掺煤矸石的玻化微珠保温混凝土劈裂抗拉强度与抗压强度相关性研究

刘鸽，黄骁，李珠，张泽平

（1.山西经济管理干部学院，山西太原 030024；2.太原理工大学建筑与土木工程学院，山西太原 030024）

掺煤矸石的玻化微珠保温混凝土劈裂抗拉强度与抗压强度相关性研究

刘鸽1，黄骁2，李珠2，张泽平2

（1.山西经济管理干部学院，山西太原 030024；2.太原理工大学建筑与土木工程学院，山西太原 030024）

通过不同煤矸石取代率下的煤矸石玻化微珠保温混凝土劈裂抗拉强度、立方体抗压强度试验，研究了煤矸石取代率对拉压比的影响，对比分析了轻骨料混凝土、普通混凝土与煤矸石玻化微珠保温混凝土劈拉强度与立方体抗压强度之间的关系。研究结果表明：煤矸石玻化微珠保温混凝土的劈拉强度随煤矸石所占比例的增加而降低，拉压比也随之降低；在试验分析的基础上，提出了煤矸石玻化微珠保温混凝土劈拉强度与抗压强度关系的建议公式。

煤矸石；玻化微珠；劈裂抗拉强度

0　引言

煤矸石是煤炭工业生产过程中排放出的固体废弃物，如不能及时、有效地处理将会对社会环境和生态环境都造成严重的威胁。山西作为产煤大省，现有煤矸石储量巨大，而且煤矸石储量年增长率逐年上升，采取高效的节能环保措施对煤矸石进行综合利用势在必行。利用煤矸石作为混凝土集料生产煤矸石玻化微珠保温混凝土，一方面可以大量利用煤矸石，另一方面可以显著地减少建筑工程中对天然集料的使用量，具有较好的经济效益和社会效益[1]。本课题组对煤矸石玻化微珠保温混凝土的导热系数进行了测试，结果符合保温性能的要求，在此基础上本文对掺煤矸石的玻化微珠保温混凝土劈裂抗拉性能与抗压强度进行试验研究。

目前，有许多指标可以评定混凝土的抗裂性能，其中拉压比是较常用的评价指标之一[2]。为此，研究人员已经对普通混凝土抗压强度和劈裂抗拉强度的相关性进行了大量试验研究[3]，而关于掺煤矸石的玻化微珠保温混凝土的劈裂抗拉强度和抗压强度的相关性研究尚未见报道。本文基于课题组对普通玻化微珠保温混凝土的研究成果[4]，通过利用煤矸石取代天然石子并改变煤矸石掺量的思路，对煤矸石玻化微珠保温混凝土的抗压强度和劈裂抗拉强度的相关性进行了研究，探讨了煤矸石玻化微珠保温混凝土的劈裂抗拉强度计算公式，这将会推动煤矸石玻化微珠保温混凝土的后续研究以及为工程应用提供基础性的工作。

1　试验

1.1原材料及主要试验设备

煤矸石：采用太原市西铭矿区煤矸石集料，人工破碎、筛分成为10～30 mm的煤矸石骨料，经水冲洗晒干后当作粗骨料使用。试验使用同一地区同一批次煤矸石，以防因煤矸石组成等差异，对实验造成影响，具体参数见表1。

表1　煤矸石和碎石的基本物理性能

玻化微珠：粒径为18～30 mm、30～50 mm，河南信阳某工厂生产，具体参数如表2所示。

表2　玻化微珠的基本性能

水泥：太原狮头牌P·O42.5水泥，性能符合GB175—2007《通用硅酸盐水泥》标准要求。

碎石：粒径为10～30 mm普通碎石，太原周边产，其技术指标符合GB/T 14685—2011《建筑用卵石、碎石》标准要求，具体参数见表1。

砂：忻州豆罗砂，细度模数2.94，为中砂。

减水剂：萘系减水剂。

外加剂Ⅰ：为本课题组自行研制，用于提高混凝土抗压性能，有保水、防止离析、泌水、大幅降低混凝土泵送阻力的作用。

WAW-2000kN型液压万能试验机、STYE-3000C型电脑全自动混凝土压力机，分别进行煤矸石玻化微珠保温混凝土劈裂抗拉试验和抗压试验；导热系数测试采用沈阳微特应用技术开发有限公司生产的PDR-3030B型平板导热系数测定仪（稳态双平板法），其测量范围为0.01～1.00W/（m·K），测量精度为3%。

1.2试验方案

1.2.1试验配合比

各组掺煤矸石的玻化微珠保温混凝土试件设计强度均为C35，参照JGJ55—2000《普通混凝土配合比设计规程》，水灰比取0.41，砂率为26.8，试验混凝土的基本配合比（kg/m3）为：m（水泥）∶m（砂）∶m（煤矸石+石子）∶m（玻化微珠大颗粒）∶m（玻化微珠小颗粒）∶m（水）∶m（减水剂）∶m（外加剂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较大，因此在配制煤矸石玻化微珠保温混凝土之前对煤矸石进行了预湿。各组不同煤矸石玻化微珠保温混凝土的煤矸石取代率见表3。

表3　各组玻化微珠保温混凝土试样的煤矸石取代率

1.2.2煤矸石玻化微珠保温混凝土的制作与养护

煤矸石玻化微珠保温混凝土拌和物采用HJW型强制式混凝土搅拌机搅拌。先用适量水润湿搅拌机。为了保证拌制的混凝土的均匀性，搅拌过程中采用先干拌后湿拌的方法，即先搅拌砂和水泥至均匀，接着加入玻化微珠、外掺料搅拌20 s，再加入煤矸石和石子粗集料，继续搅拌至均匀，最后加水，搅拌2～4min后，立即测量塌落度。将拌合物注入尺寸为150 mm× 150 mm×150 mm的模具中，及时在标准振捣台进行振捣，边振捣边用捣棒插实，防止气泡产生，接着用抹具抹平表面，妥善放置24 h后拆模。再将混凝土试块放入养护室并在标准条件下养护28 d，然后分别测试其劈裂抗拉强度和抗压强度。

1.2.3煤矸石玻化微珠保温混凝土劈裂抗拉强度及抗压强度试验方法

煤矸石玻化微珠保温混凝土的劈裂抗拉强度和抗压强度按GB/T 50081—2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》进行测试。

2　试验结果分析与讨论

2.1试验现象

在进行劈裂抗拉试验时，加载初期，煤矸石玻化微珠保温混凝土试块表面未发现有裂缝出现，随着荷载的增大，试块内的应力不断增加，开始在试块中部出现竖向裂缝，接着延伸至垫条附近，当荷载继续增加，该混凝土中部的裂缝宽度逐渐增大，最后混凝土被劈裂。图1为煤矸石玻化微珠保温混凝土试块的典型裂缝，图2为其劈裂破坏截面形态。

由图2可见，劈拉试验中，不同煤矸石取代率的混凝土破坏形态略有不同，取代率为2个极端的混凝土（取代率100%、0%），因骨料均为煤矸石或天然石子，破坏断面比较平整；而煤矸石和天然石子混合骨料的混凝土（取代率30%、50%、70%），破坏断面比较粗糙，因为煤矸集料表面粗糙且吸水率较大，降低了水泥砂浆与煤矸石集料粘结界面的局部水灰比，从而导致水泥砂浆与煤矸石的粘结强度较高，同时煤矸石的颗粒强度比天然石子粗集料的强度低且属于层状结构，所以混合煤矸石和天然石子骨料的混凝土破坏断面贯穿了大部分较大煤矸石骨料，而石子只有极少部分破坏，故破坏断面比较粗糙。

抗压强度试验中发现，各煤矸石粗骨料取代率混凝土的破坏模式基本相同。试验开始加载时，煤矸石玻化微珠保温混凝土试块表面未开裂，随着荷载的增加，试块内的应力不断增大，离试块两侧大约2 cm的位置开始出现竖向裂缝，随着荷载的进一步增加，裂缝延伸至试块角部，形成斜裂缝。随着荷载的继续增加，试块内部开始发生变化，新产生的裂缝向内发展，随后试块表面开始膨胀甚至剥落，最终呈现出正倒相连四角锥形状的破坏形态（见图3）。

图1　劈裂抗拉强度试验及其典型裂缝

图2　煤矸石玻化微珠保温混凝土试块劈拉破坏形态

图3　煤矸石玻化微珠保温混凝土的抗压强度试验破坏形态

从图3抗压强度试验的破坏形态来看，大多数煤矸石粗骨料被直接贯穿，导致煤矸石玻化微珠保温混凝土破坏，但是试验中也发现少数混凝土试块表现出较大的脆性。

2.2劈裂抗拉强度试验结果与分析（见表4）

表4　煤矸石玻化微珠保温混凝土的力学性能试验结果

2.2.1煤矸石取代率对煤矸石玻化微珠保温混凝土劈拉强度及抗压强度的影响

由表4可见，随着煤矸石粗骨料取代率的增大，混凝土的抗压强度、劈裂抗拉强度均有不同程度的降低。与普通玻化微珠保温混凝土相比，煤矸石取代率分别为30%、50%、70%和100%时，劈拉强度依次降低了20.6%、24.5%、41.1%、45.4%，抗压强度依次降低了7.9%、11.7%、25.3%、30.6%。原因主要是掺入煤矸石骨料后，由于煤矸石自身的层状结构特性以及煤矸石骨料的孔隙率高，在单轴应力作用下，容易形成应力集中[5]，煤矸石掺量越大，应力集中越明显。

2.2.2煤矸石取代率对混凝土拉压比的影响

由表4可以看出，煤矸石玻化微珠保温混凝土的劈拉强度与立方体抗压强度的比值大约在0.09～0.13，在水灰比一定时，该比值随着煤矸石取代率的减小而增大，即随着强度的提高而增大，这一规律与普通混凝土和再生骨料混凝土的强度越高拉压比越低的规律有所不同。由此可见，骨料种类对抗压强度的影响要高于对劈裂抗拉强度的影响。

2.2.3劈裂抗拉强度与抗压强度之间的关系

在GB 50010—2002《混凝土结构设计规范》中，给出了普通混凝土的劈裂抗拉强度与抗压强度的换算关系式：

国内行业采用的轻骨料混凝土[6]劈裂抗拉强度与抗压强度换算关系见式（2）：

根据试验结果，煤矸石玻化微珠保温混凝土劈裂抗拉强度与立方体抗压强度之间的关系如图4所示。

图4　煤矸石玻化微珠保温混凝土劈裂抗拉强度与抗压强度的关系

通过回归分析得到关系式（3）：

式中：fGts——煤矸石玻化微珠保温混凝土劈裂抗拉强度，MPa；

fGcu——煤矸石玻化微珠保温混凝土立方体抗压强度，MPa。

将按式（1）～式（3）计算出的结果与本文试验结果进行对比，结果见表5。

表5　劈裂抗拉强度试验值与计算值MPa

从表5可以看出，采用式（3）所得的计算值与试验值相比较式（1）、式（2）更为接近。因此，煤矸石玻化微珠保温混凝土的劈拉强度与立方体强度之间的关系，建议采用通过回归分析得到的相关公式（3）计算较为妥当。

考虑煤矸石取代率不同的因素，设煤矸石取代率为δ，可将式（3）改写成：

式中：k——为待定参数。

将表4试验数据代入式（4），可反算出k值，结果见表6。

表6　煤矸石玻化微珠保温混凝土劈裂抗拉强度公式参数

故煤矸石玻化微珠保温混凝土劈裂抗拉强度计算公式为：

由表5可知，应用式（5）计算得到的结果能较好地与煤矸石玻化微珠保温混凝土劈裂抗拉强度的试验值相吻合。

2.3煤矸石玻化微珠保温混凝土的导热系数

随着煤矸石取代率的不同，煤矸石玻化微珠保温混凝土的导热系数在0.4978～0.7840 W/（m·K）范围内变化，见图5。

图5　煤矸石掺量对煤矸石玻化微珠保温混凝土导热系数的影响

由图5可以看出，随着煤矸石取代率的增加，导热系数呈下降趋势，这与煤矸石集料的轻质、内部孔隙较多等因素有关。煤矸石玻化微珠保温混凝土导热系数最低可以达到0.4978 W/（m·K），相比普通混凝土1.51 W/（m·K）[7]降低了67%，具有良好的保温性能，可见煤矸石玻化微珠保温混凝土的应用前景相当可观。

3　结语

（1）煤矸石玻化微珠保温混凝土的劈裂抗拉强度与拉压比随着煤矸石粗骨料所占比例的减小而增大。

（2）通过试验数据分析，借助统计回归方法，初步探讨了煤矸石玻化微珠保温混凝土劈裂抗拉强度计算公式，并在式（3）基础上提出了煤矸石取代率、劈裂抗拉强度和立方体抗压强度三者之间的关系式。式（5）计算结果与试验结果能较好地吻合。

（3）煤矸石玻化微珠保温混凝土具有良好的保温性能，应用前景可观。

[1]朱泽忠.煤矸石混凝土的研制及其性能测试[D].淮南：安徽理工大学，2014.

[2]刘数华，方坤河，曾力，等.混凝土抗裂评价指标综述[J].混凝土，2004（5）：32-33.

[3]王德辉，尹健，彭松袅.再生混凝土抗压强度与劈裂抗拉强度相关性研究[J].粉煤灰，2009（2）：3-6.

[4]张泽平.玻化微珠保温混凝土及其结构的基本性能试验与理论分析研究[D].太原：太原理工大学，2009.

[5]张泽平，董彦莉，李珠.玻化微珠保温混凝土试验研究[J].新型建筑材料，2007（11）：73-75.

[6]龚洛书.轻集料混凝土[M].北京：中国铁道出版社，1996.

[7]GB 50176—1993，民用建筑热工设计规范[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

国家自然科学基金项目（51308371）；教育部高等院校博士点基金项目（20101402120007）；山西省自然科学基金项目（2014011033-1）

2016-03-04；

2016-04-11

刘鸽，女，1986年生，山西运城人，讲师，研究方向：结构工程。