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煤矸石陶粒轻集料混凝土体积稳定性研究
2015-07-17
开展煤矸石陶粒替代普通碎石骨料制备轻集料混凝土的研究有助于推动建材向轻质、高 强、隔热方向 发展。在总结轻集料混凝土的研究和应用现状、体积收缩种类、收缩机理及其改善措施的基础上, 研究了减缩剂、陶粒 预湿对煤矸石陶粒轻集料混凝土体积稳定性的影响。试验结果表明:无论是增加减缩剂掺量还是提 高煤矸石陶粒预 湿程度,煤矸石陶粒轻集料混凝土试件的收缩率均明显下降、体积稳定性均明显改善;二者复合应 用更有利于降低试 件的收缩率、提高试件的稳定性。该研究对煤矸石陶粒轻集料混凝土的推广应用具有指导意义。
Series No. 469 ꢀ Julyꢀ 2015 金ꢀ ꢀ 属ꢀ ꢀ 矿ꢀ ꢀ 山 ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ 总第 469期 METAL MINE 2015 年第 7 期 ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ 煤矸石陶粒轻集料混凝土体积稳定性研究 1 1,2 1 1 邱景平 ꢀ 刘ꢀ 骎 ꢀ 邢ꢀ 军 ꢀ 孙晓刚 ( 1. 东北大学资源与土木工程学院,辽宁 沈阳 110819;2. 中国黄金集团科技有限公司,北京 100176) 摘ꢀ 要ꢀ 开展煤矸石陶粒替代普通碎石骨料制备轻集料混凝土的研究有助于推动建材向轻质、高强、隔热方向 发展。 在总结轻集料混凝土的研究和应用现状、体积收缩种类、收缩机理及其改善措施的基础上,研究了减缩剂、陶粒 预湿对煤矸石陶粒轻集料混凝土体积稳定性的影响。 试验结果表明:无论是增加减缩剂掺量还是提高煤矸石陶粒预 湿程度,煤矸石陶粒轻集料混凝土试件的收缩率均明显下降、体积稳定性均明显改善;二者复合应用更有利于降低试 件的收缩率、提高试件的稳定性。 该研究对煤矸石陶粒轻集料混凝土的推广应用具有指导意义。 关键词ꢀ 煤矸石陶粒ꢀ 轻集料混凝土ꢀ 体积稳定性ꢀ 减缩剂ꢀ 预湿ꢀ 收缩率 ꢀ ꢀ 中图分类号ꢀ TD926. 4ꢀ ꢀ ꢀ 文献标志码ꢀ Aꢀ ꢀ ꢀ 文章编号ꢀ 1001-1250(2015)-07-168-05 Study on Volume Stability of Coal Gangue Ceramsite Lightweight Aggregate Concrete 1 1,2 1 1 Qiu Jingping ꢀ Liu Qin ꢀ Xing Jun ꢀ Sun Xiaogang ( 1. College of Resources and Civil Engineering,Northeastern University,Shenyang 110819,China; 2. China Gold Science and Technology Co. ,Ltd. ,Beijing 100176,China) Abstractꢀ Investigation that lightweight aggregate concrete with coal gangue ceramsite replace ordinary gravel is helpful for development direction of building materials to light quality,high strength,heat insulation. Based on the summary of present research and application status,volume shrink type,shrinkage mechanism,and the improvement measures on lightweight aggre- gate concrete,the influences of shrinkage reducing agent,ceramsite pre-wetting degree on volume stability of coal gangue ce- ramsite lightweight aggregate concrete were studied. The results indicated that no matter increase the shrinkage reducing agent dosage or improve the pre-wetting degree on coal gangue ceramsite lightweight aggregate concrete,the shrinkage rate were sig- nificantly decreased,and the volume stability were improved obviously. The composite application of the two is more conducive to reducing shrinkage rate,improving the volume stability of the specimen. The research results have guiding significance to the application of coal gangue ceramsite lightweight aggregate concrete. Keywordsꢀ Coal gangue ceramsite, Lightweight aggregate, Volume stability, Shrinkage reducing agent, Pre-wetting, Shrinkage rate ꢀ ꢀ 煤矸石是煤矿在开拓、回采和洗选加工过程中排 优良特性。 放的一种固体废弃物,其排放量占煤炭产量的 10% 我国 20 世纪 80 年代开始研究和生产煤矸石陶 [ 1] [3] ~ 15% ,是我国排放量最大的工业固体废弃物之 粒轻集料混凝土 ,到 21 世纪,随着煤矸石陶粒生产 一。 煤矸石的长期堆存不仅占用大量的土地,还对堆 的规模化,我国煤矸石陶粒轻集料混凝土技术得到较 快发展。 但在实际工程中,混凝土开裂现象仍普遍存 在,增加胶凝材料用量、掺加高效减缩剂和活性矿物 掺合料是配制轻集料混凝土的主要技术方法,也正是 由于这些措施造成了混凝土的明显收缩、开裂和耐久 [ 2] , 存地周边环境造成严重的污染和破坏。 据统计 目前我国煤矸石堆存量累计高达 50 亿 t 以上,并且 每年约以 2 亿 t 的速度增加。 利用煤矸石生产的集料替代普通碎石骨料配制 轻集料混凝土,不仅可以资源化大宗利用煤矸石,还 能大量减少建筑行业对天然集料的消耗,此外与普通 混凝土相比,轻集料混凝土还具有轻质、高强、抗震等 [ 4] 性下降,严重制约了其在结构工程上的应用 。 因 此,提高轻集料混凝土的体积稳定性、减少收缩开裂 对煤矸石陶粒轻集料混凝土的研究和应用具有重要 收稿日期ꢀ 2015-04-22 基金项目ꢀ “十二五”国家科技支撑计划项目(编号:2012BAJ17B01,2012BAJ17B02,2011BAB07B02)。 作者简介ꢀ 邱景平(1975—),男,副教授,博士。 · 168· ꢀ ꢀ ꢀ 邱景平:煤矸石陶粒轻集料混凝土体积稳定性研究ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ 2015 年第 7 期 意义。 试验以某砂岩质煤矸石陶粒为轻集料试制混凝 1. 2ꢀ 轻集料混凝土的收缩机理 轻集料混凝土收缩主要是由于硬化水泥浆体内 部的湿度平衡被打破所致,而导致这种平衡发生变动 的原因则来自于混凝土内部水分的迁移或转化。 关 于其作用机理的学说主要有毛细管张力学说、拆开压 土,研究了预湿陶粒内养护、添加减缩剂及二者复合 对轻集料混凝土收缩的影响,以寻求有效改善轻集料 混凝土体积稳定性的措施,促进煤矸石陶粒轻集料混 凝土的推广和应用。 [ 8] 力学说、表面吸附学说和层间水迁移学说 。 毛细 管张力学说认为混凝土的收缩与水分迁移过程中毛 细管水的弯液面有关。 随着混凝土内部相对湿度的 降低,毛细管中弯液面的曲率下降,从而导致表面张 力增大,此表面张力对管壁产生拉应力造成混凝土宏 观体积的收缩。 拆开压力学说认为水吸附在 CꢁSꢁH 凝胶表面会产生一个拆开压力,其值与湿度成正比, 在较低的相对湿度下,当拆开压力小于范德华力时, 水泥浆体中的凝胶颗粒就会聚集引起收缩。 表面吸 附学说认为凝胶颗粒的表面吸附水膜会减小其表面 张力,当吸附水从颗粒上脱离,表面张力就要增加,从 而引起体积减小。 层间水迁移学说是指随着相对湿 度的降低,存在于 CꢁSꢁH 凝胶内层区的层间水在能 量梯度的作用下逐渐向外迁移而产生的收缩。 1 ꢀ 轻集料混凝土体积稳定性研究现状 1 . 1ꢀ 轻集料混凝土的体积变形 混凝土的体积稳定性是指混凝土凝结硬化后,在 [ 5] 无荷载作用下保持其初始几何尺度的能力 。 作为 促使混凝土开裂的最主要因素,收缩是影响轻集料混 凝土体积稳定性的最主要的体积变形。 混凝土的收 缩变形主要有 6 种,下面结合轻集料混凝土的具体特 [ 6-7] 点进行分析 1)化学减缩。 指水泥在水化反应后,浆体中胶 。 ( 凝材料和水的绝对体积减小所引起的收缩。 硅酸盐 水泥完全水化后的化学收缩为 7% ~ 9% 。 混凝土初 凝后的化学收缩大部分由内部形成的孔隙结构来补 偿,对混凝土宏观体积的影响较小。 对于这几种收缩学说,不同的学者看法并不一 致,但普遍认为混凝土的收缩是无法用单一学说完全 ( 2)温度收缩。 指混凝土内部温度由于水泥水 化而升高,最后冷却到环境温度时产生的收缩,其大 小与混凝土的热膨胀系数、内部最高温度及降温速率 等因素有关。 轻集料混凝土的低弹性模量和较小的 热膨胀系数,使其在相同温度梯度下产生的收缩小于 普通混凝土。 [ 9] 解释的,而是多种原因复合造成的 。 当相对湿度为 100% 时,混凝土不会产生较大的 体积变形;当水泥浆体所处环境湿度小于 100% 时, 混凝土便开始出现失水并产生收缩。 一般认为,当环 境湿度小于 100% 时,孔径 50 nm 以上的毛细孔内的 自由水首先蒸发,此时由水的表面张力引起的毛细管 应力很小,并不会造成体系的显著收缩;当相对湿度 在 85% ~ 35% 时,孔径 50 ~ 2. 5 nm 的毛细孔逐渐失 水,毛细管应力增大,体系收缩显著增大。 存在于胶 体中的吸附水,在相对湿度低于 60% 时才开始蒸发。 当相对湿度小于 45% 时,将失去 CꢁSꢁH 凝胶内层区 的层间水,使水泥浆体的收缩增大。 在相对湿度为 ( 3)碳化收缩。 指在相对湿度合适的条件下,大 气中的 CO2 与水泥的水化产物如 Ca(OH)2 、CꢁSꢁH 凝胶等发生化学反应而引起的收缩。 ( 4)塑性收缩。 指在混凝土凝结硬化前,由于表 面失水速率大于内部水分向外迁移速率而产生的收 缩。 轻集料在拌和阶段吸入水泥浆中的水分,会增大 混凝土表面失水速率与内部水分向表面迁移的速率 之差,从而加大轻集料混凝土的早期塑性收缩。 35% ~ 100% 的常规环境中,毛细管应力是造成收缩 ( 5)自收缩。 指在恒温恒湿条件下,由于胶凝材 的主要因素;而当相对湿度小于 35% 时,由于太细的 毛细孔不能保持溶液弯液面,毛细管张力不再是混凝 土收缩的成因。 料在混凝土初凝后的继续水化引起内部湿度降低而 造成的收缩,它随着水灰比的降低而增大。 与普通混 凝土相比,轻集料混凝土有效水胶比较小,使自收缩 在总收缩中所占比例增大。 1. 3ꢀ 轻集料混凝土体积增稳技术研究现状 轻集料混凝土的体积稳定性涉及胶凝材料的类 ( 6)干燥收缩。 混凝土停止养护后,在不饱和的 型及用量、外加剂的种类及集料性能等多方面因素, 而且这些因素间又相互作用、相互影响。 因此,必须 从原材料选择到配合比设计进行统筹优化,采取适当 的减缩措施才能够有效提高轻集料混凝土的体积稳 定性。 目前,我国在轻集料混凝土体积增稳方面的研 究不多,主要包括以下几个方面。 空气中失去内部毛细孔水、凝胶孔水及吸附水而发生 的不可逆收缩,其主要影响因素是胶凝材料用量和集 料的用量及其弹性模量。 轻集料的弹性模量较低,胶 凝材料用量较高,致使轻集料混凝土的干燥收缩较 大。 · 169· 总第 469 期ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ 金ꢀ ꢀ 属ꢀ ꢀ 矿ꢀ ꢀ 山ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ 2015 年第 7 期 [ 10-11] :减少 ( 1)优化原材料和配合比。 研究表明 通过正交试验确定混凝土原料水泥、河砂与干陶粒的 基准配合比,即水泥、砂与干陶粒的用量分别为 420 胶凝材料的用量、提高有效水胶比、增加砂率、掺加粉 煤灰和矿渣,以及采用高吸水率的轻骨料可在一定程 度上减小轻集料混凝土的收缩,提高体积稳定性。 但 在实际工程中,由于受到施工条件、原材料来源及经 济条件等因素的限制,无法完全从控制收缩的角度来 设计和制备混凝土,因此减缩效果并不显著。 3 3 3 kg / m 、564 kg / m 、702 kg / m ,水灰比为 0. 40。 试 验 将 按 基 准 配 合 比, 并 在 减 水 剂 掺 量 为 0 . 75% (与水泥的质量比) 情况下,研究减缩剂掺量 与水泥的质量比)、陶粒预湿程度以及二者复合对 煤矸石陶粒轻集料混凝土收缩性能的影响。 . 3ꢀ 试验方法 参照《GB / T50082—2009ꢀ 普通混凝土长期性能 ( ( 2)掺加外加剂或纤维。 掺加适量的膨胀剂和 2 高弹性模量纤维能够有效减小轻集料混凝土的收缩, 但是膨胀剂不同程度存在高温稳定性、延迟膨胀、早 期养护条件苛刻等问题,而掺加纤维则会影响混凝土 的性能,且减缩效果受其在混凝土中分散程度的影响 较大, 这 些 原 因 大 大 制 约 了 膨 胀 剂 和 纤 维 的 推 和耐久性能试验方法标准》进行收缩试验,测定以干 燥收缩为主的收缩率。 试验以 100 mm×100 mm×515 mm 的棱柱体试件为标准试件,试块成型 1 d 后脱模, 并测定其长度。 置于恒温恒湿(20±2 ℃,60% ±5% ) 环境中养护,分别测定养护 1、3、7、14、28、56 d 时的 长度,并计算收缩率。 [ 12-13] 广 。 减缩剂于 20 世纪 80 年代由日、美先后开发 出来,是一种通过降低水溶液的表面张力来降低混凝 [ 14] [15] 土收缩的化学外加剂 。 宋培晶 研究证明,减缩 采用 JYWꢁ200A 型全自动界面张力仪测量减缩 剂对模拟孔溶液表面张力的影响。 剂对轻集料混凝土的体积稳定性有一定的促进作用。 ( 3)加强混凝土养护。 对于轻集料混凝土而言, 3 ꢀ 煤矸石陶粒轻集料混凝土试验结果与讨论 由于实际工程中构件的截面较大,传统的保湿养护对 混凝土内部的养护作用比较有限。 近 20 a 研究者开 始关注混凝土的内养护,普遍认为内养护对混凝土内 部湿度的降低以及收缩具有显著的抑制作用。 目前 已有不 少 研 究 者 开 展 了 轻 集 料 混 凝 土 内 养 护 研 3. 1ꢀ 陶粒预湿程度对试件收缩性能的影响 不同养护龄期下,陶粒预湿程度对轻集料混凝土 收缩性能影响试验的减缩剂用量为 0,不同养护龄期 混凝土试件的收缩率见图 1。 [ 12-16] 究 ,其研究结果表明,内养护可以改善水泥浆体 的孔径分布,抑制内部相对湿度的下降,并且随着轻 集料吸水率和预湿程度的提高,内养护减缩效果逐渐 增强。 2 ꢀ 煤矸石陶粒轻集料混凝土试验方案 2 . 1ꢀ 试验原料 煤矸石陶粒轻集料混凝土的原料中粗集料为实 验室自制砂岩质煤矸石陶粒,基本性能见表 1;细集 料为北京某建筑工地河砂,细度模数为 2. 6,表观密 图 1ꢀ 陶粒预湿程度对混凝土收缩率的影响 Fig. 1ꢀ Influence of ceramsite pre-wetting degree on concrete shrinkage 3 3 度为 2 610 kg / m ,堆积密度为 1 350 kg / m ;水泥为 辽宁工源牌 P·O·A 32. 5 矿渣硅酸盐水泥;减缩剂 ■ ◆ ▲ △ —不预湿; —预湿 1 h; —预湿 12 h; —预湿 24 h ® 为 HUNTSMAN 公司生产的 JEEFMINE Dꢁ230 聚醚 由图 1 可以看出:相同养护龄期的陶粒,预湿时 间越长,也即预湿程度越高,试件的收缩率越小,但收 缩率下降的幅度逐渐趋缓;陶粒预湿程度相同,养护 时间越长,试件的收缩率呈先快后慢的上升趋势。 因 此,合适的预湿时间为 12 h。 胺;减水剂为 DCꢁWR1 型萘系高效减水剂,减水率为 1 5% ~ 20% 。 表 1ꢀ 煤矸石陶粒的基本性能 Table 1ꢀ Basic performance of coal gangue ceramsite 不同时间的吸水率/ % 堆积密度 表观密度 筒压强度 强度标号 3 3 由于煤矸石轻集料陶粒具有大量的三维网状结 构,经预湿处理的陶粒内部存有一定量的水分,当水 泥浆体毛细孔网络中的水分因水泥水化而不断消耗 时,在毛细管压力差和湿度差的作用下,轻集料中的 水分逐渐向水泥中迁移,形成微养护机制,从而降低 / (kg/ m ) / (kg/ m ) / MPa / MPa 1 h 12 h 7. 02 24 h 7. 43 9 75 1 730 6. 5 35 5. 07 ꢀ ꢀ 注:煤矸石陶粒吸水特性的测试方法参照文献[17]。 2 . 2ꢀ 试验配合比 参照《JGJ51—2002ꢀ 轻集料混凝土技术规程》, · 170· ꢀ ꢀ ꢀ 邱景平:煤矸石陶粒轻集料混凝土体积稳定性研究ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ 2015 年第 7 期 [ 18] 。 毛细管应力,宏观表现为混凝土收缩变形的降低 3 . 2ꢀ 减缩剂掺量对试件收缩性能的影响 减缩剂掺量对试件收缩性能影响试验的陶粒不 预湿,不同养护龄期混凝土试件的收缩率见图 2。 图 4ꢀ 陶粒预湿且添加减缩剂对试件收缩率的影响 Fig. 4ꢀ Influence of ceramsite pre-wetting degree and shrinkage reducing agent dosage on concrete shrinkage ■ —不预湿+无减缩剂; ▲ —预湿 12 h; ○ —减缩剂 2% ; ● —预湿 12 h+掺加减缩剂 2% 图 2ꢀ 减缩剂掺量对混凝土收缩率的影响 Fig. 2ꢀ Influence of shrinkage reducing agent dosage on concrete shrinkage 由图 4 可以看出,陶粒预湿 24 h 并掺加 2% 减缩 剂的试件的收缩率显著低于同一养护龄期不预湿且 无减缩剂、或仅预湿陶粒 24 h、或仅掺加 2% 减缩剂 的试件的收缩率,表明预湿和添加减缩剂产生了“叠 加”效应。 ■ —无减缩剂; ● —减缩剂掺量为 0. 5% ; —减缩剂掺量为 4% ▲ —减缩剂掺量为 2% ; △ 由图 2 可以看出:相同养护龄期的陶粒,减缩剂 掺量越多,试件的收缩率越小,但收缩率下降的幅度 趋缓;减缩剂掺量相同,养护时间越长,试件的收缩率 呈先快后慢的上升趋势。 即在煤矸石陶粒轻集料混 凝土中掺入减缩剂可有效抑制混凝土的收缩。 因此, 合适的减缩剂掺量为 2% 。 4 ꢀ 结ꢀ 论 (1)随着煤矸石陶粒预湿时间的延长、预湿程度 的提高,煤矸石陶粒轻集料混凝土试件的收缩率下 降;预湿时间达到 12 h 时,煤矸石陶粒吸水基本饱 和,继续增加预湿时间,陶粒的吸水率增长缓慢,混凝 土试件的收缩率下降微弱。 进一步的研究表明,掺加减缩剂的试件收缩率显 著小于不掺加减缩剂的试件,这是由于无减缩剂时随 着水化作用的进行,试件内部相对湿度下降,毛细孔 中逐步产生弯月面,导致试件受负压作用而强化收 缩;添加减缩剂从微观结构上降低了毛细孔水的表面 张力,减小了孔内附加应力,从而减少了附加负压产 ( 2)添加减缩剂可降低毛细孔溶液的表面张力, 减小毛细管压力,抑制煤矸石陶粒轻集料混凝土试件 的收缩,改善其体积稳定性。 试件的收缩率随减缩剂 掺量的增加而下降,当减缩剂掺量大于 2. 0% 后,继 续增加减缩剂的掺量,混凝土试件的收缩变形改善不 明显。 [ 14] 生的收缩变形 。 减缩剂溶液的表面张力与减缩剂 溶液浓度的关系见图 3(用浓度为 5% 的减缩剂溶液 调制混凝土,减缩剂的掺量即为 2% )。 ( 3)在煤矸石陶粒预湿,且添加减缩剂的情况 下,煤矸石陶粒轻集料混凝土试件的收缩率较单独采 取 2 种手段时的收缩率明显下降,有利于提高轻集料 混凝土的体积稳定性。 参ꢀ 考ꢀ 文ꢀ 献 [ 1] ꢀ 陈莉荣,张ꢀ 娜,杜明展,等. 内蒙古某煤矸石制备沸石试验 J]. 金属矿山,2014(1):167-171. 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