应用复合矿物掺合料提高混凝土耐久性的研究.doc

应用复合矿物掺合料提高混凝土耐久性的研究 1、引言 煤矸石是夹在煤层中的岩石，是采煤和运煤过程中排出的废弃物，也是我国排放量最大的一种工业废渣。据有关统计[1、12]，煤矸石数量按原煤产量的15计，每年煤矸石至少增加1亿吨以上。而大部分煤矸石属粘土岩类，其主要矿物组成为粘土矿物，其次为石英、长石、云母和黄铁矿、碳酸盐等自生矿物。在经过700-900℃高温煅烧后，所含粘土矿物脱水分解，并除去炭分，烧掉有害杂质[11]，原来的结晶被分解破坏，变成无定型的非晶体，使煤矸石具有活性 [1、8]。煅烧磨细后煤矸石比表面积4500cm2/g，SiO2和Al2O3含量80以上。 2、原材料和试验方法。 2.1原材料 2.1.1水泥试验采用重庆腾辉地维水泥有限公司生产的PO425水泥，比表面积为3300cm2/g。 2.2.2、煤矸石 煤矸石是产于华莹山脉，经过充分煅烧及磨细，其化学成分见表1。 煤矸石、矿渣、粉煤灰化学成分 表1 SiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO MgO SO3 烧失量 比表面cm2/g 煤矸石 58.10 24.54 5.31 5.73 1.05 2.97 - 4100 矿渣 36.90 9.73 3.85 35.93 2.33 - - 4300 粉煤灰 41.10 25.9 1.02 3.2 0.55 0.56 7.9 3900 2.2.3、矿渣 采用重庆钢铁集团炼钢厂水淬高沪矿渣，烘干、粉磨。比表面积4300 cm2/g，其化学成分见表1。 2.2.4、粉煤灰 试验用粉煤灰是重庆九龙坡电厂的干排灰，其性能符合GB1596“用于水泥和混凝土中的粉煤灰”标准Ⅱ级品的指标要求。 2.2.5、细集料 四川简阳中砂，细度模数Mx2.32，级配合格，砂的含泥量0.8。 2.2.6、粗集料 重庆小泉石灰石碎石，5-20mm。连续级配合格，针、片状含量＜3，压碎指标≤6。 2.2.7、外加剂 以FDN为主的复合型的微引气的缓凝高效减水剂，减水率23，掺量为1.2。 2.2.8、KG粉 煅烧后的煤矸石与矿渣、粉煤灰、硅灰等材料按一定比例混磨而成，比表面积4900cm2/g。 3、实验结果与讨论 3.1、KG粉混凝土的工作性能及强度 KG粉混凝土拌合物性能及强度 表2 序号 初凝 hmin 终凝 hmin 坍落度/扩展度（mm） 抗压强度（MPa） 初始 1h 2h 3d 28d 90d 1 735 828 210/490 200/430 160/350 49.0 67.9 70.2 2 752 847 210/525 210/472 180/395 46.3 68.2 75.6 3 810 931 225/530 215/483 200/420 43.2 69.8 80.2 注KG粉取代水泥的量分别1为0 ,2为20,3为50 A．由于KG粉的微观填充作用及分散作用的发挥，掺KG粉的混凝土的坍落度损失要比未掺者小。如2h，未掺者砼坍落度损失达50mm，而掺20的砼的坍落度损失为30mm，掺50的砼坍落度损失仅为15mm。混凝土扩展度的减少也具有上述的规律性。这种现象对于预拌砼具有积极的意义。 B．由于活性掺合料的二次水化，掺入KG粉的混凝土强度与未掺者相比，混凝土早期强度随着掺量的增加而降低，砼后期强度基本持平。而砼的强度增长率未掺者为（R90-R3）/R3（70.2-49.0）/49.940.7;掺50的（R90-R3）/R380.2-43.2/43.2 85.6. 作者认为混凝土早期强度稍偏低一些,在某种程度上来说,对混凝土耐久性有益。KG粉混凝土强度的发展取决于其配合比，即水泥的标号和品种，w/c的大小，KG粉的掺量、细度，外加剂的品种和掺量，环境温度、养护条件等。但只要材料质量好、配比恰当，可以配出高强混凝土。KG粉混凝土能够保证混凝土的后期强度。加强早期养护，有利于KG粉混凝土的强度发展。 3.2 KG粉混凝土的耐久性 3、2、1煤矸石混凝土的抗渗性 KG粉混凝土的抗渗试验按普通混凝土长期性能和耐久性能实验方法（GBJ82-85）进行。由于高性能混凝土的水灰比小，加上磨细KG粉的火山灰效应及填充效应，胶凝物多且结构密实，故选用级配良好的碎石，掺用合适的混凝土外加剂，很容易配制出高抗渗性的混凝土[6]。 煤矸石混凝土的抗渗试验结果 表3 抗压强度 MPa 抗渗压力 MPa 试验情况 渗水高度 67.8 2.0 压力达到2.2MPa后持压10小时无渗水现象 劈开后，试件底部渗水平均为3-5cm,最高的为11cm。 注KG粉掺量为30。 3、2、2 KG粉混凝土的抗硫酸盐侵蚀性 本实验采用5硫酸钠、5硫酸镁溶液浸泡已经标准养护28天和90天的试件，测定侵蚀28天和90天后与淡水养护的试件的抗折、抗压强度之比，来研究其抗硫酸盐侵蚀性。 胶砂试件的配比列于表4，成型方法按照水泥胶砂试件成型方法进行。 胶砂试件的配合比 表4 试件编号 水泥（PO425） KG粉 砂 水 1 100 0 300 40 2 80 20 300 40 3 65 35 300 41 4 50 50 300 42 胶砂试件的抗压强度试验结果 表5 编号 28天抗压强度MPa 浸泡28天抗压强度 淡水 Na2SO4 MgSO4 1 51.3 53.7 42.3 0.79 40.1 0.75 2 47.0 54.2 56.1 1.04 53.7 0.99 3 48.3 55.7 57.8 1.04 58.1 1.04 4 53.9 61.3 66.4 1.08 62.9 1.03 从在5硫酸钠、5硫酸镁溶液浸泡28天的结果而知，不论在5硫酸钠溶液还是在5硫酸镁溶液中，掺了KG粉的砂浆的抗蚀性均比不掺的好，而且掺量高，效果也明显地好。KG粉中的活性SiO2能够与混凝土中的CaOH2反应生成二次水化硅酸钙，从而在化学上稳定并使结构密实并提高混凝土的抗渗能力。此外，KG粉能够降低胶结料中铝酸钙的数量，因而也提高了混凝土的抗硫酸盐能力。 胶砂试件的抗压强度试验结果 表6 编号 28天抗压强度Mpa 浸泡90天抗压强度 淡水 Na2SO4 MgSO4 1 51.3 55.2 41.0 0.74 36.5 0.66 2 47.0 57.3 57.1 1.00 51.6 0.90 3 48.3 56.6 57.9 1.02 52.6 0.93 4 53.9 62.7 65.9 1.05 60.2 0.96 对于浸泡90天试验结果看，掺有KG粉的胶砂试件在硫酸盐溶液中浸泡90天与28天有类似的结果，但在5硫酸镁溶液中，掺量对抗蚀系数的影响不明显。 抗折强度试验的规律与抗压很相似 3、2、3 KG粉混凝土抗酸雨性能 据重庆环保局的监测数据表明[10、9]，从1981年到1994年，重庆降水（含雨、雪）的PH年度雨量加权平均值范围为4.09-4.70。酸雨发生频率在70以上。PH 砂浆配合比 表7 编号 水泥（PO525） KG粉 水胶比 胶砂比 1 100 0 0.4 13 2 90 10 0.4 13 3 80 20 0.4 13 4 70 30 0.4 13 5 50 50 0.4 13 值最低时1990年增达到2.85。在重庆的降水中污染组分阴离子以硫酸根为主，其浓度占所测阴离子的75以上，因此形成了以硫酸为主的酸雨侵蚀的特点。结合酸雨侵蚀的特点，在实验室用稀硫酸溶液来做混凝土抗酸侵蚀的试验。 表5 混凝土配合比 OPC KG粉 W 外加剂 砂率（） fc28天（MPa） 1 1 0 0.35 1.0 38 61.1 2 1 0.3 0.35 0.8 38 67.3 3 1 0.45 0.36 1.1 38 71.2 将标养28天的砂浆和混凝土试件侵入PH值为3.0的硫酸溶液中侵蚀。试件在浸泡过程中，首先试件表面的颜色先变黄再变白。试件重量和强度均有损失，中性化深度也随着所加掺和料的不同而不同。将覆盖在表层的疏松物质用水冲去以后，试件表面的水泥浆体的不同和度的脱落，部分集料有外露现象，这与我们在重庆实地调查的混凝土结构受酸雨侵蚀的现象相似[9]。 由图1、图2，我们可以看出，普通硅酸盐水泥的耐酸腐蚀性较差，砂浆试件在pH值3.0的硫酸溶液中浸泡90天后，强度损失达到14.6％，混凝土试件强度损失也达到8.15％。在掺加了掺和料的对比组里面，加入KG粉的耐酸侵蚀表现较好。无论是中性化深度还是强度、重量损失方面都比不掺的要好。砂浆或混凝土的中性化深度与重量、强度损失有着线性的关系。 从试验结果来看，KG粉混凝土耐蚀性较普通水泥混凝土好。这是由于KG粉中含有较多的活性成分。由于减少了水泥用量，KG粉混凝土拌合物中CaOH2数量比相应普通水泥浆体低30-50，水化后期浆体中CSH凝胶的数量显著多于传统水泥。水化生成的CaOH2的速度缓慢，且数量也较普通水泥少。因此强度更高，稳定性更优，从而改善水泥石中胶凝物质的组成和水泥石与集料的界面结构。提高砼耐酸侵蚀的稳定性。 五、结论 将煤矸石完全煅烧后，与矿渣、粉煤灰等混磨可以作为高性能混凝土掺合料。 煤矸石的大量堆放，已严重污染环境并存在自燃的隐患，但煤矸石的利用远远低于其它工业废渣，如粉煤灰、矿渣等。作者通过大量系统实验，已证实煤矸石可以与其它类似的工业废渣一样、可以用于混凝土，如果配比恰当，并采用性能良好的外加剂，改善混凝土的性能，并配制出高性能混凝土，实现绿色高性能混凝土。