煤渣粉对高性能混凝土性能的影响.pdf

2 0 1 1年第 6期 6月 混 凝 土 与 水 泥 制 品 C HI NA C0NC RE T E A ND C E MENT P RODUC T S 2 Oll N0 6 J u n e 煤渣粉对高性能混凝土性能的影响 潘 攀 ， 欧 阳东 1 , 2 ， 易承波 ， 宁 博 ， 鲁刘磊 ， 吴亭亭 ( 1 ． 暨南大学理工学院材料系， 广州 5 1 0 6 3 2 ； 2 ． 暨南大学理工学院“ 重大工程灾害与控制” 教育部重点实验室 ， 广州 5 1 0 6 3 2 ) 摘 要 ： 用煤渣粉作 为矿物掺合料制备 C 5 0高性 能混凝土 ， 并 与 Ⅱ级粉煤灰复掺 ， 研究煤渣粉掺量对 水泥凝结 时间 、 混凝 土流动性 、 抗压强度及耐久性 的影响。结果表 明： 煤渣粉替代部分水 泥可以提高高性能混凝 土的抗 压强 度和抗氯离 子渗透性 ， 对混凝土性 能的影 响优 于 Ⅱ级粉煤 灰 ； 煤 渣粉掺量 为 2 0 ％时 ， 混凝 土抗压强度 达到最大值 ， 为空 白样的 1 2 0 ％； 煤 渣粉与粉煤灰复掺 可以改善混凝土 的流 动性 。结果显示 ， 煤 渣粉可作为高性能 混凝 土的掺合 料 。 关键词： 煤渣 粉 ； 高性能混凝土 ； 掺合 料 ； 抗压强度 ； 耐久 性 Ab s t r a c t ： C 5 0 h i g h p e r f o r ma n c e c o n c r e t e i s p r e p a r e d b y u s i n g c o a l b o t t o m a s h a s mi n e r a l a d mi x t u r e ，a n d a f t e r mi x — i n g i t wi t h fl y a s h o f Gr a d e l I ，t h e e f f e c t s o f t h e c o n t e n t o f c o a l b o t t o m a s h o n c e me n t s e t t i n g t i me ，fl u i d i t y ， c o mp r e s s i v e s t r e n g t h a n d d u r a b i l i t y o f c o n c r e t e a r e s t u d i e d ． T h e r e s u l t s s h o w t h a t c o a l b o t t o m a s h p a r t i a l l y r e p l a c i n g c e me n t c a n i n — c r e a s e t h e c o mp r e s s i v e s t r e n g t h a n d r e s i s t a n c e t o c h l o rid e i o n p e r me a b i l i t y o f c o n c r e t e ，wh i c h i s b e t t e r t h a n fl y a s h o f Gr a d e I I ．Wi t h t h e c o n t e n t o f 2 0 ％ o f c o a l b o t t o m a s k ， t h e c o mp r e s s i v e s t r e n g t h o f c o n c r e t e c a n g e t t h e ma x i mu m v a l u e ， w h i c h i s 1 2 0 ％ o f t h e b l a n k s a mp l e ． Mi x e d c o a l b o t t o m a s h w i t h fly a s h c o u l d i mp r o v e t h e fl u i d i t y o f c o n c r e t e ． T h e e x p e r i — me n t a l r e s u h s i n d i c a t e t h a t c o a l b o t t o m a s h c a n b e u s e d a s a d mi x t u r e f o r h i g h p e rf o r ma n c e c o n c r e t e ． Ke y wo r d s ： C o a l b o t t o m a s h ； Hi g h p e rf o r ma n c e c o n c r e t e ； Ad mi x t u r e ；C o mp r e s s i v e s t r e n g t h ； Du r a b i l i t y 中图分类号 ： T U 5 2 8 文献标识码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 0 — 4 6 3 7( 2 0 1 1 ) 0 6 — 1 9 — 0 4 0前 言 煤渣 ， 又称炉渣 ， 是火力发 电厂 、 工业和民用锅 炉及其他设备燃煤排出的废渣。煤渣与粉煤灰同是 燃煤产生的固体废弃物 ，其 中煤渣是从底部排 出， 粉煤灰 由收尘器收集 而得 。2 0 1 0年我 国原煤产量 3 2 ． 4亿 t [ 1 1 ， 按火电用煤 5 0 ％计算 ， 则燃煤灰渣 的年 排放量 已超过 4亿 t ，由于粉煤灰与煤渣 的产量相 当， 则 2 0 1 0年我 国煤渣产量大约为 2亿 t 。目前 ， 煤 渣的利用率还 比较低 ， 主要用 于制砖和铺路 。煤渣 成分 中含有大量 的含硅玻璃体( A 1 0 。 2 S i 0 2 ) 和活性 S i O 、 活性 A l ： 0 ， ， 具有潜在 的火山灰活性 ， 可作为矿 物掺合料掺入水泥中。但煤渣在水泥混凝土应用方 面 ， 还远不如粉煤灰。在美 国闭 ， 粉煤灰在混凝土及 混凝土制品中的利用率为 4 7 ％，而煤渣 的利用率仅 为 5 ． 2 ％。 我国只有少许水泥生产厂家将煤渣作为水 泥混合材 ， 煤渣作 为混凝土掺合料在重大工程上 的 应用鲜有报道 。 随着国家对环保 的重视 ， 固体废弃物用于建材 基金项 目： 广东省 重大科技 专项计划 项 目( 2 O 1 0 A 0 8 0 8 0 4 0 1 5 ) 。 的研究越来越多。近年来 ， 有很多学者对煤渣用于 混凝土进行了研究。周俊龙 研究了煤渣混凝土的 流动性 、 强度 以及抗渗性 ， 研究显示煤渣可 以用于 混凝土掺合料 。李燕[ 5 1 的研究表明， 可以用沸腾炉渣 制备高性能混凝土。李顺嘲 研究了复合激发剂对矿 渣一 煤渣体系早期强度的影响和作用机理。宋远 明 研究 了燃煤灰渣火 山灰反应活性 。 目前 国内用煤渣制备高性 能混凝 土的研究还 比较少 ， 其原 因在于煤渣中的含碳量较高【3 】 ， 会降低 混凝土的流动性 ， 可将煤渣粉与粉煤灰等其他掺合 料复合 以解决这一问题。试验用磨 细煤 渣粉制备 C 5 0高性能混凝土 ， 并与 Ⅱ级粉煤灰复合 ， 研究其流 动性 、 强度和耐久性 ， 用 X R D研究煤渣粉水泥胶凝 材料 的水 化产 物 。 1 原材 料 与试验 方 法 1 ． 1 原 材料 水泥 ： 4 2 ． 5级普通硅酸盐水泥 ； 煤渣 ： 广东省某 发电厂提供 的煤渣 ， 排渣方式为湿排 ， 将 煤渣 粉磨 l h ， 通过 8 0 1~ m方孔 筛 ， 其矿物组成见 图 l ， 微 观结 构见图 2 ； 骨料 ： 细骨料为中砂 ， 细度模数为 2 ． 7 4 ， 粗 一 l 9一 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 1年第 6期 混凝土与水泥制品 总第 1 8 2期 骨料为碎石 ， 粒径为 5 ． 0 ～ 3 1 ． 5 m m； I I 级粉煤灰 ： 广州 某混凝土公司提供 ，其矿物组成见图 3 。试验用水 泥 、 煤渣粉 、 粉煤灰化学组成见表 1 。 从 图 1可以看出 ，煤 渣粉的 X R D谱在 2 O为 1 0 。 一 4 0 。 呈弥散 的馒头状 ，是典型的无定形态结构 ， 说明其物相以无定形态结构为主 ， 其结 晶矿物主要 表 1 水 泥 、 煤渣粉和粉煤灰的化学组成 2 1 - 3 A]【5 03 2 Si O2 2 一S i 0， 3 一 Ca C0 4- CA 5 一 K2 S O4 4 1 O 2 O 3 O 4 0 5 O 6 O 7 0 8 0 2 0 ／ 。 图 1 煤 渣 粉 的 XRD图 图 2 煤渣粉 的 S E M 有 ： 莫来石 ， 石英 ， 方解石 ， 铝酸钙 ， 硫酸钾等。图 2 显示煤渣粉颗粒呈不规则棱角状 、 块状 、 碎屑状 。图 3显示粉煤灰 中结晶矿物主要有莫来石 、石英及赤 铁矿等。 1 ． 2 试验 方法 ( 1 ) 水泥标准稠度需水量 、 凝结时问试验 ， 参照 G B ／ T 1 3 4 6 — 2 0 0 1 《 水泥标 准稠度用水量 、 凝结时 间 、 安定性检测方法》 进行 。 ( 2 ) 混凝土性能试 验 ： 新拌混凝 土的工作性能 按 G B ／ r r 5 0 0 8 O 一 2 0 0 2 { 普通混凝土拌合物性能试验方 一 2 0一 法 标 准》进 行 ，抗 压强 度 按 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》 要求进行。混凝土成型 2 4 h后拆模 ， 然后在 养护室标准养护 。混凝土耐久性 采用 N E L 法 ，将 试样制 成 q ~ 1 0 0 x 5 0 m m 的 圆柱 体试 件 ， 放人养护室标准养护 2 8 d 。试验前试块 先在真空下饱盐 ， 然后安装到 E J U夹具上进 行 测试 。 ( 3 ) 水化产物 XR D分析 ： 纯水泥净浆试 样 和掺 3 0 ％煤渣粉水泥净浆试样水 化 2 8 d 后进行 X R D衍射 图谱分析。 2试 验 结果与 讨 论 2 ． 1 煤渣粉掺量 对水泥标准稠度用水 量 、 凝结时间的影响 表 2为不 同掺量煤渣粉对水泥标准稠 度用水量、 凝结时间的影响。 表 2试验结果表明： 随着煤渣粉掺量的 增加 ，水泥浆体标准稠度用水量也稍有增 加 ，说 明煤渣粉会降低水泥浆体的流动性 ， 但降低程度不大。由于煤渣粉的主要结构为 玻璃体 ， 亲水能力小 ， 同时煤渣粉颗粒 比表 面积较水泥大 ， 在等量取代水泥后 ， 浆体总 体积增加 ， 且煤渣粉颗粒多为不规则棱角颗 粒 ， 若要 达到标准稠度 ， 则需要适当增加 用 水 量 。 同时 ， 从表 2可以看 出 ， 随着煤渣粉掺量 的增 加 ，水泥浆体的凝结时间逐渐缩短。这是因为煤渣 粉 中含有的硅酸钙和硫 酸钾会 与水泥水 化产物发 生反应 ， 其反应式为[8 1 ： K 2 S O 4 + C a ( O H ) 2 + 2 H 2 0 - - -* C a S 0 4 ‘ 2 H2 0 + 2 K O H 3 C A+ 3 C a S O4 + 3 7 H2 0 —} C 3 A 3 C a S O 4 3 1 H2 0 + 2 ( A 1 2 0 3 3 H2 0 ) 煤渣 中易溶 的硫酸钾与水泥水化产 生的氢氧 化钙反应产生硫酸钙 ， 随后硅酸钙与反应产生的硫 酸钙及水泥本身含有 的石膏反应 ， 生成钙矾石 A F t ， 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 潘攀 ， 欧 阳东 ， 易承波， 等 煤渣粉对高性能混凝土性能的影响 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 O 7 0 8 0 20 ／ 。 图 3 粉煤灰的 X R D图 表 2 不 同煤渣粉掺量 的水 泥标 准稠度用水量和凝结时 间 增加了水泥浆体中 A F t 的含量。A F t 晶 体 的大量形成 ， 降低了水泥浆体的塑性 形变 ， 从而缩短 了水泥的凝结时间。 2 ． 2 煤渣粉掺量对混凝 土流动性 的影 响 煤渣粉掺量对混凝 土流动性的影 响 见表 3 。 从表 3可知 ， 随着煤渣粉含量 的增 加 ， 混凝土的坍落度不断下降 ， 说 明煤 渣粉对混凝土流动性有不利影响 ， 这一 结果与水泥净浆试验结果相 同。在相同 掺量下 ( 3 # 、 8 # ) ， 煤渣 粉 昆凝土 的流动 性低于 Ⅱ级粉煤灰混凝土的流动性。当 煤 渣粉与 Ⅱ级粉煤灰复掺且掺合料 总 量 为 3 O ％( 6 样、 7 # ) 时 ， 混凝土的流动性 能良好 ， 说明两者复掺可有效改善混凝 土 的流动性 。 2 ． 3 煤渣粉对混凝土抗压强度的影响 表 3试验结果表明 ： 随着煤渣粉掺 量 的增加 ，混凝土 3 d抗压强度呈下降 趋势 ， 2 8 d抗压强度先增加后降低 ， 但直 到煤渣粉掺量达到 5 0 ％( 5 # ) 时 ， 其 2 8 d 抗压强度才稍低于空白样 。当煤渣粉掺 表 3 煤渣粉混凝 土的配合 比及性能 量为2 0 ％( 2 # ) 时， 混凝 土 2 8 d抗压强度达到最大值 ， 是空 白样 的 1 2 0 ％。当矿物掺 合料掺 量均 为 3 0 ％ ( 3 # 、 8 # ) 时 ， 煤渣粉 和 Ⅱ级粉煤灰对混凝 土 2 8 d抗 压 强 度 的 增 强 效 果 分 别 是 空 白 组 抗 压 强 度 的 1 1 2 ． 7 ％和 1 0 1 ． 6 ％， 煤渣粉的增强效果远高于 Ⅱ级粉 煤灰 。煤渣粉与 Ⅱ级粉煤灰复掺 ， 在掺合料总量为 3 0 ％时 ， 随着煤渣粉掺量的增加 ， 混凝土抗压强度增 加 ，说 明煤渣粉 的火 山灰活性大于 Ⅱ级粉煤灰 ， 其 原因是煤渣粉为不规则表面粗糙 的颗粒 ， 液相很容 易扩散到其疏松结构中，火山灰反应容易发生 ， 可 以较快获得强度 ； 而粉煤灰 表面致 密 ， 内部可溶性 S i O 2 、 A 1 z 0 ， 难 以溶出， 活性难以发挥 。 2 ． 4 煤渣粉对混凝土耐久性的影响 表 3中氯离子渗透试验表明 ： 随着煤渣粉掺量 一 21— 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 1 年第 6期 混凝土与水泥制品 总第 1 8 2期 的增加 ，混凝土 2 8 d氯离子渗 透系数先 降低后 升 高 ， 且在煤渣粉掺量为 2 0 ％( 2 # ) 时 ， 混凝土的氯离 子渗透系数最小 ， 说 明此时混凝 土的抗氯离子渗透 性能最强 。与同掺量的 Ⅱ级粉煤灰混凝土相 比， 掺 量为 3 0 ％( 3 # 、 8 # ) 时 ， 煤渣粉对混凝 土抗 氯离子渗 透性能的影响高于 Ⅱ级粉煤灰。煤渣粉与 Ⅱ级粉煤 灰复掺 ， 掺合料总量均为 3 0 ％( 6 # 、 7 # ) 时 ， 随着煤渣 粉掺量的增加 ，混凝 土抗氯离子渗透性能增加 ， 其 原 因是 由于煤渣粉活性较 Ⅱ级粉煤灰高 ， 2 8 d二次 水化程度较高 ， 生成 的水化产物降低 了空隙率并减 少了大直径孔数量 ， 从 而使混凝 土更加密实 ， 混凝 1 l 混凝土抗压强度为空 白样的 1 2 0 ％。在不降低混凝 土强度 的情况下 ， 煤渣粉作 为混凝土掺合料 ， 其掺 量不超过 4 0 ％为宜。煤渣粉与粉煤灰复掺后 ， 混凝 土抗压强度介于单掺的两者之间。 ( 4 ) 煤渣粉可提高混凝土 的抗氯离子渗透性 ， 在煤渣粉掺量为 2 0 ％时 ， 抗氯离子渗透性最强。掺 量相 同时， 煤渣粉对混凝土抗氯离子渗透性 的提高 优于 Ⅱ级粉煤灰 。煤渣粉与粉煤灰复掺后 ， 其混凝 土耐久性介于单掺 的两者之间。 ( 5 ) 煤渣粉与粉煤灰 复掺 ， 可利用煤渣粉 的高 活性及粉煤灰对流动性的有利影响 ， 制备 出高性能 混凝 土 。 4 1 1 o 1 5 2 0 2 5 3 0 3 5 4 0 45 5 0 5 5 6 0 6 5 7 0 7 5 8 0 2 0 ／ 。 图 4水泥胶凝材料 2 8 d水化产物的 X R D 土的耐久性得以提高。 2 ． 5 煤渣粉胶凝材料水化产物的 XR D分析 图 4为水泥胶凝材料 2 8 d水化产物的 X R D衍 射图谱。 图 4表明， 掺有 3 0 ％煤渣粉水泥胶凝材料主要 水化产物 为 C a ( O H ) 、 C S H凝胶 、 C S及少量的 C A H。 含 3 0 ％煤渣粉的水泥胶凝材料2 8 d龄期 C a ( O H) 衍 射峰稍低于纯水泥 ， 表明煤渣粉 中的活性二氧化硅 及活性二氧化铝与 C a ( O H) ： 发生了反应 ， 生成 C S H 凝胶和水化铝酸钙l 】o l ， 从而验证 了二次反应的发生。 3结 论 ( 1 ) 煤渣粉有促凝特性 ， 掺量越大 ， 促凝越 强。 掺量为 5 0 ％时 ， 胶凝材料初 、 终凝 时问相 当于纯水 泥 的的一 半 。 ( 2 ) 煤渣粉对混凝土 的流动性有不利影 响 ， 掺 量越多 ， 流动性 降低越大 ； 煤渣粉与粉煤灰 复掺后 ， 可有效改善混凝土流动性 。 ( 3 ) 煤渣粉活性高于 Ⅱ级粉煤灰 ， 对混凝土 2 8 d 抗压强度有增强效果 。掺量为 2 0 ％时， 煤渣高性能 一 2 2一 参考文献 ： [ 1 】 国家 统计 局国民经济综合统计司． “ 十一 五 ” 经济社会发展成就 系列报告 之--[ R ] ． 中国 统计信息 网． [ 2 ] 钱觉时， 郑洪 伟， 宋远 明， 王智 ， 纪 宪坤． 流化 床燃 煤 固硫灰渣 的特性 【 J J ． 硅酸盐 学报 ， 2 0 0 8 f 3 6 1 ：1 3 9 6 - 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2 8 作者 简介 ： 潘攀( 1 9 8 6 一 ) ， 男 ， 在读研究生。 通讯 地址 ： 广州市天河区黄埔大道西 6 0 1 号 联系电话 ： 1 5 0 1 8 7 8 3 1 9 6 E -ma i l ： p a n g p1 2 3@ 1 6 3 ． c orn、 ～ 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m