活化煤矸石粉对煤矸石混凝土性能的影响.pdf
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1、第 39 卷 第 5 期2023 年 9 月森 林 工 程FOREST ENGINEERINGVol.39 No.5Sep.,2023doi:10.3969/j.issn.1006-8023.2023.05.022活化煤矸石粉对煤矸石混凝土性能的影响阎杰1,2,邢国斌1,左军鹏1,李敬如1,翁维素1,2(1.河北建筑工程学院 土木工程学院,河北 张家口 075000;2.河北省高校绿色建材与建筑改造应用技术研发中心,河北 张家口 075000)摘 要:为探究煤矸石对混凝土性能的影响,以不同煤矸石粉(Coal gangue powder,CGP)掺量和煤矸石粗骨料(Coal gangue coa
2、rse aggregate,CGA)取代率制备 C30 混凝土,对煤矸石混凝土抗折性能及抗氯离子渗透性能进行试验研究,并通过压汞法及扫描电镜进一步分析其影响规律和改善机理。结果表明,随着掺量的增加,煤矸石混凝土抗折强度先增大后减小,15%CGP 为抗折强度最优掺量。抗氯离子渗透性能随 CGP 掺量的增加而提高。煤矸石粗骨料取代率为 100%时,CGP 的掺入对其抗折强度的优化更为显著。CGP 的加入使凝胶孔和过渡孔等无害孔增加,毛细孔和大孔等有害孔减小,进而优化混凝土颗粒级配,提高结构密实度。一方面 CGP 在二次水化中产生大量 C-S-H 凝胶,使煤矸石混凝土微观结构更加密实,另一方面未反应
3、的 CGP 可填充至煤矸石混凝土孔隙和裂缝中,提高界面过渡区强度,进而提高煤矸石混凝土抗折强度和抗氯离子渗透性能。关键词:活化煤矸石粉;煤矸石粗骨料;微观结构;抗折强度;抗氯离子渗透中图分类号:TU528 文献标识码:A 文章编号:1006-8023(2023)05-0190-07Effect of Activated Coal Gangue Powder on Properties of Coal Gangue ConcreteYAN Jie1,2,XING Guobin1,ZUO Junpeng1,LI Jingru1,WENG Weisu1,2(1.College of Civil En
4、gineering,Hebei Institute of Architecture Civil Engineering,Zhangjiakou 075000,China;2.Research and Development Center for Application Technology of Green Building Materials and Building Renovation in Hebei Universities,Zhangjiakou 075000,China)Abstract:In order to explore the influence of coal gang
5、ue on the performance of concrete,C30 concrete was prepared with differ-ent contents of coal gangue powder(CGP)and different substitution rates of coal gangue coarse aggregate(CGA).The flexural prop-erties and chloride ion penetration resistance of coal gangue concrete were studied.The influence law
6、 and improvement mechanism were further analyzed by mercury intrusion method and scanning electron microscope.The results showed that with the increase of dosage,the flexural strength of coal gangue concrete increased first and then decreased,and 15%CGP was the optimal dosage of flexural strength.Th
7、e resistance to chloride ion penetration increased with the increase of CGP content.When the substitution rate of coal gangue coarse aggregate was 100%,the incorporation of CGP had a more significant optimization of its flexural strength.The addition of CGP increased the harmless pores such as gel p
8、ores and transition pores,and decreased the harmful pores such as capillary pores and macropores,thus optimizing the particle size distribution of concrete and improving the structural compactness.On the one hand,CGP produced a large amount of C-S-H gel in the secondary hydration,which made the micr
9、ostructure of coal gangue concrete more dense.On the other hand,the unreacted CGP can be filled into the pores and cracks of coal gangue concrete to improve the strength of the interfacial transition zone,and then improve the flexural strength and chloride ion penetration resistance of coal gangue c
10、oncrete.Keywords:Activated coal gangue powder;coal gangue coarse aggregate;microstructure;flexural strength;resistant to chloride ion penetration收稿日期:2022-12-15基金项目:河北省教育厅自然科学重点项目(ZD2022066);河北省科技厅科技支撑计划项目(20373802D);河北省住房和城乡建设厅建设科技研究项目(120);2022 年河北省建设科技研究指导性计划项目(2022-2017)。第一作者简介:阎杰,博士,教授。研究方向为新型建
11、材与绿色建材、建筑固废的循环综合利用新技术。E-mail:yanjie6253 通信作者:翁维素,硕士,教授。研究方向为工程结构设计优化、装配式钢结构及新型建筑结构材料。E-mail:引文格式:阎杰,邢国斌,左军鹏,等.活化煤矸石粉对煤矸石混凝土性能的影响J.森林工程,2023,39(5):190-196.YAN J,XING G B,ZUO J P,et al.Effect of activated coal gangue powder on properties of coal gangue concreteJ.Forest En-gineering,2023,39(5):190-196.
12、第 5 期阎杰,等:活化煤矸石粉对煤矸石混凝土性能的影响0 引言随着我国建筑行业的快速发展,很多石材资源损耗殆尽。煤矸石是我国排放量最大的矿山固体废弃物之一,据统计,我国煤矸石堆积量达到 50 亿t,而目前综合利用率还较低1-2。煤矸石大量堆放产生坍塌、泥石流等地质灾害隐患,威胁生命财产安全3。同时,近几年绿色可持续发展的生态低碳战略理念不断开展与实践,因此对煤矸石等固废材料进行再利用尤为重要4。研究表明石英、高岭石含量较高的煤矸石粗集料具有吸水率小和密度高等特点,此类煤矸石作为粗骨料制备混凝土,具有和易性好等特点5-6。孙强7指出以煤矸石粗骨料为变量的混凝土,随着煤矸石粗骨料取代率的增加,混
13、凝土抗压强度先增加后减小,在 30%时达到峰值。柳凯等8研究发现煤矸石中 Al2O3、SiO2占比较大,可将煤矸石作为黏土配料烧制成普通的硅酸盐水泥。邢军等9发现经过热活化后的煤矸石粉具有微集料和火山灰效应,将其用作矿物掺和料后可提高其抗氯离子性能,也能获得较好的抗冻性。周梅等10研究发现煤矸石粉作为混凝土掺和料对混凝土拌合物工作性、强度和耐久性都有提高作用。白志民等11研究发现,煤矸石富含黏土矿物,具有一定的黏结性可用于胶凝材料使用。活化煤矸石粉可以大幅提高硬化水泥浆体的氯化物结合能力,同时可以优化胶砂孔隙结构12。现阶段把活化煤矸石粉作为细骨料掺入到煤矸石混凝土中的研究还不够全面。本试验将
14、煤矸石粉(Coal gangue powder,CGP)掺入到煤矸石混凝土中进行研究,以 CGP 掺量、煤矸石粗骨料(Coal gangue coarse aggregate,CGA)取代率为变量,探究其对煤矸石混凝土抗折强度、抗氯离子渗透性能的影响。通过压汞法对煤矸石混凝土孔结构进行分析,采用扫描电镜观察煤矸石混凝土的微观结构并分析其影响机理,为掺煤矸石混凝土抗折强度和抗氯离子性能研究提供参考。1 试验1.1 试验材料水泥选用 P.O 42.5 普通硅酸盐水泥;沙子选用河沙,细度模数 2.71,含泥量为 1.42%,表观密度2 585 kg/m3,松散堆积密度 1 462 kg/m3;天然粗
15、骨料选用张家口宣化地区 525 mm 的天然碎石,集配良好;原状煤矸石取自张家口宣化地区的煤矿厂,煤矸石粉为原状煤矸石进行煅烧研磨后至 500 的活化煤矸石粉13;煤矸石粗骨料为原状煤矸石经破碎筛分后粒径在 525 mm 的粗骨料。取样流程如图 1 所示,采用快速升温节能箱式电炉 KL-10 型进行煅烧处理,采用行星球面机 PM 型进行机械研磨,表 1 为煤矸石和水泥化学成分。原状煤矸石Undisturbed?coalgangue锤击破碎Hammercrushing颚式破碎机破碎Jaw?crushercrushing过方格筛网Through?the?gridscreen粒径 25?mmPart
16、iclesize25?mm粒径525?mmParticle?size?525?mm煤矸石粗骨料Coal?gangue?coarseaggregate粒径 5?mmParticlesize5?mm置入电炉煅烧Place?in?electricfurnace?forcalcination空气极冷Extremely?coldair机械研磨Mechanicallapping过 300 目筛网Through?a?300mesh?screen活化煤矸石粉Activated?coalgangue?powder图 1 煤矸石粗骨料和活化煤矸石粉取样流程Fig.1 Sampling process of coa
17、rse aggregate and activated coal gangue powder表 1 煤矸石化学成分Tab.1 Chemical composition of coal gangue%化学成分Chemical compositionSiO2Al2O3Fe2O3CaOMgO损失Loss煤矸石Coal gangue61.2027.507.601.700.901.10水泥Cement20.326.153.5662.031.716.31191森 林 工 程第 39 卷1.2 试验配合比设计煤矸石混凝土强度按 C30 进行设计,水胶比为0.43。以 CGP 掺量、煤矸石粗骨料取代率为变量,
18、设计 CGP 掺量为 10%、15%和 20%等质量取代水泥;CGA 取代率为 0%、30%、50%和 100%等质量取代天然粗骨料,共进行 12 组配合比试验。表 2 为煤矸石混凝土配合比。表 2 煤矸石混凝土配合比Tab.2 Mix ratio of coal gangue concrete试件编号Specimen numberCGP 掺量(%)CGP contentCGA 取代率(%)CGA substitution rate水泥/kgCementCGP/kg沙/kgSandCGA/kg碎石/kgCrush stone水/kgWaterCG-10-0100375.0037.5064201
19、 193195CG-10-301030375.0037.50642357.9835.1195CG-10-501050375.0037.50642596.5596.5195CG-10-10010100375.0037.506421 1930195CG-15-0150337.5056.2564201 193195CG-15-301530337.5056.25642357.9835.1195CG-15-501550337.5056.25642596.5596.5195CG-15-10015100337.5056.256421 1930195CG-20-0200318.7575.0064201 193
20、195CG-20-302030318.7575.00642357.9835.1195CG-20-502050318.7575.00642596.5596.5195CG-20-10020100318.7575.006421 19301951.3 试件制作与试验方法1.3.1 抗折强度试验煤矸石混凝土 100 mm100 mm400 mm 的非标准棱柱体试块标准养护 28 d 后,依据混凝土物理力学性能试验方法标准(GB/T 500812019)进行抗折强度试验。试验布置如图 2 所示,仪器采用张家口市建设工程质量检测中心 DY-3008DX 型全自动压力试验机,加荷载速度设置为 0.02 MPa
21、/s,试验施加连续均匀荷载。图 2 抗折强度试验布置Fig.2 Experimental arrangement of flexural strength1.3.2 抗氯离子渗透试验直径为 100 mm、高度为 50 mm 煤矸石混凝土圆柱体试块标准养护 28 d 后,参照普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准(GB/T 500822009)进行抗氯离子渗透试验。试验如图 3 所示,仪器采用HC-BSY 型混凝土智能真空饱水仪和 HC-RCM6 型混凝土氯离子扩散系数测定仪。图 3 抗氯离子渗透试验布置Fig.3 Experimental arrangement of resistance
22、to chloride ion penetration1.3.3 孔结构分析试验采用压汞法研究不同掺量煤矸石粉对全替代煤矸石粗骨料混凝土的孔结构影响,试验仪器采用麦克 Autopore V9620 型高性能全自动压汞仪,试验装置如图 4 所示。1.3.4 扫描电镜试验采用扫描电镜观察微观情况下,不同掺量煤矸石粉对全替代煤矸石粗骨料混凝土的影响;试验仪器采用蔡司 Sigma 300 型扫描电镜,装置如图 5所示。291第 5 期阎杰,等:活化煤矸石粉对煤矸石混凝土性能的影响图 4 孔结构分析试验装置Fig.4 Pore structure analysis test facility图 5 扫描
23、电镜试验装置Fig.5 Scanning electron microscope test device2 试验结果分析2.1 煤矸石粉对煤矸石混凝土抗折强度影响制备不同掺量的 CGP 及不同 CGA 取代率的煤矸石混凝土试件,标准养护 28 d 后取出,所得抗折强度变化如图 6 所示。3.02.82.62.42.22.01.828?d 抗折强度/MPa28-day?flexural?strengthCGP?10%CGP?15%CGP?20%CGA 取代率(%)Substitution?rate?of?CGA-10 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110图 6
24、 不同 CGP 和 CGA 取代率下试件的抗折强度Fig.6 Flexural strength of specimens with different CGP and CGA substitution rates由图 6 可知,随着 CGP 掺量增加,煤矸石混凝土抗折强度先升高后下降,CGP 掺量取 15%时抗折强度最大,较其余不同 CGP 掺量的混凝土提高了8.3%,不同 CGA 取代率均表现出相同的趋势。说明热活化煤矸石粉具有较高的火山灰活性,而且比水泥的粒度更细,改善颗粒级配,从而提高了煤矸石混凝土的抗折强度。但随着 CGP 掺量过多,水泥相应减少,二次水化作用生成的 C-S-H 凝胶
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