煤矸石集料混凝土材料配比優化

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 資源環境與安全工程學院, 湖南 湘潭 411201;2.湖南科技大學 南方煤礦瓦斯與頂板災害預防控制安全生產重點實驗室, 湖南 湘潭 411201;3.福建省安全生產科學研究院,福建 福州 350003; 4. 四川川煤華榮能源有限責任公司 小河嘴煤礦,四川 達州 635000)

中國作為一個能源消耗大國，比較依賴煤炭的使用,目前中國原煤年開采量已達到39億t,而在煤炭開采的過程中會產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造成煤矸石自燃產生有毒氣體進而引起環境污染問題[4-6].同時我國基礎建設領域由于近年來快速發展對骨料資源有很大需求[7-8].如果能夠將煤矸石作為混凝土骨料來使用不僅可以促進煤矸石的廢物利用,還能緩解天然骨料的需求壓力.

眾多學者對煤矸石集料混凝土進行了深入研究.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適應性原理,支護結構下部采用抗壓強度足夠高的煤矸石集料混凝土來抵抗頂板的回轉下沉[10],留巷能否起到目標效果主要取決于混凝土支護體強度能否滿足上覆巖層的支承要求[11-12];陳久權等[13]研究了煤矸石替換率以及水灰比等對集料混凝土抗壓強度的影響;黃正棟等[14]通過添加鋼纖維和聚合物對集料混凝土進行改性試驗,研究不同配比條件下混凝土的單軸抗壓強度;王玉林,賈牛駿等[15-16]將煤矸石集料混凝土實際運用到巷旁支護體,觀測到巷道變形基本穩定,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]對比研究了煤矸石集料混凝土和天然集料混凝土,發現煤矸石并不會降低混凝土的抗壓強度,但會明顯降低混泥土的抗凍性能;Zhu等[18]發現高溫煅燒可顯著改善煤矸石混凝土的抗壓強度;Li[19]對比研究了普通混凝土梁和煤矸石混凝土梁的力學性能,并結合ANSYS模擬煤矸石混凝土梁的應力分布,發現在合理的設計和使用范圍內,在鋼筋混凝土結構中使用煤矸石骨料是可行的.

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

1 試驗原材料

圖1 不同粒徑煤矸石

圖2 剪切波紋型鋼纖維

表1 鋼纖維基本技術指標

2 試驗方案設計與實施

2.1 試驗方案設計

在預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的初始配合比.基于初始配合比,1 m3混凝土質量大約為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,設計45%,50%,55%這3種不同水灰比作為對照組,每種方案3個試件.通過計算得到相應配合比方案,具體見表2.

表2 無鋼纖維預制混凝土砌塊配合比方案

在預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個變量,研究水灰比、鋼纖維含量和煤矸石粒徑對預制混凝土砌塊強度的影響.為了試驗的高效、快速和經濟,通過較少數量的預制混凝土砌塊全面反映預制混凝土配合比中水灰比、鋼纖維含量和煤矸石粒徑對預制混凝土砌塊強度的影響,采用正交試驗法設計試驗方案.以預制混凝土砌塊單軸抗壓強度作為考察標準,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)作為試驗因素,得到正交設計表,具體見表3.

表3 正交設計表

根據正交設計表3,計算得到相應的鋼纖維預制混凝土砌塊配合比方案,具體見表4.

表4 鋼纖維預制混凝土砌塊配合比方案

2.2 試驗方案實施

準備好預制混凝土砌塊制作工具(如圖3所示),根據設計好的預制混凝土砌塊配合比篩選稱量相應的試驗材料.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].然后將所有試驗材料混合均勻后裝模.本次試驗采用的預制混凝土砌塊模具規格為150 mm×150 mm×150 mm.每種方案3個混凝土試件.裝模后振搗密實,待預制混凝土砌塊凝固后拆模,在試驗室條件下灑水養護28 d.為了避免混淆不同配比試件,對試件外表進行標記以示區分,如圖4所示.

圖3 預制混凝土砌塊制作工具

圖4 預制混凝土砌塊試件

3 試驗結果分析

預制混凝土砌塊28 d養護完成后,采用巖石力學加載系統進行單軸壓縮試驗,分析不同的水灰比、鋼纖維含量和煤矸石粒徑對其抗壓強度的影響.該巖石力學加載系統最大加載荷載完全能滿足試驗需求,具體如圖5.

將養護完成后的預制混凝土砌塊放置于加載系統上,壓載時預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,加載直至預制混凝土砌塊破壞.預制混凝土砌塊加載過程如圖6所示.

圖5 巖石力學加載系統

圖6 預制混凝土砌塊加載過程

圖7為預制混凝土砌塊的破壞形態,從圖7可以看出,預制混凝土砌塊呈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,使得預制混凝土內部微孔隙逐漸發育為微小斜裂隙;然后主控應力逐漸逼近混凝土的極限抗拉強度,在斜裂隙所在的截面上,拉區混凝土達到抗拉極限進而出現局部破壞,混凝土試件出現明顯斜裂縫;隨著加載壓力的繼續增大,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 預制混凝土砌塊的破壞形態

圖7中預制混凝土砌塊采用的煤矸石粒徑不同,其最終破壞形態也呈現一定的差異,煤矸石粒徑越小,其破壞程度相對較低,反之其破壞程度則相對較高.破壞部位一般發生在水泥與煤矸石骨料的黏結面位置,它們的黏結處往往存在著一些極微小孔隙,這些孔隙的數量影響著預制混凝土的破壞形態.煤矸石骨料粒徑越小與水泥黏結程度就越好,它們黏結處的孔隙數量相對較少,主控裂縫發育程度相對較低,混凝土試件破壞程度也相應較低;反之,主控裂縫發育程度相對較高,混凝土試件破壞程度也會相應較高.

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

圖8 預制混凝土砌塊應力應變曲線

預制混凝土砌塊抗壓強度可按式(1)計算.

(1)

式中:fc為預制混凝土砌塊抗壓強度，MPa;P為預制混凝土砌塊破壞時最大峰值強度，kN;A為預制混凝土砌塊受壓面積，m2.

所有預制混凝土砌塊加載完成后,通過式(1)計算得到各預制混凝土砌塊的抗壓強度,見表5和表6.

表5 28 d無鋼纖維預制混凝土砌塊抗壓強度 單位:MPa

表6 28 d鋼纖維預制混凝土砌塊抗壓強度 單位:MPa

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

圖9 有無摻加鋼纖維預制混凝土砌塊抗壓強度的對比

對試驗結果進行正交處理,得到試驗結果分析表7.表格中K值為某因素某水平時試驗數據求和,k值為對應K值的平均值,R指因素的極差值.

表7 正交試驗結果分析

從表7中可以看出,RA>RB>RC,所以影響本次試驗結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,說明存在對試驗結果有著較為重要的其他影響因素.

對比K1,K2,K3確定最優方案.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配制而成的預制混凝土砌塊,質量配比為220∶489∶1 015∶676∶24(m水∶m水泥∶m煤矸石∶m砂子∶m鋼纖維).

通過趨勢圖對最優方案進行驗證.描繪出因素與指標的趨勢圖,如圖10所示.

圖10 因素-指標趨勢

4 結論

1)預制混凝土砌塊其抗壓強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膠凝材料,其含量對混凝土的穩固性有著重要作用.

2)預制混凝土砌塊其抗壓強度隨著鋼纖維含量的增加會先增大后減小.鋼纖維對增加預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制混凝土砌塊的抗壓強度.

3)預制混凝土砌塊其抗壓強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程度就越好,與水泥的界面黏結力就越大,主控裂縫發育程度也相對較低,預制混凝土砌塊的抗壓強度也就相應較高.

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