煤矸石骨料混凝土的冻融循环试验研究

２０１３年第１２期（总第２９０期）　Ｎｕｍｂｅｒ　１２　ｉｎ　２０１３（Ｔｏｔａｌ　Ｎｏ．２９０）　混　凝　Ｃｏｎｃｒｅｔｅ　土　原材料及辅助物料　ＭＡＴＥＲＩＡＬ　ＡＮＤ　ＡＤＭＩＮＩＣＬＥ　ｄｏｉ：１０．３９６９￣．ｉｓｓｎ．１００２—３５５０．２０１３．１２．０２７　煤矸石骨料混凝土的冻融循环试验研究　李永靖，韩俊俊，邢洋，闰宣澎，张旭　（辽宁工程技术大学土木与交通学院，辽宁阜新１２３０００）　摘要：为探讨煤矸石作为骨料制备混凝土的耐久性，对其指标之一冻融循环性能进行了基础试验研究，结果表明：在常用水　灰比的情况下，煤矸石骨料混凝土的抗冻性能指标能够满足要求；在相同水灰比的情况下，煤矸石骨料混凝土的耐久性指数比普　通混凝土有所降低，质量损失率有所增大，主要因为在煤矸石骨料中的孔隙水产生较大冻胀应力造成的；随着水灰比的增加，煤　矸石骨料混凝土与普通碎石混凝土的耐久性指数都降低，二者的质量损失率也都增大，主要是由于水灰比增加，不同骨料混凝土　的强度、结构密实度都降低造成的。试验结果表明，采用煤矸石制备混凝土时，应在满足和易性的基础上，尽量降低单位用水量，　水灰比不宜超过０．５０。　关键词：煤矸石混凝土；动弹性模量；质量损失率；耐久性指数；冻融循环　中图分类号：ＴＵ５２８．０４１　文献标志码：Ａ　文章编号：　１００２—３５５０（２０１３）１２—０１００—０３　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　０１１　ｔｈｅ　ｆｒｅｅｚｉｎｇ　ａｎｄ　ｔｈａｗｉｎｇ　ｃｙｃｌｅ　ｔｅｓｔ　ｏｆ　ｃｏａｌ　ｇａｎｇｕｅ　ａｇｇｒｅｇａｔｅ　ｃｏｎｃｒｅｔｅ　Ｌ／Ｙｏｎｇｆｉｎｇ，ＨＡＮＪｕｎｊｔｍ，ＸＩＮＧ　Ｙａｎｇ，ＹＡＮＸｕａｎｐｅｎｇ，ＺＨＡＮＧＸｕ　（Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆＣｉｖｉｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇａｎｄＴｒａｎｓｐｏｒｔａｔｉｏｎ，ＬｉａｏＮｉｎｇＴｅｃｈｎｉｃａｌＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｆｕｘｉｎ　１２３０００，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｏ　ｄｅａｌ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｃｏｎｃｒｅｔｅ　ｄｕｒａｂｉｌｉｔｙ　ｏｆｃｏ￣ｇａｎｇｕｅ　ｐｒｅｐａｒｅｄ　ｆｏｒ　ａｇｇｒｅｇａｔｅ，ｆｕｎｄａｍｅｎｔａｌ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ　ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎ　ｉｓ　ａｄｏｐｔｅｄ　ｔｏ　ｌｅａｒｎ　ａｂｏｕｔ　ｆｒｅｅｚｉｎｇ　ａｎｄ　ｔｈａｗｉｎｇ　ｃｙｃｌｅ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ．Ｆｉｎｄｉｎｇｓ　ｓｈｏｗ　ｔｈａｔ，ｗｈｅｎ　ｗａｔｅｒ　ｃｅｍｅｎｔ　ｒａｔｉｏ　ｉｓ　ｕｎｄｅｒ　ｔｈｅ　ｃｏｍｍｏｎ　ｃｉｒｃｕｍｓｔａｎｃｅ，　ｒｏｓｔｆ　ｒｅｓｉｓｔｉｎｇ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　ｉｎｄｅｘ　ｏｆ　ｃｏａｌ　ｇａｎｇｕｅ　ａｇｇｒｅｇａｔｅ　ｃｏｎｃｒｅｔｅ　ｃｏｕｌｄ　ｍｅｅｔ　ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ．Ｗｈｅｎ　ｗａｔｅｒ　ｃｅｍｅｎｔ　ｒａｔｉｏ　ｉｓ　ｕｎｄｅｒ　ｔｈｅ　ｓａｍｅ　ｃｉｒｃｕｍｓｔａｎｃｅ，ｃｏｍｐａｒｅｄ　ｗｉｈ　ｃｏｍｍｏｎ　ｃｏｎｃｒｅｔｔｅ，ｔｈｅ　ｒｏｓｔｆ　ｒｅｓｉｓｔｉｎｇ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　ｉｎｄｅｘ　ｏｆ　ｃｏａｌ　ｇａｎｇｕｅ　ａｇｇｒｅｇａｔｅ　ｃｏｎｃｒｅｔｅ　ｒｅｄｕｃｅｄ，ａｎｄ　ｍａｓｓ　ｌｏｓｓ　ｒａｔｅ　ｉｎｃｒｅａｓｅｄ　ｔｏ　ａ　ｃｅｒｔａｉｎ　ｅｘｔｅｎｔ．Ｔｈａｔ　ｉｓ　ｔｈｅ　ｒｅａｓｏｎ　ｗｈｙ　ｐｏｒｅ　ｗａｔｅｒ　ｉｎ　ｃｏａｌ　ｇａｎｇｕｅ　ａｇｇｒｅｇａｔｅ　ｂｒｉｎｇｓ　ａｂｏｕｔ　ｌａｒｇｅｒ　ｆｒｏｓｔ　ｈｅａｖｅ　ｓｔｒｅｓｓ．Ｗｉｔｈ　ｗａｔｅｒ　ｃｅｍｅｎｔ　ｒａｔｉｏ　ｉｎｃｒｅａｓｅｄ，ｂｏｔｈ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　ｉｎｄｅｘ　ｎｄ　ａｍａｓｓ　ｌｏｓｓ　ｒａｔｅ　ｏｆｃｏａｌ　ｇａｎｇｕｅ　ａｇｇｒｅｇａｔｅ　ｃｏｎｃｒｅｔｅ　ａｎｄ　ｃｏｍｍｏｎ　ｃｏｎｃｒｅｔｅ　ｒｅｄｕｃｅｄ，　ｈｏｗｅｖｅｒ，ｔｈｅ　ｍａｉｎ　ｒｅａｓｏｎ　ｉｓ　ｔｈａｔ，ｗａｔｅｒ　ｃｅｍｅｎｔ　ｒａｔｉｏ　ｉｎｃｒｅａｓｅｄ，ｓｔｒｅｎｇｔｈ　ａｎｄ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｃｏｍｐａｃｔｎｅｓｓ　ｏｆ　ｄｉｆｅｒｅｎｔ　ｋｉｎｄｓ　ｏｆ　ｃｏｎｃｒｅｔｅｓ　ｄｅ—　ｃｒｅａｓｅｄ．Ｃｏｎｃｒｅｔｅ　ｐｒｏｄｕｃｅｄ　ｂｙ　ｃｏａｌ　ｇａｎｇｕｅ　ｓｈｏｕｌｄ　ｎｏｔ　ｏｎｌｙ　ｍｅｅｔ　ｔｈｅ　ｄｅｍａｎｄ　ｏｆｗｏｒｋａｂｉｌｉｔｙ，ｂｕｔ　ａｌｓｏ　ｂｒｉｎｇ　ｄｏｗｎ　ｕｎｉｔ　ｗａｔｅｒ　ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ　ｉｎ　ｏｒｄｅｒ　ｔｏ　ｅｎｓｕｒｅ　ｔｈａｔ　ｗａｔｅｒ　ｃｅｍｅｎｔ　ｒａｔｉｏ　ｓｈｏｕｌｄ　ｎｏｔ　ｂｅ　ｍｏｒｅ　ｔｈａｎ　０．５０．　Ｋｍ／ｗｏｒｄｓ：ｃｏａｌ　ｇａｎｇｕｅａｇｇｒｅｇａｔｅ　ｃｏｎｃｒｅｔｅ；ｄｙｎａｍｉｃｍｏｄｕｌｕｓ　ｏｆｅｌａｓｔｉｃｉｔｙ；ｍａｓｓｌｏｓｓ　ｒａｔｅ；ｄｕｒａｂｉｌｉｔｙｉｎｄｅｘ；ｆｒｅｅｚｉｎｇａｎｄｔｈａｗｉｎｇ　ｃｙｃｌｅ　０　引言　煤矸石是煤炭工业中排放量最大的一种固体废弃物，　若不加以利用，不仅占用土地、破坏生态环境，而且还会造　成土地、水体污染。煤矸石堆集成山则为“废物”，但若加以　充分利用，则可变“废”为宝，化害为益ｆｌ＿３Ｊ。煤矸石的资源化　及合理利用一直是当前重大课题。由于建筑混凝土用量　大，而煤矸石的分布也很广，同时大多数煤矸石都含有黏　土矿物，具有与黏土相似的化学成分，因此用煤矸石为原　料生产建筑材料及制品，成为利用煤矸石的主要途径［２－７］。　采用煤矸石作为骨料制备混凝土，其耐久性是否达到　要求是关键。本试验对煤矸石骨料混凝土的耐久性指标之　一——混凝土试件，采用常用的不同水灰比，分析了煤矸石骨料　混凝土的抗冻性能，为北方阜新地区煤矸石的综合利用提　供了新的试验基础资料。　１试验简况　１．１试验材料　普通集料采用使用的天然砂和石灰岩碎石，煤矸石集　料采用阜新艾友矿区煤矸石集料，用小型撞击式破碎机进　行破碎，经筛分后得到的５　ｎｌｌＴＩ以上的煤矸石骨料经水冲　洗晒干后当作粗骨料使用，５　１Ｔｉｍ以下煤矸石骨料当作细　骨料使用。水泥采用阜新产大鹰牌水泥Ｐ・Ｏ　４２．５级水泥，　水采用普通自来水；减水剂采用减水率为２０％的高性能ＡＥ　减水剂。图１为煤矸石粗细骨料照片。　经筛分得出各个粒径不同的煤矸石粗骨料与细骨料　之后，依据ＪＧＪ　５２—２００６标准，参考规定的砂石颗粒级配　抗冻性进行了基础试验研究。本试验是在辽宁阜新　矿区选取煤矸石试样，同时，选取一种普通碎石骨料制备　混凝土试件进行对比试验分析。试验以煤矸石为骨料制备　收稿日期：２０１３－０６－２５　基金项目：国家自然科学基金资助项目（５１００８１４８、５１２７４１１１）　・１００・　（ａ）煤矸石粗骨料　（ｂ）煤矸石细骨料　图１煤矸石骨料　范围进行调配，图２为调配后的煤矸石粗骨料与细骨料的　　筛孔尺寸／ｍｍ　（ａ）煤矸石粗骨料级配　筛孔尺寸／ｍｍ　（ｂ）煤矸石细骨料级配　图２煤矸石骨料的级配　对调配好的煤矸石粗骨料与细骨料及天然的砂石粗、　细骨料，按照建筑材料有关试验规程，在试验室内进行测　以及细度模数等，具体参数见表１。　表１粗、细骨料的基本物理性质　１．２不同骨料混凝土力学性能　试验采用０．４５、０．６５两种水灰比比较分析，经过多次　　表２为水灰比０．４５、０．６５时试配确定的煤矸石骨料混凝土　（代号ＭｒＩ）以及对比分析用普通碎石骨料混凝土（代号ＳＨ）　的试验室配合比，表３为测定的水灰比０．４５、０．６５时不同骨　料混凝土的力学性能。　按照以上配合比及标准方法进行配制不同骨料混凝　表２不同骨料混凝土配合比　混凝土。坍落度空气量砂率　混凝土配合比／（ｋｇ／ｍ３）　．　类别　／ｍｍ　／％　／％水水泥细骨料粗骨料减水剂　ＭＨ　０．４５　１８２　３．６　４０　１７０　４２０　６００　９００　２．９　ＳＨ　０．４５　１７６　４．１　５０　１７８　３９０　７４０　９７０　２．４　ＭＨ　０．６５　１９】　４．２　４５】７５　２８０　６８０　９００　１．９　ＳＨ　０．６５　１８５　４．７　４８　１７８　２８５　８３５　９６０　１．６　土试件。试件规格采用１００　ｍｍｘｌ００　ｍｍｘ４００　ｍｌＴｌ。制作１２组　试件用于冻融循环试验，其中煤矸石骨料混凝土试件６组，　普通碎石骨料混凝土试件６组。　１．３试验方法　本试验是参照ＪＴＧ　Ｅ３０－－２００５（公路工程水泥及水泥　混凝土试验规程》规定，采用快速冻融法。试验以三个试件　为一组，试验前称量初始质量，并按“混凝土动弹性模量试　验”测量其初始自振频率，作为初始值。将试件装入试验机　内，注入自来水，使水面超过试件顶面约２０ｍｍ，开始进行　循环冻融试验。每次冻融循环用时３￣４　ｈ，试件温度控制在　（一１８＋２）～（５±２）℃，每进行２５次冻融循环后，测试试件的　相对动弹性模量、质量损失率和相对耐久性指数来评定混　凝土的抗冻融性能，按照式（１）进行计算。　相对动弹性模量Ｐ由式（１）计算：　。％　㈩　式中：Ｐ——循环冻融后的相对动弹性模量，％；　．厂ｎ——ｎ次冻融循环后的自振频率，Ｈｚ；　——初始自振频率，Ｈｚ。　质量损失率由式（２）计算：　Ｗｎ－ｍ＇￣－ｔｒｔｎ　ｘ１００％　（２）　ｍ０　式中：　——循环冻融后的质量变化率，％；　１７１，。——初始试件质量，ｋｇ；　ｍ　——次循环冻融后的质量，ｋｇ。　相对耐久性指数Ｋｎ由式（３）计算：　Ｋｎ＝ＰｘＮ／３００　（３）　式中：　——ｎ次循环冻融后的耐久性指数，％；　Ⅳ——停止冻融试验时的循环次数；　Ｐ——ｎ次循环冻融后的相对动弹模量平均值，％。　当试件循环冻融至３００次或相对动弹性系数降低至　６０％或质量损失率达５％时，即终止试验。　２试验结果与分析　不同骨料混凝土试件经３００次冻融循环之后如图３所　示，测试计算得到的耐久性指数及质量损失率如图４所示。　级配曲线。试其基本物理性质，包括表观密度、吸水率、单位体积质量　试配，最后确定出了煤矸石骨料混凝土的试验室配合比，