高性能煤矸石混凝土研發(fā)及工程應(yīng)用中文摘要隨著工業(yè)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和城市規(guī)模的擴(kuò)大，工業(yè)固體廢棄物排放量和堆積量逐年增加，不僅占用大量寶貴的土地資源，而且嚴(yán)重污染了環(huán)境，成為當(dāng)前急待解決的重要問題之一。煤矸石作為一種工業(yè)固體廢棄物，是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，屬沉積巖類。我國開展煤矸石利用的研究源于20世紀(jì)50年代中期。作為排放量最大、利用率最低的工業(yè)廢渣之一，煤矸石的利用主要在建筑鋪路以及煤矸石磚塊等方面，可使用率比較低，但作為粗骨料，是混凝土傳統(tǒng)骨料很好的替代產(chǎn)品，并可以節(jié)約資源，保護(hù)環(huán)境。本項(xiàng)目將通過試驗(yàn)研究、理論分析和統(tǒng)計(jì)回歸等方法來研究其力學(xué)性能。開展高性能煤矸石混凝土的研究抗壓性能、抗折性能、彈性模量以及劈裂性能等。試驗(yàn)分為C30、C40、C50三組，著重研究C30、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的混凝土中是可以替代傳統(tǒng)粗骨料的，但用于C50混凝土中，需要過多的水泥才能使其達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度，因此C50煤矸石混凝土可采取進(jìn)一步深入研究。本文研究將為鋼筋煤矸石混凝土結(jié)構(gòu)作為研究依據(jù)，從而推動(dòng)高性能煤矸石混凝土在我國工程建設(shè)中大規(guī)模應(yīng)用和推廣，節(jié)約能源和實(shí)現(xiàn)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展。關(guān)鍵詞高性能，煤矸石混凝土，配合比，試驗(yàn)研究，力學(xué)性能致謝本文研究工作是在指導(dǎo)老師王靜峰副教授的悉心指導(dǎo)和親切關(guān)懷下完成的，從論文的選題到具體問題的分析，整個(gè)過程都他們傾注了大量的心血和汗水。老師學(xué)識(shí)淵博、治學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)、平易近人，對(duì)工作的積極熱情、認(rèn)真負(fù)責(zé)、實(shí)事求是，給我們留下了深刻的印象，使我們受益非淺。值此論文完成之際，謹(jǐn)向他們致以衷心的感謝和深深的敬意感謝詹炳庚教授、李鶴老師、王軍學(xué)長以及龔旭東學(xué)長，在我們的研究學(xué)習(xí)過程中，他們?cè)诙喾矫娼o予了細(xì)心指導(dǎo)和熱情幫助，幫助我們解決了實(shí)驗(yàn)、學(xué)習(xí)及論文寫作過程中遇到的困難試驗(yàn)是在合肥工業(yè)大學(xué)建材實(shí)驗(yàn)室、合肥市市政集團(tuán)攪拌站完成的，在試驗(yàn)過程中，歷經(jīng)很多艱辛和困難，但都一一化解。特別感謝合肥市市政攪拌站的夏站長、左站長等對(duì)試驗(yàn)的大力支持和幫助感謝合肥工業(yè)大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新基金項(xiàng)目對(duì)本實(shí)驗(yàn)的資助感謝學(xué)院領(lǐng)導(dǎo)的支持和關(guān)懷，感謝蘇建國老師對(duì)我們實(shí)驗(yàn)的關(guān)心和照顧目錄第一章緒論（1）11研究背景及意義（1）111研究背景（1）112研究意義（1）12煤矸石混凝土在國內(nèi)外的研發(fā)現(xiàn)狀（3）121國外煤矸石混凝土研究現(xiàn)狀（3）122國內(nèi)煤矸石混凝土研究現(xiàn)狀（4）123煤矸石水泥混凝土性能（5）124煤矸石利用的方向（5）第二章煤矸石混凝土骨料基本特性（6）21煤矸石簡(jiǎn)介（6）211煤矸石的的來源與分類（6）212煤矸石的組成與性質(zhì)（7）213煤矸石在工程中的應(yīng)用（8）22煤矸石粗骨料的基本特征（9）221顆粒最大粒徑和顆粒級(jí)配（9）222基本物理性能（10）223煤矸石粗骨料對(duì)混凝土強(qiáng)度的影響（11）23細(xì)骨料（12）第三章試驗(yàn)材料與試驗(yàn)方法（12）31煤矸石混凝土試驗(yàn)材料（12）311水泥（12）312拌合用水（13）313細(xì)骨料（13）314粗骨料（14）315減水劑（14）32煤矸石混凝土的設(shè)計(jì)理念（15）321配合比設(shè)計(jì)前的準(zhǔn)備資料（15）322配合比設(shè)計(jì)的要求（15）323基于自由水灰比的煤矸石混凝土配合比設(shè)計(jì)（15）324煤矸石混凝土初步配合比設(shè)計(jì)（17）33凈漿裹石工藝在煤矸石混凝土的應(yīng)用（19）331原理分析（20）332試驗(yàn)設(shè)備與試驗(yàn)方法（20）333對(duì)煤矸石混凝土的影響（20）第四章高性能煤矸石混凝土的試驗(yàn)研究（21）41煤矸石混凝土的工作性能（21）411煤矸石混凝土的和易性（21）412煤矸石混凝土的凝結(jié)（22）42立方體抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)（22）421試驗(yàn)設(shè)備和測(cè)試方法（22）422試驗(yàn)分析（23）43抗折強(qiáng)度試驗(yàn)（25）431試驗(yàn)設(shè)備和測(cè)試方法（25）432計(jì)算方法（26）433試驗(yàn)分析（27）44抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)（27）441試驗(yàn)設(shè)備和測(cè)試方法（27）442劈裂抗拉強(qiáng)度和破壞形態(tài)（28）443試驗(yàn)分析（29）45彈性模量試驗(yàn)（30）451試驗(yàn)設(shè)備和測(cè)試方法（30）452試驗(yàn)分析（30）第五章結(jié)論和展望（32）51結(jié)論（32）52展望（33）參考文獻(xiàn)第一章緒論11研究背景及意義111研究背景我國是一個(gè)資源短缺、粗放型的資源消費(fèi)大國，現(xiàn)在仍然處于一種高消耗高勞動(dòng)力的經(jīng)濟(jì)發(fā)展模式，而建筑業(yè)作為國民經(jīng)濟(jì)的支柱產(chǎn)業(yè)，隨著工業(yè)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和城市規(guī)模的擴(kuò)大，工業(yè)固體廢棄物排放量和堆積量逐年增加，不僅占用大量寶貴的土地資源，而且嚴(yán)重污染了環(huán)境，成為當(dāng)前急待解決的重要問題之一。有關(guān)資料表明1988年工業(yè)固體廢棄物的產(chǎn)生量達(dá)56億噸，排放量達(dá)8545萬噸，占地約54億平方米。從產(chǎn)生量來看，尾礦居首，達(dá)17億噸；煤矸石次之，達(dá)12億噸；其他依次為爐渣、粉煤灰、冶煉廢渣和有毒有害渣。從排放量來看，尾礦居首，達(dá)2600萬噸；煤矸石次之，達(dá)2000萬噸；其他依次為爐渣、粉煤灰、冶煉廢渣和有毒有害渣。然而，長期以來，由于砂石骨料來源廣泛易得、價(jià)格低廉，被認(rèn)為是取之不盡、用之不竭，從而造成了肆意開采、隨意浪費(fèi)的現(xiàn)狀。隨著混凝土用量的日益增大，因開采砂石骨料而造成的資源枯竭和環(huán)境破壞己成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)。煤矸石作為一種工業(yè)固體廢棄物，是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，屬沉積巖類。一般分為兩類一類是在礦井原煤開采過程中排出的矸石；另一類是從各類選煤廠排出的尾礦（俗稱“洗矸”）。煤矸石是無機(jī)物質(zhì)和少量有機(jī)物質(zhì)的混合物，主要包括碳質(zhì)頁巖、泥質(zhì)頁巖、沙質(zhì)頁巖和石灰?guī)r。煤矸石中含碳量一般為2030，其它為氧化鋁、二氧化硅和少量的氧化鈦、氧化鎂及稀有元素等。煤矸石占地多，環(huán)境污染嚴(yán)重。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國每年煤矸石的排出量將近2億噸，現(xiàn)有矸石山約2000多座。1990年，我國煤矸石累計(jì)堆放量達(dá)37億噸；2000年達(dá)60億噸，堆放占地為40萬畝。大量的煤矸石廢棄物對(duì)環(huán)境產(chǎn)生嚴(yán)重的污染，同時(shí)也造成巨大的資源浪費(fèi)。因此，從資源開發(fā)利用和可持續(xù)發(fā)的角度來看，尋求煤矸石的開發(fā)與利用已經(jīng)迫在眉睫。112研究意義我國開展煤矸石利用的研究源于20世紀(jì)50年代中期。目前國內(nèi)外研究者對(duì)普通鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)與理論研究，但是對(duì)鋼筋煤矸石混凝土結(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，我國山西、遼寧、天津等煤矸石產(chǎn)地對(duì)煤矸石混凝土及其結(jié)構(gòu)構(gòu)件進(jìn)行了初步研究。目前我國煤矸石主要應(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、高層建筑中應(yīng)用較少。國外在第二次世界大戰(zhàn)以前就開始研究煤矸石的利用技術(shù)，但是直到20世紀(jì)60年代后期煤矸石才真正引起美國、英國和法國等的高度重視，主要用于公路路基、制磚和建筑工程，并修建了少量的煤矸石混凝土結(jié)構(gòu)建筑。因此，開展煤矸石混凝土結(jié)構(gòu)開發(fā)與煤矸石利用的研究具有重要的理論意義和應(yīng)用價(jià)值。煤矸石骨料用于混凝土結(jié)構(gòu)有利于節(jié)約工程造價(jià)，降低成本。由于煤矸石是工業(yè)廢料，其粗骨料比普通混凝土粗骨料價(jià)格低，因此煤矸石混凝土結(jié)構(gòu)造價(jià)相對(duì)偏低。以C30混凝土為例，自燃煤矸石的堆積容重為1150KG/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比普通砂石節(jié)省直接費(fèi)3040元左右（計(jì)算過程根據(jù)安徽省定額，1M3C30混凝土消耗中砂053噸，消耗碎石1234噸，目前砂石的平均市場(chǎng)價(jià)分別為每噸39元和37元，煤矸石的市場(chǎng)價(jià)為12元，1M3混凝土用自燃煤矸石集料比普通砂石節(jié)省直接費(fèi)4515元）。另外，煤矸石混凝土的最大特點(diǎn)是在抗壓強(qiáng)度與普通混凝土相同的條件下，其體積重量可降低2030，在多層住宅建筑中，采用煤矸石混凝土結(jié)構(gòu)的建筑物基礎(chǔ)可相應(yīng)降低結(jié)構(gòu)自重20，從而減輕地基所承受的荷載，減少基礎(chǔ)底面積，節(jié)約基礎(chǔ)造價(jià)。由于結(jié)構(gòu)自重的降低，梁柱截面尺寸也可相應(yīng)減小，從而顯著提高建筑物的有效使用面積。目前，我國對(duì)煤矸石綜合利用的水平還不高，技術(shù)裝備水平只達(dá)到國外20世紀(jì)90年代先進(jìn)水平的20。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國可煤矸石能源資源量每年達(dá)73億噸標(biāo)準(zhǔn)煤，開發(fā)量尚不足4000萬噸，開發(fā)率不到1，產(chǎn)業(yè)化嚴(yán)重滯后。現(xiàn)在煤矸石主要用在煤矸石發(fā)電、煤矸石制磚、煤矸石生產(chǎn)空心砌塊、煤矸石代替黏土生產(chǎn)水泥、煤矸石作水泥混合材料、煤矸石提取化工產(chǎn)品、煤矸石回填煤炭開采塌陷區(qū)、煤矸石制造瓷質(zhì)磚、煤矸石代替黏土作道路基材或代替碎石作道路基材等。本項(xiàng)目研究有助于我國新型能源城市開展節(jié)能減排，節(jié)約能源，保護(hù)土地資源，減少環(huán)境污染，改善生態(tài)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)煤炭行業(yè)又好又快發(fā)展，全面建設(shè)資源節(jié)約型和環(huán)境友好型社會(huì)具有重要意義。目前國內(nèi)外對(duì)高性能煤矸石混凝土研究較少見。本項(xiàng)目將通過試驗(yàn)研究、理論分析、數(shù)值模擬和統(tǒng)計(jì)回歸等研究方法，創(chuàng)新性開展高性能煤矸石混凝土的力學(xué)性能、耐久性、物理性能和化學(xué)性能等系列試驗(yàn)研究，揭示高性能煤矸石混凝土的基本性能和關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)，形成系統(tǒng)完善的高性能煤矸石混凝土配合比設(shè)計(jì)方法，從而推動(dòng)高性能煤矸石混凝土在我國工程建設(shè)中大規(guī)模應(yīng)用和推廣，節(jié)約能源和實(shí)現(xiàn)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展。12煤矸石混凝土在國內(nèi)外的研發(fā)狀況121國外煤矸石研究現(xiàn)狀世界各國都很重視煤矸石的處理和利用。英國煤管局在1970年成立了煤矸石管理處，波蘭和甸牙利聯(lián)合成立了海爾得克斯矸石利用公司，這些機(jī)構(gòu)是專門從事煤矸石處理和利用的。近年來，國外越來越廣泛地利用煤矸石生產(chǎn)建筑材料。波蘭水泥工業(yè)采用海爾得克斯公司的選堞矸石作水泥原料。矸石的化學(xué)組成為SIO2為5232，AL2O3為L198，F(xiàn)E2O3為582，CAO為195，燒失量為2065。用煤矸石作水泥原料有很多優(yōu)點(diǎn)矸石中含可燃物質(zhì)，其熱值約為10004191500419KJKG可使燃料消耗降低10左右；矸石中含氧化鐵熔劑煅燒過程中可以降低熟料燒成溫度，并在窯襯上形成玻璃層，起到保護(hù)作用，延長窯壽命使耐火材料耗量降低1020增加窯的運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)聞。原蘇聯(lián)在頓巴斯、庫茲巴斯、卡拉干達(dá)等產(chǎn)堞地區(qū)廣泛選用煤矸石作原料，采用擠出法或半于法成型，生產(chǎn)實(shí)心或空心磚。蘇聯(lián)建工研究所介紹，利用煤矸石制磚，燃料消耗可以減少80，產(chǎn)品成本降低L920。近年來，許多國家大力發(fā)展煤矸石輕骨料。生產(chǎn)工藝主要有兩種一是利用含碳量較高的煤矸石，采用燒結(jié)機(jī)生產(chǎn)輕骨料，原蘇聯(lián)、波蘭、英國等國家都采用這種方法；另一種是采用回轉(zhuǎn)窯生產(chǎn)燒脹陶粒法國、比刺時(shí)等國家采用這種生產(chǎn)工藝。煤矸石的含碳量對(duì)輕骨料的質(zhì)量影響很大，采用燒結(jié)機(jī)工藝，含碳量在10左右可以大大降低燃料消耗；采用回轉(zhuǎn)窯工藝，對(duì)含碳量有較嚴(yán)格的要求，以2為宜。法國、比利時(shí)采用含碳量410的煤矸石，膨脹前在脫碳窯中除去多余的碳。122國內(nèi)煤矸石混凝土研究現(xiàn)狀目前，我國煤矸石建筑材料和用有以下幾方面1煤矸石制磚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)燃料。煤矸石磚以煤矸石為主要原料，一般占坯料重量的80上，有的全部以煤矸石為原料，有的外摻少量粘土。煤矸石經(jīng)過破碎、粉磨、攪拌、壓制、成型、干燥、培燒而戚，焙燒時(shí)基本上無需再外加燃料。煤矸石磚規(guī)格與性能和普通粘土磚相同。作燒磚內(nèi)燃料用煤矸石作燒磚內(nèi)燃料，在我國已經(jīng)有較長的歷史，應(yīng)用非常廣泛，生產(chǎn)技術(shù)成熟，節(jié)能效果顯著。用煤矸石作燒磚內(nèi)燃料制磚生產(chǎn)工藝與用煤作燃料基本相同，只是增加了煤矸石的粉碎工序。2煤矸石生產(chǎn)輕骨料輕骨料和用輕骨料配制的混凝土是一種輕質(zhì)、保溫性能較好的新型建筑材料，可用于建造大跨度橋梁和高層建筑。用煤矸石燒制輕骨料有兩種方法，即成球法和非成球法。成球法是將煤矸石破碎和粉磨后制成球狀顆粒，然后送入窯爐中焙燒；非成球法是把煤矸石破碎到一定粒度直接焙燒。煤矸石輕骨料的質(zhì)量主要取決于煤矸石的性質(zhì)和成分。適宜燒制輕骨料的煤矸石主要是碳質(zhì)頁巖和選煤廠排出的洗矸，矸石中的含碳量不要過大，以低于13為宜。3煤矸石生產(chǎn)空心砌塊煤矸石空心砌塊是以自燃或人工煅燒煤矸石為骨料，以磨細(xì)生石灰、石膏作腔結(jié)料，經(jīng)振動(dòng)成型、蒸汽養(yǎng)護(hù)而成的一種墻體材料。產(chǎn)品標(biāo)號(hào)可以達(dá)到200號(hào)。煤矸石空心砌塊生產(chǎn)工藝茼單，技術(shù)成熟，產(chǎn)品性能穩(wěn)定使用效果良好。4煤矸石作原燃料生產(chǎn)水泥煤矸石作原燃料生產(chǎn)水泥，是由于煤矸石和粘土的化學(xué)成分相近，代替牯土提供硅質(zhì)鋁質(zhì)成分；煤矸石能釋放一定熱量，可以代替部分燃料。目前采用煤矸石配料生產(chǎn)普通水泥在技術(shù)上巳經(jīng)成熟。5煤矸石作水泥混和材料由于煤矸石經(jīng)自燃或人工煅燒后具有一定活性，可摻入水泥中作活性混合材，與熟料和石膏按比例配合后入水泥磨磨細(xì)，然后入水泥庫包裝或散裝出廠。煤矸石作混和材時(shí)，應(yīng)該控制燒失量5，SO33，火山灰性能試驗(yàn)必須合格，水泥膠砂28天抗壓強(qiáng)度比62。煤矸石摻入量的多少取決于熟料質(zhì)量與水泥標(biāo)號(hào)與品種。一些大中型水泥廠在水泥熟料中摻人L5的煤矸石，可以制得325425號(hào)的水泥產(chǎn)量超過20時(shí)，按照國家規(guī)定，就成了火山灰硅酸鹽水泥。國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，火山灰硅酸鹽水泥可摻混合材量205O。6煤矸石作筑路和填充材料煤矸石是很好的筑路材料，它具有很好的抗風(fēng)雨侵蝕性能。目前，國內(nèi)使用煤矸石作筑路材料的不多，有待于開拓煤矸石作塌陪區(qū)復(fù)地的充填材料，在我國部分煤礦已經(jīng)積累了很好的經(jīng)驗(yàn)。7煤矸石作混凝土摻合料由于煤矸石具有較好的活性，若將其作為混凝土摻合料使用必定有梗好的效果。但遺憾的是，用煤矸石粉像粉煤獲、礦渣等礦粉一樣，直接作為混凝土摻舍料使用的工程實(shí)例很少，有待于加強(qiáng)這方面的研究。123煤矸石水泥混凝土性能華僑大學(xué)陳本沛、林雨生等人對(duì)煤矸石混凝土的強(qiáng)度和變形性能進(jìn)行了研究，結(jié)果表明1對(duì)于C2OC30的煤矸石混凝土，其軸心抗壓強(qiáng)度與立方體抗壓強(qiáng)度的關(guān)系，與普通混凝土接近。2煤矸石混凝土的軸心抗拉強(qiáng)度，略低于普通混凝土，但可以滿足規(guī)范規(guī)定的取值要求。西南工學(xué)院的徐彬、張?zhí)焓热藢?duì)大摻量煤矸石水泥混凝土的耐久性進(jìn)行了研究，結(jié)果表明1大摻量煤矸石水泥混凝土與普通混凝土相比，具有較好的抗凍、抗碳化、抗硫酸鹽侵蝕和護(hù)筋性能。其原因在于大摻量煤矸石混凝土的結(jié)構(gòu)較為致密，空隙率低且有害孔所占的比例小，水泥水化產(chǎn)物中氫氧化鈣的含量較低。2大摻量煤矸石水泥混凝土發(fā)生堿集料反應(yīng)的可能性小于硅酸鹽水泥混凝土。124煤矸石利用的新方向根據(jù)上述有關(guān)煤矸石的成分、礦物組成、國內(nèi)外利用情況以及煤矸石混凝土的性能可知，煤矸石已經(jīng)在世界各國獲得了廣泛的應(yīng)用。但是煤矸石的利用率與其產(chǎn)量相比還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。睬了應(yīng)該繼續(xù)加強(qiáng)已有的利用途徑以外，還應(yīng)該探索其新的利用途徑。根據(jù)目前的研究可以認(rèn)為，將煤矸石作混凝土摻合料使用一定會(huì)獲得良好的使用效果。因?yàn)槊喉肥哂休^高的活性；煤矸石水泥混凝土具有較好的抗凍、抗碳化、抗硫酸鹽侵蝕和護(hù)筋性能煤矸石水泥混凝土發(fā)生堿集料反應(yīng)的可能性小于硅酸鹽水泥混凝土。但是在將煤矸石全面推廣作混凝土摻合料使用，特別是作大體積混凝土摻合料使用前，還應(yīng)該就煤矸石摻合料對(duì)混凝土性能，如水化熱和絕熱溫升性能、抗裂性能、氯離子滲透性能、體積穩(wěn)定性能、工作性能等等，進(jìn)行深入的研究，以作到有的放矢，少走彎路。但可以肯定的是，煤矸石是一種良好的混凝土摻合料，一定會(huì)在混凝土中得到推廣應(yīng)用。總體上，目前對(duì)于煤矸石混凝土的研究多局限于室內(nèi)分析和試驗(yàn)，未能夠結(jié)合生產(chǎn)形成包括煤矸石骨料的生產(chǎn)工藝流程和煤矸石混凝土的開發(fā)應(yīng)用的整套技術(shù)，阻礙了煤矸石混凝土的開發(fā)應(yīng)用。第二章煤矸石混凝土骨料基本特性21煤矸石簡(jiǎn)介211煤矸石的來源與分類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)調(diào)查煤矸石混凝土的主要來源包括以下幾方面（1）巷道掘進(jìn)過程中的掘進(jìn)矸石；（2）采掘過程中從頂板、底板及夾層里采出的矸石；（3）洗煤過程中挑出的洗矸石。根據(jù)煤矸石以上來源及最終狀態(tài)，煤矸石可分為掘進(jìn)煤矸石、選煤矸石、自然矸石。煤矸石排放量根據(jù)煤層條件、開采條件和洗選工藝的不同有較大差異，一般掘進(jìn)煤矸石占原煤產(chǎn)量的10左右，選煤矸石占原煤量的1218。212煤矸石的組成與性質(zhì)通過對(duì)煤矸石進(jìn)行化學(xué)分析可知，其化學(xué)組成主要是一些氧化物，如二氧化硅、氧化鋁、三氧化二鐵、氧化鈣、氧化鎂、氧化鉀、氧化鈉等，其化學(xué)成分組成的百分率為SIO2為5265；AL2O3為1636；FE2O3為2281463CAO為042232圖21煤矸石粗骨料圖示MGO為044241TIO2為0904P2O5為0007024K2ONA2O為14539；V2O5為0008003（見表21）。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、長石等。煤矸石屬劣質(zhì)燃料，其發(fā)熱量低，碳含量低，硬度大，礦物含量高，有機(jī)質(zhì)含量低。掘進(jìn)矸石一般含碳量低，熱值也較低；選煤矸石含碳量較高，有一定的熱值，常?；煊忻杭懊耗啵涮攸c(diǎn)是排放集中，粒度較小，可利用性較高，但硫、鐵含量較多；自然矸石為多年堆積引起自然后煤矸石，因已經(jīng)過一定的燃燒過程，而具有一定的火山灰活性和化學(xué)活性，但其熱值不高。表21自燃煤矸石主要化學(xué)成份（）SIO2AL2O3FE2O3CAOMGOSO3燒失量60161656626363340080079表22自燃煤矸石的力學(xué)指標(biāo)壓縮性抗剪強(qiáng)度樣品名稱壓縮系數(shù)（）MPA1壓縮模量（MPA）滲透性（壓實(shí)度）承載比CRB（擊數(shù)30）粘聚力（KPA）內(nèi)摩擦角煤矸石00562297094151010393618煤矸石的壓縮性是指煤矸石在壓力下體積變小的性質(zhì)；壓實(shí)度是指施工現(xiàn)場(chǎng)壓實(shí)后取樣測(cè)定的密度與取原樣材料在實(shí)驗(yàn)室用擊實(shí)實(shí)驗(yàn)所得的最大干密度的比值，壓實(shí)度越高，密實(shí)度越大，材料整體性能越好；承載能力以材料抵抗局部荷載壓入變形的能力表征，并采用標(biāo)準(zhǔn)碎石的承載能力為標(biāo)準(zhǔn)，以相對(duì)值的百分?jǐn)?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吸引力，這種相互吸引力是同種物質(zhì)分子之間存在分子力的表現(xiàn)。只有在各分子十分接近時(shí)（小于106厘米）才顯示出來。粘聚力能使物質(zhì)聚集成液體或固體。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，致使液體浸潤固體或不浸潤固體；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)。以下為煤矸石的工藝物理性質(zhì)1煤矸石的可塑性煤矸石必須經(jīng)過細(xì)碎后才有塑性；2煤矸石的粘性隨著煤矸石顆粒的比表面積增大，矸石泥團(tuán)基本可以塑性成型；3煤矸石的硬度含砂巖煤矸石的比重較含頁巖煤矸石的大，含頁巖的矸石硬度在23，含砂巖在45之間；4煤矸石的收縮性煤矸石塑性比較低，收縮性也比較小，一般線收縮在2530,相應(yīng)吸水率在1719之間。213煤矸石在工程中的應(yīng)用我國煤田分布廣，成煤時(shí)代全，在含煤巖層和煤層中，共生有豐富的其他礦產(chǎn)資源。共生資源主要是指煤矸石。根據(jù)每年的煤炭產(chǎn)量和洗精煤產(chǎn)量的不同，中國煤矸石年排放量大約在1218108T之間。預(yù)測(cè)全國煤矸石累計(jì)堆存量34108T，是中國工業(yè)固體廢氣物中產(chǎn)量和累積存量最大的固體廢物。由于一般矸石還可能自然，因此這樣既浪費(fèi)了寶貴的礦產(chǎn)資源，又占用農(nóng)田，污染環(huán)境，成為礦區(qū)一害。要高度重視與煤共生的煤矸石資源的利用，開辟多種利用途徑，因地制宜，因矸制宜，確定煤矸石的綜合加工利用方向。以煤矸石、矸石沸騰爐灰及高灰煤泥為原料或填料生產(chǎn)矸石磚、砌磚、水泥等。開發(fā)煤矸石生產(chǎn)輕質(zhì)、高強(qiáng)度及具有特殊性能的新型建筑材料。（1）應(yīng)用于建筑行業(yè)由于煤矸石所具有的物理化學(xué)性質(zhì)，煤矸石可以作為配制高性能混凝土和輕質(zhì)混凝土的骨料。由于煤矸石在組成上與黏土相近，因而煤矸石加土生產(chǎn)磚瓦可以使制磚不用土或少用土，燒磚不用煤或少用煤，節(jié)省耕地，減少污染，創(chuàng)造利潤。煤矸石中SIO2、AL2O3、FE2O3的含量較高，總量在80以上，是一種天然黏土質(zhì)原料，可代替黏土配料，作水泥硅、鋁質(zhì)組分的主要來源生產(chǎn)水泥，例如利用煤矸石可生產(chǎn)煤矸石普通硅酸鹽水泥、煤矸石火山灰水泥、煤矸石無熟料水泥等。煤矸石和生石灰、石膏等材料混合可制造混凝土空心砌塊。由于煤矸石化學(xué)成分與一般陶瓷土相近，因而還可作為原料生產(chǎn)陶管、釉面磚、衛(wèi)生陶瓷、日用陶瓷、包裝陶瓷等。以煤矸石為主要原料可生產(chǎn)兩種類型的輕骨料，一種是用燒結(jié)機(jī)燒制的燒結(jié)型煤矸石多孔燒結(jié)料；一種是用回轉(zhuǎn)窯生產(chǎn)的膨脹型煤矸石陶粒。（2）煤矸石作為充填材料及用做筑路基材矸石作為井下充填材料。掘進(jìn)和維修巷道的矸石以及選煤矸石，可作為井下充填材料，解決建筑物下的煤柱回采、巷道維護(hù)、復(fù)雜頂板管理及自然煤層的開采問題。煤矸石作為充填塌陷坑和填溝造地的材料?？蓪⑴彭返穆奋変佅蛩輩^(qū)或山溝，用小型架線電機(jī)車運(yùn)往塌陷區(qū)或山溝直接傾卸，如果是山溝或沒有水的塌陷區(qū)，則分層壓實(shí)，并覆蓋黃土使之密封。作為筑路材料。煤矸石作為修筑公路、鐵路路基或其他建筑物地基等的材料是大量處理矸石的一種途徑。22煤矸石粗骨料的基本特性骨料又稱集料，是充填材料的主要組成材料之一，約占其體積80，在混凝土中起骨架作用，同時(shí)有著重要的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)作用。粗骨料是粒徑在5MM以上的巖石顆粒，其特征和性能直接影響和決定著混凝土的性能。221顆粒最大粒徑和顆粒級(jí)配煤矸石的粒徑越大，其相應(yīng)的比表面積減小，則所需的水泥漿量減少，在一定的和易性和水泥用量條件下，則能減少用水量而提高混凝土強(qiáng)度，從這方面來看，粒徑應(yīng)選大一些的，但并不是粒徑越大越好，粒徑越大則內(nèi)部出現(xiàn)裂縫的概率越大，顆粒在混凝土拌合下沉速度越快，造成混凝土內(nèi)顆粒分布不均勻，降低強(qiáng)度。為此，本次試驗(yàn)中也對(duì)粒徑進(jìn)行了限制，不超過315MM，符合國家規(guī)范。粗骨料的顆粒級(jí)配是表示粗骨料大小顆粒相互搭配的比例關(guān)系，如果粗骨料級(jí)配適當(dāng)，可以減少填充骨料空隙的灰漿量，相應(yīng)的減少單位體積的用水量和膠凝材料用量，拌合物也不易離析。級(jí)配是使用各種大小尺寸的篩子進(jìn)行篩析，以通過各種規(guī)定尺寸篩子的顆粒重量百分率表示。下圖為不同地點(diǎn)在標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)條件下的煤矸石的級(jí)配曲線，表中所示為本實(shí)驗(yàn)的級(jí)配，表中與圖中級(jí)配較符合，級(jí)配良好，煤矸石顆粒滿足級(jí)配要求。圖22粗骨料的顆粒級(jí)配圖0204060801001202015105分計(jì)篩余（）累計(jì)篩余（）表23本實(shí)驗(yàn)級(jí)配篩孔尺寸（毫米）2015105分計(jì)篩余（）6752536642累計(jì)篩余（）67592958100222基本物理性能煤矸石骨料屬于一種輕質(zhì)骨料，其性質(zhì)與普通粗骨料有所區(qū)別見表24。表24天然粗骨料與煤矸石粗骨料的物理性能指標(biāo)類型堆積密度KG/3M表觀密度（G/）3吸水率（）含水率（）天然粗骨料134028612040煤矸石粗骨料1150254105046由表比較天然粗骨料與煤矸石粗骨料的各種物理性能可知，煤矸石粗骨料的松散堆積密度與表觀密度比天然粗骨料的松散堆積密度與表觀密度小，而相應(yīng)的吸水率和含水率均比天然粗骨料大，煤矸石粗骨料與天然粗骨料吸水率的差距約9倍。天然巖石由于其孔隙率很小，一般低于3，極少超過10，所以常用的天然骨料的吸水率很小。然而對(duì)于煤矸石粗骨料，其表面粗糙，顆粒棱角多，在采集過程中由于損傷積累，使煤矸石骨料內(nèi)部存在大量的微裂紋，這些因素都使煤矸石骨料的吸水率增大。因此，在配制煤矸石骨料混凝土?xí)r，應(yīng)特別注意煤矸石骨料的高吸水率問題，否則會(huì)影響煤矸石骨料混凝土的生產(chǎn)、使用及物理力學(xué)性能。而煤矸石骨料的表觀密度和松散堆積密度均小于天然骨料，這就意味著配置相同量的混凝土，需要更多的煤矸石料，也就意味著在新配制的混凝土中含有的煤矸石骨料的硬化水泥砂漿越多，對(duì)于強(qiáng)度的提高是不利的。表25自燃煤矸石主要物理指標(biāo)密度等級(jí)（KG/）3M筒壓強(qiáng)度（MPA）軟化系數(shù)煮沸質(zhì)量損失（）含泥量（）有機(jī)物含量11006009423064合格223煤矸石粗骨料對(duì)混凝土強(qiáng)度的影響煤矸石表面粗糙多孔,由于吸水率高而影響強(qiáng)度的提高，但是由于其他作用，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)物能夠部分滲入集料表面孔中,增加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于局部低水灰比狀態(tài),因此減少或避免了集料下部由于內(nèi)分層作用而形成的水囊,避免了界面處的富集和定向排列,提高了集料與水泥石的界面粘結(jié)力第三方面,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發(fā)生化學(xué)反應(yīng),活性結(jié)合作用達(dá)到了界面增強(qiáng)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)作用對(duì)混凝土強(qiáng)度的提高是有利的。23細(xì)骨料粒徑在O165MM之間的骨料為細(xì)骨料，一般采用天然砂，砂是組成混凝土和砂漿的主要組成材料之一，是土木工程的大宗材料。砂一般分為天然砂和人工砂兩類。由自然條件作用（主要是巖石風(fēng)化）而形成的，粒徑在5MM以下的巖石顆粒，稱為天然砂。人工砂是由巖石軋碎而成，由于成本高、片狀及粉狀物多，一般不用。砂的粗細(xì)程度是指不同粒徑的砂粒混合在一起的平均粗細(xì)程度。通常有粗砂、中砂、細(xì)砂之分。砂的顆粒級(jí)配是指砂子大小顆粒的搭配比例。如果是同樣粗細(xì)的砂，空隙最大，兩種粒徑的砂搭配起來，空隙有所減小，三種粒徑的砂搭配，空隙更小。由此可見，砂子的空隙率取決于砂料各級(jí)粒徑的搭配程度。級(jí)配好的砂子，不僅可以節(jié)省水泥，還提高了混凝土和砂漿的密實(shí)度及強(qiáng)度。砂的粗細(xì)用細(xì)度模數(shù)X表示。細(xì)度模數(shù)越大，表示砂越粗。根據(jù)細(xì)度模數(shù)大小范圍，把砂劃分為粗砂、中砂、細(xì)砂、特細(xì)砂（本實(shí)驗(yàn)采用的砂為普通砂）。第三章實(shí)驗(yàn)材料與實(shí)驗(yàn)方法31煤矸石混凝土實(shí)驗(yàn)材料311水泥水泥成粉末狀，是一種良好的無積水硬性膠凝材料。它與水混合后成為可塑性漿體，經(jīng)一系列物理化學(xué)作用凝結(jié)硬化成堅(jiān)硬石狀體，并能夠?qū)⑸⒘畈牧夏Y(jié)成為整體。硅酸鹽水泥的主要技術(shù)指標(biāo)（表31）如下（1）凝結(jié)時(shí)間凝結(jié)時(shí)間是指水泥從加水開始到失去流動(dòng)性為止，即從可塑狀態(tài)發(fā)展到固體狀態(tài)所需的時(shí)間，分為初凝和終凝，其中初凝時(shí)間為水泥從開始加水拌合起至水泥砂漿開始失去可塑性所需的時(shí)間終凝時(shí)間是從水泥開始加水拌合起至水泥漿完全失去可塑性，并開始產(chǎn)生強(qiáng)度所需的時(shí)間。本實(shí)驗(yàn)所測(cè)得水泥泥初凝時(shí)間為50MIN，終凝時(shí)間為35H，符合國家標(biāo)準(zhǔn)。（2）細(xì)度細(xì)度是指粉體材料的粗細(xì)程度。通常用篩分分析法或比表面積法來測(cè)定。水泥顆粒越細(xì)，其表面積越大，與水接觸越充分，水化反應(yīng)進(jìn)行的越快、越充分，凝結(jié)硬化越快，強(qiáng)度特別是早強(qiáng)越高。但是水泥越細(xì)，硬化收縮也越大，儲(chǔ)存過程中也容易受潮。因此應(yīng)適當(dāng)控制水泥細(xì)度。圖31水泥安定性（3）體積安定性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。如水泥硬化后產(chǎn)生不均勻的體積變化，即為體積安定性不良。使用安定性不良的水泥，將會(huì)導(dǎo)致構(gòu)件產(chǎn)生膨脹性裂縫，降低工程質(zhì)量，甚至引起嚴(yán)重事故。本文所用水泥安定性良好（見圖31）。本實(shí)驗(yàn)所用水泥是巢湖海螺牌425級(jí)水泥，水泥膠砂實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表32。表31水泥的性能指標(biāo)凝結(jié)時(shí)間（MIN）標(biāo)準(zhǔn)稠度（）安定性初凝終凝285合格85205表32水泥膠砂實(shí)驗(yàn)強(qiáng)度指標(biāo)抗壓強(qiáng)度抗折強(qiáng)度齡期328328實(shí)驗(yàn)值20254655378685312拌合用水符合國家標(biāo)準(zhǔn)的生活飲用水，可拌制各種混凝土。本實(shí)驗(yàn)采用的是合肥自來水。313細(xì)骨料細(xì)骨料即是砂子?？煞譃樘烊簧昂腿斯ど皟煞N。細(xì)骨料的主要技術(shù)要求包括砂的粗細(xì)和顆粒級(jí)配，砂的堅(jiān)固程度，含泥量和泥塊含量，沙中有害物質(zhì)含量。本試驗(yàn)所用細(xì)骨料為天然河砂，系合肥市市政攪拌站提供，經(jīng)檢驗(yàn)其細(xì)度模數(shù)為27，含泥量為09，泥塊含量為02，符合國家標(biāo)準(zhǔn)建筑用砂GB/TI46852001的要求，檢驗(yàn)結(jié)果為2區(qū)中砂，見表33砂的顆粒級(jí)配。314粗骨料本實(shí)驗(yàn)采用的粗骨料是煤矸石，其備至和詳細(xì)性能見第二章。表33砂的顆粒級(jí)配級(jí)配區(qū)篩孔尺寸（MM）1區(qū)2區(qū)3區(qū)試驗(yàn)結(jié)果細(xì)度模數(shù)950000砂47510010010096顆236355255155226粒11866355010250308級(jí)0685717041401646配03958092708555784015100901009010090916237315減水劑減水劑就是在混凝土坍落度基本相同的情況下，能減少拌合水量的外加劑。減水劑種類很多，按減水率的大小可分為普通減水劑和高效減水劑。減水劑的減水作用主要是混凝土對(duì)減水劑的吸附和分散作用。適當(dāng)?shù)臏p水劑可以有效地增加混凝土的流動(dòng)性，提高混凝土的強(qiáng)度、密實(shí)度，降低混凝土的透水性，節(jié)約水泥，提高混凝土的耐久性。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增加煤矸石混凝土的流動(dòng)性，提高煤矸石混凝土的工作性能，從而更好的符合工程實(shí)際情況。本文所使用的減水劑為聚羧酸高效減水劑，減水率為19，符合國家標(biāo)準(zhǔn)?？紤]工程中經(jīng)濟(jì)因素，減水劑摻量為1。32煤矸石混凝土的設(shè)計(jì)理念321配合比設(shè)計(jì)前的準(zhǔn)備資料（1）設(shè)計(jì)要求的混凝土強(qiáng)度等級(jí)；（2）工程所處環(huán)境對(duì)混凝土的耐久性要求；（3）設(shè)計(jì)要求的混凝土拌合物坍落度；（4）結(jié)構(gòu)截面尺寸，以確定粗骨料的最大粒徑；（5）各種原材料的品種和技術(shù)指標(biāo)。322配合比設(shè)計(jì)的要求配合比設(shè)計(jì)的任務(wù)，就是根據(jù)原材料的技術(shù)性能及施工條件，確定能滿足工程所要求的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的各項(xiàng)組成材料的用量。配合比設(shè)計(jì)的基本要求包括1滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)所要求的混凝土強(qiáng)度等級(jí)；2滿足混凝土施工所要求的和易性；3滿足工程所處環(huán)境和使用條件要求；4在滿足上述要求的前提下，盡可能節(jié)約水泥，降低成本，符合經(jīng)濟(jì)性原則。323基于自由水灰比的煤矸石混凝土配合比設(shè)計(jì)（1）煤矸石混凝土強(qiáng)度的離散性配合比設(shè)計(jì)中，采用如下的混凝土的試配強(qiáng)度公式ERRORNOBOOKMARK6451KUOFNAMEGIVEN（31）（2）煤矸石骨料對(duì)煤矸石混凝土配合比設(shè)計(jì)的影響骨料的含水狀態(tài)通常分為四種干燥狀態(tài)、氣干狀態(tài)、飽和面干狀態(tài)和濕潤狀態(tài)。在計(jì)算混凝土各組成材料配比時(shí)，若以飽和面干狀態(tài)的骨料為基準(zhǔn)，則不會(huì)影響混凝土的用水量和骨料的用量，因?yàn)轱柡兔娓蔂顟B(tài)的骨料既不從混凝土中吸收水分，也不向混凝土中釋放水分。對(duì)于煤矸石混凝土，煤矸石骨料較大的吸圖23設(shè)計(jì)流程圖水率和粗糙的表面導(dǎo)致煤矸石混凝土隨著時(shí)間的推移。水分不斷的減少，這樣將難以保證混凝土正常的凝結(jié)硬化。而且由于煤矸石骨料的表面不如普通骨料平整，骨料間粘結(jié)應(yīng)力會(huì)有所降低，因此砂率也要相應(yīng)的提高。（3）基于自由水灰比的配合比設(shè)計(jì)方法試驗(yàn)確定吸附用水量參照同級(jí)普通混凝土的用水量確定初步拌和用水量根據(jù)混凝土的和易性和坍落度調(diào)整用水量按水灰比、砂率的變動(dòng)后各種配合比進(jìn)行強(qiáng)度驗(yàn)證最終確定實(shí)驗(yàn)室配合比擬定試配配合比水灰比是混凝土的重要指標(biāo)，對(duì)混凝土的性能影響很大，煤矸石混凝土的拌和用水量分成兩部分一部分為骨料所吸附的水分，這部分完全被骨料所吸收，在拌和物中不能起到潤滑和提高流動(dòng)性的作用，把它稱為吸附水，吸附水為骨料吸水吸至飽和面干狀態(tài)時(shí)的用水量；另一部分為拌和用水量，這部分水分布在水泥砂漿中，提高拌和物的流動(dòng)性，并且在混凝土凝結(jié)硬化時(shí)，這部分自由水除有一部分蒸發(fā)外，其余的要參與水泥的水化反應(yīng)，稱為自由水。其中，自由水預(yù)水泥用量之比稱為自由水灰比。配合比設(shè)計(jì)時(shí)，煤矸石混凝土的強(qiáng)度主要取決于自由水灰比。具體設(shè)計(jì)流程如圖32。4由水灰比的配合比設(shè)計(jì)方法的優(yōu)點(diǎn)水灰比的配合比設(shè)計(jì)方法，可大幅度降低標(biāo)準(zhǔn)差,節(jié)約水泥用量。同時(shí)吸附水存儲(chǔ)在骨料內(nèi)部，起到蓄水池作用，為水泥的水化和凝結(jié)硬化提供充足的水分，這對(duì)混凝土強(qiáng)度的發(fā)展是有利的。隨著水化的進(jìn)一步進(jìn)行，當(dāng)周圍環(huán)境較干燥和自由水分蒸發(fā)時(shí)，骨料可以釋放出內(nèi)部的水分，保證混凝土在較長的時(shí)間內(nèi)保持一定濕度，促進(jìn)混凝土強(qiáng)度的發(fā)展。這種“內(nèi)養(yǎng)護(hù)”通常比外部養(yǎng)護(hù)作用更大、更均勻、而且更經(jīng)濟(jì)。而且，基于自由水灰比的配合比設(shè)計(jì)，可以不考慮骨料的吸水率和表面性質(zhì)的差異。自由水灰比均由混凝土的和易性以及強(qiáng)度決定，吸附水可以在拌和混凝土前，先加入到煤矸石骨料中。若采用不同品質(zhì)的煤矸石骨料，應(yīng)依據(jù)吸水率的不同分別加入各自所需的吸附水，這樣可以使煤矸石混凝土的配合比得到簡(jiǎn)化?；谝陨蟽?yōu)點(diǎn)，本實(shí)驗(yàn)采用此方法進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)。324煤矸石混凝土初步配合比設(shè)計(jì)1基本參數(shù)1水膠比水膠比為混凝上中用水量與膠凝材料的比值，是影響混凝土強(qiáng)度及耐久性最為重要的因素，水膠比較小時(shí)，混凝土的強(qiáng)度、密實(shí)性及耐久性較高，但耗用水泥較多，混凝上發(fā)熱量也較大水膠比較大時(shí)，混凝土強(qiáng)度低，影響了混凝土拌合物的黏聚性及保水性等。（2）用水量用水量是決定混凝土拌合物流動(dòng)性的基本因素，確定混凝土單位用水量應(yīng)根據(jù)施工要求的混凝土拌合物流動(dòng)性、骨料的級(jí)配以及最大粒徑、水泥用量、使用外加劑情況等條件確定。（3）砂率砂率是指混凝土中砂的用量與砂石總量質(zhì)量比，合理的砂率應(yīng)根據(jù)拌合物的坍落度、黏聚性和保水性等特征來確定，在保證拌合物不離析，又能很好地澆灌、搗實(shí)的條件下，應(yīng)盡量選用較小的砂率，可節(jié)約水泥。2初步配合比設(shè)計(jì)本課題擬配C30及C40強(qiáng)度等級(jí)混凝土首先根據(jù)JGJ552000普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程按照普通混凝土配合比設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)，然后確定吸附水的用量，該部分水根據(jù)再生粗骨料的有效吸水率確定。3配合比試配與調(diào)整為了使再生混凝土具備符合條件的和易性和適宜的坍落度指標(biāo)，對(duì)經(jīng)過計(jì)算的初步配合比進(jìn)行多次調(diào)整和試配。調(diào)整的依據(jù)是在不改變水灰比的前提下，微量增加或減少單位體積內(nèi)水泥漿的用量。增加水泥漿（水灰比不變）時(shí)，拌和物的流動(dòng)性增強(qiáng)，坍落度增加；反之，減少水泥漿時(shí)，拌和物的流動(dòng)性變差，坍落度減少。4配合比詳表表34C30煤矸石混凝土試驗(yàn)配合比單位體積骨料用量（KGM3）編號(hào)水灰比砂率（）水水泥砂粗骨料減水劑坍落度（MM）立方體軸心抗壓強(qiáng)度（28D）10480382003968368511163960374表35C40煤矸石混凝土試驗(yàn)配合比單位體積骨料用量（KGM3）型號(hào)水灰比砂率（）水水泥砂粗骨料減水劑坍落度（MM）立方體軸心抗壓強(qiáng)度（28D）10320351648515637071183135151504842032041648515637079465515210446304035230575593251101755751854665）最終使用混凝土配合比表36煤矸石混凝土試驗(yàn)最終配合比單位體積骨料用量（KGM3）型號(hào)水灰比砂率（）水水泥砂粗骨料減水劑坍落度（MM）立方體軸心抗壓強(qiáng)度（28D）C30045043178139583766810165395160371C40040352305755932511017557518546633凈漿裹石工藝在煤矸石混凝土的應(yīng)用在試驗(yàn)中，我們采用了凈漿裹石的攪拌工藝。煤矸石粗集料混凝土與普通混凝土相比，由于組成復(fù)雜，存在兩種漿體和兩種界面。因而其力學(xué)性能受更多種因素20450431803968421116396303653048043190395837668101653951673344045043178139583766810165395160371的影響。盡管如此，努力改善煤矸石集料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。由于需要圖33測(cè)定坍落度配得的煤矸石混凝土強(qiáng)度較高，我們考慮了廢棄混凝土在破碎工藝過程中，使我們得到的廢棄混凝土骨料內(nèi)部產(chǎn)生了細(xì)微裂縫，從而對(duì)強(qiáng)度產(chǎn)生不利影響。采用凈漿裹石工藝可以增強(qiáng)骨料界面的機(jī)械咬合作用，改善煤矸石混凝土骨料之間的界面，從而提高混凝土強(qiáng)度。331原理分析混凝土強(qiáng)度由骨料強(qiáng)度、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，骨料強(qiáng)度是足夠的。結(jié)構(gòu)中最主要、最薄弱的環(huán)節(jié)是各相間界面的粘結(jié)力，其中水泥石與石子界面的粘結(jié)力對(duì)混凝土強(qiáng)度起著決定性作用，而煤矸石圖34強(qiáng)制性攪拌機(jī)混凝土在破碎過程中廢棄混凝土內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生細(xì)小裂紋，從而對(duì)煤矸石混凝土強(qiáng)度產(chǎn)生不利影響。凈漿裹石工藝能夠提高混凝土整體強(qiáng)度，提高物料顆粒的均勻分散度，增強(qiáng)水泥石與石子界面的機(jī)械咬合作用，阻止部分游離水向石子與水泥漿界面集中，增強(qiáng)水泥石與石子間的界面強(qiáng)度。332試驗(yàn)設(shè)備與試驗(yàn)方法試驗(yàn)設(shè)備強(qiáng)制式攪拌機(jī)、150150150標(biāo)準(zhǔn)試模、坍落度筒、鐵鍬、振動(dòng)和等。試驗(yàn)方法先投入煤矸石混凝土骨料繼續(xù)攪拌60S，再將一部分水、水泥投入攪拌機(jī)內(nèi)攪拌60S，然后再投入砂子，最后加入剩余的水、水泥，出料、制作試塊。333對(duì)煤矸石混凝土的影響與天然集料相比，煤矸石集料不僅棱角多，且表面往往包裹著一層或部分砂漿或水泥漿，這樣，煤矸石混凝土內(nèi)部集料漿體結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜，界面數(shù)量更多。因而其力學(xué)性能受更多種因素的影響，更為復(fù)雜。采用凈漿裹石工藝有效地改善了煤矸石混凝土骨料界面，從而有效地提高了煤矸石混凝土的強(qiáng)度。對(duì)提高其強(qiáng)度的效果十分顯著。第四章高性能煤矸石混凝土的試驗(yàn)研究41煤矸石混凝土的工作性能411煤矸石混凝土的和易性和易性是指混凝土拌合物能保持其組成成分均勻，不發(fā)生分層離析、泌水等現(xiàn)象，適于運(yùn)輸、澆注、搗實(shí)成型等施工作業(yè)，并能獲得質(zhì)量均勻、密實(shí)的混凝土的性能。和易性為一綜合技術(shù)性能，它包括流動(dòng)性、粘聚性和保水性三方面。（1）煤矸石混凝土和易性的測(cè)定經(jīng)常用坍落度試驗(yàn)方法（圖41）測(cè)定混凝土拌合物的流動(dòng)性，再輔以直觀經(jīng)驗(yàn)?zāi)繙y(cè)評(píng)定粘聚性和保水性。試驗(yàn)如圖。測(cè)定坍落度的方法是將混凝土拌合物按規(guī)定方法裝入坍落筒標(biāo)準(zhǔn)截頭圓錐筒（無底）內(nèi)，裝搗刮平后，將筒垂直向上提起，這時(shí)錐體混凝土拌合物則因自重而產(chǎn)生坍落，用尺量出其坍落的高度值，以MM計(jì)，即為混凝土拌合物的坍落度。坍落度越大，表示混凝土拌合物的流動(dòng)性越好。在測(cè)定坍落度的同時(shí)，還應(yīng)用振搗棒敲擊已坍落的混凝土拌合物試體，觀察其受擊后下沉、坍落情況及四周泌水情況，然后再憑目測(cè)判定混凝土拌合物粘聚性和保水性的優(yōu)劣。圖41坍落度實(shí)驗(yàn)（2）測(cè)定結(jié)果分析煤矸石具有很強(qiáng)的吸水性，并且吸水會(huì)直接導(dǎo)致煤矸石強(qiáng)度的降低。本試驗(yàn)在保證煤矸石混凝土塌落度要求的同時(shí)，嚴(yán)格控制了用水量，減水劑在試驗(yàn)過程中發(fā)揮了很大的作用。試驗(yàn)所配得的煤矸石混凝土塌落度保持在100MM200MM的范圍內(nèi)，完全可以滿足工程要求。與普通混凝土一樣，煤矸石混凝土的和易性與水泥漿的數(shù)量、水泥漿的稠度等因素關(guān)系密切。在水灰比不變的情況下，水泥漿的數(shù)量越多，拌合物的流動(dòng)性越大。水泥漿的稠度取決于水灰比。水灰比小，水泥漿稠，拌合物流動(dòng)性就小，水灰比過大，拌合物產(chǎn)生流漿和離析，粘聚性和保水性變差。水泥漿的數(shù)量和稠度取決于用水量和水灰比。用水量是影響混凝土和易性的最主要因素。煤矸石混凝土的和易性還與砂率有關(guān)。當(dāng)砂率過大時(shí)，骨料的總表面積和空隙率均增大，當(dāng)混凝土中水泥漿量一定的情況下，拌合物就顯得干稠，流動(dòng)性就變小，如要保持流動(dòng)性不變，則需增加水泥漿，就要多耗用水泥。反之，砂率過小，易使混凝土產(chǎn)生粗骨料離析、水泥漿流失，甚至出現(xiàn)潰散等現(xiàn)象。砂率過大或過小，混凝土的流動(dòng)性都降低。因此，砂率應(yīng)選擇合理砂率值。所謂合理砂率值是指在用水量及水泥用量一定的情況下，能使混凝土拌合物獲得最大的流動(dòng)性，且能保持粘聚性及保水性良好的砂率值。當(dāng)采用合理砂率值時(shí)，能在拌合物獲得所要求的流動(dòng)性及良好的粘聚性與保水性的條件下，使水泥用量最小。412煤矸石混凝土的凝結(jié)凝結(jié)是新拌混凝土的重要性能之一，因?yàn)槟Y(jié)的程度可用于確定混凝土是否易于澆筑施工及何時(shí)可以承受荷載。另外，從混凝土攪拌到凝結(jié)這一段時(shí)間內(nèi)，各種狀態(tài)下的混合料都容易受到環(huán)境的影響。煤矸石對(duì)凝結(jié)的影響可以通過初凝和終凝時(shí)間進(jìn)行評(píng)估。經(jīng)試驗(yàn)研究表明混凝土的凝結(jié)時(shí)間隨著煤矸石摻量的增加而延長。煤矸石摻量從10到30時(shí)，初凝時(shí)間變化幅度不明顯，說明煤矸石摻量10到30時(shí)處于適宜善良的臨界狀態(tài)，當(dāng)進(jìn)一步增加摻量時(shí)，煤矸石對(duì)混凝土凝結(jié)時(shí)間的延緩作用大幅增加。這是因?yàn)槊喉肥嫠嗪?，水泥漿體濃度響度相對(duì)降低，有效水灰比增大，水化速率變慢，凝結(jié)時(shí)間延長。另一方面，低水灰比下，煤矸石更好地填充于水泥顆粒之間，釋放出的自由水使水泥膠體濃度更為降低，整個(gè)體系水化速率大大降低，混凝土凝結(jié)時(shí)間大大延長了。因此，煤矸石混凝土可以通過對(duì)煤矸石的用量控制以及摻加適量的外加劑，如緩凝劑和促凝劑，來調(diào)節(jié)其凝結(jié)時(shí)間，使之適用于工程應(yīng)用。42立方體抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)421試驗(yàn)設(shè)備和測(cè)試方法1）試件制備試塊的制作與養(yǎng)護(hù)均在市政混凝土攪拌站進(jìn)行。煤矸石混凝土拌合物采用350型立式高效攪拌機(jī)攪拌。投料順序?yàn)橄葦嚢枭昂兔喉肥辆鶆?，再加入一半水泥和水，進(jìn)行凈漿裹石，繼續(xù)攪拌至混合均勻，然后再加入剩余的水和水泥，并在水中摻入1的高效減水劑。攪拌35MIN后立即測(cè)量坍落度然后將拌合物注入尺寸為150MM150MM150MM的鋼模，振動(dòng)臺(tái)振搗密實(shí)后用刮刀插實(shí)周邊、抹平表面見圖42，24小時(shí)后拆模。將試塊放入養(yǎng)護(hù)室，在標(biāo)準(zhǔn)條件下溫度202，相對(duì)濕度低于95養(yǎng)護(hù)28天后測(cè)其抗壓強(qiáng)度。共制作混凝土試塊12塊。先試做3組9個(gè)試塊，分別以032,04,048的水灰比養(yǎng)護(hù)7天，測(cè)其抗壓強(qiáng)度，并挑出強(qiáng)度最好的一組進(jìn)行研究，再做1組3個(gè)試塊，進(jìn)行28天的標(biāo)準(zhǔn)掩護(hù)測(cè)其抗壓強(qiáng)度（圖43）。圖42立方體抗壓試驗(yàn)試圖43立方體抗壓試驗(yàn)2）試驗(yàn)方法混凝土立方體抗壓強(qiáng)度按式（41）計(jì)算CUF（4AFFCU1）式中混凝土立方體抗壓強(qiáng)度（MPA）；CUFF極限荷載（N）；A受壓面積（）。2M422試驗(yàn)分析1）煤矸石混凝土破壞形態(tài)加載初期，煤矸石混凝土試塊表面未發(fā)現(xiàn)有裂縫出現(xiàn)，隨著荷載的增大試塊內(nèi)的應(yīng)力不斷增加試塊中開始出現(xiàn)裂縫。起初出現(xiàn)的裂縫靠近試塊的側(cè)表層，在試塊高度中央為垂直方向，沿斜向往上下端發(fā)展，至加載面處轉(zhuǎn)向試塊角部，形成斜裂縫。隨著荷載的繼續(xù)增加，新的裂縫逐漸向里發(fā)展，表面混凝土開始外鼓、剝落。最終的破壞形態(tài)為正倒相連的四角錐。煤矸石混凝土試塊的破壞斷面主要是煤矸石界面，未發(fā)現(xiàn)煤矸石被劈開的情況，表明煤矸石混凝土的破壞形態(tài)與普通強(qiáng)度天然混凝土比較接近。從破壞形態(tài)來看，煤矸石混凝土的破壞基本上均為煤矸石和水泥凝膠體面之間的粘結(jié)破壞，但是試驗(yàn)中也發(fā)現(xiàn)有一些煤矸石混凝土試塊表現(xiàn)出較大的脆性。因此，煤矸石混凝土和普通混凝土破壞形態(tài)相差無幾。2）數(shù)據(jù)分析混凝土抗壓強(qiáng)度的統(tǒng)計(jì)參數(shù)均值、標(biāo)準(zhǔn)差和變異系數(shù)和概率分布特征是進(jìn)行混凝土構(gòu)件和結(jié)構(gòu)可靠性分析與設(shè)計(jì)及安全性評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)。一般認(rèn)為，由于煤矸石粗骨料的隨機(jī)性與變異性較天然粗骨料大，因此煤矸石混凝土抗壓強(qiáng)度的變異系數(shù)將大于普通混凝土。但是，以往針對(duì)粗骨料全部采用煤矸石的粗骨料混凝土研究則表明，煤矸石混凝土抗壓強(qiáng)度的變異系數(shù)與普通混凝土差別不大，這可能是由于這些試驗(yàn)中所用的煤矸石粗骨料來源單一，其質(zhì)量較為均勻。本節(jié)以試配強(qiáng)度為C40W/C032的煤矸石混凝土為研究對(duì)象，研究了不同來源與單一來源煤矸石混凝土抗壓強(qiáng)度統(tǒng)計(jì)參數(shù)與概率分布特征之間的區(qū)別，工程中不同來源煤矸石混凝土抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)差的取值。經(jīng)過試驗(yàn)測(cè)定，測(cè)得C40混凝土立方體抗壓強(qiáng)度值如表41所示。表41立方體抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)經(jīng)過28天標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)測(cè)得強(qiáng)度平均值為484MPA，與按要求配制的C40的普通混凝土強(qiáng)度相差不多。由于煤矸石混凝土的雜質(zhì)多，煤矸石混凝土的粗骨料表面比較復(fù)雜，等多種情況對(duì)立方體抗壓強(qiáng)度的減小會(huì)有較大的影響，以及在我們自己制作試件過程中也沒有像規(guī)范那么標(biāo)準(zhǔn)，導(dǎo)致了強(qiáng)度與C40強(qiáng)度相比有些減小。但通過試驗(yàn)結(jié)果，基本得出了煤矸石混凝土的強(qiáng)度可基本達(dá)到普通混凝土的強(qiáng)度狀態(tài)。43抗折強(qiáng)度試驗(yàn)431試驗(yàn)設(shè)備和測(cè)試方法1）試驗(yàn)設(shè)備試驗(yàn)機(jī)是能施加均勻、連續(xù)、速度可控的荷載，并帶有能使二個(gè)相等荷載同時(shí)作用在試件跨度3分點(diǎn)處的抗折試驗(yàn)裝置，見圖44。試件的支座和加荷頭應(yīng)采用直徑為2040MM、長度不小于10MM的硬鋼