全級(jí)配煤矸石混凝土導(dǎo)熱性能試驗(yàn)與分析

皇 民, 趙玉如, 藺世豪, 王浩南

(河南工程學(xué)院土木工程學(xué)院, 鄭州 451191)

煤矸石是煤炭開采和洗選過程中排出的固體廢棄物，屬于和煤層伴生的煤質(zhì)沉積巖類礦物質(zhì)，是當(dāng)前排放量最大的工業(yè)廢棄物之一。煤矸石堆放占用大量土地，而且產(chǎn)生粉塵和有害氣體，還可能發(fā)生自燃、崩塌與滑坡，對(duì)自然環(huán)境有較大的危害性[1]。經(jīng)過對(duì)煤矸石的破碎、清洗和篩分處理，可以替代天然骨料配制煤矸石混凝土，在降低固體廢棄物堆放量的同時(shí)，還可以節(jié)約資源[2]。

利用煤矸石骨料配制混凝土的力學(xué)性能方面，已經(jīng)有很多學(xué)者進(jìn)行了廣泛研究[3-5]，但關(guān)于煤矸石混凝土熱工性能方面的研究還比較少。宮立等[6]研究了煤矸石取代天然碎石的煤矸石混凝土保溫性能，結(jié)果表明摻加煤矸石粗骨料會(huì)降低混凝土的抗壓強(qiáng)度和導(dǎo)熱系數(shù)；李永靖等[7]研究了加氣煤矸石混凝土的力學(xué)性能和導(dǎo)熱性能，結(jié)果表明加入引氣劑可以降低煤矸石混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)；王丕杰等[8]研究了以煤矸石替代部分天然粗骨料的混凝土導(dǎo)熱系數(shù)，結(jié)果表明煤矸石粗骨料取代率為50%時(shí)的煤矸石混凝土可以滿足一般結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度要求，并可降低混凝土導(dǎo)熱系數(shù)；苗昊逸等[9]研究了煤矸石?；⒅榛炷恋牧W(xué)和保溫性能，結(jié)果表明煤矸石替代天然粗骨料后再摻加?；⒅榭梢愿纳苹炷恋谋匦阅?。

上述研究主要是針對(duì)以煤矸石粗骨料配制的混凝土導(dǎo)熱系數(shù)進(jìn)行研究，缺乏不同替代率下的全級(jí)配煤矸石混凝土導(dǎo)熱系數(shù)分析和預(yù)測(cè)模型研究?，F(xiàn)擬通過對(duì)不同煤矸石替代率下的全級(jí)配煤矸石混凝土導(dǎo)熱系數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)和分析，提出適合煤矸石混凝土導(dǎo)熱系數(shù)的修正計(jì)算模型，為煤矸石的綜合利用提供參考。

1 試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)原理

煤矸石混凝土和普通混凝土一樣可視為平板導(dǎo)熱模式，混凝土兩側(cè)面為平板且各處溫度相等，這樣平板兩側(cè)面就成為兩個(gè)等溫面且存在一定的溫差，在煤矸石混凝土平板內(nèi)就會(huì)產(chǎn)生反向于溫度梯度的降度方向熱流，由此可計(jì)算出混凝土導(dǎo)熱系數(shù)為

(1)

式(1)中：ΔQ為通過平板的熱量；S為平板面積；Δδ為平板厚度；ΔT為平板兩側(cè)溫度差值；λ為導(dǎo)熱系數(shù)，λ數(shù)值較小，表示通過混凝土的熱流量較少，保溫性較好。

1.2 試驗(yàn)材料

膠凝材料為新鄉(xiāng)新星產(chǎn)PC32.5級(jí)復(fù)合水泥；天然細(xì)骨料為河砂，細(xì)度模數(shù)為2.46；天然粗骨料采用石灰?guī)r碎石，粒徑規(guī)格5～20 mm；煤矸石粗骨料由平頂山十三礦所產(chǎn)煤矸石經(jīng)破碎篩分而成，粒徑規(guī)格5～20 mm；將煤矸石顆粒用粉磨機(jī)繼續(xù)磨細(xì)可制作成煤矸石細(xì)骨料，細(xì)度模數(shù)2.32；減水劑采用聚羧酸系，減水率18%。表1為天然骨料與煤矸石骨料的主要性質(zhì)對(duì)比。

表1 兩種骨料的性質(zhì)比較

1.3 混凝土配合比設(shè)計(jì)

依據(jù)煤矸石粗骨料替代率和煤矸石細(xì)骨料替代率的不同，設(shè)計(jì)9組試件，每組3個(gè)，共27個(gè)大小為270 mm×270 mm×22 mm的平板試塊?；鶞?zhǔn)混凝土配合比(質(zhì)量比)為水泥∶細(xì)骨料∶粗骨料∶水=1∶1.91∶3.26∶0.42，其組成材料具體用量如表2所示。

表2 試驗(yàn)配合比設(shè)計(jì)參數(shù)

1.4 測(cè)定導(dǎo)熱系數(shù)

導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)定采用上海懷歐HOR303型導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)定儀(圖1)。在試驗(yàn)前，首先將煤矸石混凝土平板試塊(圖2)放入烘箱烘干至干燥狀態(tài)，再用砂紙把試塊表面打磨平滑后，將熱電偶探頭放至平板試塊上下平板中心處。熱板設(shè)定溫度為30 ℃，冷板為20 ℃。測(cè)試過程中每隔1 h觀測(cè)一次導(dǎo)熱系數(shù)試驗(yàn)值，直至試驗(yàn)值連續(xù)穩(wěn)定。

圖1 導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)定儀Fig.1 Thermal conductivity device

圖2 煤矸石混凝土試塊Fig.2 Coal gangue concrete test block

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)完成后，分別測(cè)試9組試塊的導(dǎo)熱系數(shù)和表觀密度以及孔隙率，每組取三個(gè)試塊的平均值作為最終試驗(yàn)結(jié)果，如表3所示。

表3 煤矸石混凝土導(dǎo)熱系數(shù)試驗(yàn)結(jié)果Table 3 Test results of thermal conductivity of coal gangue concrete

2.2 導(dǎo)熱系數(shù)變化分析

由試驗(yàn)結(jié)果可獲得不同煤矸石粗骨料替代率下的煤矸石混凝土導(dǎo)熱系數(shù)變化情況如圖3所示?？芍喉肥炷恋膶?dǎo)熱系數(shù)隨煤矸石粗骨料替代率的增加而單調(diào)減小，不含煤矸石的普通混凝土導(dǎo)熱系數(shù)最高，為1.56 W/(m·K)，煤矸石粗骨料替代率為25%、50%、75%和100%的煤矸石混凝土導(dǎo)熱系數(shù)相比普通混凝土分別降低了7.05%、13.46%、23.72%和32.05%。其原因主要是煤矸石粗骨料孔隙率較高，因此隨著煤矸石粗骨料替代率的增加，相應(yīng)配制的煤矸石混凝土表觀密度就越低，孔隙率也越高，而混凝土孔隙內(nèi)的空氣導(dǎo)熱系數(shù)很低，其導(dǎo)熱系數(shù)僅為0.023 W/(m·K)，遠(yuǎn)低于混凝土材料。所以，煤矸石混凝土的煤矸石粗骨料替代率越高，其孔隙率就越高，表觀密度和導(dǎo)熱系數(shù)也就越低。

圖3 不同煤矸石粗骨料替代率下的混凝土導(dǎo)熱系數(shù)Fig.3 Thermal conductivity of concrete with different replacement ratio of coal gangue coarse aggregate

在粗骨料均為煤矸石的基礎(chǔ)上，逐次用煤矸石細(xì)骨料替代天然砂，最終得到全級(jí)配煤矸石混凝土，其導(dǎo)熱系數(shù)隨煤矸石細(xì)骨料的增加也是呈單調(diào)降低，具體如圖4所示。由試驗(yàn)結(jié)果可知：煤矸石細(xì)骨料替代率為25%、50%、75%和100%的煤矸石混凝土導(dǎo)熱系數(shù)相比煤矸石粗骨料混凝土(MC100)分別降低了6.60%、12.26%、22.64%和30.19%，與不摻煤矸石的普通混凝土導(dǎo)熱系數(shù)相比則分別降低了36.54%、40.38%、47.44%和52.56%。

圖4 不同煤矸石細(xì)骨料替代率下的混凝土導(dǎo)熱系數(shù)Fig.4 Thermal conductivity of concrete with different replacement ratio of coal gangue fine aggregate

煤矸石細(xì)骨料替代率增加后使得煤矸石混凝土導(dǎo)熱系數(shù)進(jìn)一步降低，當(dāng)混凝土粗細(xì)骨料均為煤矸石時(shí)即為全級(jí)配煤矸石混凝土，此時(shí)混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)達(dá)到最低，相比普通混凝土下降幅度達(dá)52.56%。其原因也是由于煤矸石細(xì)骨料減小了混凝土的表觀密度，提高了混凝土的孔隙率，導(dǎo)致混凝土導(dǎo)熱系數(shù)進(jìn)一步降低。

綜合上述分析可知，煤矸石混凝土孔隙率的增加和表觀密度的降低是引起導(dǎo)熱系數(shù)降低的重要因素。圖5為煤矸石混凝土表觀密度隨孔隙率增加的變化情況，圖6為煤矸石混凝土導(dǎo)熱系數(shù)隨表觀密度減小的變化情況。其中全級(jí)配煤矸石混凝土的孔隙率最大，達(dá)到了13.86%，是普通混凝土孔隙率的6.73倍；其表觀密度最低，為2 098.5，相比普通混凝土下降了12.05%，而其導(dǎo)熱系數(shù)同樣最低，相比普通混凝土降低了52.56%。

圖5 孔隙率對(duì)表觀密度的影響Fig.5 Effect of porosity on apparent density

圖6 表觀密度對(duì)導(dǎo)熱系數(shù)的影響Fig.6 Effect of apparent density on thermal conductivity

2.3 煤矸石混凝土導(dǎo)熱系數(shù)變化機(jī)理

煤矸石混凝土與普通混凝土的膠凝材料相同，兩者最大的差別是骨料性能的差異，并導(dǎo)致兩者的力學(xué)性質(zhì)和導(dǎo)熱系數(shù)差異較大。由于煤矸石骨料顆粒雜質(zhì)含量較大，孔隙率較高，可以將煤矸石混凝土看做混凝土的退化形式，其導(dǎo)熱性能類似于再生骨料混凝土，故可以根據(jù)其他混凝土的導(dǎo)熱機(jī)理來理解煤矸石混凝土的導(dǎo)熱性能變化機(jī)理[10]。

常溫狀態(tài)下的骨料情況、孔隙率、表觀密度、含水率對(duì)混凝土導(dǎo)熱性能影響較大[11-13]。由于本次試驗(yàn)試件是在烘干后測(cè)定導(dǎo)熱系數(shù)，故不用考慮含水率對(duì)導(dǎo)熱系數(shù)的影響。由圖6可知，表觀密度和導(dǎo)熱系數(shù)具有良好的相關(guān)性，孔隙率的大小又決定了表觀密度值，而煤矸石骨料狀況對(duì)混凝土的孔隙率具有重要影響，故骨料狀態(tài)是影響煤矸石混凝土導(dǎo)熱性能的重要因素。在此設(shè)定煤矸石骨料對(duì)煤矸石混凝土導(dǎo)熱性能的影響系數(shù)M為

M=η1p1+η2p2

(2)

式(2)中：η1、η2分別為煤矸石粗骨料和煤矸石細(xì)骨料的替代率；p1為煤矸石粗骨料孔隙率，%；p2為煤矸石細(xì)骨料水泥漿孔隙率，%。

根據(jù)表3和式(2)得出煤矸石骨料影響系數(shù)M對(duì)煤矸石混凝土導(dǎo)熱系數(shù)的影響如圖7所示。

圖7 煤矸石骨料影響系數(shù)M對(duì)導(dǎo)熱系數(shù)的影響Fig.7 Effect of influence coefficient M of gangue aggregate on thermal conductivity

由圖7可知，煤矸石骨料影響系數(shù)與煤矸石混凝土導(dǎo)熱系數(shù)之間具有顯著的線性相關(guān)性。M綜合反映了煤矸石混凝土中骨料分布狀態(tài)和混凝土內(nèi)部孔隙率情況，比單獨(dú)的孔隙率或表觀密度能夠更綜合性地反映煤矸石混凝土導(dǎo)熱系數(shù)的變動(dòng)情況。煤矸石骨料影響系數(shù)M物理意義明確，計(jì)算簡(jiǎn)便，可以比較方便地用于對(duì)煤矸石混凝土導(dǎo)熱系數(shù)的分析和預(yù)測(cè)。

綜上可知：與普通混凝導(dǎo)熱系數(shù)變化機(jī)理類似，影響煤矸石混凝土導(dǎo)熱系數(shù)的主要因素還是骨料特征，包括孔隙率和表觀密度等因素。

3 煤矸石混凝土導(dǎo)熱系數(shù)模型修正

導(dǎo)熱系數(shù)理論分析中可以將混凝土視為兩相復(fù)合材料，由砂漿和粗骨料組成。如果已知砂漿和粗骨料的導(dǎo)熱系數(shù)，則可根據(jù)兩相材料導(dǎo)熱系數(shù)模型計(jì)算混凝土導(dǎo)熱系數(shù)。目前，兩相復(fù)合材料導(dǎo)熱系數(shù)計(jì)算模型包括三大類：①串聯(lián)并聯(lián)模型[14]，該類模型計(jì)算簡(jiǎn)便實(shí)用，但未考慮界面熱阻；②Maxwell模型以及Bruggema推廣模型[15]，這類模型比串并聯(lián)模型計(jì)算精度高一些，但同樣沒有考慮界面熱阻；③考慮了界面熱阻的基于Maxwell模型的Hasselman-Jonsons推廣模型[16]。 文獻(xiàn)[15]通過對(duì)干燥和飽和狀態(tài)下的混凝土導(dǎo)熱系數(shù)實(shí)測(cè)研究表明：對(duì)于飽和混凝土，這三類模型的計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)值基本一致，其中第二類和第三類的模型計(jì)算精度較高；對(duì)于干燥混凝土，由于存在較高的界面熱阻，第三種模型的計(jì)算值與試驗(yàn)值最為接近。由于研究對(duì)象為干燥狀態(tài)的煤矸石混凝土，故在此采用Hasselman-Johnson模型[16]進(jìn)行導(dǎo)熱系數(shù)預(yù)測(cè)計(jì)算，其公式為

(3)

式(3)中：λ1、λ2分別為兩相材料各自的導(dǎo)熱系數(shù)；v2為第二相材料體積與總體積的比；α為兩相材料界面熱阻系數(shù)，對(duì)于混凝土可取0.122[15]。

試驗(yàn)測(cè)得煤矸石粗骨料導(dǎo)熱系數(shù)為0.72 W/(m·K)，水泥導(dǎo)熱系數(shù)可取1.233 W/(m·K)，天然粗骨料石灰?guī)r取2.08 W/(m·K)，河砂取3.086 W/(m·K)。首先將水泥和煤矸石細(xì)骨料或河砂的導(dǎo)熱系數(shù)分別代入式(3)，可以先算出不同替代率下的煤矸石細(xì)骨料水泥砂漿導(dǎo)熱系數(shù)，然后和粗骨料導(dǎo)熱系數(shù)再次代入式(3)即可得到煤矸石混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)計(jì)算值。煤矸石混凝土導(dǎo)熱系數(shù)的計(jì)算值和試驗(yàn)值隨煤矸石骨料影響系數(shù)M的變化而變動(dòng)的情況如圖8所示。

圖8 導(dǎo)熱系數(shù)計(jì)算值和試驗(yàn)值與M的關(guān)系Fig.8 Relationship between calculated and test values of thermal conductivity and M

由圖8可知，煤矸石混凝土導(dǎo)熱系數(shù)計(jì)算值和試驗(yàn)值與煤矸石骨料影響系數(shù)M之間的線性相關(guān)性十分顯著；試驗(yàn)值擬合曲線的斜率和計(jì)算值擬合曲線斜率十分接近，而前者絕對(duì)值略大于后者，表明煤矸石骨料影響系數(shù)對(duì)兩者的影響程度基本一致，其中對(duì)試驗(yàn)值的影響要略高一點(diǎn)；從導(dǎo)熱系數(shù)數(shù)值上看，試驗(yàn)值總體上要小于計(jì)算值，主要是因?yàn)槊喉肥橇项w粒的孔隙率和含水率均較高，尤其對(duì)于全級(jí)配的煤矸石混凝土，拌合時(shí)候需要更多的附加用水，而孔隙內(nèi)多余水分會(huì)在試件烘干時(shí)蒸發(fā)，并在煤矸石混凝土內(nèi)留下較多孔隙，降低了混凝土的表觀密度和導(dǎo)熱系數(shù)，而式(3)是基于普通混凝土材料的導(dǎo)熱系數(shù)計(jì)算模型，導(dǎo)致利用式(3)計(jì)算的煤矸石混凝土導(dǎo)熱系數(shù)計(jì)算結(jié)果偏低。因此如果將式(3)應(yīng)用于煤矸石混凝土導(dǎo)熱系數(shù)計(jì)算，就需要對(duì)式(3)進(jìn)行適當(dāng)修正。

由前文分析可知：煤矸石骨料影響系數(shù)M綜合體現(xiàn)了煤矸石粗細(xì)骨料在混凝土中的替代程度和煤矸石混凝土內(nèi)的孔隙率和表觀密度，且通過式(3)計(jì)算的預(yù)測(cè)值和試驗(yàn)值與M的影響規(guī)律基本一致。因此可以通過M來修正式(3)對(duì)煤矸石混凝土導(dǎo)熱系數(shù)進(jìn)行計(jì)算。煤矸石混凝土導(dǎo)熱系數(shù)試驗(yàn)值和計(jì)算值與M均呈良好線性相關(guān)關(guān)系，故修正煤矸石混凝土導(dǎo)熱系數(shù)公式為

λM=λc-(λc-λt)=λc-f(M)

(4)

式(4)中：λM為煤矸石混凝土修正導(dǎo)熱系數(shù)；λc為利用式(3)計(jì)算的導(dǎo)熱系數(shù)值；λt為導(dǎo)熱系數(shù)試驗(yàn)值；f(M)為圖8中導(dǎo)熱系數(shù)計(jì)算值擬合公式與試驗(yàn)值擬合公式的差值。

將式(3)代入式(4)，可得

0.004 74M-0.244 64

(5)

依據(jù)式(5)可以得到煤矸石混凝土導(dǎo)熱系數(shù)的修正計(jì)算值，并與導(dǎo)熱系數(shù)試驗(yàn)值對(duì)比，如表4所示。由表4可知，煤矸石混凝土導(dǎo)熱系數(shù)修正值與試驗(yàn)值十分接近，所以該煤矸石混凝土導(dǎo)熱系數(shù)修正公式具有很好的工程應(yīng)用價(jià)值。

表4 煤矸石混凝土導(dǎo)熱系數(shù)修正計(jì)算值與試驗(yàn)值

4 結(jié)論

(1)煤矸石粗骨料替代率越高，煤矸石混凝土導(dǎo)熱系數(shù)就越低。當(dāng)煤矸石粗骨料替代率為100%時(shí)，煤矸石混凝土相比普通混凝土導(dǎo)熱系數(shù)的下降幅度為32.05%。

(2)煤矸石粗骨料替代率為100%情況下，隨著煤矸石細(xì)骨料替代率增加，煤矸石混凝土導(dǎo)熱系數(shù)繼續(xù)降低，當(dāng)煤矸石細(xì)骨料替代率增加到100%時(shí)，即為全級(jí)配煤矸石混凝土?xí)r，混凝土導(dǎo)熱系數(shù)最低，相比普通混凝土的下降幅度為52.56%。

(3)煤矸石混凝土內(nèi)部孔隙情況和骨料狀態(tài)是影響混凝土導(dǎo)熱系數(shù)的重要因素，定義了可以綜合反映煤矸石混凝土內(nèi)部孔隙和骨料狀態(tài)的煤矸石骨料影響系數(shù)M，M越大，煤矸石混凝土導(dǎo)熱系數(shù)就越低。

(4)根據(jù)煤矸石混凝土導(dǎo)熱系數(shù)試驗(yàn)值，對(duì)Hasselman-Johnson混凝土導(dǎo)熱系數(shù)計(jì)算模型進(jìn)行修正，得到煤矸石混凝土導(dǎo)熱系數(shù)的修正計(jì)算模型，修正計(jì)算值與試驗(yàn)結(jié)果相吻合。