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基于煤矸石混凝土正交试验的试验研究

2024-10-10 38 上传者：管理员

摘要：目前，煤矸石是我国年排放量和累计堆存量最大的工业废弃物之一，有文献研究发现，煤矸石粉碎后，其可以部分或全部代替黏土组分生产普通水泥。该研究以煅烧过的煤矸石粉与非煅烧过的煤矸石粉为研究对象，在混凝土中利用煤矸石替代一部分水泥，来研究混凝土的抗压强度。通过正交试验，发现煅烧过的煤矸石粉活性大于未煅烧的，且煅烧过煤矸石替代水泥的最佳替代范围大致在20%～35%；未煅烧过煤矸石替代水泥的最佳替代范围大致在15%～30%。这个研究结果实现对煤矸石的再利用，具有保护环境和节约资源的重要意义。

关键词：
抗压强度
替代率
水泥
活性
煤矸石粉
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煤矸石是目前我国年排放量和累计堆存量最大的工业废弃物之一，煤矸石中含有大量的有机成分，同时富含金属、碱土，以及碳、氮、氧、硫、硅、铝和钾等多种化学元素[1]。而传统混凝土的生产是通过将水泥与砂子和砾石相结合而制成的，占全球温室气体排放量的5%～8%。这是因为水泥是混凝土中的关键成分，需要高温和大量的能源来生产。因此，如果要减少能源消耗的话就得寻找代替水泥的物质，把煤矸石粉碎后，煤矸石可以全部或部分代替黏土组分生产普通水泥[2-3]。自燃或人工燃烧过的煤矸石，具有一定活性，可作为水泥的活性混合材料[4]，一般掺合量小于20%可生产普通硅酸盐水泥；而当掺合量在20%～50%可生产火山灰质水泥；掺合量大于50%可生产少熟料水泥；硅酸盐水泥是由水玻璃与火山灰质混合形成，以硅酸盐为主，掺入少量其他成分。火山灰质硅酸盐水泥是以石膏（CaSO4·2H2O）作胶凝剂，用火山灰质原料（如玄武岩、辉绿岩、安山岩等）与石灰石为主要原料，加入少量其他成分组成。而我国当前仅对水泥的强度指标、安定性和凝结时间作了规范要求，尚未对水泥颗粒的化学成分、掺合料和级配作出规定[5]。

1、试验材料

1.1水泥

因为考虑到掺和量的问题，以及贴合规范的要求，所以本实验采用的是P·O32.5级粉煤灰碳酸水泥[6]。

1.2粗集料

按照JTG E42—2005《公路工程集料试验规程》规定，在水泥混凝土中，粗集料是指粒径大于4.75 mm的碎石、砾石I，本试验中粗骨料采用的是4.75～6 mm的连续级配碎石[7]。

1.3细集料

按照JTG E42—2005《公路工程集料试验规程》规定，在水泥混凝土中，细集料是指粒径小于4.75 mm的天然砂、机制砂。本试验中采用天然河砂[7]。

1.4煤矸石粉

煤矸石（coal gangue）是采煤和洗煤工业的副产品，是无机质和少量有机质的混合物。其灰份的化学成分主要是：SiO2、Al2O3、C和少量的Fe2O3、CaO、MgO、Na2O、K2O、SO3、P2O5、N和H等，产地不一样其微量化合物也不一样。煤矸石的矿物成分以黏土矿物和石英成分为主。

含碳量较高的煤矸石，可从中回收煤炭或做工业生产的燃料，如化铁、烧锅炉、烧石灰，以及生产煤气或在选煤厂通过洗选回收煤炭；含碳量较低的煤矸石可用作生产砖瓦、水泥、轻骨料、沸石分子筛、矿渣棉和工程塑料等建筑材料；含碳量极少的煤矸石可用来填坑、造地和作路基材料。一些煤矸石粉还可以用来改良土壤、做肥料和农药载体。氧化铝含量高的煤矸石，可以用来提取化学品。附加值较高的用途如制高效絮凝剂、制高档瓷[8]。

本次试验采用经过煅烧和未经过煅烧2种不同的煤矸石粉。

1.4.1煅烧过煤矸石粉主要成分表

煅烧过煤矸石粉的主要成分见表1。

1.4.2未煅烧过煤矸石粉主要成分表

未煅烧过煤矸石粉的主要成分见表2。

1.5水

本次试验采用水为自来水，其密度为1 g/cm3，符合拌合用水标准。

2、试验方法

本次试验运用了正交试验的方法，正交试验设计（Orthogonal experimental design）是一种用于优化和改进产品、工艺或系统的实验设计方法，其通过系统地变化和组合不同因素的水平，以确定对结果影响最大的因素和最佳的因素组合。

正交试验设计的核心思想是通过选择特定的因素水平组合，使得每个因素都能在不同的水平上进行测试，并且能够独立地评估每个因素对结果的影响。这样可以在有限的试验次数内获得较全面的信息，减少试验次数，提高试验效率。

正交试验设计通常使用正交表来安排试验条件，以确保各个因素之间的相互作用最小化。通过分析试验结果，可以确定主要影响因素和最佳的因素水平组合，从而优化产品或工艺，提高效率和性能。明确测试煤矸石粉代替部分水泥制造混凝土试块的目的，确立多个试验方案，进行试验对比，并将试验结果和数据进行统计分析对比，从而确立最后的结论。

表1煅烧过煤矸石粉主要成分表

表2未煅烧过煤矸石粉主要成分表

3、试验制备

首先确定C30混凝土的配合比，然后对试验材料（水、水泥、煤矸石粉、细集料、粗集料）进行称量。再按照不同比例的煤矸石粉替代水泥进行混凝土试块的分组制作，尺寸为150 mm×150 mm×150 mm的正方体标准试块（煤矸石粉替代量的范围为15%～80%）。按照《混凝土强度检验评定标准》进行振捣和养护，并在养护时间为7、14和28 d时进行抗压试验，测试并记录各组的抗压强度数值[8]。

此外，采用正交试验方法对煤矸石混凝土的配合比进行设计。选择了煤矸石粉种类和煤矸石粉替代率这2个因素作为重要指标。每个指标选取了2个水平。一是煤矸石粉种类包括煅烧过和未煅烧（即活性的强度不同）；二是不同煤矸石粉替代率下的混凝土抗压强度，通过这样的正交试验设计可以系统地评估不同煤矸石粉种类和掺量对混凝土性能的影响，进一步优化配合比设计，以获得最佳替代量下的煤矸石混凝土性能。

4、配合比设计

煤矸石混凝土的配合比设计见表3。

4.1混凝土的制备

双卧轴搅拌机发动前首要查看旋转部分与料筒是否有刮碰现象，如有刮碰，应及时调整。

减速箱应注入机油后方能运用，卸料蜗轮及滑动轴承处也应注入机油，然后清理料筒内杂料，将筒体限位装置锁紧，发动机器（如在发动后发现工作方向不符合要求时，应及时堵截电源，将导线的任意两根相线交换方位，再重新发动）将混凝土拌合物料装入料筒内，合上筒盖，根据搅拌时刻调整时刻继电器的守时（必须在断电情况下调整），按动发动按钮，主轴便带动搅拌铲工作，到达设守时刻后主动停车，进行卸料。卸料时先停机，然后将料体位约束受柄松开，再旋转手轮，由蜗轮带动料筒旋转到便于出料的方位，中止转动，然后发动机器使主轴工作方可排出物料，直至将料排干净中止主轴工作，旋转手轮使物料筒复位，最后双卧轴搅拌机清洗料筒，将水倒入料筒内使主轴工作将料筒内残余物料清洗干净或用砂子洗。混凝土双卧轴搅拌机如图1所示。

4.2混凝土的养护

在养护箱中的正方体试块，在养护箱中养护7、14、28 d取出测试其抗压强度。

按照规范混凝土标准养护箱的温度标准为20℃±2℃，相对湿度标准为95%以上，箱内温湿度均匀性应满足上述要求；箱内设有试件放置架，试件放在架子上彼此间距至少保持10～20 mm，加湿装置保证喷出的水是雾化状态，未将水直接浇淋在试件上。标准养护箱如图2所示。

图1混凝土双卧轴搅拌机

图2标准养护箱

表3煤矸石混凝土配合比设计表

5、试验数据

5.1活性分析

使用微机控制电流伺服万能实验机，对煤矸石混凝土的7、14、28 d的抗压强度进行检测，可以获得不同煤矸石粉混凝土的抗压强度数据，具体抗压强度数据见表4，并进一步使用Origin软件进行数据分析。

首先，准备2种不同煤矸石粉混凝土的试样，并进行相应的抗压试验。试验过程中，记录下施加在每个试样上的压力和相应的应变值。这样就可以得到一系列数据，分别对应着不同煤矸石粉混凝土的抗压强度。

通过Origin的数据导入功能，将实验数据快速导入并进行处理。然后，使用Origin的绘图工具绘制出不同煤矸石粉混凝土的抗压强度变化曲线。这样可以直观地观察到2种混凝土的抗压强度差异，并对其进行比较和分析。

另外，在绘制抗压强度变化曲线的同时，还可以考虑不同替代率下混凝土抗压强度的变化。即通过改变煤矸石粉在混凝土中的替代率，观察抗压强度的变化趋势。在Origin中，可以使用函数拟合工具对不同替代率下的抗压强度数据进行拟合分析，以得到更准确的曲线拟合结果。

通过Origin软件的数据分析功能，可以更全面地了解不同煤矸石粉混凝土的抗压强度变化及其与替代率之间的关系。这可以为工程设计和材料研究提供有价值的信息，以指导混凝土配方设计和优化。活性差距与抗压强度养护时间关系如图3所示。

表4煤矸石混凝土配合比设计表及抗压强度表

图3活性差距与抗压强度养护时间关系图

通过试验数据以及图3可以看到，在不同替代率下，煅烧过的煤矸石粉混凝土的抗压强度均优于非煅烧过煤矸石粉混凝土。进一步验证了煅烧过煤矸石粉具有更高活性。活性煤矸石粉是指在一定条件下经过特殊处理或煅烧后的煤矸石粉，其具有更高的活性和反应性。煅烧过程可以改变煤矸石粉的颗粒结构和化学性质，从而增强其活性。这可能是由于煅烧过程中发生了物理和化学变化，导致煤矸石粉中的某些化学成分得到激活，使其更容易与水泥和其他混凝土成分发生反应。未经煅烧的煤矸石粉具有较低的活性，因为其未经过类似的处理过程。然而，具体的活性差异可能受到多种因素的影响，如煤矸石粉的原始成分、煅烧温度和时间等。

综上所述，根据图3的分析结果，可以初步得出结论煤矸石粉具有活性，并且煅烧的煤矸石活性大于未煅烧过的。

5.2替代率分析

对不同替代率下抗压强度与养护时间进行对比分析，具体如图4所示。

图4不同替代率下抗压强度与养护时间折线关系图

由试验数据和图4可知，不同替代率下的试块表现出了不同的折线波度曲线。其中，20%无活性和20%有活性试块的波度曲线与纯水泥试块非常相似，这表明这2种替代率下煤矸石粉替代水泥方面的能力比较强。而80%有活性和80%无活性的试块则显示出比较平缓的曲线，这表明这2种替代率下的替代效果不是很好。

在具体替代材料的选择方面，需要考虑到煅烧与未煅烧的煤矸石的替代情况，随着养护时间的延长，20%经过煅烧和未煅烧的煤矸石粉与80%其强度增长趋势和幅度有了明显差距。根据图4数据表明，煅烧过的煤矸石替代水泥的最佳替代范围大致在20%～35%，而未煅烧的煤矸石替代水泥的最佳替代范围大致在15%～30%。

6、结论

本试验主要研究煤矸石粉的活性以及煤矸石对水泥的最佳替代率。通过试验数据以及图3和图4对实验结果进行分析总结，得到如下结论。

1）通过正交试验发现，煤矸石粉具有活性，并且煅烧的煤矸石活性大于未煅烧过的。

2）通过不同替代率下的煤矸石粉混凝土试验发现，煅烧过煤矸石替代水泥的最佳替代范围大致在20%～35%；未煅烧过煤矸石替代水泥的最佳替代范围大致在15%～30%。

试验结果表明，在混凝土生产中，可以将一部分煤矸石粉用作水泥的替代品，从而减少对传统水泥的需求，还能实现对废弃煤矸石的回收利用，具有较高的性价比。这对于保护环境和节约资源具有积极意义。

参考文献: