煤矸石混凝土配比优化及其水化机理研究_冯鹤.pdf

202313基础研究17Modern Chemical Research当代化工研究202313基础研究17Modern Chemical Research当代化工研究煤矸石混凝土配比优化及其水化机理研究冯鹤*王晓丽（贵州建设职业技术学院 贵州 551400）摘要：通过对煤矸石混凝土立方体开展单轴抗压强度测试，研究了煤矸石混凝土料浆浓度、煤矸石细矸率以及水泥掺量对强度的影响关系，获得了煤矸石混凝土中各主要成分的优化配比区间。研究表明：在煤矸石混凝土的配比中，混凝土料浆质量浓度区间以76%80%为宜；细骨料的掺量区间以35%45%为宜；水泥掺量对煤矸石混凝土强度影响较大，且随着水泥的增加而快速增加，其掺量与水泥呈现正相关；同时，对不同期龄的煤矸石混凝土进行了电镜扫描以及EDS能谱扫描，结果表明随着期龄的增长，其水化产物会发生改变，水化产物之间会相互交织形成致密结构，提高材料强度。关键词：煤矸石混凝土；抗压强度；力学试验；优化配比；水化机理中图分类号：TU528.01 文献标识码：ADOI：10.20087/ki.1672-8114.2023.13.006Study on Ratio Optimization and Hydration Mechanism of Coal Gangue ConcreteFeng He*,Wang Xiaoli(Guizhou Construction Vocational and Technical College,Guizhou,551400)Abstract：Using coal gangue instead of natural aggregate in traditional concrete to prepare new coal gangue concrete materials can not only improve the problem that coal gangue is difficult to deal with in coal mining enterprises,but also reduce the mining of natural stone and alleviate the shortage of resources.Through the uniaxial compressive strength test of coal gangue concrete cube,the influence of coal gangue concrete slurry con-centration,coal gangue fine gangue rate and cement content on strength was studied,and the optimal ratio range of each main component in coal gangue concrete was obtained.The results show that in the proportion of coal gangue concrete,the mass concentration range of concrete slurry is 76%80%.The suitable range of fine aggregate content is 35%45%.The cement content has a great influence on the strength of coal gangue concrete,and increases rapidly with the increase of cement,and its content is positively correlated with cement.At the same time,electron microscope scanning and EDS energy spectrum scanning were carried out on coal gangue concrete of different ages.The results show that with the increase of age,the hydration products will change,and the hydration products will be intertwined to form a dense structure to improve the strength of the material.Key words：coal gangue concrete；compressive strength；mechanical test；optimization ratio；hydration mechanismJ.华东理工大学学报(自然科学版),2007(01):71-74+119.DOI:10.14135/ki.1006-3080.2007.01.016.9邓钟.煤矿防灭火凝胶泡沫的形成机理及阻化性能研究D.湖南科技大学,2019.DOI:10.27738/ki.ghnkd.2019.000161.10郑晨光.防治煤自燃的新型凝胶泡沫的制备及性能研究D.西安科技大学,2020.DOI:10.27397/ki.gxaku.2020.000983.11武薛强.防治煤自燃的可膨胀凝胶泡沫制备及防灭火特性研究D.安徽理工大学,2021.DOI:10.26918/ki.ghngc.2021.000712.12张新花,颜国强,黄启铭.矿用凝胶泡沫防灭火材料的研究J.矿业安全与环保,2014(06):5-8.13梁洪军.防治煤自燃的粉煤灰凝胶泡沫实验研究D.江苏:中国矿业大学,2019.14姬玉成.抗氧化凝胶泡沫防遗煤自燃机理研究D.北京科技大学,2022.DOI:10.26945/ki.gbjku.2022.000046.15Liu H,Hong R,Xiang C,et al.Visualization and anal-ysis of mapping knowledge domains for spontaneous combus-tion studies-ScienceDirectJ.Fuel,262.16李金亮,陆伟,徐俊.化学阻化剂防治煤自燃及其阻化机理分析J.煤炭科学技术,2012,40(01):4.17王毅泽,董凯丽,张玉龙,等.CMC/ZrCit/GDL防灭火凝胶泡沫的制备及特性研究J/OL.煤炭科学技术:1-102023-03-29.http:/ Chemical Research当代化工研究202313基础研究18Modern Chemical Research当代化工研究1.引言新型建筑材料的开发、生产及使用，对促进社会进步、发展国民经济具有重要意义，是可持续发展的关键，基于此，本文对煤矸石混凝土进行配比优化探究，以期为我国建材邻域可持续发展提供一定参考。煤炭是我国的重要能源，在其开采中会不断产生大量的煤矸石，同时，在煤炭的洗选过程中也会产生大量的煤矸石1-2，据统计，2021年煤矸石的排放量约为5亿吨，占2021年煤炭产量的12%3。目前，由于煤矸石如何绿色、高效处理成为煤矿企业面临的首要难题，寻求多源煤矸石的综合利用方式愈发重要4。煤矸石混凝土是以煤矸石为骨料，部分替代或者完全替代传统混凝土中的天然骨料。以煤矸石为骨料作为新型混凝土材料，不仅能够积极处理煤矸石面临的重大难题，同时也能够减少天然石料的采掘，缓解资源紧张，是我国建材领域与采矿邻域实现资源互通、绿色发展的重要方向5-6。有部分学者在煤矸石混凝土的方面开展了研究，段晓牧7分析了自燃和非自燃煤矸石在不同混凝土强度下本构模型的变化关系，建立了煤矸石全取代下的-曲线模型；潘铖8采用循环加载方式对煤矸石压缩状态下的本构模型开展了研究；刘瀚卿等6对不同煤矿以及取代率下的煤矸石混凝土-关系开展了研究，给出了煤矸石混凝土弹性模量与应变极限等计算模型。前人主要针对不同矿源以及矸石取代率下混凝土的应力-应变关系进行了研究，但对影响煤矸石混凝土强度中各主控因素间的变化关系研究较少。料浆浓度是影响混凝土输送性的关键因素，同时，煤矸石细矸率以及水泥掺量是影响煤矸石混凝土的主要因素，因此，对煤矸石混凝土料浆浓度、煤矸石细矸率以及水泥掺量等主控因素间的影响规律进行研究十分必要。本文以煤矸石混凝土的料浆浓度、煤矸石细矸率以及水泥掺量为变量，通过对煤矸石混凝土立方体的单轴抗压强度试验研究，分析了不同料浆浓度、煤矸石细矸率以及水泥掺量对煤矸石混凝土强度的影响规律，为煤矸石混凝土的优化配比提供参考。2.试验概况(1)试验材料水泥表1 水泥化学成分材料化学成分/%水泥SiO2Al2O3Fe2O3CaOMgOSO3其他19.616.253.8164.342.203.470.33本次试验采用的水泥为市售普通硅酸盐325#水泥，通过滴定分析常规仪器检测，其化学成分见表1所示。煤矸石煤矸石来自贵州某煤矿的洗选矸石，通过滴定分析常规仪器检测，其化学成分见表2。表2 煤矸石化学成分材料化学成分/%SiO2Al2O3Fe2O3CaOMgOSO3其他煤矸石45.3620.1916.435.782.510.798.98粉煤灰试验用粉煤灰取自贵州火电厂，外观呈现灰黑色，通过滴定分析常规仪器检测，其化学成分见表3。由表可看出，其成分主要为铝、硅等玻璃体。因此，粉煤灰的加入能充填于水泥颗粒之间，增加后期的致密性。表3 粉煤灰化学成分材料化学成分/%SiO2Al2O3Fe2O3CaOMgOSO3其他粉煤灰46.5521.6218.406.431.303.026.70砂，石厂开采的天然石砂。(2)试验方案根据前人的研究成果9-10，本次试验把煤矸石混凝土的料浆质量分数区间控制在74%82%之间，煤矸石细矸率区间控制在35%55%之间（通常把粒径小于5mm的骨料称为细骨料），水泥掺量区间控制在4%12%之间，对煤矸石混凝土立方体进行3天养护期龄、7天养护期龄为以及28天养护期龄的单轴压缩试验，试验方案见表4所示。表4 试验方案试验组数料浆质量分数/%细矸率/%水泥掺量/%174458276458378458480458582458680454780456880458980451010804512118035812804081380458202313基础研究19Modern Chemical Research当代化工研究202313基础研究19Modern Chemical Research当代化工研究试验组数料浆质量分数/%细矸率/%水泥掺量/%148050815805583.试验结果与分析(1)力学强度分析煤矸石混凝土抗压强度随煤矸石混凝土料浆质量分数、煤矸石细矸率和水泥掺量的影响曲线如图1所示。由图1中（a）可知，当混凝土料浆质量分数不超过80%时，不同期龄下煤矸石混凝土的抗压强度随着料浆质量分数的增加而增加，分析原因为料浆分数的提高，导致了浆体黏度增加，从而减小了粗骨料的沉降率，因此强度会提高，但是当料浆分数大于80%时，浆体中的游离水分子降低，进而抑制了水化反应的进行，使得强度有所降低。由图1中（b）可知，当煤矸石混凝土的养护期龄在3天和7天时，细骨料的多少对煤矸石混凝土抗压强度影响不显著，但当养护期龄达到28天后，煤矸石混凝土的抗压强度波动较为明显，当细骨料的掺量不超过45%时，其抗压强度呈现小幅度的增加，当细骨料的掺量大于45%后，抗压强度曲线呈现下滑趋势，强度明显开始逐步降低，结合文献11分析原因是因为随着细骨料的增加，导致大量的细骨料吸附于充填体中的游离水，使得水化速率降低，同时，使煤矸石混凝土中的粗骨料相对较少，支撑作用减弱，最后使得强度降低。由图1中（c）可知，各期龄下的煤矸石混凝土抗压强度随着水泥掺量的提高而明显提升，结合文献11分析，可能是因为水泥的