自燃煤矸石轻集料混凝土碳化性能试验研究.pdf

第3 8 卷第3 期 2 0 1 5 年 5 月 非金 属 矿 Non M et al l i c M i nes VO 1 3 8 No 3 M ay，201 5 自燃煤矸石轻集料混凝土碳化性能试验研究 张向东 李庆文 李桂秀 李洋 ( 1 辽宁工程技术大学 土木与交通学院，辽宁 阜新1 2 3 0 0 0 ；2 阜新市兴光市政工程有限责任公司，辽宁 阜新1 2 3 0 0 0 ) 摘要为探究自燃煤矸石轻集料混凝土的碳化性能， 通过快速碳化试验研究抗压强度、 水灰比、 水泥用量、 温湿度及龄期等敏感性因素对 碳 化深度 的影响。结果表 明， 抗压强度与碳化近似 为 负相 关， 在 2 4 3 8 I V a范围 内， 2 8d最大减小量 为 9 7 mm； 其他 因素一定 ， 水灰比越 大， 内部 空隙越 多， 碳化深度越 大； 水泥用量提 高 1 倍， 碳化深度减小 1 4 7 ， 单纯增加水泥用量减小其碳化程度不可取 ， 应综合考虑其他敏感性 因素 ； 相 对 湿度与碳化 关系呈 负相关 ， 温度与碳化关 系呈正相关 ； 在 3 1 4d范围时， 碳化速率增长显著 ， 超过 1 4 d时， 碳化速率增 长平缓。 关键词 自 燃煤矸石； 轻集料混凝土； 快速碳化试验； 碳化深度 中图分类号 ： T U 5 2 8 2 ； T D 8 4 9 5 文献标识码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 0 8 0 9 8 ( 2 0 1 5 ) 0 3 - o o 4 0 - o 4 Ex p e r i me n t S t u d y o n Ca r b o n a t i o n Re s i s t a n c e o f S p o n t a ne o u s Co m b u s t i o n Co a l Ga n g ue Li g h t we i g h t Ag g r e g a t e s Co n c r e t e Z h a n g Xi a n g d o n g L i Qi n g we n L i Gu i x i u 2 L i Y a n g ( 1 S c h o o l o f C i v i l E n g i n e e r i n g a n d T r a n s p o r ta ti o n ， L i a o n ing T e c h n o l o g y Un i v e i ty , F u x in， L i a o n ing 1 2 3 0 0 0 ； 2 F u x i n Xi n g g u a n g Mu n i c i p a l E n g ine e r i n g C o ， L t d ， F u x i n ， L i a o n i n g 1 2 3 0 0 0 ) Abs t r a c t I n o r d e r t o e x pl o r e t h e c a r bo n a t i o n r e s i s t a nc e of s p on t a ne o us c o mb us t i on c o a l g a ng u e l i g h t we i g h t a g g r e g a t e s c o n c r e t e ， r e s e a r c h t h e i mp a c t o f t h e s e n s i t i v e f a c t o r s on c a r b o n a t i o n d e pt h ，wh i c h a r e c o mpr e s s i v e s t r e n g t h ，wa t e r c e m e nt r a t i o ，c e m e n t d os a ge ，t e mpe r a t ur e a n d r e l a t i v e h u mi d i t y , c u rin g p e rio d b y t he a c c e l e r a t e d c a r b o na t i o n e x p e rime n t Th e r e s u l t s s h owe d t h a t t h e c o n n e c t i o n b e t we e n c omp r e s s i v e s t r e n g t h a n d c a r bo n a t i o n wa s n e g a t i v e c o r r e l a t i o n ， wi t h i n the s c o p e o f 2 4 -3 8 M P a ， th e ma x i mu m r e d u c t i o n wa s 9 7 n n n o n 2 8 t h d a y I f o t h e r c o n d i t i o n s a r e kn o wn， t h e l a r g e r t h e wa t e r - c e m e n t r a t i o i s ， t h e mo r e c o a l g an g u e c o n c r e t e s p a c i n g i s ， t h e g r e a t e r th e c a r b o n a t i o n d e p t h i s W h e n the c e m e n t d o s a g e wa s d o u b l e d t h e p e r c e n t a g e o f c arb o n a t i o n wa s r e d u c i n g 1 4 7 S i mp l y i n c r e a s i ng t h e c e me n t d o s a g e t o d e c r e a s e t h e c a r b o n i z a t i o n d e g r e e i s n o t o p t i mum s e l e c t i o n Ot h e r s e n s i t i v i t y f a c t o r s mus t b e t a k e n i n t o a c c o u n t c o mp r e h e n s i v e l y Th e r e l a t i o ns h i p b e tw e e n r e l a t i v e h umi d i t y an d c arb o n i z a t i o n i s n e g a t i v e c o r r e l a t i o n ， the r e l a t i o ns h i p b e tw e e n t e mp e r a t u r e a n d c arb o n i z a t i o n i s po s i t i v e c o rre l a t i o n Du r i n g t h e r a n g e o f 3 -1 4 d ， t h e c a r b o n a t i o n r a t e i n c r e a s e d s i g n i fic a n t l y , an d i t gro wn g e nt l y , wh e n t h e c u r i n g p e rio d wa s e x c e e d i n g 1 4 d Ke y wo r d s s p o n t a n e o u s c o mb u s t i o n c o a l g a n g u e ； l i g h tw e i g ht a g g r e g a t e s c o nc r e t e ； a c c e l e r a t e d c a r b o n a t i o n e x p e rime n t ； c a r b o n a t i o n d e p t h 煤矸石是煤矿开采产生的固体废弃物， 堆积后形 成人造矸石山， 对周边土质环境影响巨大 1 -2 o辽宁 阜新有着丰富的煤矸石资源， 大量煤矸石经过长年累 月的堆积 自燃 ， 形成品相性质很好的砖红色或红色 自 燃煤矸石 p 】 。将煤矸石应用于土木工程 中， 使之变废 为宝， 替代普通混凝土中的粗骨料 ， 使混凝土构件 的 自重、 温度裂缝、 抗震性能及保温性等均优于普通混 凝土， 目前对 自燃煤矸石混凝土的研究主要围绕其力 学强度、 拌合性及耐久性方面 4 - 5 缺乏对 自燃煤矸石 轻集料混凝土碳化性能的研究。为探究自燃煤矸石 轻集料混凝土的碳化性能 ， 通过快速碳化试验研究抗 压强度、 水灰比、 水泥用量、 养护温湿度及养护龄期等 敏感性因素对煤矸石混凝土碳化深度的影响， 为深层 次研究自 燃煤矸石轻集料混凝土在复杂应力环境中 收稿 日期 ：2 0 1 5 0 3 2 6 基金 项 目：国家 自然科 学基金 ( 5 1 1 7 4 2 6 8)。 通讯作者 ，E ma i l ： l g j z l q w1 6 3 c o m。 40 的碳化情况提供理论参考 。 1 实验部分 1 1 原料水泥采用阜新市大鹰水泥制造有限公司 生产的阜鹰 山牌 P 0 4 2 5普通硅酸盐水泥， 其力学性 能见表 l 。试验用水采用普通 自来水 ； 减水剂采用河 南省建材院生产 的J K H - 1 型高效减水剂 ， 适宜掺量为 0 5 1 0 ， 主要陛能指标见表 2 。普通集料采用阜新 本地河砂， 其性能指标见表 3 ； 粗骨料采用阜新矿务局 新五龙煤矿自 燃产生的煤矸石， 表观颜色为砖红色或 红色， 自 燃煤矸石经机械破碎后颗粒级配范围见图 l ， 其基本性质见表 4 ， 自燃煤矸石与水泥的化学组分见 表 5 。 表 1 水泥物理力学性能 张向东，李庆文，李桂秀，等 自燃煤矸石轻集料混凝土碳化性能试验研究 表 2 减水剂主要性能指标 表现密度 ( k 鲁 )空隙率 含泥量 坚固性 细度模数 2 5 9 0 4 5 1 9 l 1 2 5 筛 孔 尺寸n m 图1 粗骨料颗粒级配曲线 表 4 自燃煤矸石基本性质 表 5 水泥与自燃矸石组分 ( w ， o 0 ) 材料C a O S i O2 A 1 2 0 3 F e T O3 r F ea O 3 Mg ONa z O T i O2 K2 0 S O3 烧失量 水泥5 6 5 3 8 3 0 2 5 2 1 3 1 2 0 2 0 5 1 1 煤矸石 1 2 5 5 9 5 2 l 5 8 O 一 5 5 4 1 4 7 3 1 9 O 3 5 2 5 3 0 2 4 1 0 1 1 1 -2 混凝土配合比及抗压强度试验主要研究水灰 比、 水泥用量等因素对煤矸石混凝土碳化量值的影 响 ， 经过试配后的混凝土配合比及 2 8 d抗压强度， 见 表 6 。 表 6 煤矸石混凝土配合比及抗压强度 l -3 试件 制作及试验 方法 自燃煤矸石轻集料混 凝土试件按照表 6 配合 比制作 ， 煤矸石轻集料混凝 土碳化试验试件 的尺寸为 1 0 0 i r l r 1 x 1 0 0 m mx 3 0 0 F i l m 棱柱体， 控制煤矸石轻集料混凝土的强度试件尺寸 为 1 0 0 n 3 1 r l 1 0 0 I n 1 n 1 0 0 mm标 准 立 方 体。煤 矸 石 轻集料混凝土掺加高效减水剂后其坍落度为 1 6 0 - 1 8 0 n l m， 利用普通混凝土振动台进行振捣成型 ， 在室 41 内标养 ( ( 2 0 -t 2 ) ， 9 5 以上湿度) 环境中养护 1 d后 进行拆模 ， 准备做碳化试验 。 自燃 煤 矸 石 轻 集 料 混 凝 土 碳 化 试 验 参 照 G B T 5 0 0 8 2 - 2 0 0 9 普通混凝土长期性能和耐久性能 试验方法标准 ， 采用快速碳化试验箱进行加速碳化试 验。将棱柱体试件放置在加速碳化试验箱中， 在整个 碳化试验期间使 C O 2 质量分数维持在 ( 2 O 士 3 ) 范围 内， 温度 ( 2 O 士 2 ) 、 相对湿度 ( 7 Q 土 5 稳定范围区间， 分别测定龄期为 3 d 、 7 d 、 1 4 d和 2 8 d时的碳化深度。 2 结果与讨论 2 1 强度试验按照碳化试验标准进行碳化测试 ， 得到 自燃煤矸石混凝土碳化深度与 2 8 d抗压强度关 系， 见图2 。从图2 可看出， 自燃煤矸石轻集料混凝土 碳化深度与其单轴抗压强度相关程度近似成负相关， 在低强度 1 8 2 4 MP a范围内， 碳化深度量值 随着养 护龄期 的增长出现陡降趋势， 最大陡降量出现在 2 8 d 龄期 时， 为 6 8 mm， 在较高强度 2 4 3 8 V I P a 范 围内， 最大陡降量出现在 2 8 d龄期时， 为 9 7 n l m， 随龄期增 长 自燃煤矸石混凝土的碳化速率越来越显著 。在低 强度区间内出现反常碳化深度值， 是水泥用量对混凝 土强度产生的影响逊色于煤矸石混凝土 自 身碳化速 率造成 。 抗 压 强 厦 MP a 图2 抗压 强度 与煤矸 石混凝 土碳 化 关 系 2 2 碳 化试验 2 2 1 水灰比： 在水灰比分别为 0 3 0 、 0 3 5 、 0 4 0 、 0 4 5 、 0 5 0条件下 ( 其他条件恒定) ， 煤矸石混凝土碳化深度 见图 3 。从图3 可看出， 随着养护龄期增加， 自燃煤 矸石混凝土碳化深度与水灰比近似呈正相关关系， 水 灰比在 0 3 0 4 5 范围内， 煤矸石轻集料混凝土碳化深 度增长速率 ( 切线斜率) 程度显著， 在 0 4 5 0 5 0范围 内， 其增长速率趋于平缓。混凝土养护龄期为 2 8 d 、 水灰比为 0 5 0时， 得到最大碳化深度为 1 7 6 mm。其 他条件一定时 ( 水灰比不同) ， 水泥经化学反应产生等 量 c a ( 0 H ) ， 此时煤矸石混凝土密实度是决定其碳化 性能的强弱 ， 水灰比是决定混凝土内部结构密实度的 关键性因素， 水灰比越大， 自燃煤矸石混凝土内部空 隙就越多， 其碳化深度量值越大。 朱玉婷，田真，高峰 高铁铝土矿低温气基还原除铁初探 H 流量再增加， 煅烧产物中F e O还原为 F e ， 除铁率 又增加。因此除铁率 随着 H 流量的增 加先降低后 升高 。 从图 7 b可看 出， 随着 H： 流量的增加 ， 铝土矿 回 收率先下降之后又缓慢上升 ， 但总体变化不大， 均在 8 5 左右。H 流量对铝土矿回收率的影响不大。 3 结论 1 3 0 0 - 5 5 0氢气气氛煅烧 的高铁铝土矿 除铁 率均达到 4 0 以上， 最佳条件为 4 0 0 o C 保温 1 h ， 除铁 率可到 6 0 6 ， 除铁后的铝土矿含 F e 2 0 3 0 7 。实验 证明此方法可在低温下有效分离铝土矿中的铁杂质， 达到除铁 目的。 2 铝土矿回收率受煅烧温度的影响较大， 保温时 间和 H 流量基本无影响。 3 煅烧温度为 2 0 0时， 除铁率很低在 8 以下， 因此此温度不适宜煅烧还原氧化铁。 参考文献 ： 廖士范 我国铝土矿床的发现及其研究现状 J 中国地质科学院 矿床地质研究所所刊 ， 1 9 8 7 ： 2 3 - 2 4 【 2 孟健寅， 王庆飞， 刘学飞， 等 山西交E 县庞家庄铝土矿矿物学与地 球化 学研 究 明 地质与勘探， 2 0 1 1 ， 4 7 ( 4 ) ： 5 9 3 6 0 4 3 陈汉成 ， 贺义兴 晋豫 铝土矿 的物质组分及矿石可用性研 究 华 北地质矿产杂志， 1 9 9 6， 1 l ( 3 ) ： 4 0 7 - 4 2 2 4 袁威 ， 赵晖 云南某低品位铝土矿工 艺矿物学研究 叨 矿产保护与 利用 2 0 1 1 ( 5 6 ) ： 4 9 5 2 5 李光辉 ， 董海刚， 肖春梅 ， 等 高铁铝土矿的工艺矿物学及铝铁分 离 技 术 中南大学学报 ， 2 0 0 6 ， 3 7 ( 2 ) ： 2 3 5 2 4 0 6 6李小静， 曹传辉， 刘石梅， 等 铝土矿除铁试验研究 J j 金属矿， 2 0 1 3 ， 3 6 ( 6 ) ： 5 8 5 9 7 关 明久 我 国三水铝石 型耐火级铝 土矿的选矿研 究进展概 况 阴 矿产综合利用， 1 9 9 0( 5 ) ： 2 7 3 3 8 8 S a d l e r L Y A p r o c e s s f o r e I l l1 a n c e d r e mo v a l o f ir o n f r o m b a u x i t e s o r e s J I n t e r n a t i o n a l J o u r n a l o f M i n e r a l p r o c e s s i n g， 1 9 91 ， 3 1 ： 2 3 3 2 4 6 9 邹勇， 李军旗， 徐本军， 等 高铁铝土矿磁选除铁试验研究叨 湿法 冶金 ， 2 0 1 3 ， 3 2 ( 5 ) ： 2 8 8 - 2 9 0 1 0 王耀 武， 孙挺 ， 冯乃祥 ， 等 铝土矿浮选尾矿盐酸浸 出除铁 工艺研 究 J 矿 台 工程 ， 2 0 0 9 ， 2 9 ( 6 ) ： 7 1 7 4 1 1 周吉奎， 钮因健， 李军亮， 等 一株浸矿微生物的筛选及对铝土矿 的除铁效果 J 金属矿 山， 2 0 0 6 ( 2 ) ： 3 6 -40 1 2 】 周国华， 薛玉兰， 何伯泉 铝 土矿选矿 除铁研 究进展概况 【 J 矿 产 保护与利 用。 1 9 9 9 ( 4 ) ： 4 4 _ 4 7 1 3 张定冀 ， 程学志， 杨 中瑶 ， 等 高铁铝土矿 中铁 的赋存状 态研究 郑州大学学报： 自然科学版， 1 9 8 8 ( 1 ) ： 5 8 6 2 1 4 】 黄 希 祜 钢 铁 冶 金 原 理 M】 北 京 ：冶金 工 业 出版 社 ， 2 0 0 2 ： 2 8 6 - 2 8 7 【 l 5 】 赵沛， 郭培民， 张殿伟 低温非平衡条件下氧化铁还原顺序研究【 J 钢铁， 2 0 0 6 ， 4 1 ( 8 ) ： 1 2 1 5 腻 ( 上接第 4 2页) 增长平缓。这是 因为 ， 在煤矸石混 凝土碳化初期时， 内部存在大量 C a ( O H) ， 渗透能力强 的C O 能够迅速与其产生化学反应， 随着反应平衡的 进行， 消耗大量 c a ( 0 ： ， 使反应平衡缺乏内在动力， 致使碳化速率逐渐趋于平缓 ； 另一方面， 反应产生的 C a C O 将煤矸石混凝土内部结构孔隙塞满， 达到人工 注浆 的效果 ， 削弱了 C O： 渗透能力。 龄期d 图7 龄期 与煤矸石 混凝土碳化 关 系 3结论 抗压强度与煤矸石混凝土碳化深度近似为负相 关 ； 其他条件一定， 水灰比越大， 自燃煤矸石混凝土内 一5 1 部空隙越多， 其碳化深度值越大 ； 水泥用量与碳化深 度关系为负相关， 单纯增加水泥用量以减小碳化深度 不可取， 应综合考虑其他敏感性因素； 相对湿度与碳 化关系呈负相关， 环境温度与碳化深度呈正相关； 养 护龄期与煤矸石混凝土碳化关系呈正相关。 参考文献： 1 宋洋 ， 赵 禹， 祝百茹 ， 等 煤矸 石轻 集料混凝土性能试验研 究 J 非 金属矿 ， 2 0 1 4 ， 3 7 ( 1 ) ： 2 8 3 0 2 李永靖 ， 张旭 ， 闫 宣澎， 等 测定煤矸石 骨料混凝土性 能的试验分析 非金属矿 ， 2 0 1 3 ， 3 6 ( 3 ) ： 4 3 - 4 5 3 王 国平 辽宁阜新 煤矸石 资源化研 究 D 成都 ： 成都 理工 大学， 2 0 0 5 4 】 周梅 ， 牟爽 ， 王强 基于正 交设计的大流动性 自燃煤矸 石全轻 混凝 土试验研 究 _ 非金属矿 ， 2 0 1 2 ， 3 5 ( 6 ) ： 1 9 -22， 4 8 5 周梅 ， 田博 宇， 王强， 等 自燃煤矸石粗 集料对砂轻混凝土性能影响 的试验研 究 硅酸盐通报 ， 2 0 1 3 ， 3 2 ( 1 1 ) ： 2 2 3 1 2 2 3 7 6 张誉， 蒋利学 混凝土碳化深度的计算与试验研 究叨 混凝土， 1 9 9 6 ( 4 ) ： 1 2 1 7 觚