Experimental Study on Chloride Ion Penetration Resistance of Coal Gangue Concrete under Multi-Factor Comprehensive Action

In order to investigate the chloride ion penetration resistance of coal gangue concrete under multi-factor comprehensive action, the non-steady-state accelerated chloride ion migration test was used to test the chloride diffusion law of coal gangue concrete specimens by crack width, curing temperature and water-cement ratio. Three groups of crack width (0 mm, 0.05 - 0.12 mm, 0.12 - 0.2 mm), three curing temperatures (high temperature 45, medium temperature 25, low temperature 10), three water cement ratios (0.3, 0.4, 0.5) were set in the experiment. The results show that when the curing temperature and water cement ratio are constant, the crack width less than 0.12 mm has little effect on the chloride content and chloride diffusion coefficient. When the crack width is larger than 0.12 mm, the chloride penetration depth increases with the crack width. The resistance to chloride ion penetration of gangue concrete is greatly influenced by the water cement ratio. The influ-ence degree of three factors on chloride ion migration coefficient of gangue concrete is as follows: water cement ratio > crack width > curing temperature.

煤矸石在土木工程材料中的应用研究进展

煤矸石作为煤基固废系列的重要成员,其资源化利用一直是煤基固废的热点研究方向。多年来,在研究人员和工程技术人员的共同努力下,我国煤矸石资源化利用技术水平与利用效率均得到大幅提升,在多个领域(能源、化工、土木工程)成功实现了煤矸石“由废变宝”的转化过程。特别地,土木工程材料领域兼具“大体量”特点和“多元固废协同处置”等技术优势,成为大宗消纳煤矸石的中坚领域。本文综述了煤矸石作为胶凝材料/辅助胶凝材料和骨料在水泥混凝土、地质聚合物、道路工程及地下工程等方向的最新研究进展,总结并对比了煤矸石用作不同组分时的技术要点、难点及对应的质量控制措施和改性增强手段等。然而,矸石建材化的同时也容易导致矸石内部的“有价资源”未得到充分利用;矸石构筑物的长期耐久性和环境影响监测等工作也亟待补充。综上,受煤矸石理化性质、矸石资源化利用技术水平、经验及政策扶持力度等区域化差异因素的影响,煤矸石原料在用于多类型建材制品的生产过程中依然缺少因地制宜、明确且规范的分类管理和分级处置方法,“多领域技术-规范-政策”的逐步发展、完善和有机结合是今后建立高效有序的矸石建材市场及产业链的关键所在。

基于Weibull分布的煤矸石对混凝土断裂损伤特性的影响

为探索煤矸石质量取代率、粉煤灰质量取代率、水灰比对I型裂缝煤矸石混凝土荷载-裂缝张开位移、荷载-跨中挠度曲线、断裂韧性、断裂能的影响规律,对I型裂缝煤矸石混凝土进行三点弯曲试验,将所得结果结合损伤力学及Weibull分布函数建立煤矸石混凝土的断裂损伤本构模型。结果表明:煤矸石质量取代率对预制I型裂缝的煤矸石混凝土断裂性能影响最大,粉煤灰质量取代率对其断裂韧度影响较大,水灰比对其断裂能影响较大;提升煤矸石混凝土断裂时断裂韧度及断裂能的最佳组合的煤矸石质量取代率为25%、粉煤灰质量取代率为10%、水灰比为0.5;经对比可知,所得损伤本构模型对应的应力-应变曲线与试验曲线高度吻合。研究成果为煤矸石混凝土的制备及工程实际应用研究提供了参考。

煤矸石粉混凝土冻融损伤模型与劣化机制

为促进寒区煤矸石在混凝土中的利用,通过快速冻融实验,研究了冻融循环作用下,不同取代率的机械-微波活化的煤矸石粉混凝土(Coal gangue powder concrete,CGPC)冻融损伤规律,依据波速损失对损伤层厚度进行修正,建立了基于修正后损伤层厚度的冻融损伤方程,并对冻融作用下CGPC的孔结构参数、微观形貌和水化产物进行了测试分析。结果表明:10%和20%掺量的活化煤矸石粉(Activated coal gangue powder,ACGP)能提高混凝土力学性能和抗冻性能,掺量达到30%后的抗冻性能提高效果显著减弱,力学性能有所降低;冻融300次20%和0%掺量组抗压强度分别下降了16.4%和26.5%,质量损失率分别为1.77%、4.03%,相对动弹性模量分别为68.940%、91.321%,损伤层厚度分别达到了11.9 mm和17.4 mm;基于波速差异修正后的损伤层厚度能更准确地表征CGPC损伤程度;ACGP的微粒填充作用以及二次水化作用提升了CGPC的强度和抗冻性能。

硅粉和活化煤矸石粉改性透水混凝土强度和耐久性研究

为研究硅粉和活化煤矸石粉对透水混凝土强度和耐久性的影响规律,分别利用硅粉和活化煤矸石粉代替0%、5%、10%、15%、20%、25%的水泥进行透水混凝土试样制备,对新拌混凝土的流动性以及硬化混凝土强度、耐久性进行了测试分析,研究了硅粉和活化煤矸石粉对透水混凝土基本特性的影响规律,以及2种材料的掺量范围和适用性。结果表明:①掺入10%~15%的硅粉和10%的活化煤矸石粉可以有效提高混凝土强度,且硅粉对强度的提升效果更为明显,但对混凝土流动性和透水性会有不利影响;②随着硫酸溶液侵蚀时间和冻融循环次数增加,混凝土抗压强度和质量比均不断下降。根据上述分析可知:①掺入5%~10%的硅粉和5%的活化煤矸石粉对混凝土的抗H_(2)SO_(4)溶液长期侵蚀性有利;②掺入5%~20%的硅粉和10%~15%的活化煤矸石粉对混凝土的抗酸雨—冻融循环侵蚀性有利;相比之下,硅粉对混凝土的长期冻融耐久性更有利。

煤矸石机制砂C20混凝土力学性能研究

为探究煤矸石机制砂对低强度等级C20混凝土力学性能的影响,调控煤矸石机制砂掺量和水灰比浇筑混凝土试块,开展抗压和抗折强度试验。结果表明:相同水灰比下,随煤矸石机制砂掺量增加,混凝土的抗压强度先增强后降低;相同取代率下,混凝土的抗压和抗折强度随水灰比增大而降低。相较于煤矸石机制砂取代率,水灰比对混凝土抗折强度的影响更大。取代率不超过30%时,对混凝土的抗压和抗折强度均有利,水灰比为0.55、取代率为25%时,混凝土抗压和抗折强度提高最多。

煤矸石混凝土性能研究现状

煤矸石是在原煤开采过程中产生的一种工业固体废弃物,其堆存量大,利用率相对较低。若将煤矸石用作混凝土骨料,不仅能有效解决煤矸石堆存造成的环境污染,还能缓解天然砂石资源短缺的问题,为煤矸石的大规模利用开辟一条有效途径。该文针对煤矸石作为混凝土骨料的应用特性,系统分析了煤矸石化学成分、矿物组成以及物理特性,概述了国内外关于煤矸石作为骨料对混凝土的工作性能、力学性能、体积稳定性以及耐久性的影响规律,并展望了煤矸石在混凝土骨料应用中的发展趋势,以期为煤矸石在混凝土中的大规模推广利用提供参考。

基于均匀实验的自燃煤矸石透水混凝土配合比优化研究

为减少自燃煤矸石的堆存,拟将自燃煤矸石制备透水混凝土,并对其配合比进行优化。首先运用均匀设计实验法和回归分析法,分析骨胶比、细骨料占比和水灰比对试件力学性能、透水性能的影响,以获得综合性能最优的配合比方案。然后以机制砂等质量替代自燃煤矸石细骨料,分析替代率对试件性能的影响,最后借助SEM分析试件微观形貌的变化。结果表明:骨胶比、细骨料占比和水灰比与抗压强度、透水系数的回归关系皆成三次多项式,且拟合精准度较高。综合性能最优配合比方案为骨胶比2.6,水灰比0.28,细骨料占比60%。自燃煤矸石透水混凝土的抗压强度随机制砂替代率的增大而增大,而透水系数相对稳定。通过微观分析可知,煤矸石透水混凝土中水化产物主要是Ca(OH)2、C-S-H和AFt,内部结构较为稳定,机制砂替代煤矸石细骨料后,AFt数量减少,形状由细短状变为粗长状,与C-S-H相互交错,整体结构更加紧密,力学强度更大。研究成果可为自燃煤矸石在建筑材料领域的应用开辟新的途径。

Properties of Steel Fiber Reinforced Coal Gangue Coarse Aggregate Concrete

In this paper,workability,strength and durability of coal gangue coarse aggregate concrete with different steel fiber content levels have been studied.The results indicate that the concrete compressive strength,flexural strength and tensile splitting strength at the age of 28 days increase with the steel fiber content increasing,while cost and impermeability reduce with steel fiber content increasing.Based on the data of the workability of fresh concrete,mechanical properties and durability of hardened concrete,the concrete cost index system are established to evaluate and optimize the steel fiber content in coal gangue concrete by Efficacy Coefficient Method.The optimization result reveals that the maximum value of the system efficacy coefficient is up to0.87,the coal gangue concrete with steel fiber 1.5%（V︰V）performs better.

非自燃煤矸石粗骨料高性能混凝土耐硫酸盐侵蚀性能

为扩大非自燃煤矸石(NCCG)混凝土应用范围,减少煤矸石堆放对环境造成的污染,将NCCG代替天然碎石制备绿色高性能混凝土,系统地研究不同水胶比、粗骨料取代率、矿物掺合料种类与掺量、硅灰裹浆水灰比对其耐硫酸盐侵蚀性能的影响,并借助扫描电镜-能谱分析(SEM-EDS)与X线衍射(XRD)探讨损失机理.结果表明:水胶比越大,各项损伤指标越大;复掺质量分数20%矿渣粉与质量分数10%粉煤灰时耐硫酸盐侵蚀性能最佳;硅灰裹浆NCCG骨料对提高耐硫酸盐侵蚀性能不明显.NCCG取代率越大、水胶比越大生成的钙矾石和石膏等侵蚀产物越多,复掺粉煤灰与矿渣粉时生成的侵蚀产物最少,建议工程中NCCG取代率不宜超过30%,按照矿渣粉与粉煤灰2∶1的质量比复掺使用2种矿物掺合料.

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。

煤矸石混凝土裂缝扩展机理研究

为研究不同掺量煤矸石混凝土裂缝扩展机理,基于DIC法对不同掺量煤矸石混凝土进行三点弯曲断裂试验研究。结果:煤矸石掺量越多,破坏路径弯曲程度越小,裂缝扩展速度越快,煤矸石会被裂缝贯穿;煤矸石掺量越多,断裂性能各项指标均减小,水平位移和应变场也越小;达到极限荷载前裂尖两侧水平位移较小,极限荷载后出现跳跃式增大,并出现拐点,拐点后水平位移保持不变,水平位移场在达到极限荷载后,开始向上扩展,裂尖应变场逐渐增强;基于五参数模型,建立了不同掺量煤矸石混凝土微裂缝生成区边界面方程。

矿化煤矸石混凝土抗硫酸盐侵蚀性能

为研究微生物菌液浓度、尿素浓度、钙离子浓度、煤矸石取代率对矿化煤矸石混凝土抗硫酸盐侵蚀性能的影响,开展4因素3水平正交试验。结果表明:微生物矿化技术可显著提升煤矸石混凝土力学性能,煤矸石混凝土强度影响排序为煤矸石取代率>菌液浓度>钙离子浓度>尿素浓度,微生物矿化煤矸石混凝土力学性能和抗硫酸盐侵蚀性能的最优配比为:菌液浓度4×10^(8) cells/mL、尿素浓度0.9 mol/L、钙离子浓度0.2 mol/L、煤矸石取代率30%;硫酸盐与水化产物反应生成钙矾石是硫酸盐干湿循环前期质量和抗压强度提升的主要原因,也是后期表观形态盐化、体积膨胀、鼓包掉落、强度降低的主要原因。研究成果可为微生物矿化煤矸石混凝土力学和耐久性提供试验依据。

煤矸石粉替代粉煤灰制备混凝土及其性能研究

研究煤矸石粉替代粉煤灰制备混凝土的可能性。通过试验探讨了不同替代率下煤矸石粉混凝土的和易性、经时损失和力学性能。结果表明:煤矸石粉能在一定程度上替代粉煤灰,尤其在高替代率下,其抗压强度甚至优于粉煤灰;煤矸石粉混凝土的劈裂抗拉强度和拉压比较低,可能会降低混凝土的抗裂能力。

玄武岩纤维对煤矸石陶粒混凝土抗冻性的影响

为促进废弃煤矸石在寒冷地区的建材资源化利用,研究了煤矸石陶粒作为粗骨料对混凝土抗冻性能的影响,探究了玄武岩纤维对煤矸石陶粒混凝土抗冻性能提升的效果。试验共设计了4种类型混凝土,纤维体积掺量分别为0%,0.1%,0.2%和0.3%。采用快速冻融循环试验,比较了纤维掺入对基体动弹性模量的影响规律,同时,利用图像识别技术引入分形维数定量表征试件冻融损伤程度。之后,开展了毛细吸水试验,对比了冻融损伤后基体的累积吸水量和毛细吸水系数的变化规律。结果表明,玄武岩纤维的加入能显著提高煤矸石陶粒混凝土的抗冻性能。随着纤维掺量的增加,煤矸石陶粒混凝土的动弹性模量损失率降低,基体表面冻融剥蚀明显缓解,引入分形维数可以定量地分析煤矸石陶粒混凝土外观形貌的变化规律。冻融损伤后,基体毛细吸水能力显著提高,而在相同的冻融循环下,基体的毛细吸水能力随着玄武岩纤维掺量的增加而降低。

煤矸石混凝土静态抗压破坏机理及强度预测

为厘清煤矸石混凝土静态抗压强度变化规律和破坏机理,采用试验研究与模型预测相结合的方式,揭示煤矸石混凝土破坏过程、破坏形态、尺寸效应及水灰比对抗压强度的影响规律,剖析水灰比与抗压强度之间的数理关系,利用灰色理论建立GM(1,1)模型预测煤矸石混凝土抗压强度。结果表明:煤矸石具有大多数黏土岩的特性,即干燥时强度良好,浸水后易发生崩解;煤矸石混凝土的破坏可分为3个阶段(裂缝生成阶段、裂缝发展扩大阶段、混凝土破坏阶段)、3种形态(粗骨料破坏、黏结破坏、水泥石破坏,且以粗骨料破坏为主);当水灰比由0.60降至0.25时,煤矸石混凝土抗压强度提高了2.67%~18.50%,满足C15、C20、C25、C304个强度等级;由于煤矸石物理性质差,混凝土界面过渡区充斥大量微裂缝与孔洞,导致煤矸石混凝土尺寸效应强于普通混凝土;GM(1,1)模型预测值与实测值基本吻合,预测模型精度等级为1级。灰色理论可以有效预测煤矸石混凝土强度增长规律,煤矸石混凝土在实际应用前可采用灰色模型预测抗压强度。

钢管煤矸石混凝土轴心受压承载能力

针对煤矸石堆积带来的环境污染问题,将煤矸石作为混凝土粗骨料进行资源化利用是合理的解决途径且经济效益显著。将煤矸石作为粗骨料制备钢管煤矸石混凝土,开展轴心受压试验,其中,煤矸石混凝土设计强度等级为C40。探究构件破坏形式与破坏机制及钢管约束作用对核心混凝土强度的提升程度,并根据钢管纵向应变分布研究钢管与煤矸石混凝土之间的黏结应力,分析不同加载方式、径厚比、煤矸石取代率对构件轴压承载力的影响规律。结果表明:加载方式A呈剪切型破坏,加载方式B呈腰鼓型破坏,钢管对煤矸石混凝土具有很好的横向约束;在加载方式A下试件极限承载力高于加载方式B,但加载方式B核心混凝土抗压强度提升更为显著;影响钢管煤矸石混凝土极限承载力的主要因素是取代率,钢管煤矸石混凝土可以很好地弥补煤矸石混凝土自身强度低的特点。

低温环境下硅灰改性煤矸石混凝土孔隙结构演变

针对低温环境下煤矸石混凝土服役寿命短的问题,本文采用内掺硅灰(SF)的改性方法,对不同水胶比(0.45、0.35、0.25)和SF掺量(0%、5%、10%、15%,质量分数)的煤矸石混凝土试件进行冻融循环试验和核磁共振试验,测试各组试件质量损失率、相对动弹性模量和孔隙结构分布,并分析冻融循环作用下孔隙结构演变对煤矸石混凝土抗冻耐久性的影响。结果表明:经50次冻融循环后,煤矸石混凝土的质量损失率由负转正,水胶比为0.25的试件逐渐发生碱-骨料反应,经75次冻融循环后,SF使相对动弹性模量提高了13.60%~62.98%,掺入SF可以改善煤矸石混凝土的质量损失率、相对动弹性模量及抑制碱-骨料破坏;在冻融过程中胶凝孔(r≤0.01μm)和细毛细孔(0.01μm<r≤0.05μm)逐渐转变为粗毛细孔(0.1μm<r≤10μm),粗毛细孔数量是决定冻融破坏是否发生的主要因素,SF掺入后延缓了粗毛细孔增加速率,提高了煤矸石混凝土的抗冻耐久性;建立了基于宏观尺度(相对动弹性模量)与细观尺度(不同孔径积分面积)的冻融损伤模型,考虑不同孔径的细观尺度冻融损伤模型同样适用于煤矸石混凝土,并且当水胶比为0.35、SF掺量为10%时,煤矸石混凝土可在西北地区低温环境下服役4 714 d。

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。

干湿循环下煤矸石混凝土氯离子分布规律研究

为研究在干湿循环下煤矸石混凝土中氯离子的分布规律,利用质量分数为3.5%的NaCl溶液对煤矸石混凝土进行干湿循环试验,探究了煤矸石替代率(0、25%、50%)、连续干湿循环和非连续干湿循环、干湿比(23∶1、22∶2、20∶4)对混凝土中氯离子浓度与对流区深度等的影响。结果表明,随着混凝土深度增加,氯离子浓度先在距表面0~4 mm上升,随后在4~15 mm急剧下降,之后趋于平稳。随着煤矸石替代率的增加,氯离子浓度整体呈上升趋势,对流区深度随之减小,替代率50%的混凝土对流区深度最小,约为2 mm。煤矸石混凝土的侵蚀深度大于未掺组。干湿比的增大和非连续干湿循环均会导致氯离子峰值浓度和氯离子浓度减小,干湿比为23∶1时,对应的氯离子峰值浓度最大。对流区深度与干湿比的变化无关。