劉鴿，黃驍，李珠，張澤平

（1.山西經(jīng)濟管理干部學(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）

摻煤矸石的玻化微珠保溫混凝土劈裂抗拉強度與抗壓強度相關(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）

通過不同煤矸石取代率下的煤矸石?；⒅楸鼗炷僚芽估瓘姸取⒘⒎襟w抗壓強度試驗，研究了煤矸石取代率對拉壓比的影響，對比分析了輕骨料混凝土、普通混凝土與煤矸石?；⒅楸鼗炷僚瓘姸扰c立方體抗壓強度之間的關(guān)系。研究結(jié)果表明：煤矸石?；⒅楸鼗炷恋呐瓘姸入S煤矸石所占比例的增加而降低，拉壓比也隨之降低；在試驗分析的基礎(chǔ)上，提出了煤矸石玻化微珠保溫混凝土劈拉強度與抗壓強度關(guān)系的建議公式。

煤矸石；玻化微珠；劈裂抗拉強度

0　引言

煤矸石是煤炭工業(yè)生產(chǎn)過程中排放出的固體廢棄物，如不能及時、有效地處理將會對社會環(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)有煤矸石儲量巨大，而且煤矸石儲量年增長率逐年上升，采取高效的節(jié)能環(huán)保措施對煤矸石進行綜合利用勢在必行。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天然集料的使用量，具有較好的經(jīng)濟效益和社會效益[1]。本課題組對煤矸石?；⒅楸鼗炷恋膶?dǎo)熱系數(shù)進行了測試，結(jié)果符合保溫性能的要求，在此基礎(chǔ)上本文對摻煤矸石的?；⒅楸鼗炷僚芽估阅芘c抗壓強度進行試驗研究。

目前，有許多指標(biāo)可以評定混凝土的抗裂性能，其中拉壓比是較常用的評價指標(biāo)之一[2]。為此，研究人員已經(jīng)對普通混凝土抗壓強度和劈裂抗拉強度的相關(guān)性進行了大量試驗研究[3]，而關(guān)于摻煤矸石的?；⒅楸鼗炷恋呐芽估瓘姸群涂箟簭姸鹊南嚓P(guān)性研究尚未見報道。本文基于課題組對普通?；⒅楸鼗炷恋难芯砍晒鸞4]，通過利用煤矸石取代天然石子并改變煤矸石摻量的思路，對煤矸石?；⒅楸鼗炷恋目箟簭姸群团芽估瓘姸鹊南嚓P(guān)性進行了研究，探討了煤矸石?；⒅楸鼗炷恋呐芽估瓘姸扔嬎愎剑@將會推動煤矸石?；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

1.1原材料及主要試驗設(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，對實驗造成影響，具體參數(shù)見表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)見表1。

砂：忻州豆羅砂，細度模數(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型液壓萬能試驗機、STYE-3000C型電腦全自動混凝土壓力機，分別進行煤矸石?；⒅楸鼗炷僚芽估囼灪涂箟涸囼?；導(dǎo)熱系數(shù)測試采用沈陽微特應(yīng)用技術(shù)開發(fā)有限公司生產(chǎn)的PDR-3030B型平板導(dǎo)熱系數(shù)測定儀（穩(wěn)態(tài)雙平板法），其測量范圍為0.01～1.00W/（m·K），測量精度為3%。

1.2試驗方案

1.2.1試驗配合比

各組摻煤矸石的?；⒅楸鼗炷猎嚰O(shè)計強度均為C35，參照JGJ55—2000《普通混凝土配合比設(shè)計規(guī)程》，水灰比取0.41，砂率為26.8，試驗混凝土的基本配合比（kg/m3）為：m（水泥）∶m（砂）∶m（煤矸石+石子）∶m（?；⒅榇箢w粒）∶m（玻化微珠小顆粒）∶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γ喉肥M行了預(yù)濕。各組不同煤矸石玻化微珠保溫混凝土的煤矸石取代率見表3。

表3　各組?；⒅楸鼗炷猎嚇拥拿喉肥〈?/p>

1.2.2煤矸石玻化微珠保溫混凝土的制作與養(yǎng)護

煤矸石?；⒅楸鼗炷涟韬臀锊捎肏JW型強制式混凝土攪拌機攪拌。先用適量水潤濕攪拌機。為了保證拌制的混凝土的均勻性，攪拌過程中采用先干拌后濕拌的方法，即先攪拌砂和水泥至均勻，接著加入玻化微珠、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，及時在標(biāo)準(zhǔn)振搗臺進行振搗，邊振搗邊用搗棒插實，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)護室并在標(biāo)準(zhǔn)條件下養(yǎng)護28 d，然后分別測試其劈裂抗拉強度和抗壓強度。

1.2.3煤矸石?；⒅楸鼗炷僚芽估瓘姸燃翱箟簭姸仍囼灧椒?/p>

煤矸石玻化微珠保溫混凝土的劈裂抗拉強度和抗壓強度按GB/T 50081—2002《普通混凝土力學(xué)性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》進行測試。

2　試驗結(jié)果分析與討論

2.1試驗現(xiàn)象

在進行劈裂抗拉試驗時，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，劈拉試驗中，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，因為煤矸集料表面粗糙且吸水率較大，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)強度較高，同時煤矸石的顆粒強度比天然石子粗集料的強度低且屬于層狀結(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。

抗壓強度試驗中發(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。試驗開始加載時，煤矸石玻化微珠保溫混凝土試塊表面未開裂，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的位置開始出現(xiàn)豎向裂縫，隨著荷載的進一步增加，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)（見圖3）。

圖1　劈裂抗拉強度試驗及其典型裂縫

圖2　煤矸石玻化微珠保溫混凝土試塊劈拉破壞形態(tài)

圖3　煤矸石?；⒅楸鼗炷恋目箟簭姸仍囼炂茐男螒B(tài)

從圖3抗壓強度試驗的破壞形態(tài)來看，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疗茐模窃囼炛幸舶l(fā)現(xiàn)少數(shù)混凝土試塊表現(xiàn)出較大的脆性。

2.2劈裂抗拉強度試驗結(jié)果與分析（見表4）

表4　煤矸石玻化微珠保溫混凝土的力學(xué)性能試驗結(jié)果

2.2.1煤矸石取代率對煤矸石?；⒅楸鼗炷僚瓘姸燃翱箟簭姸鹊挠绊?/p>

由表4可見，隨著煤矸石粗骨料取代率的增大，混凝土的抗壓強度、劈裂抗拉強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，劈拉強度依次降低了20.6%、24.5%、41.1%、45.4%，抗壓強度依次降低了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瓘姸扰c立方體抗壓強度的比值大約在0.09～0.13，在水灰比一定時，該比值隨著煤矸石取代率的減小而增大，即隨著強度的提高而增大，這一規(guī)律與普通混凝土和再生骨料混凝土的強度越高拉壓比越低的規(guī)律有所不同。由此可見，骨料種類對抗壓強度的影響要高于對劈裂抗拉強度的影響。

2.2.3劈裂抗拉強度與抗壓強度之間的關(guān)系

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

國內(nèi)行業(yè)采用的輕骨料混凝土[6]劈裂抗拉強度與抗壓強度換算關(guān)系見式（2）：

根據(jù)試驗結(jié)果，煤矸石?；⒅楸鼗炷僚芽估瓘姸扰c立方體抗壓強度之間的關(guān)系如圖4所示。

圖4　煤矸石?；⒅楸鼗炷僚芽估瓘姸扰c抗壓強度的關(guān)系

通過回歸分析得到關(guān)系式（3）：

式中：fGts——煤矸石?；⒅楸鼗炷僚芽估瓘姸?，MPa；

fGcu——煤矸石玻化微珠保溫混凝土立方體抗壓強度，MPa。

將按式（1）～式（3）計算出的結(jié)果與本文試驗結(jié)果進行對比，結(jié)果見表5。

表5　劈裂抗拉強度試驗值與計算值MPa

從表5可以看出，采用式（3）所得的計算值與試驗值相比較式（1）、式（2）更為接近。因此，煤矸石玻化微珠保溫混凝土的劈拉強度與立方體強度之間的關(guān)系，建議采用通過回歸分析得到的相關(guān)公式（3）計算較為妥當(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）改寫成：

式中：k——為待定參數(shù)。

將表4試驗數(shù)據(jù)代入式（4），可反算出k值，結(jié)果見表6。

表6　煤矸石玻化微珠保溫混凝土劈裂抗拉強度公式參數(shù)

故煤矸石?；⒅楸鼗炷僚芽估瓘姸扔嬎愎綖椋?/p>

由表5可知，應(yīng)用式（5）計算得到的結(jié)果能較好地與煤矸石?；⒅楸鼗炷僚芽估瓘姸鹊脑囼炛迪辔呛稀?/p>

2.3煤矸石?；⒅楸鼗炷恋膶?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，見圖5。

圖5　煤矸石摻量對煤矸石?；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，這與煤矸石集料的輕質(zhì)、內(nèi)部孔隙較多等因素有關(guān)。煤矸石玻化微珠保溫混凝土導(dǎo)熱系數(shù)最低可以達到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，可見煤矸石?；⒅楸鼗炷恋膽?yīng)用前景相當(dāng)可觀。

3　結(jié)語

（1）煤矸石?；⒅楸鼗炷恋呐芽估瓘姸扰c拉壓比隨著煤矸石粗骨料所占比例的減小而增大。

（2）通過試驗數(shù)據(jù)分析，借助統(tǒng)計回歸方法，初步探討了煤矸石玻化微珠保溫混凝土劈裂抗拉強度計算公式，并在式（3）基礎(chǔ)上提出了煤矸石取代率、劈裂抗拉強度和立方體抗壓強度三者之間的關(guān)系式。式（5）計算結(jié)果與試驗結(jié)果能較好地吻合。

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

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

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

[3]王德輝，尹健，彭松裊.再生混凝土抗壓強度與劈裂抗拉強度相關(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.玻化微珠保溫混凝土試驗研究[J].新型建筑材料，2007（11）：73-75.

[6]龔洛書.輕集料混凝土[M].北京：中國鐵道出版社，1996.

[7]GB 50176—1993，民用建筑熱工設(shè)計規(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

國家自然科學(xué)基金項目（51308371）；教育部高等院校博士點基金項目（20101402120007）；山西省自然科學(xué)基金項目（2014011033-1）

2016-03-04；

2016-04-11

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