煤矸石集料混凝土材料配比優(yōu)化

魏明星,朱永建,2*,任恒,李鵬,張玉群,廖洪波,趙俊,吳尋云

(1.湖南科技大學(xué) 資源環(huán)境與安全工程學(xué)院, 湖南 湘潭 411201;2.湖南科技大學(xué) 南方煤礦瓦斯與頂板災(zāi)害預(yù)防控制安全生產(chǎn)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 湖南 湘潭 411201;3.福建省安全生產(chǎn)科學(xué)研究院,福建 福州 350003; 4. 四川川煤華榮能源有限責(zé)任公司 小河嘴煤礦,四川 達(dá)州 635000)

中國作為一個(gè)能源消耗大國，比較依賴煤炭的使用,目前中國原煤年開采量已達(dá)到39億t,而在煤炭開采的過程中會(huì)產(chǎn)生大量的固體廢棄物——煤矸石[1-3].煤矸石的簡單堆放不僅占用了大量的土地資源,而且長期的暴露還會(huì)造成煤矸石自燃產(chǎn)生有毒氣體進(jìn)而引起環(huán)境污染問題[4-6].同時(shí)我國基礎(chǔ)建設(shè)領(lǐng)域由于近年來快速發(fā)展對(duì)骨料資源有很大需求[7-8].如果能夠?qū)⒚喉肥鳛榛炷凉橇蟻硎褂貌粌H可以促進(jìn)煤矸石的廢物利用,還能緩解天然骨料的需求壓力.

眾多學(xué)者對(duì)煤矸石集料混凝土進(jìn)行了深入研究.一方面出于原位利用的考慮,譚云亮等[9]提出的沿空留巷巷旁支護(hù)適應(yīng)性原理,支護(hù)結(jié)構(gòu)下部采用抗壓強(qiáng)度足夠高的煤矸石集料混凝土來抵抗頂板的回轉(zhuǎn)下沉[10],留巷能否起到目標(biāo)效果主要取決于混凝土支護(hù)體強(qiáng)度能否滿足上覆巖層的支承要求[11-12];陳久權(quán)等[13]研究了煤矸石替換率以及水灰比等對(duì)集料混凝土抗壓強(qiáng)度的影響;黃正棟等[14]通過添加鋼纖維和聚合物對(duì)集料混凝土進(jìn)行改性試驗(yàn),研究不同配比條件下混凝土的單軸抗壓強(qiáng)度;王玉林,賈牛駿等[15-16]將煤矸石集料混凝土實(shí)際運(yùn)用到巷旁支護(hù)體,觀測到巷道變形基本穩(wěn)定,起到了較好的留巷效果.另一方面出于骨料資源的考慮,陳煒林[17]對(duì)比研究了煤矸石集料混凝土和天然集料混凝土,發(fā)現(xiàn)煤矸石并不會(huì)降低混凝土的抗壓強(qiáng)度,但會(huì)明顯降低混泥土的抗凍性能;Zhu等[18]發(fā)現(xiàn)高溫煅燒可顯著改善煤矸石混凝土的抗壓強(qiáng)度;Li[19]對(duì)比研究了普通混凝土梁和煤矸石混凝土梁的力學(xué)性能,并結(jié)合ANSYS模擬煤矸石混凝土梁的應(yīng)力分布,發(fā)現(xiàn)在合理的設(shè)計(jì)和使用范圍內(nèi),在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中使用煤矸石骨料是可行的.

眾學(xué)者從強(qiáng)度能否滿足要求出發(fā)進(jìn)行了深入的研究并獲得了一系列成果,但是對(duì)于強(qiáng)度受具體材料配比影響方面的研究較少.因此,本文基于前人的強(qiáng)度研究基礎(chǔ)上開展預(yù)制混凝土砌塊的配合比試驗(yàn),通過研究各因素對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響,確定最符合實(shí)際工程要求的預(yù)制混凝土砌塊配合比,為煤矸石集料混凝土的應(yīng)用推廣提供一定的思路.

1 試驗(yàn)原材料

圖1 不同粒徑煤矸石

圖2 剪切波紋型鋼纖維

表1 鋼纖維基本技術(shù)指標(biāo)

2 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)與實(shí)施

2.1 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

在預(yù)制混凝土砌塊初始配合比的選擇上,選用類似礦井工作面所使用的配合比作為本試驗(yàn)的初始配合比.基于初始配合比,1 m3混凝土質(zhì)量大約為2 400 kg,其中水的重量為220 kg,控制砂率為40%;用煤矸石代替石子,煤矸石粒徑為5～8 mm,不添加鋼纖維,設(shè)計(jì)45%,50%,55%這3種不同水灰比作為對(duì)照組,每種方案3個(gè)試件.通過計(jì)算得到相應(yīng)配合比方案,具體見表2.

表2 無鋼纖維預(yù)制混凝土砌塊配合比方案

在預(yù)制混凝土砌塊中摻加鋼纖維,通過控制水灰比、鋼纖維含量和煤矸石粒徑3個(gè)變量,研究水灰比、鋼纖維含量和煤矸石粒徑對(duì)預(yù)制混凝土砌塊強(qiáng)度的影響.為了試驗(yàn)的高效、快速和經(jīng)濟(jì),通過較少數(shù)量的預(yù)制混凝土砌塊全面反映預(yù)制混凝土配合比中水灰比、鋼纖維含量和煤矸石粒徑對(duì)預(yù)制混凝土砌塊強(qiáng)度的影響,采用正交試驗(yàn)法設(shè)計(jì)試驗(yàn)方案.以預(yù)制混凝土砌塊單軸抗壓強(qiáng)度作為考察標(biāo)準(zhǔn),以水灰比(A1為45%、A2為50%、A3為55%)、鋼纖維含量(B1為0.5%、B2為1%、B3為1.5%)和煤矸石粒徑(C1為5～8 mm、 C2為8～12 mm、C3為12～15 mm)作為試驗(yàn)因素,得到正交設(shè)計(jì)表,具體見表3.

表3 正交設(shè)計(jì)表

根據(jù)正交設(shè)計(jì)表3,計(jì)算得到相應(yīng)的鋼纖維預(yù)制混凝土砌塊配合比方案,具體見表4.

表4 鋼纖維預(yù)制混凝土砌塊配合比方案

2.2 試驗(yàn)方案實(shí)施

準(zhǔn)備好預(yù)制混凝土砌塊制作工具(如圖3所示),根據(jù)設(shè)計(jì)好的預(yù)制混凝土砌塊配合比篩選稱量相應(yīng)的試驗(yàn)材料.由于煤矸石具有吸水性,在拌合前需先浸泡15 min,讓其充分飽水[20].然后將所有試驗(yàn)材料混合均勻后裝模.本次試驗(yàn)采用的預(yù)制混凝土砌塊模具規(guī)格為150 mm×150 mm×150 mm.每種方案3個(gè)混凝土試件.裝模后振搗密實(shí),待預(yù)制混凝土砌塊凝固后拆模,在試驗(yàn)室條件下灑水養(yǎng)護(hù)28 d.為了避免混淆不同配比試件,對(duì)試件外表進(jìn)行標(biāo)記以示區(qū)分,如圖4所示.

圖3 預(yù)制混凝土砌塊制作工具

圖4 預(yù)制混凝土砌塊試件

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

預(yù)制混凝土砌塊28 d養(yǎng)護(hù)完成后,采用巖石力學(xué)加載系統(tǒng)進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn),分析不同的水灰比、鋼纖維含量和煤矸石粒徑對(duì)其抗壓強(qiáng)度的影響.該巖石力學(xué)加載系統(tǒng)最大加載荷載完全能滿足試驗(yàn)需求,具體如圖5.

將養(yǎng)護(hù)完成后的預(yù)制混凝土砌塊放置于加載系統(tǒng)上,壓載時(shí)預(yù)制混凝土砌塊上下添加方形墊板,保持加載過程中受力均勻.采用控制行程的方法,位移速率為0.02 mm/s,加載直至預(yù)制混凝土砌塊破壞.預(yù)制混凝土砌塊加載過程如圖6所示.

圖5 巖石力學(xué)加載系統(tǒng)

圖6 預(yù)制混凝土砌塊加載過程

圖7為預(yù)制混凝土砌塊的破壞形態(tài),從圖7可以看出,預(yù)制混凝土砌塊呈X狀共軛斜面剪切破壞.這是最為常見的一種壓剪破壞形式.其破壞過程:隨著加載壓力逐漸增大,使得預(yù)制混凝土內(nèi)部微孔隙逐漸發(fā)育為微小斜裂隙;然后主控應(yīng)力逐漸逼近混凝土的極限抗拉強(qiáng)度,在斜裂隙所在的截面上,拉區(qū)混凝土達(dá)到抗拉極限進(jìn)而出現(xiàn)局部破壞,混凝土試件出現(xiàn)明顯斜裂縫;隨著加載壓力的繼續(xù)增大,斜裂縫相互貫通為主控裂縫[21],混凝土試件中部混凝土塊沿著主控裂縫破壞脫落.

圖7 預(yù)制混凝土砌塊的破壞形態(tài)

圖7中預(yù)制混凝土砌塊采用的煤矸石粒徑不同,其最終破壞形態(tài)也呈現(xiàn)一定的差異,煤矸石粒徑越小,其破壞程度相對(duì)較低,反之其破壞程度則相對(duì)較高.破壞部位一般發(fā)生在水泥與煤矸石骨料的黏結(jié)面位置,它們的黏結(jié)處往往存在著一些極微小孔隙,這些孔隙的數(shù)量影響著預(yù)制混凝土的破壞形態(tài).煤矸石骨料粒徑越小與水泥黏結(jié)程度就越好,它們黏結(jié)處的孔隙數(shù)量相對(duì)較少,主控裂縫發(fā)育程度相對(duì)較低,混凝土試件破壞程度也相應(yīng)較低;反之,主控裂縫發(fā)育程度相對(duì)較高,混凝土試件破壞程度也會(huì)相應(yīng)較高.

圖8為預(yù)制混凝土砌塊應(yīng)力應(yīng)變曲線.從圖8可以得到,預(yù)制混凝土砌塊其抗壓強(qiáng)度會(huì)隨水灰比增加而快速減小,水灰比增大導(dǎo)致水泥用量的減少,而水泥在混凝土結(jié)構(gòu)中充當(dāng)膠凝材料,其含量對(duì)混凝土的穩(wěn)固性有著重要作用.預(yù)制混凝土砌塊的峰后強(qiáng)度呈緩慢下降趨勢,說明預(yù)制混凝土砌塊在破壞后仍具有較大的承載能力.同時(shí),對(duì)比圖8a和圖8b可以看出,摻加鋼纖維預(yù)制混凝土砌塊峰后強(qiáng)度的下降曲線更為平緩,這說明鋼纖維對(duì)增加預(yù)制混凝土砌塊的韌性具有一定作用.

圖8 預(yù)制混凝土砌塊應(yīng)力應(yīng)變曲線

預(yù)制混凝土砌塊抗壓強(qiáng)度可按式(1)計(jì)算.

(1)

式中:fc為預(yù)制混凝土砌塊抗壓強(qiáng)度，MPa;P為預(yù)制混凝土砌塊破壞時(shí)最大峰值強(qiáng)度，kN;A為預(yù)制混凝土砌塊受壓面積，m2.

所有預(yù)制混凝土砌塊加載完成后,通過式(1)計(jì)算得到各預(yù)制混凝土砌塊的抗壓強(qiáng)度,見表5和表6.

表5 28 d無鋼纖維預(yù)制混凝土砌塊抗壓強(qiáng)度 單位:MPa

表6 28 d鋼纖維預(yù)制混凝土砌塊抗壓強(qiáng)度 單位:MPa

對(duì)比沒有摻加鋼纖維和摻加鋼纖維的預(yù)制混凝土砌塊,其抗壓強(qiáng)度的關(guān)系如圖9所示.從圖9可以直觀看出,摻加鋼纖維添加物的預(yù)制混凝土砌塊其抗壓強(qiáng)度要更高一些.當(dāng)水灰比為45%,鋼纖維含量為0.5%時(shí),預(yù)制混凝土砌塊其抗壓強(qiáng)度同比增幅為6.75%;當(dāng)水灰比為50%,鋼纖維含量為1%時(shí),預(yù)制混凝土砌塊其抗壓強(qiáng)度同比增幅為15.02%;當(dāng)水灰比為55%,鋼纖維含量為1.5%時(shí),預(yù)制混凝土砌塊其抗壓強(qiáng)度同比增幅為5.31%.隨著鋼纖維含量的增大,預(yù)制混凝土砌塊抗壓強(qiáng)度的增幅呈現(xiàn)先增后減的趨勢.因此,可以說明在預(yù)制混凝土砌塊中摻加一定量的鋼纖維有助于增加預(yù)制混凝土砌塊的抗壓強(qiáng)度.

圖9 有無摻加鋼纖維預(yù)制混凝土砌塊抗壓強(qiáng)度的對(duì)比

對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行正交處理,得到試驗(yàn)結(jié)果分析表7.表格中K值為某因素某水平時(shí)試驗(yàn)數(shù)據(jù)求和,k值為對(duì)應(yīng)K值的平均值,R指因素的極差值.

表7 正交試驗(yàn)結(jié)果分析

從表7中可以看出,RA>RB>RC,所以影響本次試驗(yàn)結(jié)果的主要因素為水灰比,其次為鋼纖維含量,最后為煤矸石粒徑.而R空>RB>RC,說明存在對(duì)試驗(yàn)結(jié)果有著較為重要的其他影響因素.

對(duì)比K1,K2,K3確定最優(yōu)方案.A因素列中K1>K2>K3,B因素列中K2>K3>K1,C因素列中K1>K2>K3.所以,最優(yōu)方案為A1B2C1,即水灰比45%,鋼纖維含量1%,煤矸石粒徑5～8 mm配制而成的預(yù)制混凝土砌塊,質(zhì)量配比為220∶489∶1 015∶676∶24(m水∶m水泥∶m煤矸石∶m砂子∶m鋼纖維).

通過趨勢圖對(duì)最優(yōu)方案進(jìn)行驗(yàn)證.描繪出因素與指標(biāo)的趨勢圖,如圖10所示.

圖10 因素-指標(biāo)趨勢

4 結(jié)論

1)預(yù)制混凝土砌塊其抗壓強(qiáng)度隨水灰比增加而快速減小.水泥在煤矸石集料混凝土中充當(dāng)膠凝材料,其含量對(duì)混凝土的穩(wěn)固性有著重要作用.

2)預(yù)制混凝土砌塊其抗壓強(qiáng)度隨著鋼纖維含量的增加會(huì)先增大后減小.鋼纖維對(duì)增加預(yù)制混凝土砌塊的韌性具有一定作用.摻加一定量的鋼纖維可以增加預(yù)制混凝土砌塊的抗壓強(qiáng)度.

3)預(yù)制混凝土砌塊其抗壓強(qiáng)度隨著煤矸石粒徑的增大隨之緩慢減小.煤矸石骨料粒徑越小與水泥黏結(jié)程度就越好,與水泥的界面黏結(jié)力就越大,主控裂縫發(fā)育程度也相對(duì)較低,預(yù)制混凝土砌塊的抗壓強(qiáng)度也就相應(yīng)較高.

4)預(yù)制混凝土砌塊的最優(yōu)配合為水灰比45%,鋼纖維含量1%,煤矸石粒徑5～8 mm配合,質(zhì)量配比為220∶489∶1 015∶676∶24(m水∶m水泥∶m煤矸石∶m砂子∶m鋼纖維).