周　梅，崔翰博，趙華民，李高年，張　倩

(遼寧工程技術大學　建筑工程學院，遼寧　阜新　123000)

?

自燃煤矸石粗骨料混凝土Bolomey公式的修正

周梅，崔翰博，趙華民，李高年，張倩

(遼寧工程技術大學建筑工程學院，遼寧阜新123000)

為了更好地利用和推廣自燃煤矸石骨料混凝土，研究其配合比設計和溫度公式，以水泥強度等級和自燃煤矸石粗骨料的壓碎值為影響因素，通過試驗研究二者與自燃煤矸石粗骨料混凝土強度之間的關系。結果表明，水泥強度等級和自燃煤矸石壓碎值與混凝土強度之間存在良好的線性關系。建立了自燃煤矸石粗骨料混凝土強度的Bolomey公式，并分析了自燃煤矸石粗骨料混凝土Bolomey公式中回歸系數值的修正方法。

道路工程；自燃煤矸石粗骨料；Bolomey公式；水泥強度等級；壓碎指標

0　引言

自燃煤矸石粗骨料是將自燃煤矸石經過破碎、分級等一系列加工后，按一定比例相互配合，得到的粒徑在40mm以下的骨料，其中粒徑在5～40mm的為自燃煤矸石粗骨料。自燃煤矸石粗骨料全部替代天然粗骨料配制的混凝土稱之為自燃煤矸石粗骨料混凝土[1-4]。自燃煤矸石粗骨料多微裂紋，表面粗糙且附著大量的自燃煤矸石粉，導致其吸水率和壓碎值較天然骨料大，所以若在自燃煤矸石粗骨料混凝土配合比設計時仍沿用傳統(tǒng)的Bolomey公式，必然會產生較大的誤差。為了更好地利用和推廣自燃煤矸石骨料混凝土，對自燃煤矸石骨料混凝土配合比設計和強度公式的基礎研究尤為重要，但國內外這方面的研究報道較少。

鑒于Bolomey公式中的回歸系數受水泥強度等級和骨料性質影響較大，且自燃煤矸石骨料的吸水率、壓碎值又最能反映其材質特點，而自燃煤矸石骨料吸水特點對混凝土強度的影響規(guī)律筆者團隊已經基本明晰[5]，本文通過大量試驗，試圖揭示在考慮自燃煤矸石粗骨料壓碎值的條件下，自燃煤矸石粗骨料混凝土抗壓強度與水泥強度等級及膠水比之間的關系，以便為配制自燃煤矸石粗骨料混凝土提供簡便、可行的配合比公式。

1　試驗

1.1原材料

(1) 膠凝材料

水泥：阜新某品牌32.5和42.5普通硅酸鹽水泥(P·O)，28d實測抗壓強度分別為：53.69MPa和48.47MPa；粉煤灰：阜新發(fā)電廠I級粉煤灰，比表面積844.54m2/kg，密度2.6g/cm3；礦渣：撫順產S95級礦粉，比表面積1 135.72m2/kg。粉煤灰和礦渣的主要化學成分見表1，二者的粒度分析結果見圖1。

圖1　粉煤灰和礦渣粒度分析結果Fig.1　Analysis result of particle sizes of fly ash and slag

(2) 骨料

細骨料：砂子采用阜新市紅帽子天然河沙，級配良好，Mx=2.68，Ⅱ區(qū)中砂，表觀密度為2 580kg/m2，松堆密度為1 305kg/m3，緊堆密度為1 430kg/m3。

表1　粉煤灰及礦粉的主要化學成分(單位：%)Tab.1　Main chemical composition of slag and fly ash (unit：%)

粗骨料：阜礦集團所屬的5個不同礦區(qū)的自燃煤矸石，經由XPC-100×150型顎式破碎機破碎、分級組配而得，詳細級配見表2，其他主要技術性質見表3。

表2　自燃煤矸石粗骨料的顆粒級配Tab.2　Particle gradation of spontaneous combustiongangue coarse aggregate

表3　自燃煤矸石粗骨料主要技術性質指標Tab.3　Main technical properties of spontaneous combustiongangue coarse aggregate

(3) 其他材料

外加劑：萘系高效減水劑(含防凍劑)，減水率18%～20%，摻量2.5%～2.8%；拌和及養(yǎng)護水：普通自來水。

1.2試驗方案設計

首先按普通混凝土配合比設計方法進行混凝土配合比設計，但鑒于自燃煤矸石粗骨料吸水率大，拌和水包括了兩部分內容：一部分是按天然碎石確定的單位用水量，另一部分是按自燃煤矸石粗骨料吸水率80%計算的附加水[5](詳見筆者的其他研究成果)。

試驗研究分兩部分：(1)不考慮自燃煤矸石粗骨料強度的影響，即選擇某一產地的自燃煤矸石，破碎成粒徑為5～20mm的粗骨料(技術性質見表3)。利用32.5 和42.5 兩種普通硅酸鹽水泥，配制出強度等級為C20～C30的混凝土16組(用I表示)，兩種強度等級水泥各成型8 組試件。通過對上述16組試件實測抗壓強度的回歸分析，建立自燃煤矸石粗骨料混凝土強度與膠水比之間的回歸方程。(2)考慮自燃煤矸石粗骨料強度特征影響。引入代表自燃煤矸石粗骨料強度特征的參數——壓碎值，將不同產地的自燃煤矸石壓碎值作為影響因素，即選擇4 種不同產地的自燃煤矸石，每種成型4 個不同配合比的試件，最后對配制的16組強度等級為C20～C30混凝土(用Ⅱ表示)試件進行強度回歸分析。

混凝土配合比設計要求：(1)坍落度≥160mm，泵送、機械振搗；(2)強度等級C20～C30。I、Ⅱ組試驗的詳細配合比見表4和表5。試驗過程嚴格執(zhí)行《普通混凝土拌合物性能試驗方法標準》(GB/T50080—2002)[6]和《普通混凝土力學性能試驗方法標準》(GB/T50081—2002)[7]，注意自燃煤矸石粗骨料拌和前需要提前1h用附加水潤濕[8]。

2　試驗結果及分析

自燃煤矸石粗骨料混凝土稠度和強度試驗結果見表5～表6。

表4　自燃煤矸石粗骨料混凝土(I)試驗配合比Tab.4　Mix proportion of spontaneous combustion gangue coarse aggregate concrete(I)

表5　自燃煤矸石粗骨料混凝土(Ⅱ)試驗配合比及強度試驗結果Tab.5　Test result of mix proportion and strength of spontaneous combustion gangue coarse aggregate concrete(Ⅱ)

注：由于本試驗購買的32.5水泥實測強度高于42.5水泥，導致第1，2組強度高于3，4組。

表6　自燃煤矸石粗骨料混凝土(I)拌和物工作性及強度試驗結果Tab.6　Test result of workability and strength of spontaneous combustion gangue coarse aggregate concrete(I)

注：9～12組由于在骨料預濕時未能及時蓋上塑料布，導致水分蒸發(fā)，使得坍落度較其他組小。

2.1水泥強度等級對自燃煤矸石粗骨料混凝土強度的影響

對表5～表6中的混凝土抗壓強度和膠水比用Matlab線性擬合(最小二乘法原理)，可求出自燃煤矸石粗骨料回歸系數αa，αb，建立回歸方程。自燃煤矸石粗骨料混凝土28d抗壓強度和膠水比之間的關系見圖4～圖6。從圖中可以清晰看出，混凝土抗壓強度與膠水比之間成近似線性關系，其關系可表示為[9-12]：

(1)

式中,fcu為自燃煤矸石粗骨料混凝土28d齡期的抗壓強度； fb為膠凝材料28d抗壓強度實測值；B為1m3混凝土中膠凝材料用量；W為1m3混凝土中的用水量(不包括附加水)；B/W為混凝土的膠水比；αa，αb為回歸系數。

圖2　不同強度等級的自燃煤矸石粗骨料混凝土強度與膠水比的關系Fig.2　Relationships between spontaneous combustion gangue coarse aggregate concrete strength and binder-water ratio for different strength grades

從圖2～圖5中發(fā)現(xiàn)，自燃煤矸石粗骨料混凝土的回歸系數αa和αb均與水泥的強度等級大小相關，隨著水泥強度等級的增大，其斜率αa逐漸增大，截距αb也逐漸增大?？紤]了水泥強度等級影響建立的回歸方程精度明顯高于不考慮水泥強度的影響。研究結果表明:水泥強度等級高低對自燃煤矸石粗骨料混凝土強度的影響，可以通過修正αa和αb來實現(xiàn)，具體執(zhí)行情況詳見表7。

另外，自燃煤矸石粗骨料混凝土的拉壓比在1/9～1/6之間，明顯比普通混凝土1/20～1/10大，這說明利用自燃煤矸石粗骨料配制的混凝土更適合應用于路面、橋面等工程。

圖3　不同強度等級的自燃煤矸石粗骨料混凝土強度實測值與預測值誤差Fig.3　Errors between measured and calculated strength values of spontaneous combustion gangue coarse aggregate concrete for different strength grades

圖4　不考慮水泥強度等級的自燃煤矸石粗骨料混凝土強度與膠水比關系Fig.4　Relationships between strength and binder-water ratio of spontaneous combustion gangue coarse aggregate concrete without considering cement strength grade

圖5　不考慮水泥強度等級的自燃煤矸石粗骨料混凝土強度實測值與計算值誤差Fig.5　Error between measured values and calculated strength values of spontaneous combustion gangue coarse aggregate without considering cement strength grade concrete

2.2自燃煤矸石粗骨料強度的壓碎值對混凝土強度的影響

在阜新礦區(qū)選擇4種不同產地的自燃煤矸石，加工成粒徑是5～26.5mm的連續(xù)級配的粗骨料，主要技術性質見表3，配制16組C20～C30混凝土，試驗配合比和強度試驗結果見表5。從表5中可以看出，隨著自燃煤矸石粗骨料壓碎值的增大，同一水膠比的混凝土28d抗壓強度呈減小趨勢；隨著水膠比的增大，同一壓碎值的混凝土28d抗壓強度也在不斷減小。

表7　水泥強度等級與自燃煤矸石粗骨料混凝土強度之間的 回歸方程及檢驗Tab.7　Regression equation of cement strength grade andstrength of spontaneous combustion gangue coarse aggregateconcrete and inspection

采用2.1節(jié)相同的方法，建立自燃煤矸石粗骨料不同壓碎值的混凝土強度回歸方程，見表8，回歸系數與自燃煤矸石粗骨料壓碎值之間的關系見圖6。

表8　考慮自燃煤矸石粗骨料壓碎值的混凝土強度回歸方程及檢驗Tab.8　Regression equation of concrete strength of spontaneouscombustion gangue coarse aggregate and inspection

圖6　回歸系數與自燃煤矸石壓碎值之間的關系Fig.6　Relationship between regression coefficient and crushing value of spontaneous combustion gangue

從圖6中發(fā)現(xiàn)，當自燃煤矸石粗骨料壓碎值>20%時，回歸系數αa,αb與壓碎值之間呈現(xiàn)更好的規(guī)律性，二者近似成線性關系，且αa,αb都隨著自燃煤矸石壓碎值的增大而減小。這時，若設自燃煤矸石粗骨料的壓碎值為y，可以導出：

(2)

由此，得到自燃煤矸石粗骨料混凝土28d抗壓強度與膠水比、粗骨料壓碎值y之間的回歸方程：

fcu=(0.847 6-0.020 6y)fb·

(3)

式中y為自燃煤矸石粗骨料的壓碎值。

由式(3)可知，隨著自燃煤矸石粗骨料壓碎值的遞增，回歸系數αa，αb的變化規(guī)律相反，即αa遞減，αb遞增。這說明了隨著自燃煤矸石粗骨料壓碎值的遞增，自燃煤矸石粗骨料在混凝土強度中所起的作用逐漸遞減，混凝土強度更多地依賴水泥的強度等級和水膠比。圖7中混凝土的破壞現(xiàn)象也佐證了這一推論。自燃煤矸石壓碎值越大，混凝土破壞時自燃煤矸石被壓碎的概率越大，導致混凝土強度越低。

圖7　自燃煤矸石粗骨料混凝土受壓破壞特征Fig.7　Broken characteristics of spontaneous combustion gangue coarse aggregate concrete after compression

2.3回歸方程精度分析

為進一步確認上述強度公式的普適性，筆者將本實驗室兩批次25組自燃煤矸石粗骨料混凝土強度數據代入式(1)和式(3)進行驗算，計算值與實測值數據的對比結果見表9。

表9　自燃煤矸石粗骨料混凝土回歸方程精度分析Tab.9　Regression equation precision analysis of spontaneouscombustion gangue coarse aggregate concrete

從表9中可以看出，自燃煤矸石粗骨料混凝土，若考慮自燃煤矸石粗骨料壓碎值的影響，25組試件中的19組試件相對誤差減少，6組提高。當自燃煤矸石壓碎值>20%時，15組試件中的10組的預測精度提高，提高幅度平均為3.89%，5組降低幅度平均為1.15%；當自燃煤矸石壓碎值<20%時，10組試件中的9組試件強度預測精度提高，提高幅度平均為1.66%。值得注意的是，即使是壓碎值<20%的自燃煤矸石粗骨料混凝土，利用本文建立的回歸方程，預測精度仍可以提高，只是提高幅度有限。因此，本文建立的回歸方程普適性較好。對于自燃煤矸石粗骨料混凝土，建議混凝土Bolomey強度公式中引入代表自燃煤矸石粗骨料強度的特征參數壓碎值。

3　結論

(1) 自燃煤矸石粗骨料混凝土與普通混凝土相似，抗壓強度與膠水比之間成近似線性關系。自燃煤矸石粗骨料混凝土強度-膠水比符合Bolomey公式形式，但回歸系數不同；若充分考慮水泥強度等級的影響，回歸方程精度更高。

(2) 自燃煤矸石粗骨料混凝土強度和水泥強度等級、膠水比之間也存在較好的線性相關性，但自燃煤矸石粗骨料的壓碎值對自燃煤矸石粗骨料混凝土Bolomey公式中的回歸系數αa,ab影響較大，可以說自燃煤矸石粗骨料壓碎值的大小直接決定了回歸系數的取值。

(3) 在普通混凝土強度公式基礎上修正的自燃煤矸石粗骨料混凝土Bolomey公式，具有良好的普適性，為自燃煤矸石粗骨料混凝土配合比設計提供了較為簡便的計算公式。

References:

[1]吳秀峰，周梅，崔正龍.自燃煤矸石粗骨料對混凝土強度影響的試驗研究[J].工業(yè)建筑，2009，39(3)：81-85.

WUXiu-feng，ZHOUMei，CUIZheng-long.TheExperimentResearchonConcreteStrengthInfluenceofSelfCombustionCoalGangueCoarseAggregate[J].IndustrialConstruction，2009，39(3)：81-85.

[2]周梅，田爽，郭濤，等.自燃煤矸石配制混凝土的試驗研究[J]. 硅酸鹽報，2011，30(5)：1221-1226.

ZHOUMei，TIANShuang，GUOTao，etal.ExperimentalResearchontheConcreteUsingSpontaneousCombustionGangueasFullActiveMaterial[J].BulletinoftheChineseCeramicSociety，2011，30(5)：1221-1226.

[3]周梅，王強，牟爽. 自燃煤矸石砂輕混凝土拌合物工作性研究[J].非金屬礦，2013，36(1)：8-11.

ZHOUMei,WANGQiang,MUShuang.TheEffectsonWorkabilityofConcreteMixtureofSpontaneousCombustionCoalGangueCoarseAggregateCharacteristics[J].Non-MetallicMines，2013，36(1)：8-11.

[4]周梅，牟爽，王強. 等強條件下骨料級配對煤矸石骨料混凝土工作性與強度影響[J].硅酸鹽通報，2012，32 (6)：1529-1534.

ZHOUMei,MUShuang,WANGQiang.StudyontheInfluenceofAggregateGradationonCoalGangueAggregateConcreteWorkabilityandHardenStrengthunderSameCompressiveStrength[J].BulletinoftheChineseCeramicSociety, 2012, 32 (6): 1529-1534.

[5]浦倍超.粗骨料及摻合料對自燃煤矸石砂輕混凝土性能影響研究[D]. 阜新：遼寧工程技術大學,2013.

PUBei-chao.InfluenceofCoarseAggregatePretreatmentandAdmixtureonSpontaneousCombustionCoalGangueSand-lightweightConcrete[D].Fuxin：LiaoningTechnicalUniversityLibrary，2013.

[6]GB/T50080—2002，普通混凝土拌合物性能試驗方法標準[S].

GB/T50080—2002，StandardforTestMethodofMixturePropertiesonOrdinaryConcrete[S].

[7]GB/T50081—2002，普通混凝土力學性能試驗方法標準[S].

GB/T50081—2002，StandardforTestMethodofMechanicalPropertiesonOrdinaryConcrete[S].

[8]李化建.煤矸石的綜合利用[M].北京：化學工業(yè)出版社，2010.

LIHua-jian.ComprehensiveUtilizationofGangue[M].Beijing：ChemicalIndustryPress, 2010.

[9]周棟梁，周偉玲，林瑋.關于再生混凝土強度計算公式的試驗研究[J].混凝土，2009 (12):8-10.ZHOUDong-liang，ZHOUWei-ling，LINWei.ExperimentalStudyonFormulaforCalculatingtheStrengthofRecycledConcrete[J].Concrete，2009 (12):8-10.[10]鄧旭華，羅迎社，王智超，等.再生混凝土強度計算公式中A、B值的確定[J].混凝土，2007 (2)：29-30.DENGXu-hua,LUOYing-she,WANGZhi-chao,etal.TheConfirmationofA、BintheStrengthFormulaofRegeneratedConcrete[J].Concrete，2007 (2)：29-30.[11]張永娟,何舜,張雄,等.再生混凝土Bolomey公式的修正[J].建筑材料學報，2012，15(4)：538-543.ZHANGYong-juan，HEShun，ZHANGXiong，etal.ModificationoftheBolomeyFormulainRecycledAggregateConcrete[J].JournalofBuildingMaterials，2012，15(4)：538-543.

[12]孔德玉. 天然骨料和再生骨料混凝土水灰比統(tǒng)一定則(I)～粗骨料強度的影響[J]. 建筑材料學報，2003，6(2)：129- 134．

KONGDe-yu．UnifiedBolomey’sFormulaofConcreteMadewithNaturalandRecycledCoarseAggregate(I):EffectofStrengthofCoarseAggregate[J].JournalofBuildingMaterials，2003，6(2)：129-134．

Correction of Bolomey Formula for Spontaneous Combustion Gangue Coarse Aggregate Concrete

ZHOU Mei, CUI Han-bo , ZHAO Hua-min, LI Gao-nian, ZHANG Qian

(SchoolofArchitectureEngineering,LiaoningTechnicalUniversity,FuxinLiaoning123000,China)

Themixdesignandtemperatureformulaofspontaneouscombustiongangueaggregateconcreteareresearchedforutilizingandpopularizingthiskindofconcretepreferably.Usingthecementstrengthgradeandcrushingvalueofspontaneouscombustionganguecoarseaggregateastheinfluencingfactors,therelationshipbetweenthetwofactorsandthestrengthofspontaneouscombustionganguecoarseaggregateconcreteisstudiedthroughexperiments.Theresultshowsthat(1)thereisagoodlinearrelationshipofconcretestrengthgradewithcementstrengthgradeandcrushingvalueofspontaneouscombustioncoalgangue.TheBolomeyformulaforthestrengthofspontaneouscombustionganguecoarseaggregateconcreteisestablished,andtherevisionmethodtodetermineregressioncoefficientandvaluesintheBolomeyformulaofspontaneouscombustionganguecoarseaggregateconcreteisalsoanalyzed.

roadengineering;spontaneouscombustionganguecoarseaggregate;Bolomeyformula;strengthgradeofcement;crushingindex

2015-02-09

國家自然科學基金委員會與神華集團有限公司聯(lián)合項目(U1261122)

周梅(1964-)女, 廣東潮陽人, 教授級高級工程師.(zhoumei1108@126.com)

TU528

A

1002-0268(2016)08-0018-07

doi:10.3969/j.issn.1002-0268.2016.08.004