郝 亮谭小蓉

(1.西安科技大学,陕西省西安市,710054; 2.西安工业大学,陕西省西安市,710021; 3.西安铁路职业技术学院,陕西省西安市,710600)

★节能与环保★

煤矸石混凝土力学性能试验研究

郝 亮1,2谭小蓉3

(1.西安科技大学,陕西省西安市,710054; 2.西安工业大学,陕西省西安市,710021; 3.西安铁路职业技术学院,陕西省西安市,710600)

通过试验研究煤矸石骨料混凝土力学性能,分析了煤矸石骨料掺量对混凝土力学性能的影响规律,以求达到煤矸石的最大利用,减小大量煤矸石堆放对土地及周围环境的污染.通过三因素四水平正交试验及极差分析方法,研究煤矸石混凝土不同比例取代粗细骨料对混凝土抗压强度、劈裂强度、抗折强度的影响规律,得出了不同取代因素下的最优配合比.研究结果表明,煤矸石混凝土抗压强度影响因素由强到弱依次为:碎石＞水泥＞中砂;煤矸石混凝土抗折强度影响因素由强到弱依次为:水泥＞中砂＞碎石;矸石混凝土劈拉强度影响因素由强到弱依次为:中砂＞碎石＞水泥.

煤矸石混凝土 正交试验 极差分析法 力学性能

1 引言

煤矸石是煤炭开采、加工和发电过程中产生的固体废弃物,是我国排放量最大的工业固体废弃物之一.煤矸石自然资源极其丰富,用于建筑工程中具有保温性能好、自重轻、工程造价低等优点,更主要的是废物利用、减少污染、改善环境.但是煤矸石混凝土在建筑工程中应用的较少,其主要原因就是煤矸石混凝土的规程还不完善.本文经过对煤矸石混凝土配合比设计、正交试验设计,再对煤矸石混凝土试块进行抗折、抗压、劈裂抗拉等力学性能的研究,最终利用极差分析对煤矸石混凝土的力学性质有了具体的数据理论依据,发现煤矸石混凝土能够基本满足混凝土力学要求,但相对普通混凝土强度有所降低.

2 试验概况

2.1 试验原材料及配合比

试验水泥采用陕西秦岭水泥厂生产的秦岭牌PO42.5普通硅酸盐水泥;粉煤灰采用陕西渭南电厂生产的II级粉煤灰,含水率为0.51%;砂采用西安尼木砂场中砂,细度模数为2.7,含泥量为1.1%,堆积密度为1650 kg/m3;碎石采用陕西西安泾阳碎石,5～31.5 mm连续级配,压碎指标为8.3%,堆积密度为1540 kg/m3;煤矸石集料采用重庆美琪光大有限公司生产的经特定处理、破碎和分解后的煤矸石粗、细骨料.其中,煤矸石陶粒为5～16连续级配,表观密度为1264 kg/m3;煤矸石陶砂细度模数为2.2,表观密度为1726 kg/m3.减水剂使用大连西卡KDSP-1高效聚羧酸减水剂,减水率25%.

为了研究煤矸石轻骨料混凝土力学性能,试验考虑了粉煤灰掺量、煤矸石骨料取代率和煤矸石砂取代率共3个影响因素:粉煤灰掺量为0、10%、20%和30%;煤矸石骨料体积取代率为0、30%、60%和90%;煤矸石砂体积取代率为0、30%、60%和90%.其中,煤矸石骨料取代率和煤矸石砂取代率为按照体积比计算.同时,为了研究这3个影响因素对煤矸石轻骨料混凝土力学性能影响程度高低,试验采用三因素四水平正交试验方法,并结合方差分析,判断三因素的影响显著水平.正交试验设计结果及具体配合比见表1.

表1 正交试验设计结果及煤矸石轻骨料混凝土配合比

2.2 试件制作及养护

混凝土试件按照GB/T50081-2002《普通混凝土力学性能试验方法》标准,使用强制式搅拌机拌制混凝土拌合物,测定坍落度满足设计要求后,混凝土抗压与劈裂抗拉实验采用100 mm×100 mm ×100 mm模具,混凝土抗折试验采用100 mm× 100 mm×400 mm模具,填充模具后在混凝土振动台上振动成型.

采用标准养护的试件,应在温度为20±5℃的环境中静置1 d,然后编号、拆模.拆模后应立即放入温度为20±2℃,相对湿度为95%以上的标准养护室中养护.标准养护室内的试件应放在支架上,彼此间隔10～20 mm,时间表面应保持潮湿,并不得被水直接冲淋.试验从搅拌加水开始计时,标准养护龄期为28 d.

2.3 试验方法

混凝土力学实验根据《混凝土力学性能试验方法》标准进行,将在标准养护条件下达到28 d龄期的混凝土试块分别从标养室取出,抗压与劈裂抗拉试验每组3个100 mm×100 mm×100 mm正方体试块与抗折每组2个100 mm×100 mm× 400 mm长方体试块,以8块为一组分别进行煤矸石混凝土试块的抗压、抗折和劈裂抗拉试验.

2.4 试验设备

试验主要仪器设备(规格型号)为单卧轴强制式混凝土(HJW-60)、混凝土振动台(HZ-1)、坍落度桶(300 mm)、30 t万能材料试验机(NZ-73003)和60 t压力试验机(-020-).

3 试验结果与分析

3.1 煤矸石混凝土抗压强度

3.1.1 破坏形态

开始加载时,煤矸石混凝土试块表面未发生开裂,试块内的应力随着荷载的增加不断增大,试块中间位置发生开裂.开始出现的裂缝离试块两侧较近,并与试块高度方向垂直,随着荷载的进一步增加,裂缝沿试块斜向往上下端发展,形成斜裂缝,新产生的裂缝向内发展,试块表面混凝土开始出现外鼓甚至剥落现象,试件破坏后,其上下部分呈一较完整的棱锥体,这种现象称为环箍效应.

3.1.2 试验结果

通过试验发现全部采用煤矸石骨料的混凝土比普通混凝土的强度有明显下降,引起这一现象的原因可能是试验中采用的煤矸石含的杂质较多,影响混凝土强度.由于煤矸石自身质量较轻,在混凝土装模与振捣后,发现较多的煤矸石骨料漂浮到了混凝土的上层,出现了分层现象,使得混凝土整体不均匀,所以强度下降.经过试验测得的C40混凝土立方体抗压强度值见表2.

表2 煤矸石混凝土立方体抗压强度

在分析实验数据后发现随着配合比中煤矸石骨料的增加,混凝土的强度有所下降,但唯独在第6组与第9组试验中强度突然增长为52.2 MPa与51.9 MPa,这与试验规律不符,原因是试验可能出现不确定因素,在这两组组试验过程中,由于试验机器的故障导致试验有所停滞,所以数据出现波动,但这也是实验过程中不可避免的,但整体不影响试验规律.

3.1.3 抗压强度极差分析

根据正交试验极差分析法(即直观分析法),可得煤矸石混凝土抗压强度影响因素水平结果,见表3.k1是分别含A1、B1、C1编号的所有混凝土抗压强度的平均值,以此类推.r是该列中最大值与最小值的差.

表3 抗压强度因素水平表

由表3可知,煤矸石混凝土抗压强度影响因素由强到弱依次为:B＞C＞A,对于28 d抗压强度这一指标最优组合是A3B2C4.分析出现该结果原因是由于混凝土材料在受到压力作用时,粗骨料(即碎石)主要承受外力作用,起控制作用,故对混凝土抗压强度的各种影响因素中,粗骨料影响最大.

各因素对混凝土抗压强度的影响规律如图1所示.由图1可知,陶砂取代中砂后,混凝土试件抗压强度的变化没有明显规律,取代率为60%时强度最高,最大强度比最小强度大13.2%;陶粒取代碎石后,混凝土试件抗压强度呈逐渐减小趋势,且最大强度比最小强度大27.4%;而粉煤灰取代水泥后,混凝土试件抗压强度呈逐渐增大趋势,最大强度比最小强度大17.8%.同时还可看出,3种对混凝土抗压强度影响因素中,陶粒取代碎石后,混凝土抗压强度极值变化最大,即碎石对混凝土抗压强度影响最大,这与表3的分析结果一致.

图1 不同配合比煤矸石混凝土抗压强度

3.2 煤矸石混凝土抗折强度

3.2.1 试验结果

试件破坏大部分发生在水泥砂浆与煤矸石骨料的界面处,煤矸石骨料极少发生折断.这说明混凝土的抗折强度大部分取决于砂浆基体强度,粗骨料对混凝土的抗折强度影响较小.如果粗骨料本身强度过高,则砂浆基体与粗骨料之间的强度和弹性模量相差较大,在很小的荷载下水泥砂浆与煤矸石骨料界面处产生较大应力发生界面粘结破坏导致混凝土破坏.经过试验测得的煤矸石混凝土立方体抗折强度值见表4.

表4 煤矸石混凝土立方体抗折强度

3.2.2 抗折强度极差分析

根据正交试验极差分析法,可得煤矸石混凝土抗折强度影响因素水平结果,见表5.

表5 抗折强度因素水平结果

由表5可知,煤矸石混凝土抗折强度影响因素由强到弱依次为:C＞A＞B,对于28 d抗折强度这一指标最优组合是A1B1C1.分析出现该结果原因是由于煤矸石混凝土的抗折强度大部分取决于砂浆基体强度,粗骨料对混凝土的抗折强度影响较小.

图2 不同配合比煤矸石混凝土抗折强度

各因素对混凝土抗折强度的影响规律如图2所示.由图2可知,陶砂、陶粒分别取代中砂及碎石后,混凝土抗折强度逐渐降低,且最大抗折强度大于最小抗折强度分别为12.2%、9.6%;而粉煤灰取代水泥后,最大抗折强大大于最小抗折强度13.3%,显然粉煤灰取代水泥的比率度抗折强度影响较大,陶砂取代率影响次之,且与粉煤灰取代水泥比率较为接近,而陶粒取代率影响最小,且较之其他两者相差较大,说明对于煤矸石混凝土抗折强度来说,水泥和中砂对强度影响响应较为敏感,这是由于抗折强度主要取决于砂浆基体强度.

3.3 煤矸石混凝土劈拉强度

3.3.1 试验结果

普通碎石混凝土劈裂抗拉试验破坏面发生在水泥砂浆与粗骨料粘界面不同,煤矸石轻骨料混凝土的劈拉破坏面比较平直.从煤矸石混凝土的破坏形态来看,开始加载时,煤矸石混凝土试块表面没有发生开裂现象,试块内的应力随着荷载的增大不断增加,试块中间位置发生开裂,裂缝出现在试块中央,随着荷载进一步增加,裂缝逐渐向垫条附近延伸.荷载继续增加,裂缝进一步延伸变宽,最后煤矸石混凝土发生劈裂破坏.具体试验结果见表6.

表6 煤矸石混凝土劈裂抗拉强度

试验结果表明,在高强度煤矸石混凝土方面,劈裂抗拉强度与普通混凝土相比有一定的下降,但下降幅度很小.煤矸石混凝土由于碎石骨料表面粗糙且吸水率较大,降低了水泥砂浆与细骨料粘结界面的局部水灰比,从而导致水泥石与细骨料的粘结强度较高,同时煤矸石细骨料的颗粒强度比普通混凝土所用的碎石粗骨料的强度要低,所以煤矸石混凝土的抗拉强度取决于煤矸石细骨料的抗拉强度,而普通混凝土的抗拉强度,取决于骨料和硬化水泥浆的抗拉强度,尤其取决于骨料与水泥浆二者界面上的粘结强度.故煤矸石细骨料混凝土抗拉试验破坏形态与普通混凝土不同,而与其他轻骨料混凝土破坏相似,破坏断面贯穿了大部分较大颗粒且破坏面较平整.具体试验结果见表6.

3.3.2 劈拉强度极差分析

根据正交试验极差分析法,可得煤矸石混凝土劈拉强度影响因素水平结果,见表7.

表7 劈拉强度因素水平结果

由表7可知,煤矸石混凝土劈拉强度影响因素由强到弱依次为:A＞B＞C,对于28 d劈拉强度这一指标最优组合是A1B4C4.分析出现该结果原因是由于煤矸石混凝土的劈拉强度大部分取决于轻骨料的强度(即中砂的抗拉强度),故中砂取代率对劈拉强度影响最大.

图3 不同配合比煤矸石混凝土劈拉强度

各因素对混凝土劈拉强度的影响规律如图3所示.由图3可知,陶砂取代中砂强度有明显下降,陶粒取代碎石强度变化不大,而粉煤灰取代水泥强度有所增加.当陶砂取代中砂的取代量、陶粒取代碎石的取代量都为0时,也就是其二者在其他因素都保持不变的情况下,不加陶砂、不加陶粒时28 d劈拉强度最大;当粉煤灰取代水泥的取代量为30%时,28 d劈拉强度最大.

4 结论

研究了煤矸石混凝土不同比例取代粗细骨料对混凝土抗压强度、劈裂强度、抗折强度的影响规律,通过三因素四水平正交试验及极差分析方法,得出了不同取代因素下的最优配合比,具体结论如下:

(1)煤矸石混凝土抗压强度影响因素由强到弱依次为:碎石＞水泥＞中砂,对于28 d抗压强度这一指标最优组合是A3B2C4.陶砂取代中砂后,混凝土试件抗压强度的变化没有明显规律;陶粒取代碎石后,混凝土试件抗压强度呈逐渐减小趋势;而粉煤灰取代水泥后,混凝土试件抗压强度呈逐渐增大趋势.

(2)煤矸石混凝土抗折强度影响因素由强到弱依次为:水泥＞中砂＞碎石,对于28 d抗折强度这一指标最优组合是A1B1C1.陶砂、陶粒分别取代中砂及碎石后,混凝土抗折强度逐渐降低;而粉煤灰取代水泥后,混凝土抗折强度变化规律明显.

(3)煤矸石混凝土劈拉强度影响因素由强到弱依次为:中砂＞碎石＞水泥,对于28 d劈拉强度这一指标最优组合是A1B4C4.陶砂取代中砂后劈拉强度有明显下降,陶粒取代碎石后劈拉强度变化不大,而粉煤灰取代水泥后劈拉强度有所增加.

[1] 常万林.煤矸石的综合利用[J].河北煤炭,2010 (8)

[2] 邱钰,缪林昌,刘松玉.煤矸石在道路建设中的应用研究现状及实例[J].公路交通科技,2002(4)

[3] 张平萍,孙传敏.我国煤矸石的综合现状及存在问题[J].国土资源科技管理期刊,2004(6)

[4] 何廷树,王福川等.土木工程材料[M].北京:中国建筑工业出版社,2013

[5] 呈显强.煤矸石混凝土的应用研究[J].施工技术学报,2003(9)

[6] 谷胜利.煤矸石综合利用技术展望[M].郑州工业大学出版社,2009

[7] 杜忠,李庆兰.煤矸石的综合利用现状[J].资源工程学报,2007(5)

[8] 呈显强.煤矸石混凝土的应用研究[J].施工技术学报,2003(9)

(责任编辑 孙英浩)

Study on mechanical property test of gangue concrete

Hao Liang1,2,Tan Xiaorong3
(1.Xi＇an University of Science and Technology,Xi＇an,Shaanxi 710054,China; 2.Xi＇an Technological University,Xi＇an,Shaanxi 710021,China; 3.Xi＇an Railway Vocational&Technical Institute,Xi＇an,Shaanxi 710600,China)

According to study mechanical property test of gangue concrete,the authors analyzed effect law of gangue aggregate mix amount on concrete mechanical property,in order to achieve maximum utilization of coal gangue and reduce pollution of land and surrounding environment caused by gangue pile.Three factors,four levels,orthogonal test and range analysis were used to study effect law of different proportions of gangue concrete replacing coarse and fine aggregate to concrete compressive strength,splitting strength and rupture strength.The results showed the optimum mixture ratio under different substitution factor:the influencing factor of gangue concrete compressive strength from strong to weak was gravel＞cement＞sand,the influencing factor of gangue concrete splitting strength from strong to weak was cement＞sand＞gravel,the influencing factor of gangue concrete rupture strength was sand＞gravel＞cement.

gangue concrete,orthogonal experiment,range analysis,mechanical property

TU37

A

郝亮(1982-),男,陕西省榆林市人,讲师,在读博士研究生,研究方向为工程项目管理。