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煤矸石骨料级配对混凝土强度的影响

摘要：本文探讨了煤矸石作为混凝土粗细骨料的可行性以及煤矸石骨料级配对混凝土性能的影响。按富勒曲线中n值从0.44到0.68依次递增制备了九份混合混凝土样品。n值为0.62的煤矸石骨料显示出最高的密度，吸水性，圆柱体强度和最低的空隙率。结果表明在混凝土中使用煤矸石作为粗骨料和细骨料是技术上可行的和实用的。当n值是0.62，煤矸石混凝土的坍落度值，28天抗压、劈裂抗拉强度、抗折强度弹性模量达到最高。最高的7天和28天抗压强度在CG7组中分别为24 MPa，37 MPa。故用煤矸石粗、细骨料生产强度c30等级混凝土是可行的。

关键词：煤矸石骨料；曲线；工作性；强度；弹性模量；分级

0引言

随着近些年来我国经济的快速发展，当前中国拥有最大的煤炭生产量和消耗量。煤矸石引起的污染成为中国目前最主要的污染源之一。煤矸石是一种在煤炭开采和清洗中产生的残留物质，占到的产出原煤炭的20% - 15%[ 1 ]。据估计，中国每年排放煤矸石大约1亿吨，目前已达3亿多吨[ 2 ]。如果煤矸石处置不当，它将威胁环境，带来严重的污染。因此，煤矸石的处置一直是研究的一个主题。

混凝土是最常见的建筑材料之一，其75%的体积由集料构成[ 3 ]。每年全世界为了生产混凝土，砂浆和其他水泥复合材料消耗各种集料200亿吨[ 4 ]。解决集料消耗问题的方法是用替代集料替换天然集料。这种方法促进固体废弃物的使用并给出了煤矸石处理的新方向，解决了环境污染，并带来巨大的经济效益[ 5 ]。应用煤矸石作为粗骨料生产混凝土的研究已经广为报道[ 6 ]。周等[ 7 ]和张等[ 8 ]探究了煤矸石作为粗集料的力学性能。他们发现煤矸石可以用作粗集料。张等[ 8 ]研究比较了天然粗骨料不同的替代比对混凝土抗压强度性能的影响。他们发现煤矸石作为粗骨料的替代量限制在一定范围内时，替代对混凝土性能没有明显影响。李等[ 9 ]和张等人用煤矸石作粗集料生产混凝土。他们发现了混凝土以煤矸石为骨料的混凝土强度和普通混凝土相近。其耐久性比普通混凝土低。毫无疑问，集料是影响混凝土材料性能的最重要因素。此外，一些骨料的性质，如矿物学、表面积，强度，颗粒尺寸和形状，弹性模量，表面质地、分级和吸水性，对混凝土性能也有显著影响[11-15]。骨料级配可能会影响水泥基材料在压缩过程中的尺寸稳定性和弹性模量[ 16 ]。虽然许多研究人员研究了煤煤矸石作为粗骨料在混凝土中的应用18，17 ]，但煤矸石骨料分级对混凝土性能影响的研究仍然是有限的。在本文中，研究的目的是调查的煤矸石分级对混凝土性能影响。

1实验

1.1材料

水泥用的是普通的波特兰水泥（OPC），比重3.15g/cm³，blainer的比表面积为350 m²/kg，水泥的7天强度和28天强度分别为32.4Mpa和50.2Mpa。F类粉煤灰作为矿物掺合料，以改善新拌混凝土的工作性。粉煤灰在45micro;m和90micro;m筛余分别为21.3%和5.3%。从海州矿区获取的矿煤矸石用作粗细骨料。通过颚式破碎机破碎的煤矸石尺寸小于20毫米，通过筛分煤矸石获得其骨料分级。减水剂由上海花王有限公司生产。

1.2配合比

该配合比设计采用绝对体积法[ 7 ]。混凝土骨料的级配基于富勒曲线。为了研究煤矸石骨料级配对混凝土性能的影响，除了煤矸石骨料分级变化所有材料的混合比例保持不变。在富勒曲线中n值从0.44到0.68变化。煤矸石骨料分级如表1示。所有混合样中水胶比（w/b）和粉煤掺入量分别保持在0.40和0.25。由于煤矸石的多孔结构，煤矸石骨料的密度较低，与天然骨料相比吸水率更大。考虑到煤矸石的吸水性，增加用水量以避免新拌混凝土工作性降低。引用以前的研究计算了额外用水量[ 19 ]。N值不同的煤矸石混凝土混合比例如表2所示。

1.3试样制备及固化

在搅拌过程中，煤矸石砂，煤矸石粗骨料和附加水彻底混合，直到获得一个统一的混合物。这个过程大约需要1.5分钟。然后，水泥和粉煤灰添加到搅拌锅中，搅拌约1.5分钟。混合物中持续加入水和减水剂2分钟，混合后进行坍落度试验。对新拌混凝土的工作性能进行了试验研究，不同类型的试样成型后，覆盖其表面，在保持23plusmn;2℃相对湿度（45plusmn;5）%的实验室环境中养护。试样经过24小时脱模后在标准固化室（相对湿度：95%；温度（20plusmn;2）℃）中养护至测试。

1.4测试

对煤矸石骨料的物理性能，如堆积密度，表观密度，振动密度、空隙率、吸水率、圆柱抗压强度（jgj52-2006；jgte42—2005 GB / t17431.1-1998）。新拌混凝土的工作性根据相关中国标准GB / t50080-2002测量。压缩强度，劈拉强度和弯曲硬化混凝土的7天和28天强度根据相关中国标准GB / t50081-2002进行测量。静态弹性模量根据相关中国标准gb11971确定。

2结果与讨论

2.1煤矸石骨料物理机械性能

2.1.1骨料密度

骨料密度通常是验证骨料质量及其对混凝土力学行为影响的标准。测试结果表观密度，堆积密度，振动密度空隙率如表3中所示。研究发现煤矸石的表观密度、体积密度和振动密度分别在2675-2700,1490-1515，1580-1605kg/m³。当n值为0.62时，表观密度达到最高，体积密度和振动密度分别为700、515、2，605 1kg/m³。空隙率在44.4% - 43.8%之间变化。可以得出结论，煤矸石骨料堆积密度，振动密度，表观密度与空隙率随着n值变化而改变，这是由于不同的颗粒分配。

2.1.2吸水

水吸收系数是用来反映材料吸水特性，被定义为物质吸水膨胀后增加的质量比上干样质量：

W =（M 2minus;M 1）/M1times;100% ，此处M1表示样品在105℃炉温干燥质量，M2表示浸泡后的样品质量。图1显示了煤矸石集料吸水率随时间变化的特性。吸水率随时间增加而增加24小时浸泡后吸水率为11.85%。

2.1.3圆柱体抗压强度

骨料的强度通常取决于原料石头。烤箱干燥的骨料被放置在钢缸（Phi;115times;100毫米）中。不同级配集料的抗压强度展示在图2中。

从图2中，可以看到最高的煤矸石圆柱体抗压强度为8.3兆帕此时n值为0.62，而最低的圆柱体抗压强度7.3兆帕n值为0.44或0.50。图2显示了随着n值的增加，圆柱体抗压强度发生了变化。因此，煤矸石集料有一个最佳级配。

2.2混凝土的工作性能

坍落度测试测量的各混凝土混合料坍落度值如图3所示。所有混合料显示出可接受的加工性，这些混合料均没有观察到离析。显然，加入粉煤灰形成的胶结混合物，不出现离析了。CG7有195毫米的最高坍落度值，而CG1有、坍落度值最低为140毫米。新拌混凝土工作性受骨料级配的影响。粗、细骨料级配不仅影响骨料的表面区域，而且也影响了砂率。图3显示了粗、细集料级配对工作性的影响并具有最优n值为0.62。Reddy等人[ 20 ]和[ 21 ]王等人也报道了水泥砂浆的工作性受砂土分级的影响。理想的粗、细骨料级配空隙最小需要最少量的水泥浆。因此，更多的水泥浆包裹着集料[ 21 ]。

表4显示了不同n值（0.44-0.68）混凝土样品的密度。新拌煤矸石混凝土混合物密度处于

2 185 - 440kg/m³的范围。28天空气干燥煤矸石混凝土密度在2160 kg/m³至2230 kg/m³范围内。新拌混凝土的密度低于普通混凝土可以归因于煤矸石骨料的低密度。如果普通混凝土密度为 2350kg/m³[ 1 ]，28天的空气干燥煤矸石混凝土密度低于普通混凝土5.1% - 8.1%。

2.3混凝土抗压强度

混凝土骨料分级对混凝土抗压强度的影响混通过测试混凝土试样7天、28天的强度来评价。所有混凝土混合料的抗压强度测试结果如图4所示。最高的7和28天抗压强度在CG7组分别为24 MPa和37 MPa。这些强度满足c30混凝土要求。这些7天和28天抗压强度分别在16.9-24.7 MPa和26.7-37.3 MPa范围内。煤矸石混凝土抗压强度的在7天和28天之间提高了大约44.7%-65.4%。CG7组n值为0.62密度最高约为2230 kg/m³，而CG1组n值为0.44密度最低约为2160kg/m³。抗压强度与混凝土密度有关[ 22 ]。混凝土混合料密度的变化可以归因于煤矸石的骨料分级。因此，骨料分级对混凝土抗压强度的影响显而易见。

混凝土是用连续的水胶比和胶凝材料含量配制的，其抗压强度与粗、细集料的性质有关。在本文中，抗压强度取决于煤矸石骨料级配。CG7租中n值0.62的试样显示出最高的7天和28天抗压强度。良好的分级不但减少空隙，也减少了骨料表面积，这可归因于颗粒尺寸分布[ 22 ]。观察到混凝土的破坏往往与集料有关，因为大多数的压缩载荷是由骨料承担而不是单独的水泥浆[ 4 ]。萨米等人[ 4 ]研究表明混凝土试件的破坏是从煤矸石骨料和水泥浆粘接破坏开始的。如果级配得当，骨料和水化的水泥浆之间将形成一个更强的物理键。在强化界面方面骨料的机械联锁起着重要的作用[ 23 ]。不关什么类型的骨料和砂浆基体，合适的粒度分布提高了界面强度。不出所料，8%个额外的水被加到混凝土混合物中以保持和普通混凝土相同的坍落度。钱德拉等[ 23 ]研究表明在界面区域煤矸石骨料和水存在一个自固化的作用。因为在界面区积累的水可以通过表面孔隙迁移到煤矸石骨料中，水泥水化时部分内部水被释放回界面。水含量的增加影响煤矸石混凝土强度，即多孔煤矸石可以增强煤矸石混凝土。

2.4混凝土的抗拉强度和抗折强度

当混凝土材料用于建设梁和混凝土板，或用于结构和道路铺装目的时，他们将由于弯曲行为受到拉伸应力，。在这种情况下，弯曲抗拉强度起主导作用。断裂拉伸强度和弯曲强度在7和28天固化后进行测定。图6和5分别显示了煤矸石混凝土断裂拉伸和弯曲强度。显然所有煤矸石混凝土试件的28天抗拉强度大于7天强度。煤矸石混凝土最高的7天和28天抗拉强度分别为1.95兆帕和2.54兆帕，n值为0.62（图5）。然而，煤矸石混凝土最低的7天28天拉伸强度分别为1.19兆帕和2.03兆帕。在混合样CG7得到最高的7和28天的弯曲强度分别约2.03兆帕和2.68兆帕。然而，混合样CG3显示出最低的7天弯曲强度（1.26兆帕）和28天弯曲强度（2.614兆帕）。随着n值的变化，7天和28天的拉伸强度、弯曲强度和抗压强度均显示出相同的趋势。良好的煤矸石骨料级配可能会由于晶粒尺寸促进了颗粒之间一个更好的锁连反应，从而增加抗拉强度。从对试样的拉伸断裂和弯曲破坏中可以得出结论煤矸石骨料断裂影响了煤矸石混凝土强度。因此，煤矸石集料的级配对混凝土强度的影响具有重要意义。煤矸石混凝土7天和28天断裂拉伸强度抗弯强度均低于的普通混凝土，这可能归因于强度较低的煤矸石和额外用水。

2.5混凝土的弹性模量

图7显示了所有混合物28天凝期的弹性模量。这些数据表明，煤矸石骨料分级对煤矸石混凝土的弹性模量影响显著。CG7显示出最高的弹性模量17.31 GPA，而CG3显示出最低弹性模量14.52 GPa。发现，CG7弹性模量高于CG1 19.2%左右。一般情况下，混凝土的弹性模量受刚度，集料体积和集料基体结合的影响[ 24 ]。因此，从测试结果，含煤矸石骨料的混凝土弹性模量于与普通混凝土，这归因于煤矸石骨料的强度和刚度。28天的弹性模量与混凝土抗压强度呈相同的趋势，说明弹性模量在抗压强度方面起着主要作用。由于弹性模量与密度和混凝土强度有关、较好的煤煤矸石骨料级配增加了煤矸石混凝土弹性模量。

3结论

在这项研究中获得的结果得出以下结论：

1）煤矸石基本性能试验结果表明:煤矸石可以作为人工骨料在混凝土中使用。煤矸石骨料分级影响集料的基本性能。N值为0.62的煤矸石混凝土拥有最高的密度，吸水性，汽缸强度和最低的空隙率。

2）煤矸石骨料分级影响新拌混凝土的工作性及硬化混凝土的力学性能。N值0.62的煤矸石混凝土达到最高坍落度。在28天凝期，n值为0.62，最高的抗压强度、抗拉强度和弯曲断裂强度分别为37.3 MPa、2.54 MPa和2.68 MPa。最高的7天和28天抗压强度在混样CG724 中分别为MPa和37 MPa。用煤矸石作为粗、细集料生产c30煤矸石混凝土是可能的。

3）煤矸石骨料的级配也影响混凝土的弹性模量。由于的煤矸石集料的强度和刚度料，煤矸石混凝与普通混凝土相比具有较低的弹性模量。最高弹性弹性模量为17.31 GPa,n值 0.62。

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