煤矸石為煤礦開采產生固體廢棄物，堆積形成人造矸石山，對周邊土質環境影響巨大。遼寧阜新有著豐富的煤矸石資源，大量煤矸石經過長年累月的堆積自燃，形成品相性質很好的磚紅色或紅色自燃煤矸石。將煤矸石應用于土木工程中，使之變廢為寶，替代普通混凝土中的粗骨料，使混凝土構件的自重、溫度裂縫、抗震性能及保溫性等均*于普通混凝土，目前對自燃煤矸石混凝土的研究主要圍繞其力學強度、拌合性及一些耐久性方面。寒冷北方城市的煤矸石混凝土結構或構件受到凍融交替氣候影響，致使自燃煤矸石混凝土因鹽凍、冰凍而產生破壞，最終降低煤矸石混凝土結構物的使用壽命。在普通混凝土配合比設計時，常摻入一定量外加劑等，以適應凍融環境中普通混凝土施工需求。單摻防凍劑和減水劑對自燃煤矸石輕骨料混凝土或普通混凝土工作性能影響的試驗研究較多，兩種外加劑共摻影響試驗比較少。
為探究防凍劑對摻減水劑自燃煤矸石混凝土抗凍工作性能影響，在不同摻量防凍劑（氯化鈣、硝酸鈣、亞硝酸鈣和乙二醇）、不同摻量減水劑（JK-2萘系）和不同凍融介質（水和質量分數3.5%NaCl溶液）等因素下進行坍落度與凍融試驗，分析其坍落度、抗凍融破壞及其機理等。
1實驗部分
1.1原料
水泥采用P·O42.5普通硅酸鹽水泥，其基本性質見表1；試驗用水采用普通自來水；JK-2萘系減水劑，主要成分為β-萘磺酸鈉甲醛縮合物，為黃褐色粉末，主要性能指標見表2。防凍劑采用3種無機鹽和1種有機防凍組分，無機鹽分別為氯化鈣(CaCl2)、硝酸鈣(Ca(NO3)2)和亞硝酸鈣(Ca(NO2)2)，均為無水分析純用化學試劑，質量分數均大于等于99%；有機防凍組分為無水乙二醇(C2H5OH)，質量分數大于等于99.7%，其密度（20℃）為0.789~0.791g/mL，均滿足試驗要求。普通集料采用阜新本地河砂，其性能指標見表3；粗骨料采用阜新礦務局新五龍煤礦自燃產生的煤矸石，表觀顏色為磚紅色或紅色，自燃煤矸石經機械破碎后顆粒級配范圍見圖1，其基本性質見表4，自燃煤矸石與水泥的化學組分見表5。
1.2煤矸石混凝土配合比設計試驗主要探究
防凍劑對摻減水劑自燃煤矸石混凝土的工作性和抗凍融破壞能力的影響，依據GB8076-2009《混凝土外加劑》、JC475-2004《混凝土防凍劑》及JGJ12-2006《輕骨料混凝土結構技術規程》，進行配合比設計，采用混凝土強度等級為C40。結合煤矸石自身特性，為滿足其規程規定的和易性與坍落度，經多次試配，確定其水灰比為0.48，具體配合比見表6，其中A組為基準混凝土。
1.3試件制作及試驗方法
為探究防凍劑對摻萘系減水劑自燃煤矸石混凝土工作性與抗凍性的影響，在基準混凝土和摻減水劑B組配合比的基礎上，分別摻3種無機鹽防凍劑，摻量分別為1%、3%、5%及7%，乙二醇防凍劑摻量則為0.5%、1.0%、1.5%及2.0%。按規定投料順序，攪拌均勻后立即測定新拌煤矸石混凝土坍落度，30min后再次測定其坍落度，以觀察摻加不同防凍劑后的經時坍落度損失?；炷猎嚰叽?00mm×100mm×400mm棱柱體及相應邊長為100mm立方體試件，利用混凝土振動臺進行振搗成型，在標準環境中進行養護28d。
凍融試驗采用“快凍法”，在標養（(20±2)℃，相對濕度大于等于95%）環境中養護24d，將自燃煤矸石混凝土試件放在凍融介質為水和質量分數3.5%的NaCl溶液中進行浸泡4d，在28d取出試件開始做凍融試驗。1次循環包括1.5h凍結與1.5h融化，其溫度控制在(-18±2)℃和(5±2)℃范圍內，煤矸石混凝土試件要浸沒，并記錄其相對動彈性模量損失率與剝落率。
2.1防凍劑對摻減水劑煤矸石混凝土工作性影響
首先研究在基準煤矸石混凝土的基礎上摻不同比例減水劑煤矸石混凝土坍落度情況，利用Origin軟件擬合分析其坍落度與不同摻量減水劑之間的關系，結果見圖2和表7。
通過對圖2和表7擬合結果分析可知，自燃煤矸石混凝土坍落度與不同摻量JK-2萘系減水劑之間呈現正相關的關系。從相關系數R2方面來分析，相關程度都較好，且其相關顯著性為二次擬合函數>線性擬合函數>Allometric1冪函數，故擬合程度為二次擬合函數；從殘差平方和RSS角度來分析，RSS值越小，就表明其函數擬合程度越*，其*性表現為二次擬合函數>線性擬合函數>Allometric1冪函數。綜合上述兩方面數理統計分析可知，煤矸石混凝土坍落度與不同摻量JK-2型減水劑間的相關性表現為二次擬合函數的關系。
為進一步探究防凍劑對摻或不摻減水劑煤矸石混凝土工作性能影響，按照1.3節試驗方法進行試驗，并借鑒不同摻量減水劑與自燃煤矸石混凝土坍落度間二次擬合函數關系，對摻4種防凍劑試驗數據進行擬合分析，結果見圖3。
對圖3分析可知，不同防凍劑不同摻量與自燃煤矸石混凝土坍落度間呈二次函數關系，相關系數R2均在0.95以上，相關性均較為顯著。從圖3a可看出，氯化鈣初始與0.5h后坍落度均隨其摻量增加而降低，摻量為7%時，其損失約為50.4mm，這將會造成煤矸石混凝土施工困難；從圖3b可看出，在有、無減水劑時，摻亞硝酸鈣初始坍落度與其摻量均呈正相關；在0.5h后，其坍落度與摻量均呈負相關，但負相關降低水平較為顯著，約為55%。初始坍落度提高是因亞硝酸鈣在煤矸石混凝土攪拌過程中起一定的塑化作用。從圖3c可看出，無減水劑時，摻硝酸鈣初始坍落度與其摻量呈正相關，且增長水平較為顯著，約為37.5%；0.5h后其與摻量呈現負相關，降低水平較為顯著，約為40%。從圖3d可看出，在無減水劑時，摻乙二醇初始及30min后坍落度與摻量呈正相關，兩者差值平均約為30.6mm；摻減水劑后，30min坍落度與乙二醇呈負相關，降低率平均約為46.8%，這表明在自燃煤矸石混凝土施工過程中應用乙二醇做防凍劑時，需要注意其對萘系減水劑有負影響的問題。
2.2防凍劑對煤矸石混凝土抗凍性能影響
2.2.1防凍劑對煤矸石混凝土抗凍融性能影響：摻防凍劑的自燃煤矸石混凝土（以A組為基礎）抗凍融破壞次數，見圖4。
從圖4可看出，無防凍劑基準煤矸石混凝土抗凍融破壞次數約為51次，但摻無機鹽防凍劑煤矸石混凝土抗凍性更差，摻無機鹽類防凍劑煤矸石混凝土凍融破壞次數與摻量呈負相關，其中氯化鈣較大程度降低煤矸石混凝土抗凍性，小摻量條件下其凍融破壞次數影響也較顯著，裂化程度約為25%。亞硝酸鈣和硝酸鈣對其抗凍性顯著性比氯化鈣低。乙二醇作為有防凍劑，提高煤矸石混凝土抗凍性，在0~1.0%摻量范圍時，它使煤矸石混凝土抗凍融破壞能力得到提升，為10%~30%。
2.2.2防凍劑對煤矸石混凝土抗鹽凍融剝蝕性影響：煤矸石混凝土抗鹽凍剝蝕性試驗中，當剝落量達到1.0kg/m2時，認為煤矸石混凝土破壞。在3.5%NaCl溶液中，基準煤矸石混凝土經凍融循環后和摻入不同防凍劑煤矸石混凝土（以A組為基礎）單位面積剝落量，見圖5。
從圖5可看出，摻氯化鈣和亞硝酸鈣顯著降低煤矸石混凝土抗鹽凍剝蝕性能，摻硝酸鈣對煤矸石混凝土抗鹽凍性能影響沒有前兩者顯著，但摻量超過1%后，剝落量與摻量成正相關；不同摻量乙二醇對其抗鹽凍剝蝕影響水平比較穩定，約為0.9kg/m2。從本質上看，因NaCl溶液遷移摩擦力比水大，使得未凍結水向煤矸石混凝土內部混凝土表層孔隙中的滲透相對困難，更大靜水壓力施加在表層煤矸石混凝土上，使得微裂縫加速形成和發展，發生鹽凍融剝蝕破壞。
3結論
1.防凍劑與減水劑對煤矸石混凝土拌合物坍落度影響為二次函數關系，摻無機鹽防凍劑對其減水劑無明顯影響。乙二醇對摻減水劑煤矸石混凝土工作性有負作用，30min其坍落度損失隨摻量增加有增大趨勢。施工時應用乙二醇為防凍劑時，需注意其對萘系減水劑有負作用。
2.隨氯化鈣、亞硝酸鈣摻量增加，煤矸石混凝土抗凍性能明顯減弱。硝酸鈣雖對其抗凍性能也有劣化作用，但較氯化鈣、亞硝酸鈣不顯著。乙二醇在較低摻量0~1.0%范圍內，使其抗凍融破壞能力得到提升，提升空間為10%~30%。
3.無機鹽防凍劑對其鹽凍融剝蝕性能隨摻量增加而降低，乙二醇在小范圍增強煤矸石混凝土抗鹽凍性能，其抗剝蝕能力顯著性表現為乙二醇>硝酸鈣>氯化鈣>亞硝酸鈣。
標簽：乙二醇
