高性能煤矸石混凝土研发及工程应用毕业论文设计（范文）.doc

高性能煤矸石混凝土研发及工程应用中文摘要随着工业经济的发展和城市规模的扩大，工业固体废弃物排放量和堆积量逐年增加，不仅占用大量宝贵的土地资源，而且严重污染了环境，成为当前急待解决的重要问题之一。煤矸石作为一种工业固体废弃物，是在成煤过程中与煤层伴生的一种含碳量较低、比煤坚硬的黑灰色岩石，属沉积岩类。我国开展煤矸石利用的研究源于20 世纪 50年代中期。作为排放量最大、利用率最低的工业废渣之一，煤矸石的利用主要在建筑铺路以及煤矸石砖块等方面，可使用率比较低，但作为粗骨料，是混凝土传统骨料很好的替代产品，并可以节约资源，保护环境。本项目将通过试验研究、理论分析和统计回归等方法来研究其力学性能。开展高性能煤矸石混凝土的研究：抗压性能、抗折性能、弹性模量以及劈裂性能等。试验分为C30、C40、C50三组，着重研究C30、C40，以C50为突破、探讨性的试验研究，从而获得其基本性能及技术指标，并给出了一套煤矸石混凝土的配合比设计方法。试验表明：煤矸石作为粗骨料，用在C30、C40的混凝土中是可以替代传统粗骨料的，但用于C50混凝土中，需要过多的水泥才能使其达到标准强度，因此C50煤矸石混凝土可采取进一步深入研究。本文研究将为钢筋煤矸石混凝土结构作为研究依据，从而推动高性能煤矸石混凝土在我国工程建设中大规模应用和推广，节约能源和实现社会可持续发展。关键词：高性能，煤矸石混凝土，配合比，试验研究，力学性能 致 谢 本文研究工作是在指导老师王静峰副教授的悉心指导和亲切关怀下完成的，从论文的选题到具体问题的分析，整个过程都他们倾注了大量的心血和汗水。老师学识渊博、治学严谨、平易近人，对工作的积极热情、认真负责、实事求是，给我们留下了深刻的印象，使我们受益非浅。值此论文完成之际，谨向他们致以衷心的感谢和深深的敬意! 感谢詹炳庚教授、李鹤老师、王军学长以及龚旭东学长，在我们的研究学习过程中，他们在多方面给予了细心指导和热情帮助，帮助我们解决了实验、学习及论文写作过程中遇到的困难!试验是在合肥工业大学建材实验室、合肥市市政集团搅拌站完成的，在试验过程中，历经很多艰辛和困难，但都一一化解。特别感谢合肥市市政搅拌站的夏站长、左站长等对试验的大力支持和帮助!感谢合肥工业大学大学生创新基金项目对本实验的资助！ 感谢学院领导的支持和关怀，感谢苏建国老师对我们实验的关心和照顾！ 目 录第一章 绪论（1）1.1 研究背景及意义（1） 1.1.1研究背景（1） 1.1.2研究意义（1）1.2 煤矸石混凝土在国内外的研发现状（3） 1.2.1 国外煤矸石混凝土研究现状（3） 1.2.2 国内煤矸石混凝土研究现状（4）1.2.3 煤矸石水泥混凝土性能（5）1.2.4 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）2.1 煤矸石简介（6） 2.1.1 煤矸石的的来源与分类（6） 2.1.2 煤矸石的组成与性质（7）2.1.3 煤矸石在工程中的应用（8）2.2 煤矸石粗骨料的基本特征（9） 2.2.1 颗粒最大粒径和颗粒级配（9） 2.2.2基本物理性能 （10）2.2.3 煤矸石粗骨料对混凝土强度的影响（11）2.3 细骨料（12）第三章 试验材料与试验方法（12） 3.1 煤矸石混凝土试验材料（12） 3.1.1 水泥（12） 3.1.2 拌合用水（13） 3.1.3 细骨料（13） 3.1.4 粗骨料（14） 3.1.5 减水剂（14） 3.2 煤矸石混凝土的设计理念（15） 3.2.1配合比设计前的准备资料 （15） 3.2.2配合比设计的要求（15） 3.2.3基于自由水灰比的煤矸石混凝土配合比设计（15）3.2.4煤矸石混凝土初步配合比设计（17） 3.3 净浆裹石工艺在煤矸石混凝土的应用 （19） 3.3.1 原理分析（20） 3.3.2 试验设备与试验方法（20） 3.3.3 对煤矸石混凝土的影响（20）第四章 高性能煤矸石混凝土的试验研究（21） 4.1 煤矸石混凝土的工作性能（21） 4.1.1 煤矸石混凝土的和易性（21） 4.1.2 煤矸石混凝土的凝结（22） 4.2 立方体抗压强度试验（22） 4.2.1试验设备和测试方法（22） 4.2.2试验分析（23） 4.3 抗折强度试验（25） 4.3.1.试验设备和测试方法（25） 4.3.2计算方法（26） 4.3.3试验分析（27） 4.4 抗拉强度试验 （27） 4.4.1 试验设备和测试方法（27） 4.4.2 劈裂抗拉强度和破坏形态（28） 4.4.3 试验分析（29） 4.5 弹性模量试验（30） 4.5.1 试验设备和测试方法（30） 4.5.2 试验分析（30）第五章 结论和展望（32） 5.1 结论 （32）5.2 展望（33）参考文献35 第一章 绪论1.1研究背景及意义1.1.1研究背景我国是一个资源短缺、粗放型的资源消费大国，现在仍然处于一种高消耗高劳动力的经济发展模式，而建筑业作为国民经济的支柱产业，随着工业经济的发展和城市规模的扩大，工业固体废弃物排放量和堆积量逐年增加，不仅占用大量宝贵的土地资源，而且严重污染了环境，成为当前急待解决的重要问题之一。有关资料表明：1988年工业固体废弃物的产生量达5.6亿吨，排放量达8545万吨，占地约5.4亿平方米。从产生量来看，尾矿居首，达1.7亿吨；煤矸石次之，达1.2亿吨；其他依次为炉渣、粉煤灰、冶炼废渣和有毒有害渣。从排放量来看，尾矿居首，达2600万吨；煤矸石次之，达2000万吨；其他依次为炉渣、粉煤灰、冶炼废渣和有毒有害渣。然而，长期以来，由于砂石骨料来源广泛易得、价格低廉，被认为是取之不尽、用之不竭，从而造成了肆意开采、随意浪费的现状。随着混凝土用量的日益增大，因开采砂石骨料而造成的资源枯竭和环境破坏己成为人们关注的焦点。煤矸石作为一种工业固体废弃物，是在成煤过程中与煤层伴生的一种含碳量较低、比煤坚硬的黑灰色岩石，属沉积岩类。一般分为两类：一类是在矿井原煤开采过程中排出的矸石；另一类是从各类选煤厂排出的尾矿（俗称“洗矸”）。煤矸石是无机物质和少量有机物质的混合物，主要包括碳质页岩、泥质页岩、沙质页岩和石灰岩。煤矸石中含碳量一般为20%30%，其它为氧化铝、二氧化硅和少量的氧化钛、氧化镁及稀有元素等。煤矸石占地多，环境污染严重。据统计，我国每年煤矸石的排出量将近2亿吨，现有矸石山约2000多座。1990年，我国煤矸石累计堆放量达37亿吨；2000年达60亿吨，堆放占地为40万亩。大量的煤矸石废弃物对环境产生严重的污染，同时也造成巨大的资源浪费。因此，从资源开发利用和可持续发的角度来看，寻求煤矸石的开发与利用已经迫在眉睫。1.1.2研究意义我国开展煤矸石利用的研究源于20 世纪 50年代中期。目前国内外研究者对普通钢筋混凝土结构进行了大量的实验与理论研究，但是对钢筋煤矸石混凝土结构缺乏系统的实验和理论研究。20世纪 90年代初期，我国山西、辽宁、天津等煤矸石产地对煤矸石混凝土及其结构构件进行了初步研究。目前我国煤矸石主要应用于筑路路基材料、塌陷区回填材料和填充墙体材料，但是在多层、高层建筑中应用较少。国外在第二次世界大战以前就开始研究煤矸石的利用技术，但是直到20世纪60年代后期煤矸石才真正引起美国、英国和法国等的高度重视，主要用于公路路基、制砖和建筑工程，并修建了少量的煤矸石混凝土结构建筑。因此，开展煤矸石混凝土结构开发与煤矸石利用的研究具有重要的理论意义和应用价值。煤矸石骨料用于混凝土结构有利于节约工程造价，降低成本。由于煤矸石是工业废料，其粗骨料比普通混凝土粗骨料价格低，因此煤矸石混凝土结构造价相对偏低。以C30混凝土为例，自燃煤矸石的堆积容重为 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节省直接费3040 元左右（计算过程：根据安徽省定额，1m3 C30混凝土消耗中砂0.53吨，消耗碎石1.234吨，目前砂石的平均市场价分别为每吨39元和37元，煤矸石的市场价为12元，1m3 混凝土用自燃煤矸石集料比普通砂石节省直接费45.15元）。另外，煤矸石混凝土的最大特点是在抗压强度与普通混凝土相同的条件下，其体积重量可降低20%30%，在多层住宅建筑中，采用煤矸石混凝土结构的建筑物基础可相应降低结构自重20%，从而减轻地基所承受的荷载，减少基础底面积，节约基础造价。由于结构自重的降低，梁柱截面尺寸也可相应减小，从而显著提高建筑物的有效使用面积。目前，我国对煤矸石综合利用的水平还不高，技术装备水平只达到国外20 世纪 90 年代先进水平的 20。据统计，我国可煤矸石能源资源量每年达73亿吨标准煤，开发量尚不足4000万吨，开发率不到1%，产业化严重滞后。现在煤矸石主要用在：煤矸石发电、煤矸石制砖、煤矸石生产空心砌块、煤矸石代替黏土生产水泥、煤矸石作水泥混合材料、煤矸石提取化工产品、煤矸石回填煤炭开采塌陷区、煤矸石制造瓷质砖、煤矸石代替黏土作道路基材或代替碎石作道路基材等。本项目研究有助于我国新型能源城市开展节能减排，节约能源，保护土地资源，减少环境污染，改善生态环境，实现煤炭行业又好又快发展，全面建设资源节约型和环境友好型社会具有重要意义。目前国内外对高性能煤矸石混凝土研究较少见。本项目将通过试验研究、理论分析、数值模拟和统计回归等研究方法，创新性开展高性能煤矸石混凝土的力学性能、耐久性、物理性能和化学性能等系列试验研究，揭示高性能煤矸石混凝土的基本性能和关键技术指标，形成系统完善的高性能煤矸石混凝土配合比设计方法，从而推动高性能煤矸石混凝土在我国工程建设中大规模应用和推广，节约能源和实现社会可持续发展。1.2 煤矸石混凝土在国内外的研发状况1.2.1 国外煤矸石研究现状世界各国都很重视煤矸石的处理和利用。英国煤管局在1970年成立了煤矸石管理处，波兰和甸牙利联合成立了海尔得克斯矸石利用公司，这些机构是专门从事煤矸石处理和利用的。近年来，国外越来越广泛地利用煤矸石生产建筑材料。波兰水泥工业采用海尔得克斯公司的选堞矸石作水泥原料。矸石的化学组成为SiO2为5232 ，Al2O3为l1.98 ，Fe2O3为582 ，CaO为195 ，烧失量为2065 。用煤矸石作水泥原料有很多优点：矸石中含可燃物质，其热值约为100041915004.19kJkg可使燃料消耗降低10左右；矸石中含氧化铁熔剂煅烧过程中可以降低熟料烧成温度，并在窑衬上形成玻璃层，起到保护作用，延长窑寿命使耐火材料耗量降低10%20%增加窑的运转时闻。原苏联在顿巴斯、库兹巴斯、卡拉干达等产堞地区广泛选用煤矸石作原料，采用挤出法或半于法成型，生产实心或空心砖。苏联建工研究所介绍，利用煤矸石制砖，燃料消耗可以减少80%，产品成本降低l9%20%。近年来，许多国家大力发展煤矸石轻骨料。生产工艺主要有两种：一是利用含碳量较高的煤矸石，采用烧结机生产轻骨料，原苏联、波兰、英国等国家都采用这种方法；另一种是采用回转窑生产烧胀陶粒法国、比刺时等国家采用这种生产工艺。煤矸石的含碳量对轻骨料的质量影响很大，采用烧结机工艺，含碳量在10%左右可以大大降低燃料消耗；采用回转窑工艺，对含碳量有较严格的要求，以2%为宜。法国、比利时采用含碳量4%10%的煤矸石，膨胀前在脱碳窑中除去多余的碳。1.2.2 国内煤矸石混凝土研究现状目前，我国煤矸石建筑材料和用有以下几方面：(1)煤矸石制砖利用煤矸石制砖包括用煤矸石生产烧结砖和作烧砖内燃料。煤矸石砖:以煤矸石为主要原料，一般占坯料重量的80%上，有的全部以煤矸石为原料，有的外掺少量粘土。煤矸石经过破碎、粉磨、搅拌、压制、成型、干燥、培烧而戚，焙烧时基本上无需再外加燃料。煤矸石砖规格与性能和普通粘土砖相同。作烧砖内燃料：用煤矸石作烧砖内燃料，在我国已经有较长的历史，应用非常广泛，生产技术成熟，节能效果显著。用煤矸石作烧砖内燃料制砖生产工艺与用煤作燃料基本相同，只是增加了煤矸石的粉碎工序。(2)煤矸石生产轻骨料轻骨料和用轻骨料配制的混凝土是一种轻质、保温性能较好的新型建筑材料，可用于建造大跨度桥梁和高层建筑。用煤矸石烧制轻骨料有两种方法，即成球法和非成球法。成球法是将煤矸石破碎和粉磨后制成球状颗粒，然后送入窑炉中焙烧；非成球法是把煤矸石破碎到一定粒度直接焙烧。煤矸石轻骨料的质量主要取决于煤矸石的性质和成分。适宜烧制轻骨料的煤矸石主要是碳质页岩和选煤厂排出的洗矸，矸石中的含碳量不要过大，以低于13%为宜。(3)煤矸石生产空心砌块煤矸石空心砌块是以自燃或人工煅烧煤矸石为骨料，以磨细生石灰、石膏作腔结料，经振动成型、蒸汽养护而成的一种墙体材料。产品标号可以达到200号。煤矸石空心砌块生产工艺茼单，技术成熟，产品性能稳定使用效果良好。(4)煤矸石作原燃料生产水泥煤矸石作原燃料生产水泥，是由于煤矸石和粘土的化学成分相近，代替牯土提供硅质铝质成分；煤矸石能释放一定热量，可以代替部分燃料。目前采用煤矸石配料生产普通水泥在技术上巳经成熟。 (5)煤矸石作水泥混和材料由于煤矸石经自燃或人工煅烧后具有一定活性，可掺入水泥中作活性混合材，与熟料和石膏按比例配合后入水泥磨磨细，然后入水泥库包装或散装出厂。煤矸石作混和材时，应该控制烧失量5%，SO33%，火山灰性能试验必须合格，水泥胶砂28天抗压强度比62%。煤矸石掺入量的多少取决于熟料质量与水泥标号与品种。一些大中型水泥厂在水泥熟料中掺人l5%的煤矸石，可以制得325425号的水泥 产量超过20%时，按照国家规定，就成了火山灰硅酸盐水泥。国家标准规定，火山灰硅酸盐水泥可掺混合材量20%5O%。(6)煤矸石作筑路和填充材料煤矸石是很好的筑路材料，它具有很好的抗风雨侵蚀性能。目前，国内使用煤矸石作筑路材料的不多，有待于开拓煤矸石作塌陪区复地的充填材料，在我国部分煤矿已经积累了很好的经验。(7)煤矸石作混凝土掺合料由于煤矸石具有较好的活性，若将其作为混凝土掺合料使用必定有梗好的效果。但遗憾的是，用煤矸石粉像粉煤获、矿渣等矿粉一样，直接作为混凝土掺舍料使用的工程实例很少，有待于加强这方面的研究。1.2.3 煤矸石水泥混凝土性能华侨大学陈本沛、林雨生等人对煤矸石混凝土的强度和变形性能进行了研究，结果表明：(1)对于C2OC30的煤矸石混凝土，其轴心抗压强度与立方体抗压强度的关系，与普通混凝土接近。(2)煤矸石混凝土的轴心抗拉强度，略低于普通混凝土，但可以满足规范规定的取值要求。西南工学院的徐彬、张天石等人对大掺量煤矸石水泥混凝土的耐久性进行了研究，结果表明：(1)大掺量煤矸石水泥混凝土与普通混凝土相比，具有较好的抗冻、抗碳化、抗硫酸盐侵蚀和护筋性能。其原因在于大掺量煤矸石混凝土的结构较为致密，空隙率低且有害孔所占的比例小，水泥水化产物中氢氧化钙的含量较低。(2)大掺量煤矸石水泥混凝土发生碱集料反应的可能性小于硅酸盐水泥混凝土。1.2.4 煤矸石利用的新方向根据上述有关煤矸石的成分、矿物组成、国内外利用情况以及煤矸石混凝土的性能可知，煤矸石已经在世界各国获得了广泛的应用。但是煤矸石的利用率与其产量相比还远远不够。睬了应该继续加强已有的利用途径以外，还应该探索其新的利用途径。根据目前的研究可以认为，将煤矸石作混凝土掺合料使用一定会获得良好的使用效果。因为煤矸石具有较高的活性；煤矸石水泥混凝土具有较好的抗冻、抗碳化、抗硫酸盐侵蚀和护筋性能 煤矸石水泥混凝土发生碱集料反应的可能性小于硅酸盐水泥混凝土。但是在将煤矸石全面推广作混凝土掺合料使用，特别是作大体积混凝土掺合料使用前，还应该就煤矸石掺合料对混凝土性能，如水化热和绝热温升性能、抗裂性能、氯离子渗透性能、体积稳定性能、工作性能等等，进行深入的研究，以作到有的放矢，少走弯路。但可以肯定的是，煤矸石是一种良好的混凝土掺合料，一定会在混凝土中得到推广应用。总体上，目前对于煤矸石混凝土的研究多局限于室内分析和试验，未能够结合生产形成包括煤矸石骨料的生产工艺流程和煤矸石混凝土的开发应用的整套技术，阻碍了煤矸石混凝土的开发应用。第二章 煤矸石混凝土骨料基本特性2.1 煤矸石简介2.1.1 煤矸石的来源与分类煤矸石是采煤过程和洗煤过程中排放的固体废物，是一种在成煤过程中与煤层伴生的一种含碳量较低、比煤坚硬的黑灰色岩石。经调查煤矸石混凝土的主要来源包括以下几方面：（1）巷道掘进过程中的掘进矸石；（2）采掘过程中从顶板、底板及夹层里采出的矸石；（3）洗煤过程中挑出的洗矸石。根据煤矸石以上来源及最终状态，煤矸石可分为掘进煤矸石、选煤矸石、自然矸石。煤矸石排放量根据煤层条件、开采条件和洗选工艺的不同有较大差异，一般掘进煤矸石占原煤产量的10%左右，选煤矸石占原煤量的12%18%。2 .1.2 煤矸石的组成与性质通过对煤矸石进行化学分析可知，其化学组成主要是一些氧化物，如二氧化硅、氧化铝、三 氧化二铁、氧化钙、氧化镁、氧化钾、氧化钠等，其化学成分组成的百分率为：SiO2为 52%65%；Al2O3为 16%36%；Fe2O3为 2.28%14.63%;CaO为0.42%2.32%; 图2-1 煤矸石粗骨料图示 MgO为0.44%2.41%;TiO2为0.90%4%;P2O5为0.007%0.24%;K2O+Na2O为1.45%3.9%；V2O5为0.008%0.03%（见表2-1）。部分地区的煤矸石中含Ge、Ga、U、Th等半导体元素或放射性元素及其他稀有元素，其矿物组成中主要是高岭石、石英、钾云母、长 石等。煤矸石属劣质燃料，其发热量低，碳含量低，硬度大，矿物含量高，有机质含量低。掘进矸石一般含碳量低，热值也较低；选煤矸石含碳量较高，有一定的热值，常常混有煤及煤泥， 其特点是排放集中，粒度较小，可利用性较高，但硫、铁含量较多；自然矸石为多年堆积引起自然后煤矸石，因已经过一定的燃烧过程，而具有一定的火山灰活性和化学活性，但其热值不高。表2-1 自燃煤矸石主要化学成份（%）SiO2Al2O3Fe2O3CaOMgOSO3烧失量60.1616.566.263.633.400.800.79表2-2 自燃煤矸石的力学指标样品名称压缩性渗透性（压实度）承载比CRB（击数=30）抗剪强度压缩系数（）压缩模量（MPa）粘聚力（kPa）内摩擦角煤矸石0.05622.970.9415.10103.936.18煤矸石的压缩性是指煤矸石在压力下体积变小的性质；压实度是指施工现场压实后取样测定的密度与取原样材料在实验室用击实实验所得的最大干密度的比值，压实度越高，密实度越大，材料整体性能越好；承载能力以材料抵抗局部荷载压入变形的能力表征，并采用标准碎石的承载能力为标准，以相对值的百分数表示CBR值；粘聚力是在同种物质内部相邻各部分之间的相互吸引力，这种相互吸引力是同种物质分子之间存在分子力的表现。只有在各分子十分接近时（小于10-6厘米）才显示出来。粘聚力能使物质聚集成液体或固体。特别是在与固体接触的液体附着层中，由于粘聚力与附着力相对大小的不同，致使液体浸润固体或不浸润固体；岩体在垂直重力作用下发生剪切破坏时错动面的倾角，粘聚力和内摩擦角是工程设计的重要参数。以下为煤矸石的工艺物理性质：1. 煤矸石的可塑性：煤矸石必须经过细碎后才有塑性；2. 煤矸石的粘性：随着煤矸石颗粒的比表面积增大，矸石泥团基本可以塑性成型；3. 煤矸石的硬度：含砂岩煤矸石的比重较含页岩煤矸石的大，含页岩的矸石硬度在23，含砂岩在4%5%之间；4. 煤矸石的收缩性：煤矸石塑性比较低，收缩性也比较小，一般线收缩在2.5%3.0%,相应吸水率在17%19%之间。2 .1.3 煤矸石在工程中的应用 我国煤田分布广，成煤时代全，在含煤岩层和煤层中，共生有丰富的其他矿产资源。共生资 源主要是指煤矸石。根据每年的煤炭产量和洗精煤产量的不同，中国煤矸石年排放量大约在 1.21.8108t之间。预测全国煤矸石累计堆存量34108t，是中国工业固体废气物中产量和累积存量最大的固体废物。由于一般矸石还可能自然，因此这样既浪费了宝贵的矿产资源，又占用农田，污染环境，成为矿区一害。要高度重视与煤共生的煤矸石资 源的利用，开辟多种利用途径，因地制宜，因矸制宜，确定煤矸石的综合加工利用方向。以煤矸石、矸石沸腾炉灰及高灰煤泥为原料或填料生产矸石砖、砌砖 、水泥等。开发煤矸石生产轻质、高强度及具有特殊性能的新型建筑材料。（1） 应用于建筑行业由于煤矸石所具有的物理化学性质，煤矸石可以作为配制高性能混凝土和轻质混凝土的骨料。由于煤矸石在组成上与黏土相近，因而煤矸石加土生产砖瓦可以使制砖不用土或少用土，烧砖不用煤或少用煤，节省耕地，减少污染，创造利润。煤矸石中SiO2、Al2O3、Fe2O3的含量较高，总量在80%以上，是一种天然黏土质原料，可代替黏土配料，作水泥硅、铝质组分的主要来源生产水泥，例如：利用煤矸石可生产煤矸石普通硅酸盐水泥、煤矸石火山灰水泥、煤矸石无熟料水泥等。煤矸石和生石灰、石膏等材料混合可制造混凝土空心砌块。由于煤矸石化学成分与一般陶瓷土相近，因而还可作为原料生产陶管、釉面砖、卫生陶瓷、日用陶瓷、包装陶瓷等。以煤矸石为主要原料可生产两种类型的轻骨料，一种是用烧结机烧制的烧结型煤矸石多孔烧结料；一种是用回转窑生产的膨胀型煤矸石陶粒。（2） 煤矸石作为充填材料及用做筑路基材矸石作为井下充填材料。掘进和维修巷道的矸石以及选煤矸石，可作为井下充填材料，解决建筑物下的煤柱回采、巷道维护、复杂顶板管理及自然煤层的开采问题。煤矸石作为充填塌陷坑和填沟造地的材料。可将排矸的路轨铺向塌陷区或山沟，用小型架线电机车运往塌陷区或山沟直接倾卸，如果是山沟或没有水的塌陷区 ，则分层压实，并覆盖黄土使之密封。作为筑路材料。煤矸石作为修筑公路、铁路路基或其他建筑物地基等的材料是大量处理矸石的一种途径。2.2 煤矸石粗骨料的基本特性骨料又称集料，是充填材料的主要组成材料之一，约占其体积80%，在混凝土中起骨架作用，同时有着重要的技术和经济作用。粗骨料是粒径在5mm以上的岩石颗粒，其特征和性能直接影响和决定着混凝土的性能。2.2.1 颗粒最大粒径和颗粒级配 煤矸石的粒径越大，其相应的比表面积减小，则所需的水泥浆量减少，在一定的和易性和水泥用量条件下，则能减少用水量而提高混凝土强度，从这方面来看，粒径应选大一些的，但并不是粒径越大越好，粒径越大则内部出现裂缝的概率越大，颗粒在混凝土拌合下沉速度越快，造成混凝土内颗粒分布不均匀，降低强度。为此，本次试验中也对粒径进行了限制，不超过31.5mm，符合国家规范。粗骨料的颗粒级配是表示粗骨料大小颗粒相互搭配的比例关系，如果粗骨料级配适当，可以减少填充骨料空隙的灰浆量，相应的减少单位体积的用水量和胶凝材料用量，拌合物也不易离析。级配是使用各种大小尺寸的筛子进行筛析，以通过各种规定尺寸筛子的颗粒重量百分率表示。下图为不同地点在标准试验条件下的煤矸石的级配曲线，表中所示为本实验的级配，表中与图中级配较符合，级配良好，煤矸石颗粒满足级配要求。图2-2 粗骨料的颗粒级配图表2-3 本实验级配筛孔尺寸（毫米）2015105分计筛余（%）6.752.536.64.2累计筛余（%）6.759.295.81002.2.2 基本物理性能煤矸石骨料属于一种轻质骨料，其性质与普通粗骨料有所区别见表2-4。表2-4 天然粗骨料与煤矸石粗骨料的物理性能指标类型堆积密度(kg/)表观密度（g/）吸水率（%）含水率（%）天然粗骨料13402.861.20.40煤矸石粗骨料11502.5410.50.46由表比较天然粗骨料与煤矸石粗骨料的各种物理性能可知，煤矸石粗骨料的松散堆积密度与表观密度比天然粗骨料的松散堆积密度与表观密度小，而相应的吸水率和含水率均比天然粗骨料大，煤矸石粗骨料与天然粗骨料吸水率的差距约9倍。天然岩石由于其孔隙率很小，一般低于3%，极少超过10%，所以常用的天然骨料的吸水率很小。然而对于煤矸石粗骨料，其表面粗糙，颗粒棱角多，在采集过程中由于损伤积累，使煤矸石骨料内部存在大量的微裂纹，这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时，应特别注意煤矸石骨料的高吸水率问题，否则会影响煤矸石骨料混凝土的生产、使用及物理力学性能。而煤矸石骨料的表观密度和松散堆积密度均小于天然骨料，这就意味着配置相同量的混凝土，需要更多的煤矸石料，也就意味着在新配制的混凝土中含有的煤矸石骨料的硬化水泥砂浆越多，对于强度的提高是不利的。表2-5 自燃煤矸石主要物理指标密度等级（kg/）筒压强度（Mpa）软化系数煮沸质量损失（%）含泥量（%）有机物含量11006.00.942.30.64合格2.2.3 煤矸石粗骨料对混凝土强度的影响煤矸石表面粗糙多孔,由于吸水率高而影响强度的提高，但是由于其他作用，煤矸石骨料将也会对混凝土强度有所提高。 一方面, 水泥水化产物能够部分渗入集料表面孔中, 增加集料与界面的啮合摩擦力, 这种机械作用, 大大增加两者之间的粘附力;第二方面,煤矸石吸水微泵作用使得煤矸石轻集料附近处于局部低水灰比状态,因此减少或避免了集料下部由于内分层作用而形成的水囊, 避免了界面处的富集和定向排列, 提高了集料与水泥石的界面粘结力;第三方面,煤矸石经过表面具一定的活性, 且破碎过程中表面粘附有煤矸石粉,它们能与水泥砂浆中的Ca(OH)2发生化学反应, 活性结合作用达到了界面增强的效果; 第四方面, 自燃煤矸石与基体的强度和弹性模量相互匹配, 变形协调作用对混凝土强度的提高是有利的。2.3 细骨料粒径在O.165mm之间的骨料为细骨料，一般采用天然砂，砂是组成混凝土和砂浆的主要组成材料之一，是土木工程的大宗材料。砂一般分为天然砂和人工砂两类。由自然条件作用（主要是岩石风化）而形成的，粒径在5mm以下的岩石颗粒，称为天然砂。人工砂是由岩石轧碎而成，由于成本高、片状及粉状物多，一般不用。 砂的粗细程度是指不同粒径的砂粒混合在一起的平均粗细程度。通常有粗砂、中砂、细砂之分。砂的颗粒级配是指砂子大小颗粒的搭配比例。如果是同样粗细的砂，空隙最大，两种粒径的砂搭配起来，空隙有所减小，三种粒径的砂搭配，空隙更小。由此可见，砂子的空隙率取决于砂料各级粒径的搭配程度。级配好的砂子，不仅可以节省水泥，还提高了混凝土和砂浆的密实度及强度。砂的粗细用细度模数x表示。细度模数越大，表示砂越粗。根据细度模数大小范围，把砂划分为粗砂、中砂、细砂、特细砂（本实验采用的砂为普通砂）。第三章 实验材料与实验方法3.1 煤矸石混凝土实验材料3.1.1 水泥水泥成粉末状，是一种良好的无积水硬性胶凝材料。它与水混合后成为可塑性浆体，经一系列物理化学作用凝结硬化成坚硬石状体，并能够将散粒状材料凝结成为整体。硅酸盐水泥的主要技术指标（表3-1）如下：（1） 凝结时间凝结时间是指水泥从加水开始到失去流动性为止，即从可塑状态发展到固体状态所需的时间，分为初凝和终凝，其中初凝时间为水泥从开始加水拌合起至水泥砂浆开始失去可塑性所需的时间;终凝时间是从水泥开始加水拌合起至水泥浆完全失去可塑性，并开始产生强度所需的时间。本实验所测得水泥泥初凝时间为50min，终凝时间为3.5h，符合国家标准。（2） 细度 细度是指粉体材料的粗细程度。通常用筛分分析法或比表面积法来测定。水泥颗粒越细，其表面积越大，与水接触越充分，水化反应进行的越快、越充分，凝结硬化越快，强度特别是早强越高。但是水泥越细，硬化收缩也越大，储存过程中也容易受潮。因此应适当控制水泥细度。 图3-1 水泥安定性（3） 体积安定性水泥的安定性是指水泥在凝结硬化工程中，体积变化的均匀性。如水泥硬化后产生不均匀的体积变化，即为体积安定性不良。使用安定性不良的水泥，将会导致构件产生膨胀性裂缝，降低工程质量，甚至引起严重事故。本文所用水泥安定性良好（见图3-1）。本实验所用水泥是巢湖海螺牌42.5级水泥，水泥胶砂实验结果见表3-2。表3-1 水泥的性能指标标准稠度（%）安定性凝结时间（min）初凝终凝28.5合格85205表 3-2 水泥胶砂实验强度指标抗压强度抗折强度龄期328328实验值20.2546.553.786.853.1.2 拌合用水 符合国家标准的生活饮用水，可拌制各种混凝土。本实验采用的是合肥自来水。3.1.3 细骨料细骨料即是砂子。可分为天然砂和人工砂两种。细骨料的主要技术要求包括：砂的粗细和颗粒级配，砂的坚固程度，含泥量和泥块含量，沙中有害物质含量。本试验所用细骨料为天然河砂，系合肥市市政搅拌站提供，经检验其细度模数为2.7，含泥量为0.9%，泥块含量为0.2%，符合国家标准建筑用砂 (GB/TI46852001)的要求，检验结果为2区中砂，见表3-3 砂的颗粒级配。3.1.4 粗骨料本实验采用的粗骨料是煤矸石，其备至和详细性能见第二章。表3-3 砂的颗粒级配级配区1区2区3区试验结果细度模数筛孔尺寸（mm）9.500002.37砂4.7510-010-010-09.6颗23635-525-515-522.6粒1.1866-3550-1025-030.8级0.685-7170-4140-1646配0.395-8092-7085-5578.40.15100-90100-90100-9091.63.1.5 减水剂减水剂就是在混凝土坍落度基本相同的情况下，能减少拌合水量的外加剂。减水剂种类很多，按减水率的大小可分为普通减水剂和高效减水剂。减水剂的减水作用主要是混凝土对减水剂的吸附和分散作用。适当的减水剂可以有效地增加混凝土的流动性，提高混凝土的强度、密实度，降低混凝土的透水性，节约水泥，提高混凝土的耐久性。本试验在混凝土中掺入一定量的减水剂目的是在保持水胶比不变的情况下增加煤矸石混凝土的流动性，提高煤矸石混凝土的工作性能，从而更好的符合工程实际情况。本文所使用的减水剂为聚羧酸高效减水剂，减水率为19%，符合国家标准。考虑工程中经济因素，减水剂掺量为1%。3.2 煤矸石混凝土的设计理念3.2.1 配合比设计前的准备资料（1）设计要求的混凝土强度等级；（2）工程所处环境对混凝土的耐久性要求；（3）设计要求的混凝土拌合物坍落度；（4）结构截面尺寸，以确定粗骨料的最大粒径；（5）各种原材料的品种和技术指标。3.2.2 配合比设计的要求配合比设计的任务，就是根据原材料的技术性能及施工条件，确定能满足工程所要求的技术经济指标的各项组成材料的用量。配合比设计的基本要求包括：(1). 满足结构设计所要求的混凝土强度等级；(2). 满足混凝土施工所要求的和易性；(3). 满足工程所处环境和使用条件要求；(4). 在满足上述要求的前提下，尽可能节约水泥，降低成本，符合经济性原则。3.2.3 基于自由水灰比的煤矸石混凝土配合比设计（1）煤矸石混凝土强度的离散性 配合比设计中，采用如下的混凝土的试配强度公式： Error! No bookmark name given. （3-1）（2）煤矸石骨料对煤矸石混凝土配合比设计的影响骨料的含水状态通常分为四种：干燥状态、气干状态、饱和面干状态和湿润状态。在计算混凝土各组成材料配比时，若以饱和面干状态的骨料为基准，则不会影响混凝土的用水量和骨料的用量，因为饱和面干状态的骨料既不从混凝土中吸收水分，也不向混凝土中释放水分。对于煤矸石混凝土，煤矸石骨料较大的吸试验确定吸附用水量参照同级普通混凝土的用水量确定初步拌和用水量根据混凝土的和易性和坍落度调整用水量按水灰比、砂率的变动后各种配合比进行强度验证最终确定实验室配合比拟定试配配合比 图2-3 设计流程图水率和粗糙的表面导致煤矸石混凝土随着时间的推移。水分不断的减少，这样将难以保证混凝土正常的凝结硬化。而且由于煤矸石骨料的表面不如普通骨料平整，骨料间粘结应力会有所降低，因此砂率也要相应的提高。（3）基于自由水灰比的配合比设计方法水灰比是混凝土的重要指标，对混凝土的性能影响很大，煤矸石混凝土的拌和用水量分成两部分：一部分为骨料所吸附的水分，这部分完全被骨料所吸收， 在拌和物中不能起到润滑和提高流动性的作用，把它称为吸附水，吸附水为骨料吸水吸至饱和面干状态时的用水量；另一部分为拌和用水量，这部分水分布在水泥砂浆中，提高拌和物的流动性，并且在混凝土凝结硬化时，这部分自由水除有一部分蒸发外，其余的要参与水泥的水化反应，称为自由水。其中，自由水预水泥用量之比称为自由水灰比。配合比设计时，煤矸石混凝土的强度主要取决于自由水灰比。具体设计流程如图3-2。(4)由水灰比的配合比设计方法的优点 水灰比的配合比设计方法，可大幅度降低标准差,节约水泥用量。同时吸附水存储在骨料内部，起到蓄水池作用，为水泥的水化和凝结硬化提供充足的水分，这对混凝土强度的发展是有利的。随着水化的进一步进行，当周围环境较干燥和自由水分蒸发时，骨料可以释放出内部的水分，保证混凝土在较长的时间内保持一定湿度，促进混凝土强度的发展。这种“内养护”通常比外部养护作用更大、更均匀、而且更经济。而且，基于自由水灰比的配合比设计，可以不考虑骨料的吸水率和表面性质的差异。自由水灰比均由混凝土的和易性以及强度决定，吸附水可以在拌和混凝土前，先加入到煤矸石骨料中。若采用不同品质的煤矸石骨料，应依据吸水率的不同分别加入各自所需的吸附水，这样可以使煤矸石混凝土的配合比得到简化。基于以上优点，本实验采用此方法进行配合比设计。3.2.4 煤矸石混凝土初步配合比设计1) 基本参数(1)水胶比 水胶比为混凝上中用水量与胶凝材料的比值，是影响混凝土强度及耐久性最为重要的因素，水胶比较小时，混凝土的强度、密实性及耐久性较高，但耗用水泥较多，混凝上发热量也较大;水胶比较大时，混凝土强度低，影响了混凝土拌合物的黏聚性及保水性等。（2）用水量 用水量是决定混凝土拌合物流动性的基本因素，确定混凝土单位用水量应根据施工要求的混凝土拌合物流动性、骨料的级配以及最大粒径、水泥用量、使用外加剂情况等条件确定。（3）砂率 砂率是指混凝土中砂的用量与砂石总量质量比，合理的砂率应根据拌合物的坍落度、黏聚性和保水性等特征来确定，在保证拌合物不离析，又能很好地浇灌、捣实的条件下，应尽量选用较小的砂率，可节约水泥。2) 初步配合比设计本课题拟配C30及C40强度等级混凝土.首先根据JGJ 55-2000普通混凝土配合比设计规程按照普通混凝土配合比设计方法设计，然后确定吸附水的用量，该部分水根据再生粗骨料的有效吸水率确定。3) 配合比试配与调整为了使再生混凝土具备符合条件的和易性和适宜的坍落度指标，对经过计算的初步配合比进行多次调整和试配。调整的依据是在不改变水灰比的前提下，微量增加或减少单位体积内水泥浆的用量。增加水泥浆（水灰比不变）时，拌和物的流动性增强，坍落度增加；反之，减少水泥浆时，拌和物的流动性变差，坍落度减少。4)配合比详表表3-4 C30煤矸石混凝土试验配合比编号水灰比砂率（%）单位体积骨料用量（kgm3）坍落度（mm）立方体轴心抗压强度（28d）水水泥砂粗骨料减水剂10.480.38200396.8368511163.96037.420.450.4318039684211163.963036.530.480.43190395.83766.81016.53.9516733.440.450.43178.1395.83766.81016.53.9516037.1表3-5 C40煤矸石混凝土试验配合比型号水灰比砂率（%）单位体积骨料用量（kgm3）坍落度（mm）立方体轴心抗压强度（28d）水水泥砂粗骨料减水剂10.320.35164.8515637.071183.135.1515048.420.320.4164.8515637.07946.55.1521044.630.40.35230575593.251101.755.7518546.65）最终使用混凝土配合比表3-6 煤矸石混凝土试验最终配合比型号水灰比砂率（%）单位体积骨料用量（kgm3）坍落度（mm）立方体轴心抗压强度（28d）水水泥砂粗骨料减水剂C300.450.43178.1395.83766.81016.53.9516037.1C400.40.35230575593.251101.755.7518546.63.3 净浆裹石工艺在煤矸石混凝土的应用在试验中，我们采用了净浆裹石的搅拌工艺。煤矸石粗集料混凝土与普通混凝土相比，由于组成复杂，存在两种浆体和两种界面。因而其力学性能受更多种因素的影响。尽管如此，努力改善煤矸石集料与新浆体之间的界面粘结仍不失为提高煤矸石混凝土强度的一种有效措施。由于需要 图3-3 测定坍落度配得的煤矸石混凝土强度较高，我们考虑了废弃混凝土在破碎工艺过程中，使我们得到的废弃混凝土骨料内部产生了细微裂缝，从而对强度产生不利影响。采用净浆裹石工艺可以增强骨料界面的机械咬合作用，改善煤矸石混凝土骨料之间的界面，从而提高混凝土强度。3.3.1原理分析混凝土强度由骨料强度、水泥石强度以及水泥石和骨料表面间的粘结强度决定， 对于煤矸石混凝土来说， 骨料强度是足够的。结构中最主要、最薄弱的环节是各相间界面的粘结力，其中水泥石与