劉鴿，黃驍，李珠，張澤平

（1.山西經(jīng)濟(jì)管理干部學(xué)院，山西太原 030024；2.太原理工大學(xué)建筑與土木工程學(xué)院，山西太原 030024）

摻煤矸石的?；⒅楸鼗炷僚芽估瓘?qiáng)度與抗壓強(qiáng)度相關(guān)性研究

劉鴿1，黃驍2，李珠2，張澤平2

（1.山西經(jīng)濟(jì)管理干部學(xué)院，山西太原 030024；2.太原理工大學(xué)建筑與土木工程學(xué)院，山西太原 030024）

通過(guò)不同煤矸石取代率下的煤矸石?；⒅楸鼗炷僚芽估瓘?qiáng)度、立方體抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，研究了煤矸石取代率對(duì)拉壓比的影響，對(duì)比分析了輕骨料混凝土、普通混凝土與煤矸石玻化微珠保溫混凝土劈拉強(qiáng)度與立方體抗壓強(qiáng)度之間的關(guān)系。研究結(jié)果表明：煤矸石?；⒅楸鼗炷恋呐瓘?qiáng)度隨煤矸石所占比例的增加而降低，拉壓比也隨之降低；在試驗(yàn)分析的基礎(chǔ)上，提出了煤矸石玻化微珠保溫混凝土劈拉強(qiáng)度與抗壓強(qiáng)度關(guān)系的建議公式。

煤矸石；?；⒅?；劈裂抗拉強(qiáng)度

0　引言

煤矸石是煤炭工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中排放出的固體廢棄物，如不能及時(shí)、有效地處理將會(huì)對(duì)社會(huì)環(huán)境和生態(tài)環(huán)境都造成嚴(yán)重的威脅。山西作為產(chǎn)煤大省，現(xiàn)有煤矸石儲(chǔ)量巨大，而且煤矸石儲(chǔ)量年增長(zhǎng)率逐年上升，采取高效的節(jié)能環(huán)保措施對(duì)煤矸石進(jìn)行綜合利用勢(shì)在必行。利用煤矸石作為混凝土集料生產(chǎn)煤矸石玻化微珠保溫混凝土，一方面可以大量利用煤矸石，另一方面可以顯著地減少建筑工程中對(duì)天然集料的使用量，具有較好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益[1]。本課題組對(duì)煤矸石?；⒅楸鼗炷恋膶?dǎo)熱系數(shù)進(jìn)行了測(cè)試，結(jié)果符合保溫性能的要求，在此基礎(chǔ)上本文對(duì)摻煤矸石的?；⒅楸鼗炷僚芽估阅芘c抗壓強(qiáng)度進(jìn)行試驗(yàn)研究。

目前，有許多指標(biāo)可以評(píng)定混凝土的抗裂性能，其中拉壓比是較常用的評(píng)價(jià)指標(biāo)之一[2]。為此，研究人員已經(jīng)對(duì)普通混凝土抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度的相關(guān)性進(jìn)行了大量試驗(yàn)研究[3]，而關(guān)于摻煤矸石的玻化微珠保溫混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度的相關(guān)性研究尚未見(jiàn)報(bào)道。本文基于課題組對(duì)普通玻化微珠保溫混凝土的研究成果[4]，通過(guò)利用煤矸石取代天然石子并改變煤矸石摻量的思路，對(duì)煤矸石?；⒅楸鼗炷恋目箟簭?qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度的相關(guān)性進(jìn)行了研究，探討了煤矸石?；⒅楸鼗炷恋呐芽估瓘?qiáng)度計(jì)算公式，這將會(huì)推動(dòng)煤矸石?；⒅楸鼗炷恋暮罄m(xù)研究以及為工程應(yīng)用提供基礎(chǔ)性的工作。

1　試驗(yàn)

1.1原材料及主要試驗(yàn)設(shè)備

煤矸石：采用太原市西銘礦區(qū)煤矸石集料，人工破碎、篩分成為10～30 mm的煤矸石骨料，經(jīng)水沖洗曬干后當(dāng)作粗骨料使用。試驗(yàn)使用同一地區(qū)同一批次煤矸石，以防因煤矸石組成等差異，對(duì)實(shí)驗(yàn)造成影響，具體參數(shù)見(jiàn)表1。

表1　煤矸石和碎石的基本物理性能

?；⒅椋毫綖?8～30 mm、30～50 mm，河南信陽(yáng)某工廠生產(chǎn)，具體參數(shù)如表2所示。

表2　玻化微珠的基本性能

水泥：太原獅頭牌P·O42.5水泥，性能符合GB175—2007《通用硅酸鹽水泥》標(biāo)準(zhǔn)要求。

碎石：粒徑為10～30 mm普通碎石，太原周邊產(chǎn)，其技術(shù)指標(biāo)符合GB/T 14685—2011《建筑用卵石、碎石》標(biāo)準(zhǔn)要求，具體參數(shù)見(jiàn)表1。

砂：忻州豆羅砂，細(xì)度模數(shù)2.94，為中砂。

減水劑：萘系減水劑。

外加劑Ⅰ：為本課題組自行研制，用于提高混凝土抗壓性能，有保水、防止離析、泌水、大幅降低混凝土泵送阻力的作用。

WAW-2000kN型液壓萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)、STYE-3000C型電腦全自動(dòng)混凝土壓力機(jī)，分別進(jìn)行煤矸石玻化微珠保溫混凝土劈裂抗拉試驗(yàn)和抗壓試驗(yàn)；導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)試采用沈陽(yáng)微特應(yīng)用技術(shù)開(kāi)發(fā)有限公司生產(chǎn)的PDR-3030B型平板導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)定儀（穩(wěn)態(tài)雙平板法），其測(cè)量范圍為0.01～1.00W/（m·K），測(cè)量精度為3%。

1.2試驗(yàn)方案

1.2.1試驗(yàn)配合比

各組摻煤矸石的玻化微珠保溫混凝土試件設(shè)計(jì)強(qiáng)度均為C35，參照J(rèn)GJ55—2000《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》，水灰比取0.41，砂率為26.8，試驗(yàn)混凝土的基本配合比（kg/m3）為：m（水泥）∶m（砂）∶m（煤矸石+石子）∶m（玻化微珠大顆粒）∶m（?；⒅樾☆w粒）∶m（水）∶m（減水劑）∶m（外加劑Ⅰ）=634∶422∶1151∶66.39∶50.77∶261.83∶6.34∶25.7。由于煤矸石粗集料吸水率較大，因此在配制煤矸石?；⒅楸鼗炷林皩?duì)煤矸石進(jìn)行了預(yù)濕。各組不同煤矸石?；⒅楸鼗炷恋拿喉肥〈室?jiàn)表3。

表3　各組?；⒅楸鼗炷猎嚇拥拿喉肥〈?/p>

1.2.2煤矸石?；⒅楸鼗炷恋闹谱髋c養(yǎng)護(hù)

煤矸石玻化微珠保溫混凝土拌和物采用HJW型強(qiáng)制式混凝土攪拌機(jī)攪拌。先用適量水潤(rùn)濕攪拌機(jī)。為了保證拌制的混凝土的均勻性，攪拌過(guò)程中采用先干拌后濕拌的方法，即先攪拌砂和水泥至均勻，接著加入?；⒅?、外摻料攪拌20 s，再加入煤矸石和石子粗集料，繼續(xù)攪拌至均勻，最后加水，攪拌2～4min后，立即測(cè)量塌落度。將拌合物注入尺寸為150 mm× 150 mm×150 mm的模具中，及時(shí)在標(biāo)準(zhǔn)振搗臺(tái)進(jìn)行振搗，邊振搗邊用搗棒插實(shí)，防止氣泡產(chǎn)生，接著用抹具抹平表面，妥善放置24 h后拆模。再將混凝土試塊放入養(yǎng)護(hù)室并在標(biāo)準(zhǔn)條件下養(yǎng)護(hù)28 d，然后分別測(cè)試其劈裂抗拉強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度。

1.2.3煤矸石?；⒅楸鼗炷僚芽估瓘?qiáng)度及抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)方法

煤矸石?；⒅楸鼗炷恋呐芽估瓘?qiáng)度和抗壓強(qiáng)度按GB/T 50081—2002《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行測(cè)試。

2　試驗(yàn)結(jié)果分析與討論

2.1試驗(yàn)現(xiàn)象

在進(jìn)行劈裂抗拉試驗(yàn)時(shí)，加載初期，煤矸石?；⒅楸鼗炷猎噳K表面未發(fā)現(xiàn)有裂縫出現(xiàn)，隨著荷載的增大，試塊內(nèi)的應(yīng)力不斷增加，開(kāi)始在試塊中部出現(xiàn)豎向裂縫，接著延伸至墊條附近，當(dāng)荷載繼續(xù)增加，該混凝土中部的裂縫寬度逐漸增大，最后混凝土被劈裂。圖1為煤矸石玻化微珠保溫混凝土試塊的典型裂縫，圖2為其劈裂破壞截面形態(tài)。

由圖2可見(jiàn)，劈拉試驗(yàn)中，不同煤矸石取代率的混凝土破壞形態(tài)略有不同，取代率為2個(gè)極端的混凝土（取代率100%、0%），因骨料均為煤矸石或天然石子，破壞斷面比較平整；而煤矸石和天然石子混合骨料的混凝土（取代率30%、50%、70%），破壞斷面比較粗糙，因?yàn)槊喉芳媳砻娲植谇椅瘦^大，降低了水泥砂漿與煤矸石集料粘結(jié)界面的局部水灰比，從而導(dǎo)致水泥砂漿與煤矸石的粘結(jié)強(qiáng)度較高，同時(shí)煤矸石的顆粒強(qiáng)度比天然石子粗集料的強(qiáng)度低且屬于層狀結(jié)構(gòu)，所以混合煤矸石和天然石子骨料的混凝土破壞斷面貫穿了大部分較大煤矸石骨料，而石子只有極少部分破壞，故破壞斷面比較粗糙。

抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，各煤矸石粗骨料取代率混凝土的破壞模式基本相同。試驗(yàn)開(kāi)始加載時(shí)，煤矸石?；⒅楸鼗炷猎噳K表面未開(kāi)裂，隨著荷載的增加，試塊內(nèi)的應(yīng)力不斷增大，離試塊兩側(cè)大約2 cm的位置開(kāi)始出現(xiàn)豎向裂縫，隨著荷載的進(jìn)一步增加，裂縫延伸至試塊角部，形成斜裂縫。隨著荷載的繼續(xù)增加，試塊內(nèi)部開(kāi)始發(fā)生變化，新產(chǎn)生的裂縫向內(nèi)發(fā)展，隨后試塊表面開(kāi)始膨脹甚至剝落，最終呈現(xiàn)出正倒相連四角錐形狀的破壞形態(tài)（見(jiàn)圖3）。

圖1　劈裂抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)及其典型裂縫

圖2　煤矸石?；⒅楸鼗炷猎噳K劈拉破壞形態(tài)

圖3　煤矸石玻化微珠保溫混凝土的抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)破壞形態(tài)

從圖3抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)的破壞形態(tài)來(lái)看，大多數(shù)煤矸石粗骨料被直接貫穿，導(dǎo)致煤矸石?；⒅楸鼗炷疗茐?，但是試驗(yàn)中也發(fā)現(xiàn)少數(shù)混凝土試塊表現(xiàn)出較大的脆性。

2.2劈裂抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果與分析（見(jiàn)表4）

表4　煤矸石?；⒅楸鼗炷恋牧W(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果

2.2.1煤矸石取代率對(duì)煤矸石?；⒅楸鼗炷僚瓘?qiáng)度及抗壓強(qiáng)度的影響

由表4可見(jiàn)，隨著煤矸石粗骨料取代率的增大，混凝土的抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度均有不同程度的降低。與普通?；⒅楸鼗炷料啾?，煤矸石取代率分別為30%、50%、70%和100%時(shí)，劈拉強(qiáng)度依次降低了20.6%、24.5%、41.1%、45.4%，抗壓強(qiáng)度依次降低了7.9%、11.7%、25.3%、30.6%。原因主要是摻入煤矸石骨料后，由于煤矸石自身的層狀結(jié)構(gòu)特性以及煤矸石骨料的孔隙率高，在單軸應(yīng)力作用下，容易形成應(yīng)力集中[5]，煤矸石摻量越大，應(yīng)力集中越明顯。

2.2.2煤矸石取代率對(duì)混凝土拉壓比的影響

由表4可以看出，煤矸石?；⒅楸鼗炷恋呐瓘?qiáng)度與立方體抗壓強(qiáng)度的比值大約在0.09～0.13，在水灰比一定時(shí)，該比值隨著煤矸石取代率的減小而增大，即隨著強(qiáng)度的提高而增大，這一規(guī)律與普通混凝土和再生骨料混凝土的強(qiáng)度越高拉壓比越低的規(guī)律有所不同。由此可見(jiàn)，骨料種類對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響要高于對(duì)劈裂抗拉強(qiáng)度的影響。

2.2.3劈裂抗拉強(qiáng)度與抗壓強(qiáng)度之間的關(guān)系

在GB 50010—2002《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》中，給出了普通混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度與抗壓強(qiáng)度的換算關(guān)系式：

國(guó)內(nèi)行業(yè)采用的輕骨料混凝土[6]劈裂抗拉強(qiáng)度與抗壓強(qiáng)度換算關(guān)系見(jiàn)式（2）：

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，煤矸石?；⒅楸鼗炷僚芽估瓘?qiáng)度與立方體抗壓強(qiáng)度之間的關(guān)系如圖4所示。

圖4　煤矸石?；⒅楸鼗炷僚芽估瓘?qiáng)度與抗壓強(qiáng)度的關(guān)系

通過(guò)回歸分析得到關(guān)系式（3）：

式中：fGts——煤矸石?；⒅楸鼗炷僚芽估瓘?qiáng)度，MPa；

fGcu——煤矸石玻化微珠保溫混凝土立方體抗壓強(qiáng)度，MPa。

將按式（1）～式（3）計(jì)算出的結(jié)果與本文試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果見(jiàn)表5。

表5　劈裂抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)值與計(jì)算值MPa

從表5可以看出，采用式（3）所得的計(jì)算值與試驗(yàn)值相比較式（1）、式（2）更為接近。因此，煤矸石?；⒅楸鼗炷恋呐瓘?qiáng)度與立方體強(qiáng)度之間的關(guān)系，建議采用通過(guò)回歸分析得到的相關(guān)公式（3）計(jì)算較為妥當(dāng)。

考慮煤矸石取代率不同的因素，設(shè)煤矸石取代率為δ，可將式（3）改寫(xiě)成：

式中：k——為待定參數(shù)。

將表4試驗(yàn)數(shù)據(jù)代入式（4），可反算出k值，結(jié)果見(jiàn)表6。

表6　煤矸石?；⒅楸鼗炷僚芽估瓘?qiáng)度公式參數(shù)

故煤矸石?；⒅楸鼗炷僚芽估瓘?qiáng)度計(jì)算公式為：

由表5可知，應(yīng)用式（5）計(jì)算得到的結(jié)果能較好地與煤矸石玻化微珠保溫混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度的試驗(yàn)值相吻合。

2.3煤矸石玻化微珠保溫混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)

隨著煤矸石取代率的不同，煤矸石?；⒅楸鼗炷恋膶?dǎo)熱系數(shù)在0.4978～0.7840 W/（m·K）范圍內(nèi)變化，見(jiàn)圖5。

圖5　煤矸石摻量對(duì)煤矸石?；⒅楸鼗炷翆?dǎo)熱系數(shù)的影響

由圖5可以看出，隨著煤矸石取代率的增加，導(dǎo)熱系數(shù)呈下降趨勢(shì)，這與煤矸石集料的輕質(zhì)、內(nèi)部孔隙較多等因素有關(guān)。煤矸石?；⒅楸鼗炷翆?dǎo)熱系數(shù)最低可以達(dá)到0.4978 W/（m·K），相比普通混凝土1.51 W/（m·K）[7]降低了67%，具有良好的保溫性能，可見(jiàn)煤矸石玻化微珠保溫混凝土的應(yīng)用前景相當(dāng)可觀。

3　結(jié)語(yǔ)

（1）煤矸石玻化微珠保溫混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度與拉壓比隨著煤矸石粗骨料所占比例的減小而增大。

（2）通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，借助統(tǒng)計(jì)回歸方法，初步探討了煤矸石?；⒅楸鼗炷僚芽估瓘?qiáng)度計(jì)算公式，并在式（3）基礎(chǔ)上提出了煤矸石取代率、劈裂抗拉強(qiáng)度和立方體抗壓強(qiáng)度三者之間的關(guān)系式。式（5）計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果能較好地吻合。

（3）煤矸石?；⒅楸鼗炷辆哂辛己玫谋匦阅埽瑧?yīng)用前景可觀。

[1]朱澤忠.煤矸石混凝土的研制及其性能測(cè)試[D].淮南：安徽理工大學(xué)，2014.

[2]劉數(shù)華，方坤河，曾力，等.混凝土抗裂評(píng)價(jià)指標(biāo)綜述[J].混凝土，2004（5）：32-33.

[3]王德輝，尹健，彭松裊.再生混凝土抗壓強(qiáng)度與劈裂抗拉強(qiáng)度相關(guān)性研究[J].粉煤灰，2009（2）：3-6.

[4]張澤平.玻化微珠保溫混凝土及其結(jié)構(gòu)的基本性能試驗(yàn)與理論分析研究[D].太原：太原理工大學(xué)，2009.

[5]張澤平，董彥莉，李珠.?；⒅楸鼗炷猎囼?yàn)研究[J].新型建筑材料，2007（11）：73-75.

[6]龔洛書(shū).輕集料混凝土[M].北京：中國(guó)鐵道出版社，1996.

[7]GB 50176—1993，民用建筑熱工設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

Study of relevance of splitting tensile strength with compressive strength of the glazed hollow beads thermal insulation concrete mixed with coal gangue

LIU Ge1，HUANG Xiao2，LI Zhu2，ZHANG Zeping2
（1.Shanxi Economic Management Institute，Taiyuan 030024，China；2.School of Civil and Architectural Engineering，Taiyuan University of Technology，Taiyuan 030024，China）

Through different rate of coal gangue to replace the stone to test about glazed hollow beads insulation concrete splitting tensile strength and cubic compressive strength，studied the effects of tension and compression ratio from the replace rate of coal gangue，then through comparing the relationship between splitting tensile strength and the cube compressive strength of the lightweight aggregate concrete and the ordinary concrete and the glazed hollow beads thermal insulation concrete mixed with coal gangue.The research results show that the splitting tensile strength decreased with increasing of coal gangue proportion，tension and compression ratio decreased as well.Finally，on the basis of experimental analysis，proposed the formula for the relationship between splitting tensile strength and the cube compressive strength of the glazed hollow beads thermal insulation concrete mixed with coal gangue.

coal gangue，glazed hollow beads，splitting tensile strength

TU528.2

A

1001-702X（2016）10-0076-04

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51308371）；教育部高等院校博士點(diǎn)基金項(xiàng)目（20101402120007）；山西省自然科學(xué)基金項(xiàng)目（2014011033-1）

2016-03-04；

2016-04-11

劉鴿，女，1986年生，山西運(yùn)城人，講師，研究方向：結(jié)構(gòu)工程。