煤矸石骨料混凝土力学和耐久性能研究进展

煤矸石作为我国最多的工业固体废弃物之一,大量煤矸石露天堆放给生态环境带来巨大压力,若将其加工制备成混凝土骨料,既可解决对环境的污染,还可弥补天然砂石资源的短缺,符合绿色可持续发展理念。煤矸石骨料存在薄弱组分较多、均匀程度差等问题,这会对煤矸石混凝土性能产生较大的负面影响。本文总结了煤矸石骨料的基本特性,分析了混凝土用煤矸石骨料存在的主要问题。基于煤矸石存在的问题,本文阐述了提升煤矸石骨料性能的技术途径(如表面裹浆技术、热活化处理技术和微生物矿化技术),综述了煤矸石骨料对混凝土力学及耐久性能的影响,并提出了改善其性能的方法,以期为煤矸石骨料在混凝土中高效资源化利用提供理论和技术支持。

煤矸石骨料及其改性技术研究进展

煤矸石作为煤炭开采和洗煤过程中产生的废弃物,大量堆放会给生态环境带来巨大的压力,以煤矸石为骨料生产混凝土符合绿色可持续发展理念。煤矸石骨料具有孔隙率大、针片状颗粒含量高的特性,会对混凝土性能产生较大负面影响。本文简述了煤矸石骨料的基本物化特性,综述了煤矸石骨料对混凝土工作性能、力学性能、耐久性以及界面过渡区的影响;在此基础上,针对煤矸石骨料存在的缺陷,重点综述了煤矸石骨料改性技术(表面包覆、水玻璃改性、热活化和微生物矿化等技术)的研究现状,指出了每种改性技术目前存在的问题及解决方法,并对其在混凝土中的研究方向进行了展望,以期推动煤矸石骨料在混凝土的应用与发展。

测定煤矸石骨料混凝土性能的试验分析

为探讨煤矸石作为骨料制备混凝土的可行性,采用煤矸石和碎石分别作为骨料制备混凝土试件进行干燥收缩性能和抗冻性能的对比分析。结果表明,煤矸石骨料混凝土的干燥收缩率比碎石混凝土大,主要由于煤矸石骨料吸水率较大;不同骨料混凝土的早期干燥收缩率都较大,当龄期超过120d后趋于稳定;在常用水灰比下,煤矸石骨料混凝土的抗冻性能指标满足要求,但煤矸石骨料混凝土的质量损失率较碎石混凝土有所增大,主要因为煤矸石骨料中的孔隙水产生较大冻胀应力。利用煤矸石制备混凝土可行。

煤矸石骨料钢筋混凝土柱的抗震性能试验研究

为探讨煤矸石骨料钢筋混凝土应用于建筑结构的可行性,对煤矸石骨料钢筋混凝土柱的抗震性能进行了基础实验研究,试验结果表明:①在反复荷载作用下,柱结构轴压比较小时的破坏形态为弯曲破坏,破坏过程较为缓慢,延性较好,而轴压比较大时的破坏形态为弯曲剪切破坏,破坏过程迅速,延性较差;②在反复荷载作用下,柱结构的箍筋不易屈服,而柱两端的架立筋很容易屈服;③柱结构轴压比较小时,其滞回曲线呈丰满的梭形,所经受的循环荷载次数较多,抗震性能较强;随着轴压比的增加,滞回曲线包含的面积越来越小,承载力下降明显,耗能能力减弱,抗震性能较差,说明构件轴压比越大,越容易发生破坏。以上表明,煤矸石骨料钢筋混凝土应用在建筑结构上是完全可行的。

煤矸石骨料混凝土的干燥收缩性能试验研究

尝试采用煤矸石为骨料制备混凝土,对其耐久性重要指标之一干燥收缩性能进行试验,结果表明:在常用水灰比情况下,煤矸石骨料混凝土试件早期干燥收缩长度变化率及质量损失率均较大,后期逐渐趋于稳定,180 d后,煤矸石骨料混凝土的干燥收缩值及质量损失率约为普通碎石混凝土的两倍,但试件结构整体性完好,说明煤矸石骨料混凝土应用在次要建筑结构是可行的;由于煤矸石骨料吸水率较大,在选用煤矸石骨料制备混凝土时,宜选用高性能减水剂,并需采取措施防止早期干燥收缩裂缝过大,这为煤矸石骨料混凝土的工程应用提供了参考依据。

自燃煤矸石骨料含水状态对混凝土性能的影响

自燃煤矸石骨料具有孔隙率大、吸水率高的特点,使其含水状态对混凝土性能的影响程度远大于天然骨料。利用气干、湿润和饱和面干状态的自燃煤矸石骨料配制备混凝土,通过混凝土稠度和强度试验,揭示自燃煤矸石骨料含水状态对混凝土性能的影响。结果表明,按普通混凝土设计方法确定单位用水量,气干状态自燃煤矸石骨料配制的混凝土,拌合物干稠不能满足大流动预拌混凝土施工要求,加强振捣后硬化混凝土强度比普通混凝土高两个等级;按轻骨料混凝土设计方法确定单位用水量,即饱和面干自燃煤矸石骨料配制的混凝土,拌合物出现泌水、离析现象,强度降低一个等级;当自燃煤矸砂掺入吸水率60%的附加水、自燃煤矸石掺入吸水率80%的附加水,且提前1 h润湿,配制的混凝土流动性和抗压强度与普通混凝土相当。

高温后自燃煤矸石骨料混凝土的抗压性能

为保证自燃煤矸石骨料混凝土在实际工程中的安全运用,制备了172块取代率均为100%的自燃煤矸石粗、细骨料单掺以及同掺的混凝土立方体试件,进行20,100,300,450,600,750℃下的常温和高温试验.通过测定高温前后的混凝土质量、抗压强度和劈拉强度,研究了自燃煤矸石骨料混凝土的高温后性能.结果表明:随着温度升高,试件表面颜色均由青灰色变为灰褐色,最后变为灰白色;试件表面龟裂逐渐增多,其中单掺自燃煤矸石细骨料的试件出现了爆裂现象;质量烧失率随着温度升高及自燃煤矸石骨料用量的增大而增大;自燃煤矸石骨料混凝土高温后的抗压强度和劈拉强度损失皆小于普通混凝土;根据最高受火温度和质量烧失率建立了高温后自燃煤矸石骨料混凝土抗压强度评估公式,与实测结果比较后发现,两者吻合较好.

影响煤矸石骨料工程应用的施工因素分析

理论研究表明,采用煤矸石部分取代天然骨料配制强度等级C35以下的低强度混凝土是可行的。但在实际工程应用时还存在因煤矸石自身强度低、内部构造特殊、针片状颗粒含量大等现象,导致现行标准规程不适用、影响泵送等问题。建议国家有关部门抓紧制定专门用于煤矸石骨料的技术标准,以利于煤矸石骨料的推广应用。

基于RSM-BBD的自燃煤矸石骨料透水混凝土配比优化研究

为了对自燃煤矸石骨料透水混凝土进行配比优化,采用BBD响应面法设计17组试验,研究骨灰比、水灰比和增强剂掺量对透水混凝土抗压强度、透水系数和孔隙率的影响,构建响应面模型,揭示各因素与响应值的相关关系,获得综合性能最优配比。研究结果表明:各因素与各响应值关系皆呈二次多项式模型,回归系数R^(2)皆大于0.9,说明模型合理性和拟合性较好。水灰比和骨灰比对各响应值影响均非常显著,增强剂掺量只对抗压强度影响非常显著,骨灰比和增强剂掺量交互项对抗压强度影响显著,水灰比与增强剂掺量交互项对孔隙率影响显著。当骨灰比3.2、水灰比0.22、增强剂掺量4.5%时,混凝土28 d抗压强度为28.7 MPa、透水系数3.21 mm/s、孔隙率19.7%,满足C20透水混凝土的工程要求。

自燃煤矸石骨料混凝土单轴受压破坏特征及强度分析

对取代率为100%的自燃煤矸石粗、细骨料单掺及同掺的混凝土立方体和棱柱体试件,进行了单轴抗压试验,探讨了不同自燃煤矸石粗、细骨料对混凝土破坏特征和强度的影响。结果表明:所有试件破坏过程相似,经历了弹性变形、裂缝出现、裂缝发展、直至破坏四个阶段,但随着自燃煤矸石骨料掺量的增大,混凝土应力-应变曲线上升段的斜率变小,峰值应变变大,破坏形式由斜截面剪切转为纵向劈裂;自燃煤矸石骨料周围增强的界面区及与水泥砂浆较为良好的弹性协调性,在一定程度上弥补了自身强度低对混凝土强度的不利影响;自燃煤矸石骨料的"内养护"和表面"活性"作用,使单掺自燃煤矸石细骨料混凝土的长期强度增进率较高,但单掺粗骨料及同掺粗、细骨料混凝土的长期强度,受粗骨料自身强度低的影响发展空间有限。

掺玻璃纤维粉煤灰煤矸石骨料混凝土强度与抗裂性能试验研究

为了探究水胶比、粉煤灰掺量、煤矸石掺量和玻璃纤维掺量对混凝土抗压、劈裂抗拉和抗裂性能的影响,设计了四因素四水平正交试验。分析结果表明:各因素对混凝土抗压强度影响程度为水胶比>煤矸石体积比例>粉煤灰质量浓度>纤维质量浓度,粉煤灰掺量20%、纤维掺量0.1%时混凝土抗压强度达到最佳;各因素对混凝土劈裂抗拉强度影响程度为水胶比>纤维质量浓度>粉煤灰质量浓度>煤矸石体积比例,粉煤灰掺量20%、纤维掺量0.2%时混凝土劈裂抗拉强度达到最佳;各因素对混凝土抗裂性能影响程度为纤维质量浓度>水胶比>粉煤灰质量浓度>煤矸石体积比例,粉煤灰掺量30%、纤维掺量0.3%、煤矸石掺量15%时混凝土抗裂性能达到最佳。

纳米SiO_(2)和聚丙烯纤维对全煤矸石骨料混凝土力学性能与微观结构的影响

煤矸石作为工业固体废弃物,替换全部骨料制备混凝土,是对煤矸石二次利用的有效途径。本文将破碎后的煤矸石骨料替换混凝土全部粗细骨料,利用不同掺量的纳米SiO_(2)和聚丙烯纤维(PPF)对其改性,通过宏观力学和微观分析相结合的方法,研究了纳米SiO_(2)和PPF单独作用与复合作用下对混凝土力学性能、微观结构的影响。研究结果表明,纳米SiO_(2)与PPF复掺,其掺量分别为1.5wt%与0.6 kg·m^(-3)时混凝土的性能最好。与对照组相比,龄期为7天时,混凝土抗压强度、抗折强度和抗劈裂强度分别提高21.8%、43.5%和44.4%;龄期为28天时,其抗压强度、抗折强度和劈裂强度分别提高20%、44.9%和43.6%。微观结构分析表明,煤矸石混凝土孔隙率减少,水化过程加速,混凝土中大孔的分形维数从2.9975提高至2.9990,而小孔的分形维数从2.9852降低至2.9827,小孔分形维数降低,大孔的分形维数增加,使空间填充能力越强,内部孔隙越少。

煤矸石粗骨料混凝土力学及耐久性能研究

通过对煤矸石粗骨料混凝土研究进展的总结,介绍了我国不同地区煤矸石的化学成分烧失量和物理性质,总结了煤矸石粗骨料掺量对混凝土的塌落度、力学性能、耐久性能、微观结构的影响,并通过现有煤矸石粗骨料混凝土研究成果的分析,对煤矸石粗骨料混凝土未来的研究方向作出展望。

基于骨料特性差异的煤矸石混凝土干燥收缩模型

为研究煤矸石粗骨料对混凝土干燥收缩的影响,试验分别以陕西榆神矿区3种典型矿井煤矸石为粗骨料,并以煤矸石取代率为变量,设计了10组干燥收缩试件。通过对试件在390d内干燥收缩变形的观测,分析煤矸石粗骨料对煤矸石混凝土收缩发展与收缩应变的影响,给出煤矸石混凝土的干燥收缩预测模型。试验表明:相较于普通混凝土,受煤矸石粗骨料吸返水特性影响,煤矸石混凝土干燥收缩发展存在滞后现象,且煤矸石粗骨料吸水率越高,其混凝土干燥收缩发展越慢,试件达到收缩稳定的龄期也越长。煤矸石粗骨料的表观密度与吸水率是影响煤矸石混凝土干燥收缩终值的2个主要指标,且随不同来源煤矸石粗骨料表观密度的降低、吸水率的增大,其混凝土的干燥收缩应变也随之增大。在CEB-FIP 90模型的基础上,分别引入了2个系数来考虑煤矸石粗骨料掺入对混凝土收缩发展与收缩终值的影响,并提出适用于煤矸石混凝土的干燥收缩预测模型。通过与试验数据对比,建议模型的预测精度较高,具有较好的适用性。

圆钢管煤矸石混凝土中长柱轴压性能有限元分析

目的研究圆钢管煤矸石混凝土中长柱的轴压性能,找到各设计参数对试件轴压承载力的影响规律,提出轴压承载力计算式,推广钢-煤矸石混凝土组合结构。方法采用ABAQUS有限元分析软件建立圆钢管煤矸石混凝土中长柱轴压有限元模型,分析典型试件受力全过程的应力分布、荷载分配以及不同参数变化对其轴压承载力的影响。结果相同设计参数下,钢材屈服强度与含钢率是承载力的关键影响因素;而随煤矸石粗骨料取代率的增加,试件的承载力降低幅度未超过3.6%。结论掺入煤矸石粗骨料后的试件仍具有较高承载力,依据《钢管混凝土结构技术规范》(GB 50936—2014)中的方法对计算式进行修正后的误差在10%以内,适用于圆钢管煤矸石混凝土中长柱,能够满足实际需求。

方钢管煤矸石混凝土短柱轴压承载力有限元分析

目的 研究各设计参数在不同煤矸石粗骨料取代率下对方钢管煤矸石混凝土短柱轴压承载力的影响规律,提出轴压承载力计算式。方法 利用ABAQUS有限元分析软件建立方钢管煤矸石混凝土短柱轴压有限元模型,并与试验结果对比,验证模型的准确性;分析试件应力分布与荷载分配,并采用控制变量法分析试件在5种煤矸石粗骨料取代率下主要参数对其轴压承载力的影响。结果 相同设计参数下,试件轴压承载力随煤矸石粗骨料取代率的提高而降低,且最大降幅未超过14%;当试件截面边长一定时,含钢率对试件轴压承载力的影响最显著,其中,含钢率由7.4%增加至20.3%使试件轴压承载力在不同取代率下平均提升68.85%。结论 掺入煤矸石粗骨料不会使构件轴压承载力显著劣化,依据《钢管混凝土结构技术规范》(GB 50936—2014),引入煤矸石粗骨料取代率影响系数后的计算误差小于5%,可为相关研究提供参考。

基于裹浆工艺的煤矸石混凝土性能研究

采用裹浆工艺对煤矸石骨料进行预处理,研究原状煤矸石骨料与不同浆体裹浆煤矸石骨料的吸水率、压碎值和干湿、冻融环境下的劣化行为以及裹浆煤矸石混凝土的强度和耐久性能,并分析骨料性能强化与混凝土性能提升的相关性。采用XRD、SEM分析原状煤矸石骨料与裹浆煤矸石骨料干湿、冻融循环前后的矿物组成、微观形貌和界面过渡区。结果表明,原状煤矸石骨料吸水率高,硬度低,在干湿、冻融环境下劣化明显,裹浆后煤矸石骨料性能提升。原状煤矸石混凝土强度与耐久性能较差,裹浆后煤矸石混凝土性能得到增强,骨料性能与混凝土性能相关性良好。煤矸石骨料劣化的主要原因是黏土矿物吸水后在干湿、冻融环境下软化失稳,而裹浆可以起到隔绝水分的作用,从而使骨料性能得到强化。骨料强化以及骨料与砂浆基体的结合程度提高共同促进了裹浆煤矸石混凝土性能提升。

自燃煤矸石粗骨料混凝土Bolomey公式的修正

为了更好地利用和推广自燃煤矸石骨料混凝土,研究其配合比设计和温度公式,以水泥强度等级和自燃煤矸石粗骨料的压碎值为影响因素,通过试验研究二者与自燃煤矸石粗骨料混凝土强度之间的关系。结果表明,水泥强度等级和自燃煤矸石压碎值与混凝土强度之间存在良好的线性关系。建立了自燃煤矸石粗骨料混凝土强度的Bolomey公式,并分析了自燃煤矸石粗骨料混凝土Bolomey公式中回归系数值的修正方法。

未燃煤矸石粗骨料混凝土高温后的损伤研究

为研究未燃煤矸石粗骨料混凝土高温后的性能变化,进行了不同替代率的未燃煤矸石粗骨料混凝土高温试验。研究结果表明:受热温度和煤矸石替代率都是影响混凝土性能的重要因素;混凝土质量损失率随温度升高而增大,随替代率增大而增加;混凝土抗压强度和劈裂抗拉强度在受到200℃的温度时略微升高,超过200℃后随温度升高不断降低,随替代率的增加其强度一直降低;利用超声检测中的单面平测法对高温后的混凝土进行损伤检测,发现混凝土在受到400℃的温度时开始出现损伤,损伤层厚度随着温度升高不断加深,并且损伤程度随替代率增加也越来越大;在受热温度为800℃时,从普通混凝土到100%替代率的未燃煤矸石粗骨料混凝土,其损伤层厚度也由25.14mm达到46.64mm。

煤矸石混凝土抗折强度试验研究

以榆神矿区煤矸石为粗骨料,通过288个棱柱体抗折强度试验,分析了煤矸石含碳量、煤矸石取代率及水灰比对煤矸石混凝土抗折强度的影响.结果表明:当不同矿源煤矸石含碳量由0.91%增加至2.09%时,煤矸石混凝土抗折强度降低了21.1%~32.6%;与普通混凝土相比,不同煤矸石取代率下煤矸石混凝土抗折强度降低了20.5%~47.5%;当水灰比由0.25增加至0.45时,煤矸石混凝土抗折强度降低了8.0%~15.3%.综合考虑了煤矸石含碳量和煤矸石取代率的影响,提出了适用于不同矿源煤矸石混凝土抗折强度的预测公式.