煤矸石混凝土高性能研發(fā)及工程應(yīng)用

中黑灰色巖石，屬沉積巖類。我國(guó)開展煤矸石利用的研究源于20世紀(jì)50C30C40C50C30、C40，以C50為突破、探討性的試驗(yàn)研究，從而獲得其基本性能及技術(shù)指標(biāo)，并給出了一套煤矸石混凝土的配合比設(shè)計(jì)方法。試驗(yàn)表明：煤矸石作為粗骨料，用在C30、C40的混凝土中是可C50C50矸石混凝土在我國(guó)工程建設(shè)中大規(guī)模應(yīng)用和推廣節(jié)約能源社會(huì)可持續(xù)發(fā)展。：高性能，煤矸石混凝土，配合比，試驗(yàn)研究，力學(xué)第一章緒論 研究背景及意義 研究背景 研究意義 煤矸石混凝土在國(guó)內(nèi)外的研發(fā)現(xiàn) 國(guó)外煤矸石混凝土研究現(xiàn)狀 國(guó)內(nèi)煤矸石混凝土研究現(xiàn)狀 煤矸石水泥混凝土性能 煤矸石利用的方向 第二章煤矸石混凝土骨料基本特 煤矸石簡(jiǎn)介 煤矸石的的來源與分類 煤矸石的組成與性質(zhì) 煤矸石在工程中的應(yīng)用 煤矸石粗骨料的基本特征 顆粒最大粒徑和顆粒級(jí)配 基本物理性 煤矸石粗骨料對(duì)混凝土強(qiáng)度的影響 細(xì)骨料 第三章試驗(yàn)材料與試驗(yàn)方法 煤矸石混凝土試驗(yàn)材料 水泥 拌合用水 細(xì)骨料 粗骨料 減水劑 煤矸石混凝土的設(shè)計(jì)理念 配合比設(shè)計(jì)前的準(zhǔn)備資 配合比設(shè)計(jì)的要求 基于自由水灰比的煤矸石混凝土配合比設(shè) 煤矸石混凝土初步配合比設(shè)計(jì) 凈漿裹石工藝在煤矸石混凝土的應(yīng) 原理分析 試驗(yàn)設(shè)備與試驗(yàn)方法 對(duì)煤矸石混凝土的影響 第四章高性能煤矸石混凝土的試驗(yàn)研究 煤矸石混凝土的工作性能 煤矸石混凝土的和易性 煤矸石混凝土的凝結(jié) 立方體抗壓強(qiáng)度試驗(yàn) 試驗(yàn)設(shè)備和測(cè)試方 試驗(yàn)分析 抗折強(qiáng)度試驗(yàn) 4.3.1.試驗(yàn)設(shè)備和測(cè)試方法 4.3.2計(jì)算方 4.3.3試驗(yàn)分析 抗拉強(qiáng)度試 試驗(yàn)設(shè)備和測(cè)試方法 劈裂抗拉強(qiáng)度和破壞形態(tài) 試驗(yàn)分析 彈性模量試驗(yàn) 試驗(yàn)設(shè)備和測(cè)試方 試驗(yàn)分析 第五章結(jié)論和展望 結(jié) 展望 研究背景及意研究背19885.41.7尾礦居首2600萬噸煤矸石次之2000萬噸其他依次為爐渣粉煤灰、頁巖和石灰?guī)r。煤矸石中含碳量一般為20%~30%，其它為氧化鋁、二氧化硅和22000多座。1990年，我國(guó)煤矸石累計(jì)堆放量達(dá)37億噸；2000年達(dá)60億噸，堆放占地為40萬畝。大量的1.1.2研究意2050年代中期。目前國(guó)內(nèi)外研究者結(jié)構(gòu)缺乏系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)和理論研究。20世紀(jì)90年代初期，我國(guó)山西、遼寧、、要應(yīng)用于筑路路基材料、塌陷區(qū)回填材料和填充墻體材料，但是在多層建、，C301150kg/m3，可配制干容重2000kg/m3的混凝土，1m3混凝土用自燃煤矸石集料通砂石節(jié)省直接費(fèi)30~40元左右（計(jì)算過程：根據(jù)省，1m3C30混凝土消耗中砂0.53噸，1.2343937元，煤矸石的1m3積重量可降低20%~30%，在多層住宅建筑中，采用煤矸石混凝土結(jié)構(gòu)的建筑物節(jié)約基礎(chǔ)造價(jià)。由于結(jié)構(gòu)自重的降低截面尺寸也可相應(yīng)減小，從而顯著提，目前，我國(guó)對(duì)煤矸石綜合利用的水平還不高，技術(shù)裝備水平只達(dá)到國(guó)外902073億噸標(biāo)準(zhǔn)煤，開發(fā)量尚不足4000萬噸，開發(fā)率不到1%，嚴(yán)重滯后?，F(xiàn)在煤煤矸石混凝土在國(guó)內(nèi)外的研發(fā)狀國(guó)外煤矸石研究現(xiàn)SiO2為52．32Al2O3為l1.98Fe2O3為5．82CaO為1．9520．65 國(guó)、比利時(shí)采用含碳量4%～10%國(guó)內(nèi)煤矸石混凝土研究現(xiàn)利用煤矸石制磚包括用煤矸石生產(chǎn)燒結(jié)磚和作燒磚內(nèi)煤矸石作原生產(chǎn)水325～425號(hào)的水泥產(chǎn)量超過20%時(shí)，按照國(guó)家規(guī)定，就成了火山灰硅酸鹽水泥。規(guī)定，火山灰硅酸鹽水泥可摻混合材量20%～5O%煤矸石水泥混凝土性煤矸石利用的新方煤矸石簡(jiǎn)煤矸石的來源與分煤矸石是采煤過程和洗煤過程中排放的固體廢物，是一種在成煤過程中與煤層伴生的一種含碳量較低、比煤堅(jiān)硬的黑灰色巖石。經(jīng)煤矸石混凝土的主要來源包括以下幾方面：10%12%~18%。2.1.2 通過對(duì)煤矸石進(jìn)行化學(xué)分SiO2為52%～65%Al2O3為16%～36%；Fe2O3 2.28%14.63%;CaO為 圖2- 煤矸石粗骨料圖MgO0.44%～2.41%;TiO20.90%4%;P2O51.45%～3.9%；V2O50.008%～0.03%（2-1。部分地區(qū)的煤矸石中含Ge、Ga、U、Th等半導(dǎo)體元素或放射性元素及其他稀有元素，其礦物組成中主要是高嶺石、石英、鉀云母、長(zhǎng)石等。2-1自燃煤矸石主要化學(xué)成份表2-

（

承載比

（MPa1

實(shí)度

角煤矸 數(shù)表示CBR值；粘聚力是在同種物質(zhì)內(nèi)部相鄰各部分之間的相互，這種相互是同種物質(zhì)分子之間存在分子力的表現(xiàn)。只有在各分子十分接近（小于10-6厘米才顯示出來粘聚力能使物質(zhì)成液體或固體。特別是在與固體接觸的液體附著層中，由于粘聚力與附著力相對(duì)大小的不同，致使液體浸潤(rùn)固體或不浸潤(rùn)固體；巖體在垂直重力作用下發(fā)生剪切破壞時(shí)錯(cuò)動(dòng)面的傾角，粘聚力和內(nèi)摩擦角是工程設(shè)計(jì)的重要參數(shù)。2~34%~5%之間；2.5%~3.0%,17%~19%21.3煤矸石在工程中的應(yīng)中國(guó)煤矸石年排放量大1.2～1.8×108t之間預(yù)測(cè)煤矸石累計(jì)堆存量創(chuàng)造利潤(rùn)。煤矸石中SiO2、Al2O3、Fe2O380%以上，是一顆粒最大粒徑和顆粒級(jí)2-2052-35米分計(jì)篩余累計(jì)篩余基本物理性2-42-4

9天然巖石由于其孔隙率很小，一般低于3%，極少超過10%，所以常用的天然2-5含泥量失煤矸石粗骨料對(duì)混凝土強(qiáng)度的影用，煤矸石骨料將也會(huì)對(duì)混凝土強(qiáng)度有所提高。一方面,水泥水化產(chǎn)物能夠部 ,增加集料與界面的嚙合摩擦力,這種機(jī)械作用,大大增方面,煤矸石經(jīng)過表面具一定的活性,且破碎過程中表面粘附有煤矸石粉,它們能與水泥砂漿中的效果;第四方面,自燃煤矸石與基體的強(qiáng)度和彈性模量相互匹配,變形協(xié)調(diào)作 5mm水結(jié)成為整體。硅酸鹽水泥的主要技術(shù)指標(biāo)（3-1）50min，終凝時(shí)間為3.5h，符合。大過程中也容易受潮因此應(yīng)適當(dāng)控制泥細(xì)度 圖3-1水泥安定。水泥的安定性是指水泥在凝結(jié)硬化工程中，體積變化的均勻性泥硬化定性良好（3-1。。42.53-23-1標(biāo)準(zhǔn)稠度凝結(jié)時(shí)間初 終 3-2抗壓強(qiáng) 抗折強(qiáng)333.1.2拌合用細(xì)骨數(shù)為2.7，含泥量為0.9%，泥塊含量為0.2%，符合《建筑用砂》(GB/TI4685—2001)23-3砂的顆粒級(jí)配。粗骨3-篩孔尺寸1230000 10-10-10- 35-25-15- 66-50-25- 85-70-40- 95-92-85-100-100-100-本試驗(yàn)在混凝土中摻入一定量的減水劑目的是在保持水膠比不變的情況下19%1%。配合比設(shè)計(jì)前的準(zhǔn)備資工處環(huán)境對(duì)混凝土的耐久性要求配合比設(shè)計(jì)的要滿足工處環(huán)境和使用條件要求基于自由水灰比的煤矸石混凝土配合比fuofuk

量2-33-2。(4)煤矸石混凝土初步配合比(1)根的本課題擬配C30及C40首先根據(jù)JGJ55-2000《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》按照普通混凝土配合3-4C30 水

水 粗骨劑

2343-5C40型水灰

劑1劑123

3-6型號(hào)比水砂強(qiáng)度劑集料混凝土與普通混凝土相性能受種因素的影響盡與新漿體之間的界面粘結(jié)仍不失為提高煤矸石混凝土強(qiáng)度的一種有效措施。由于需 圖3-3測(cè)定坍落原理分水泥石強(qiáng)度以及水泥石和骨料表面間的粘結(jié)強(qiáng)度決定，對(duì)于煤矸石混凝土來說，骨子界面的粘結(jié)力對(duì)混凝土強(qiáng)度起著決定性作用，而煤矸 圖3-4強(qiáng)制性攪拌分散度，增強(qiáng)水泥石與石子界面的機(jī)械咬合作用，部分游離水向石子與水試驗(yàn)設(shè)備與試驗(yàn)方對(duì)煤矸石混凝土的影。因而其力學(xué)性能受種因素的影響，更為復(fù)雜第四章高性能煤矸石混凝土的試驗(yàn)研究煤矸石混凝土的和易經(jīng)常用坍落度試驗(yàn)方法（4-1）測(cè)定混凝土拌合物的流動(dòng)性，再輔以直觀經(jīng)驗(yàn)?zāi)慷ㄕ尘坌院捅Ｋ浴Ｔ囼?yàn)如圖。測(cè)定坍落度的方法是：將混凝土拌落的高度值，以mm計(jì)，即為混凝定混凝土拌合物粘聚性和保水性的優(yōu)劣 4-1100mm～200mm的范圍內(nèi)，完全可以滿足工程要求。與普通混凝土一樣，煤矸石混凝土煤矸石混凝土的凝10%30%時(shí)，初凝時(shí)間變化幅度不明顯，說明10%30%立方體抗壓強(qiáng)度試試驗(yàn)設(shè)備和測(cè)試350型立式高效攪拌機(jī)攪拌。投料順序?yàn)?先攪拌砂和煤矸石至均勻，再加入一半并在水中摻入1%的高效減水劑。攪拌3~5min后立即測(cè)量坍落度然后將拌合物注入尺寸為150mm×150mm×150mm抹平表面(4.2)，24小時(shí)后拆模。將試塊放入養(yǎng)護(hù)室，在標(biāo)準(zhǔn)條件下(20±2390.32,0.4,0.4871328其抗壓強(qiáng)度（4-3圖4-2立方體抗壓試驗(yàn) 圖4-3立方體抗壓試fcu按式（4-1）

（4- （MPa（N試驗(yàn)分試塊高度為垂直方向，沿斜向往上下端發(fā)展，至加載面處轉(zhuǎn)向試塊角部，形4-1平均值123抗折強(qiáng)度試4.3.1.試驗(yàn)設(shè)備和測(cè)試方1）34-4。試件的支座和加荷20～40mm10mm圖4-4抗折試驗(yàn)裝 圖4-5破壞形2)1mm。試件的承壓面應(yīng)為試件成型施加荷載應(yīng)保持均勻、連續(xù)。當(dāng)混凝土強(qiáng)度等級(jí)＜C30時(shí)，加荷速度取0.02～0.05MPa；當(dāng)混凝土強(qiáng)度等級(jí)≥C30且＜C60時(shí)，取每秒鐘0.05～0.08MPa；當(dāng)混凝土強(qiáng)度等級(jí)≥C600.08～0.10MPa，本試驗(yàn)采用4-5，然后記錄破壞荷載。4-2破壞荷載抗折強(qiáng)度第三 4.3.2計(jì)算方150mm×150mm×550mml=450mm，450081-2002)

ff(MPa)ff

（4-式中：F為試件的破壞荷載，N；b，h分別為試件的截面寬度和高度，mm。壓強(qiáng)度增加而單調(diào)增加。對(duì)于普通混凝土，其抗折強(qiáng)度f與抗壓強(qiáng)度的平方根 ff

ff 4.3.3試驗(yàn)分較少。這說明粗集料在混凝土中基本上沒有增強(qiáng)作用,混凝土的抗折強(qiáng)度大部本身強(qiáng)度過高,對(duì)混凝土抗折強(qiáng)度并沒有增強(qiáng)作用,這一點(diǎn)是與抗壓強(qiáng)度不同入集料表面,增加了集料與界面的嚙合摩擦力,這種機(jī)械作用,大大增加兩者之間的粘附力;第二方面,煤矸石吸水微泵作用使得煤矸石輕集料附近處面,煤矸石表面具有一定的活性,且破碎過程中表面粘附有煤矸石粉,它Ca(OH)2的效果;第四方面,煤矸石與基體的強(qiáng)度和彈性模量相互匹配,變形協(xié)調(diào)作用抗拉強(qiáng)度試試驗(yàn)設(shè)備和測(cè)試方C300.02-0.05MPa;C30試件被劈成兩半。根據(jù)彈性理論，劈裂抗拉強(qiáng)度?sp式中Fdl劈裂抗拉強(qiáng)度和破壞形

本文對(duì)3組9塊標(biāo)準(zhǔn)立方體試件進(jìn)行劈裂抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)（圖4-6）。經(jīng)過4-3。4-3破壞荷 破壞荷載

RACT（天123均值T2T3混凝土被劈裂。破壞形態(tài)如圖（4-7）。 圖4-6劈裂抗拉強(qiáng)度試 圖4-7破壞形試驗(yàn)分煤矸石輕集料混凝土的劈拉破壞面比較平直,且斷裂面幾乎穿過粗集料,土中所用的煤矸石輕集料的顆粒強(qiáng)度通混凝土所用的碎石粗集料的強(qiáng)度要了大部分較大顆粒,所以破壞面較平整。圖4-8式壓力試驗(yàn) 圖4-9彈性模量試試驗(yàn)設(shè)備和測(cè)試方土在靜力作用下的受壓彈性模量方法水泥混凝土的受壓彈性模量取抗壓強(qiáng)儀器工具對(duì)100mm×100mm×300mm的棱柱體進(jìn)定(如圖4-8和4-9所示)3試驗(yàn)分（表4-4抗壓強(qiáng)混凝土序 平均4-5（單位：×10-3㎜ 抗壓強(qiáng)度的1/3進(jìn)行彈性模量的測(cè)定。試驗(yàn)結(jié)果如表4-5所示第左1右左2右3左右

EFaF0

2）對(duì)比分析Ec

2.2

C4032.6GPa。顯然，煤矸石混凝土彈結(jié)C30、C4028C30C40通混凝土的數(shù)值要略低，抗折強(qiáng)度通混凝土理論數(shù)值要高