 1 0 ， 是四个因素中影响最小的。 从 试验结果分析 ， 煤矸石实心砖最大密度的最优配合比是 A1 B 2 C 1 D1 ， 即胶凝材料中粉煤灰掺量 2 0 、 半水石膏掺 量 4 、 二水石膏掺量 5 ， 外加剂掺量 3 。 表 5 密度试验结果分析 结合煤矸石实心砖密度 和 2 8 d 抗压强度 的试验结果 分析 ， 密度和抗压强度是成正 比的 ， 即密度越大 ， 抗压强度 也越大。 胶凝材料组分影 响实心砖密度和强度因素的主次 顺序完全一致， 也证明了这一结论。 在生产砌块和砖时 ， 通常都希望产 品密度低强 度高 。 以对密度和强度影响最大的粉煤灰来分析 ， 表 5中当粉煤 灰掺量从 2 0 增加到 6 0 后 ， 实心砖密度仅从 2 1 6 3 k g m s 降低到 2 0 1 3 k g m。 ， 降低了 1 5 0 k e J m ； 但是表 4中实心砖 的强度却从 2 5 8 IV I P a 降低到了 6 5 MP a ， 降低了 1 9 - 3 MP a 。 可见 ， 胶凝材料组分对煤矸石实心砖强度影响非常大， 对 密度影响较小。 在确定配合比时， 应首先考虑保证实心砖 上接第 5 2页 表 8 双氧水发泡体 系对无机聚合物发泡混凝土 2 8 d抗压强度方差分析表 二氧化锰掺量 、 双氧水掺量对试块 的抗压强度影 响显著 。 硅灰掺量对试块的抗压强度影响不显著。 4结论 ( 1 ) 矿粉掺量对无机聚合物 大， 对密度和 2 8 d 抗压强度影响较大， 较优值为 6 6 ； 硅灰掺 量对无机聚合物发泡混凝土凝结时间影响显著较优值为4 5 。 ( 2 ) 二氧化锰、 纤维素醚掺量对无机聚合物发泡混凝 土的硬化性能影响较大， 二氧化锰较优掺量为 0 4 5 ， 纤维 素醚较优掺量为 0 8 。 的强度 ， 再考虑密度 ， 本试验得出煤矸石实心砖胶凝材料的 最优配合比是 A1 B 2 C 1 D 3 ， 即胶凝材料中粉煤灰掺量 2 0 、 半水石膏掺量 4 、 二水石膏掺量 5 ， 外加剂掺量 3 。 3结论 胶凝材料组分 中对煤矸石早期强度影响最大 的因素 依次为粉煤灰、 半水石膏 、 二水石膏和外加剂； 对后期强度 影响最大 的因素依次为粉煤灰 、 外加剂 、 二水石膏和半水 石膏 ； 对密度影响最大的因素依次为粉煤灰 、 # b J J U 剂( 二水 石膏) 和半水石膏。 本试验综合考虑强度和密度因素， 得出 煤矸石实心砖胶凝材料 的适宜配合 比为 A 1 B 2 C 1 D3 ， 即粉 煤灰取代 2 0 的胶凝材料、 半水石膏和二水石膏分别取代 4 和 5 的胶凝材料 ， 外加剂掺量为胶凝材料总量的3 。 参考文献 ： 1 张志勇， 王春梅， 曹会云 煤矸石综合利用的现状 山东煤炭科 技 ， 2 0 0 6 ( 6 ) ： 1 4 1 6 2 张凤辰煤矸石及其综合利用 J 1 中国环保产业， 2 0 0 5 ( 1 ) ： 1 4 1 5 3 樊金拴 煤矸石对环境的危害与开发利用研究 J 1 资源开发与市 场 ， 2 0 0 8 ( 2 4 ) ： 5 6 5 9 4 张士权， 李皓， 胡军艳 煤矸石对环境的危害及其综合利用 现 代农业科技， 2 0 0 7 ( 1 8 ) ： 2 1 7 2 1 9 5 G B T 4 1 1 1 1 9 9 7 ， 混凝土小型空心砌块试验方法【 s 】 E 京： 中国 标准出版 ， 1 9 9 7 6 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 E 京： 中国建筑工业出版社， 2 0 0 2 作者简介： 漆贵海( 1 9 8 3 一 ) ， 男， 博士研究生， 工程师， 主要从事固 体废弃物建材资源化利用方面的研究。 联系地址： 贵州省贵阳市南明区甘荫塘甘平路4号 贵州中建建 筑科研设计院有限公司( 5 5 0 0 0 6 ) 联 系电话 ： 0 8 5 1 3 7 1 2 4 2 9 ( 3 ) 水胶 比值对无机聚合 物发泡混凝 土的硬化性能具 有非常显著的影响， 水胶比的较优值为 0 5 0 。 ( 4 ) 双氧水掺量对无机聚合物发泡混凝土的硬化性能 的影响显著 ， 随着 掺量 的增加 ， 凝结时间增加 ， 密度 和 2 8 d 抗压强度基本呈下降趋势。 参考文献： 1 孔德玉， 张俊芝， 等 碱激发胶凝材料及混凝土研究进展 J 硅酸 盐学报 ， 2 0 0 9 ， 6 ( 1 ) ： 1 5 1 1 5 9 2 张云升， 孙伟， 李宗津 地聚合物胶凝材料的组成设计和结构特 征 硅酸盐学报， 2 0 0 8 ， 3 ( 9 ) ： 1 5 3 1 5 9 3 WA N G H u i ， C H E N We i z h o n g ， T A N X i a n j u n ， e t a 1 D e v e l o p m e n t o f a n e w t y pe o f f o a m e o n e e t a n d i t s a pp l i c a t i o n o n s t a b i l i t y a n a l y s i s o f l a r g e s p an s o f t r o c k t u n n e l J J C e n t S o u t h U n i v ， 2 0 1 2 ， 9 ( 1 9 ) ： 33 0 5 3 3 1 0 【 4 】 李龙珠， 夏勇涛， 刘文斌， 等 泡沫混凝土的发展现状及应用前 景 J 混凝土， 2 0 0 9 ( 7 ) ： 2 2 2 3 5 周明杰， 王娜娜， 赵晓艳， 等 泡沫混凝土的研究和应用最新进 展 混凝土， 2 0 0 9 ( 4 ) ： 1 0 4 1 0 7 作者简介： 梁磊( 1 9 8 9 一 ) ， 男， 硕士研究生。 联系地址： 沈阳市浑南新区浑南东路 9 号( 1 1 0 1 6 8 ) 联系电话： 1 5 8 0 4 0 9 0 5 4 7 5 5 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m