堿激發(fā)煤矸石膠凝砂漿力學(xué)性能影響因素分析

摘" 要：煤矸石作為一種工業(yè)固廢逐漸在我國路基填筑方面得到一定的應(yīng)用，目前煤矸石相關(guān)的研究多集中在其活性激發(fā)方面，對其基本力學(xué)性能研究較少。該文從抗折強(qiáng)度與抗壓強(qiáng)度的變化為評(píng)價(jià)指標(biāo)，系統(tǒng)分析礦渣摻量、堿摻量、水膠比對堿激發(fā)煤矸石膠凝砂漿基本性能的影響，闡述其內(nèi)部變化的規(guī)律，為堿激發(fā)煤矸石膠凝材料的應(yīng)用推廣提供部分?jǐn)?shù)據(jù)支撐。

關(guān)鍵詞：交通工程；工業(yè)固廢；煤矸石；力學(xué)性能；抗壓強(qiáng)度

中圖分類號(hào)：U414" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號(hào)：2095-2945（2025）07-0051-04

近些年，我國煤矸石的綜合利用效率不斷提升，不斷開發(fā)出新的技術(shù)產(chǎn)品。煤矸石具有潛在的火山灰活性，經(jīng)過高溫煅燒或者堿激發(fā)后可形成具有水硬性的材料，可替代部分硅酸鹽水泥作為土基的膠凝材料來使用，實(shí)現(xiàn)固體廢棄物的回收利用，并減少二氧化碳的排放[1-3]。

煤矸石堿激發(fā)膠凝材料是指在相關(guān)堿性激發(fā)劑的作用下，從而生成的一種水硬性材料，具有高強(qiáng)、早強(qiáng)、耐高溫等特點(diǎn)，目前關(guān)于煤矸石堿激發(fā)膠凝材料的相關(guān)研究主要集中在其活性激發(fā)方面[4-8]，芋艷梅[9]通過對煤矸石顆粒進(jìn)行研磨，發(fā)現(xiàn)其表面自由能增加，通過機(jī)械研磨增加了其活化性能。李化建等[10]通過對煤矸石進(jìn)行熱處理，結(jié)果表明，高溫處理后的煤矸石在和水泥的制備過程中，四配位鋁含量得到一定的提升，相應(yīng)的膠結(jié)性能也得到了顯著改善。李永峰等[11]系統(tǒng)分析了不同熱活性下煤矸石的礦物組成和活性組分變化規(guī)律，得到了不同煅燒溫度下的煤矸石組分變化，結(jié)果發(fā)現(xiàn)煤矸石的最佳活化工藝存在一定的差異性，不同的煅燒時(shí)間和煅燒溫度下的礦物組成與鋁配位情況會(huì)隨之發(fā)生改變。但是，由于高溫煅燒后的煤矸石活性依然較低，目前煤矸石僅作為摻合料來制備膠結(jié)材料，然而當(dāng)摻量過高時(shí)則表現(xiàn)出較差的力學(xué)性能，基于此，煤矸石相應(yīng)的研究逐漸向堿激發(fā)膠凝材料進(jìn)行過度轉(zhuǎn)變。

研究表明[12-14]，堿激發(fā)膠凝材料普遍具有強(qiáng)度高、性能優(yōu)良等特點(diǎn)，但堿激發(fā)煤矸石膠凝砂漿基本性能并未受到顯著關(guān)注和研究，其基本力學(xué)性能及其影響因素和機(jī)理猶未可知，基于此，本文擬采用抗折強(qiáng)度與抗壓強(qiáng)度的變化為評(píng)價(jià)指標(biāo)，全面分析各個(gè)影響因素對堿激發(fā)煤矸石膠凝砂漿力學(xué)性能的影響。

1" 原材料與試樣制備

1.1" 原材料

試驗(yàn)選用的煤矸石取自山西運(yùn)城煤礦，外觀顏色為黑灰色。使用磨粉機(jī)將煤矸石研磨過150目篩備用，主要化學(xué)成分見表1。

礦渣選用S95級(jí)?；郀t礦渣，主要性質(zhì)見表2。

堿性激發(fā)劑采用水玻璃模數(shù)為2.85的硅酸鈉和純度為99.7%的片狀NaOH混合而成。堿激發(fā)溶液相應(yīng)水膠比可以通過向溶液中加水獲得，堿激發(fā)溶液模數(shù)為1.2，試驗(yàn)所需堿激發(fā)劑需提前24 h制備，冷卻到常溫方可使用。

1.2" 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

標(biāo)準(zhǔn)堿激發(fā)煤矸石砂漿中煤矸石、礦渣、石英砂級(jí)配比例為0.7∶0.3∶3，水膠比為0.55，本文為了對比不同摻量對煤矸石砂漿基本性能的影響，分別選取了不同礦渣摻量（25%、30%、35%和40%）、不同堿性激發(fā)劑摻量（11%、12%、13%和14%）、不同水膠比（0.45、0.5、0.55和0.6）作為研究變量來探究其基本性能，同時(shí)設(shè)置水泥砂漿空白對照組進(jìn)行對比。試驗(yàn)參照GB/T 17671—1999《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法（ISO法）》，每組配合比澆筑15個(gè)平行試件，試件尺寸為40 mm×40 mm×160 mm，養(yǎng)護(hù)24 h 后脫模，將試件放入標(biāo)準(zhǔn)水泥養(yǎng)護(hù)室中進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，按照不同養(yǎng)護(hù)齡期養(yǎng)護(hù)完成后進(jìn)行抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度的試驗(yàn)測試。

2" 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1" 礦渣摻量對煤矸石砂漿性能的影響

本文通過改變礦渣摻量（25%、30%、35%和40%）來測試不同養(yǎng)護(hù)齡期下堿激發(fā)煤矸石砂漿基本性能的變化，試驗(yàn)結(jié)果如圖1、圖2所示。

從圖1、圖2可以看出，隨著礦渣摻量的不斷增加，二者強(qiáng)度值均呈現(xiàn)增大的趨勢，礦渣摻量繼續(xù)增大對砂漿抗折強(qiáng)度影響較小，對抗壓強(qiáng)度有一定的增強(qiáng)，當(dāng)?shù)V渣摻量達(dá)到最大時(shí)，數(shù)值達(dá)到最大，相較于最小摻量而言，抗折強(qiáng)度提升了5.33%，抗壓強(qiáng)度提升了12.41%。造成堿激發(fā)煤矸石砂漿強(qiáng)度有一定提升的原因可能是由于礦渣中含有的鈣離子在水化反應(yīng)中生成了凝膠，一定程度上使得砂漿試件基體密度得到提升，進(jìn)而提高了抗壓和抗折強(qiáng)度。

2.2" 堿摻量對煤矸石砂漿性能的影響

本文通過改變堿性激發(fā)劑摻量（11%、12%、13%和14%）來測試不同養(yǎng)護(hù)齡期下堿激發(fā)煤矸石砂漿基本性能的變化，試驗(yàn)結(jié)果如圖3、圖4所示。

從圖3、圖4可以看出，隨著堿摻量的不斷增加，試件的抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度均呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，堿摻量過高或者過低都會(huì)影響煤矸石砂漿早起強(qiáng)度的形成，使其強(qiáng)度降低。當(dāng)堿摻量過低時(shí)，砂漿內(nèi)pH成酸性，砂漿無法發(fā)生充分的地聚反應(yīng)，使得部分煤矸石的活性未被充分激發(fā)，從而導(dǎo)致了堿激發(fā)凝膠材料的黏結(jié)能力變?nèi)?，降低了試件?nèi)部的強(qiáng)度值；當(dāng)堿摻量過高時(shí)，砂漿內(nèi)pH成堿性，過高含量游離的OH-使得堿激發(fā)凝膠材料中的水化反應(yīng)過快發(fā)生，反應(yīng)生成的產(chǎn)物形成了一層水化薄膜，從而降低了組織間的黏結(jié)性能。

2.3" 水膠比對煤矸石砂漿性能的影響

本文通過改變水膠比（0.45、0.5、0.55和0.6）來測試不同養(yǎng)護(hù)齡期下堿激發(fā)煤矸石砂漿基本性能的變化，試驗(yàn)結(jié)果如圖5、圖6所示。

從圖5、圖6可以看出，隨著水膠比的不斷增加，試件的抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度均呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢，這是由于過大的水膠比會(huì)使得凝膠材料的質(zhì)量占比減少，從而降低了煤矸石砂漿整體的黏結(jié)性能，使得試件自身強(qiáng)度值減少。

同時(shí)，從圖1—圖6都可看出，堿激發(fā)煤矸石砂漿與水泥砂漿的抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度均隨著齡期增大而變大，說明堿激發(fā)煤矸石作為凝膠材料有著和水泥類似的早強(qiáng)和高強(qiáng)的性質(zhì)，在相同的試驗(yàn)條件下，堿激發(fā)煤矸石砂漿其抗折性能和抗壓性能均要優(yōu)于水泥砂漿，可作為優(yōu)良的水泥替代材料用于工程建設(shè)中。

3" 結(jié)論

本文采用抗折強(qiáng)度與抗壓強(qiáng)度變化為評(píng)價(jià)指標(biāo)，系統(tǒng)評(píng)估了礦渣摻量、堿摻量、水膠比對煤矸石砂漿基本性能的影響，闡述了其內(nèi)部變化的規(guī)律，主要結(jié)論如下：

1）礦渣含量的提升有利于煤矸石砂漿強(qiáng)度的形成，主要是由于礦渣具有優(yōu)良的火山灰活性，整體顆粒較細(xì)，比表面積較大，在堿性環(huán)境下礦渣水溶液水化反應(yīng)的速率較快，同時(shí)礦渣中含有的鈣離子可以在水化反應(yīng)中生成凝膠，一定程度上使得煤矸石砂漿試件基體密度得到提升，進(jìn)而提高了抗壓和抗折強(qiáng)度。

2）堿摻量的多少會(huì)影響堿激發(fā)煤矸石砂漿早期強(qiáng)度的形成，其力學(xué)性能并非隨著堿摻量的增加而提高，堿摻量過多或者過少都會(huì)影響煤矸石砂漿的基本性能，因此，堿摻量需要處于最佳摻量范圍內(nèi)，才能使煤矸石砂漿具有最優(yōu)性能。

3）堿激發(fā)煤矸石砂漿強(qiáng)度會(huì)隨著水膠比的增大而不斷減少，這是由于過大的水膠比會(huì)使得凝膠材料的質(zhì)量占比減少，從而降低了煤矸石砂漿整體的黏結(jié)性能，使得試件自身強(qiáng)度值減小。

4）堿激發(fā)煤矸石砂漿會(huì)隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增大而逐漸變大，表現(xiàn)出了與水泥砂漿類似的早強(qiáng)和高強(qiáng)性質(zhì)，可以作為一種工業(yè)固廢膠凝材料來應(yīng)用到實(shí)體工程中去，但是由于本文研究內(nèi)容有限，其干縮和溫縮的性能未能全面展開比較，有待進(jìn)一步的研究。

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Abstract： As an industrial solid waste， coal gangue has gradually been used to some extent in roadbed filling in my country. At present， most research on coal gangue focuses on its activity stimulation， and less research on its basic mechanical properties. Based on the changes in flexural strength and compressive strength as evaluation indicators， this paper systematically analyzes the influence of slag content， alkali content， and water-binder ratio on the basic properties of alkali-activated coal gangue cementitious mortar， expounds its internal change rules， and provides partial data support for the application and promotion of alkali-activated coal gangue cementitious materials.

第一作者簡介：寧浩（1974-），男，工程師。研究方向?yàn)榈缆方Y(jié)構(gòu)與材料。