矿用煤矸石混凝土力学性能试验研究.pdf
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1、 收稿日期:2023 05 16基金项目:深部岩土力学与地下工程国家重点实验室 2021 年度开放基金(SKLGDUEK2215)作者简介:张道平(1987-),男,山东单县人,工程师,从事煤炭开采、煤质管理及煤矸洗选技术工作。doi:10.3969/j.issn.1005-2798.2023.09.001矿用煤矸石混凝土力学性能试验研究张道平(国家能源集团 神东煤炭经销中心,陕西 神木 719315)摘 要:在系统分析当前煤矸石开发利用的基础上,提出一种面向矿山应用的大掺量煤矸石混凝土。与传统煤矸石混凝土相比,矿山工程领域对混凝土的强度要求相对较低,为大掺量使用煤矸石代替天然骨料提供了可能。
2、文章以煤矸石骨料类型和替代率为变量,分别研究了不同配比设计对矿用煤矸石混凝土物理特性、工作性能和流动性的影响。研究结果表明:与细骨料相比,煤矸石粗骨料的掺量对矿用煤矸石混凝土力学特性的影响更加显著,细骨料主要影响煤矸石混凝土的工作性能;矿用煤矸石混凝土单轴抗压强度和弹性模量随着煤矸石骨料掺量的增加有所降低;随着煤矸石骨料掺量的增加,煤矸石混凝土的变形能力有所增强。研究成果有助于推动煤矸石混凝土在矿山工程领域的应用。关键词:煤矸石;绿色混凝土;力学性质;轴向荷载中图分类号:TU528 文献标识码:A 文章编号:1005 2798(2023)09 0001 05Physical and Mecha
3、nical Properties of Coal GangueConcrete Designed for Coal MinesZHANG Daoping(Shendong Coal Distribution Center of National Energy Group,Shenmu 719315,China)Abstract:Based on the systematic analysis of the current development and utilization of coal gangue,a new type coal gangue concrete is proposed.
4、Compared with the traditional coal gangue concrete,the strength requirements of concrete in the field of mining engineering are relatively low,which makes it possible to use coal gangue instead of natural aggregate in a large amount.Taking the substitution rate of natural aggregate in concrete as a
5、variable,this paper studies the effects of different aggregate types and substitution rate on the physi-cal properties,working performance and fluidity of mine gangue concrete.The results show that:the coarse aggregate of coal gangue has an obvious influence on the physical and mechanical properties
6、 of mining coal gangue concrete;the function of fine aggregate is mainly reflected in the working performance;with the increase of coal gangue aggregate substitution rate,the uniaxial compressive strength and elastic modulus of mining coal gangue concrete show a significant downward trend;the longit
7、udinal deformation capacity of mine coal gangue concrete increases with the increase of coal gangue aggregate.The relevant research results will help to further promote the wide application of coal gangue concrete in the field of mine engineering.Key words:coal gangue;green concrete;mechanical prope
8、rties;axial load 煤矸石是煤炭资源开采和洗选过程中的一种必然产物。相关统计数据表明,我国煤矸石的产出率占到原煤产量的 15%20%1-3。按照 2021 年原煤产量 41 亿吨计算,全国煤矸石产出率约为 6 亿吨,已经成为我国大宗固体废弃物之一4-7。在全面推进大宗固体废弃物综合利用和发展循环经济的背景下,我国煤矸石的综合利用率得到稳步提升,形成了以生产建筑材料、采煤塌陷区的环境治理、矿井煤矸石固体充填和盐碱地、沙漠化土地的生态修复为代表的煤矸石综合利用技术体系。考虑到煤矸石的主要成分为 Al2O3和 SiO2,与天然骨料混凝土中使用的砂石资源具有相似的矿物组成,国内外相关学者
9、提出采用煤矸石作为混凝土骨料制备绿色混凝土的思路,并开展了大量研究。段晓牧等8-9通过实验室试验的方法研究了产自不同地区的煤矸石在不同颗粒分布特征和预处理条件下的物理力学特性,验证了煤矸石作为混凝土骨料的可行性;李永靖等10研究了采用煤矸石和普通碎试试验验研研究究 第第 3 32 2 卷卷 第第 9 9 期期 2 20 02 23 3 年年 9 9 月月石制备的混凝土试件的耐久性问题,验证了煤矸石骨料制备混凝土的可行性;朱愿愿等11使用煅烧过的煤矸石细骨料制备水泥砂浆,结果表明砂浆的早期强度提升较为明显;顾云等12的研究结果表明煤矸石骨料掺量与混凝土单轴抗压强度之间具有负相关性。白国梁等13研
10、究发现采用煤矸石混凝土和天然骨料混凝土制作的梁结构的变形破坏模式差异不大。上述研究结果表明:采用煤矸石骨料部分替代天然骨料制备绿色混凝土构件从理论和技术方面上是可行的。考虑到建筑结构对材料力学性能和结构稳定的双重要求,为确保煤矸石混凝土具备良好的力学性能和结构耐久性,国内外相关研究人员在理论方面进行 研 究,但 在 实 际 工 程 领 域 的 应 用 相 对 较少14-15。然而,对于煤矿井下工程(如巷道底板硬化、喷射涂层、巷旁充填等)而言,通常对混凝土强度和变形能力的要求相对较低,为大掺量煤矸石混凝土的制备提供了可能16-18。尤其随着井下煤矸智能分选技术的成熟,在煤矿井下就地制备大掺量煤矸
11、石混凝土的技术经济效益将更加明显。为此,本研究项目选取国家能源集团乌兰木伦矿煤矸石为研究对象,以煤矸石骨料类型(粗骨料和细骨料)和骨料替代率为变量,开展面向矿山工程应用背景的煤矸石混凝土物理力学性能试验研究。取得的相关研究成果对于进一步促进“碳中和、碳达峰”目标的实现和推动绿色经济社会转型方面具有重要的作用。1 实验方案1.1 试件概述本试验研究总共测试了 21 个标准圆柱试样(直径 150 mm,高度 300 mm)。如表 1 所示,按照混凝土的类型,可以将上述试件划分为天然骨料混凝土(Natural Aggregate Concrete,NAC)和煤矸石混凝土(Coal Gangue Co
12、ncrete,CGC)2 个类型。其中,天然骨料混凝土包括 3 个配比完全相同的未使用煤矸石骨料的标准试件。对于煤矸石混凝土,根据粗骨料和细骨料的体积替代率的不同,将其划分为 6 个小组。其中,粗骨料的替代率分别设定为 25%,50%和100%,细骨料的替代率分为 2 种。一种为 0%(即没有细骨料替代),另一种设定为相应组别中粗骨料替代率取值的一半。为便于后续比较说明,给具有相同配比的煤矸石混凝土给予一个组名,其中组别中最前面的 CGC代表煤矸石混凝土,后续的两个阿拉伯数字分别代表粗骨料和细骨料的替代率。以 CGC-25-12.5 为例,该组所有的试件均为煤矸石混凝土试件,其中粗骨料和细骨料
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