煤矸石混凝土力學性能試驗研究

郝 亮譚小蓉

(1.西安科技大學,陜西省西安市,710054; 2.西安工業(yè)大學,陜西省西安市,710021; 3.西安鐵路職業(yè)技術學院,陜西省西安市,710600)

★節(jié)能與環(huán)?！?/p>

煤矸石混凝土力學性能試驗研究

郝 亮1,2譚小蓉3

(1.西安科技大學,陜西省西安市,710054; 2.西安工業(yè)大學,陜西省西安市,710021; 3.西安鐵路職業(yè)技術學院,陜西省西安市,710600)

通過試驗研究煤矸石骨料混凝土力學性能,分析了煤矸石骨料摻量對混凝土力學性能的影響規(guī)律,以求達到煤矸石的最大利用,減小大量煤矸石堆放對土地及周圍環(huán)境的污染.通過三因素四水平正交試驗及極差分析方法,研究煤矸石混凝土不同比例取代粗細骨料對混凝土抗壓強度、劈裂強度、抗折強度的影響規(guī)律,得出了不同取代因素下的最優(yōu)配合比.研究結果表明,煤矸石混凝土抗壓強度影響因素由強到弱依次為:碎石＞水泥＞中砂;煤矸石混凝土抗折強度影響因素由強到弱依次為:水泥＞中砂＞碎石;矸石混凝土劈拉強度影響因素由強到弱依次為:中砂＞碎石＞水泥.

煤矸石混凝土 正交試驗 極差分析法 力學性能

1 引言

煤矸石是煤炭開采、加工和發(fā)電過程中產生的固體廢棄物,是我國排放量最大的工業(yè)固體廢棄物之一.煤矸石自然資源極其豐富,用于建筑工程中具有保溫性能好、自重輕、工程造價低等優(yōu)點,更主要的是廢物利用、減少污染、改善環(huán)境.但是煤矸石混凝土在建筑工程中應用的較少,其主要原因就是煤矸石混凝土的規(guī)程還不完善.本文經(jīng)過對煤矸石混凝土配合比設計、正交試驗設計,再對煤矸石混凝土試塊進行抗折、抗壓、劈裂抗拉等力學性能的研究,最終利用極差分析對煤矸石混凝土的力學性質有了具體的數(shù)據(jù)理論依據(jù),發(fā)現(xiàn)煤矸石混凝土能夠基本滿足混凝土力學要求,但相對普通混凝土強度有所降低.

2 試驗概況

2.1 試驗原材料及配合比

試驗水泥采用陜西秦嶺水泥廠生產的秦嶺牌PO42.5普通硅酸鹽水泥;粉煤灰采用陜西渭南電廠生產的II級粉煤灰,含水率為0.51%;砂采用西安尼木砂場中砂,細度模數(shù)為2.7,含泥量為1.1%,堆積密度為1650 kg/m3;碎石采用陜西西安涇陽碎石,5～31.5 mm連續(xù)級配,壓碎指標為8.3%,堆積密度為1540 kg/m3;煤矸石集料采用重慶美琪光大有限公司生產的經(jīng)特定處理、破碎和分解后的煤矸石粗、細骨料.其中,煤矸石陶粒為5～16連續(xù)級配,表觀密度為1264 kg/m3;煤矸石陶砂細度模數(shù)為2.2,表觀密度為1726 kg/m3.減水劑使用大連西卡KDSP-1高效聚羧酸減水劑,減水率25%.

為了研究煤矸石輕骨料混凝土力學性能,試驗考慮了粉煤灰摻量、煤矸石骨料取代率和煤矸石砂取代率共3個影響因素:粉煤灰摻量為0、10%、20%和30%;煤矸石骨料體積取代率為0、30%、60%和90%;煤矸石砂體積取代率為0、30%、60%和90%.其中,煤矸石骨料取代率和煤矸石砂取代率為按照體積比計算.同時,為了研究這3個影響因素對煤矸石輕骨料混凝土力學性能影響程度高低,試驗采用三因素四水平正交試驗方法,并結合方差分析,判斷三因素的影響顯著水平.正交試驗設計結果及具體配合比見表1.

表1 正交試驗設計結果及煤矸石輕骨料混凝土配合比

2.2 試件制作及養(yǎng)護

混凝土試件按照GB/T50081-2002《普通混凝土力學性能試驗方法》標準,使用強制式攪拌機拌制混凝土拌合物,測定坍落度滿足設計要求后,混凝土抗壓與劈裂抗拉實驗采用100 mm×100 mm ×100 mm模具,混凝土抗折試驗采用100 mm× 100 mm×400 mm模具,填充模具后在混凝土振動臺上振動成型.

采用標準養(yǎng)護的試件,應在溫度為20±5℃的環(huán)境中靜置1 d,然后編號、拆模.拆模后應立即放入溫度為20±2℃,相對濕度為95%以上的標準養(yǎng)護室中養(yǎng)護.標準養(yǎng)護室內的試件應放在支架上,彼此間隔10～20 mm,時間表面應保持潮濕,并不得被水直接沖淋.試驗從攪拌加水開始計時,標準養(yǎng)護齡期為28 d.

2.3 試驗方法

混凝土力學實驗根據(jù)《混凝土力學性能試驗方法》標準進行,將在標準養(yǎng)護條件下達到28 d齡期的混凝土試塊分別從標養(yǎng)室取出,抗壓與劈裂抗拉試驗每組3個100 mm×100 mm×100 mm正方體試塊與抗折每組2個100 mm×100 mm× 400 mm長方體試塊,以8塊為一組分別進行煤矸石混凝土試塊的抗壓、抗折和劈裂抗拉試驗.

2.4 試驗設備

試驗主要儀器設備(規(guī)格型號)為單臥軸強制式混凝土(HJW-60)、混凝土振動臺(HZ-1)、坍落度桶(300 mm)、30 t萬能材料試驗機(NZ-73003)和60 t壓力試驗機(-020-).

3 試驗結果與分析

3.1 煤矸石混凝土抗壓強度

3.1.1 破壞形態(tài)

開始加載時,煤矸石混凝土試塊表面未發(fā)生開裂,試塊內的應力隨著荷載的增加不斷增大,試塊中間位置發(fā)生開裂.開始出現(xiàn)的裂縫離試塊兩側較近,并與試塊高度方向垂直,隨著荷載的進一步增加,裂縫沿試塊斜向往上下端發(fā)展,形成斜裂縫,新產生的裂縫向內發(fā)展,試塊表面混凝土開始出現(xiàn)外鼓甚至剝落現(xiàn)象,試件破壞后,其上下部分呈一較完整的棱錐體,這種現(xiàn)象稱為環(huán)箍效應.

3.1.2 試驗結果

通過試驗發(fā)現(xiàn)全部采用煤矸石骨料的混凝土比普通混凝土的強度有明顯下降,引起這一現(xiàn)象的原因可能是試驗中采用的煤矸石含的雜質較多,影響混凝土強度.由于煤矸石自身質量較輕,在混凝土裝模與振搗后,發(fā)現(xiàn)較多的煤矸石骨料漂浮到了混凝土的上層,出現(xiàn)了分層現(xiàn)象,使得混凝土整體不均勻,所以強度下降.經(jīng)過試驗測得的C40混凝土立方體抗壓強度值見表2.

表2 煤矸石混凝土立方體抗壓強度

在分析實驗數(shù)據(jù)后發(fā)現(xiàn)隨著配合比中煤矸石骨料的增加,混凝土的強度有所下降,但唯獨在第6組與第9組試驗中強度突然增長為52.2 MPa與51.9 MPa,這與試驗規(guī)律不符,原因是試驗可能出現(xiàn)不確定因素,在這兩組組試驗過程中,由于試驗機器的故障導致試驗有所停滯,所以數(shù)據(jù)出現(xiàn)波動,但這也是實驗過程中不可避免的,但整體不影響試驗規(guī)律.

3.1.3 抗壓強度極差分析

根據(jù)正交試驗極差分析法(即直觀分析法),可得煤矸石混凝土抗壓強度影響因素水平結果,見表3.k1是分別含A1、B1、C1編號的所有混凝土抗壓強度的平均值,以此類推.r是該列中最大值與最小值的差.

表3 抗壓強度因素水平表

由表3可知,煤矸石混凝土抗壓強度影響因素由強到弱依次為:B＞C＞A,對于28 d抗壓強度這一指標最優(yōu)組合是A3B2C4.分析出現(xiàn)該結果原因是由于混凝土材料在受到壓力作用時,粗骨料(即碎石)主要承受外力作用,起控制作用,故對混凝土抗壓強度的各種影響因素中,粗骨料影響最大.

各因素對混凝土抗壓強度的影響規(guī)律如圖1所示.由圖1可知,陶砂取代中砂后,混凝土試件抗壓強度的變化沒有明顯規(guī)律,取代率為60%時強度最高,最大強度比最小強度大13.2%;陶粒取代碎石后,混凝土試件抗壓強度呈逐漸減小趨勢,且最大強度比最小強度大27.4%;而粉煤灰取代水泥后,混凝土試件抗壓強度呈逐漸增大趨勢,最大強度比最小強度大17.8%.同時還可看出,3種對混凝土抗壓強度影響因素中,陶粒取代碎石后,混凝土抗壓強度極值變化最大,即碎石對混凝土抗壓強度影響最大,這與表3的分析結果一致.

圖1 不同配合比煤矸石混凝土抗壓強度

3.2 煤矸石混凝土抗折強度

3.2.1 試驗結果

試件破壞大部分發(fā)生在水泥砂漿與煤矸石骨料的界面處,煤矸石骨料極少發(fā)生折斷.這說明混凝土的抗折強度大部分取決于砂漿基體強度,粗骨料對混凝土的抗折強度影響較小.如果粗骨料本身強度過高,則砂漿基體與粗骨料之間的強度和彈性模量相差較大,在很小的荷載下水泥砂漿與煤矸石骨料界面處產生較大應力發(fā)生界面粘結破壞導致混凝土破壞.經(jīng)過試驗測得的煤矸石混凝土立方體抗折強度值見表4.

表4 煤矸石混凝土立方體抗折強度

3.2.2 抗折強度極差分析

根據(jù)正交試驗極差分析法,可得煤矸石混凝土抗折強度影響因素水平結果,見表5.

表5 抗折強度因素水平結果

由表5可知,煤矸石混凝土抗折強度影響因素由強到弱依次為:C＞A＞B,對于28 d抗折強度這一指標最優(yōu)組合是A1B1C1.分析出現(xiàn)該結果原因是由于煤矸石混凝土的抗折強度大部分取決于砂漿基體強度,粗骨料對混凝土的抗折強度影響較小.

圖2 不同配合比煤矸石混凝土抗折強度

各因素對混凝土抗折強度的影響規(guī)律如圖2所示.由圖2可知,陶砂、陶粒分別取代中砂及碎石后,混凝土抗折強度逐漸降低,且最大抗折強度大于最小抗折強度分別為12.2%、9.6%;而粉煤灰取代水泥后,最大抗折強大大于最小抗折強度13.3%,顯然粉煤灰取代水泥的比率度抗折強度影響較大,陶砂取代率影響次之,且與粉煤灰取代水泥比率較為接近,而陶粒取代率影響最小,且較之其他兩者相差較大,說明對于煤矸石混凝土抗折強度來說,水泥和中砂對強度影響響應較為敏感,這是由于抗折強度主要取決于砂漿基體強度.

3.3 煤矸石混凝土劈拉強度

3.3.1 試驗結果

普通碎石混凝土劈裂抗拉試驗破壞面發(fā)生在水泥砂漿與粗骨料粘界面不同,煤矸石輕骨料混凝土的劈拉破壞面比較平直.從煤矸石混凝土的破壞形態(tài)來看,開始加載時,煤矸石混凝土試塊表面沒有發(fā)生開裂現(xiàn)象,試塊內的應力隨著荷載的增大不斷增加,試塊中間位置發(fā)生開裂,裂縫出現(xiàn)在試塊中央,隨著荷載進一步增加,裂縫逐漸向墊條附近延伸.荷載繼續(xù)增加,裂縫進一步延伸變寬,最后煤矸石混凝土發(fā)生劈裂破壞.具體試驗結果見表6.

表6 煤矸石混凝土劈裂抗拉強度

試驗結果表明,在高強度煤矸石混凝土方面,劈裂抗拉強度與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較大,降低了水泥砂漿與細骨料粘結界面的局部水灰比,從而導致水泥石與細骨料的粘結強度較高,同時煤矸石細骨料的顆粒強度比普通混凝土所用的碎石粗骨料的強度要低,所以煤矸石混凝土的抗拉強度取決于煤矸石細骨料的抗拉強度,而普通混凝土的抗拉強度,取決于骨料和硬化水泥漿的抗拉強度,尤其取決于骨料與水泥漿二者界面上的粘結強度.故煤矸石細骨料混凝土抗拉試驗破壞形態(tài)與普通混凝土不同,而與其他輕骨料混凝土破壞相似,破壞斷面貫穿了大部分較大顆粒且破壞面較平整.具體試驗結果見表6.

3.3.2 劈拉強度極差分析

根據(jù)正交試驗極差分析法,可得煤矸石混凝土劈拉強度影響因素水平結果,見表7.

表7 劈拉強度因素水平結果

由表7可知,煤矸石混凝土劈拉強度影響因素由強到弱依次為:A＞B＞C,對于28 d劈拉強度這一指標最優(yōu)組合是A1B4C4.分析出現(xiàn)該結果原因是由于煤矸石混凝土的劈拉強度大部分取決于輕骨料的強度(即中砂的抗拉強度),故中砂取代率對劈拉強度影響最大.

圖3 不同配合比煤矸石混凝土劈拉強度

各因素對混凝土劈拉強度的影響規(guī)律如圖3所示.由圖3可知,陶砂取代中砂強度有明顯下降,陶粒取代碎石強度變化不大,而粉煤灰取代水泥強度有所增加.當陶砂取代中砂的取代量、陶粒取代碎石的取代量都為0時,也就是其二者在其他因素都保持不變的情況下,不加陶砂、不加陶粒時28 d劈拉強度最大;當粉煤灰取代水泥的取代量為30%時,28 d劈拉強度最大.

4 結論

研究了煤矸石混凝土不同比例取代粗細骨料對混凝土抗壓強度、劈裂強度、抗折強度的影響規(guī)律,通過三因素四水平正交試驗及極差分析方法,得出了不同取代因素下的最優(yōu)配合比,具體結論如下:

(1)煤矸石混凝土抗壓強度影響因素由強到弱依次為:碎石＞水泥＞中砂,對于28 d抗壓強度這一指標最優(yōu)組合是A3B2C4.陶砂取代中砂后,混凝土試件抗壓強度的變化沒有明顯規(guī)律;陶粒取代碎石后,混凝土試件抗壓強度呈逐漸減小趨勢;而粉煤灰取代水泥后,混凝土試件抗壓強度呈逐漸增大趨勢.

(2)煤矸石混凝土抗折強度影響因素由強到弱依次為:水泥＞中砂＞碎石,對于28 d抗折強度這一指標最優(yōu)組合是A1B1C1.陶砂、陶粒分別取代中砂及碎石后,混凝土抗折強度逐漸降低;而粉煤灰取代水泥后,混凝土抗折強度變化規(guī)律明顯.

(3)煤矸石混凝土劈拉強度影響因素由強到弱依次為:中砂＞碎石＞水泥,對于28 d劈拉強度這一指標最優(yōu)組合是A1B4C4.陶砂取代中砂后劈拉強度有明顯下降,陶粒取代碎石后劈拉強度變化不大,而粉煤灰取代水泥后劈拉強度有所增加.

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(責任編輯 孫英浩)

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,陜西省榆林市人,講師,在讀博士研究生,研究方向為工程項目管理。