煤矸石集料混凝土的微觀結(jié)構(gòu)與物理力學(xué)性能研究.pdf

1、煤矸石作為我國目前年排放量和累計存量最大的工業(yè)廢棄物之一,它的堆放方式和處理過程對周圍環(huán)境產(chǎn)生重要影響,因此實現(xiàn)煤矸石的建材資源化是實現(xiàn)煤矸石可再生資源利用的有效途徑。本文以自燃和非自燃煤矸石為混凝土的粗、細(xì)集料,采用理論數(shù)學(xué)模型、物理力學(xué)試驗及光纖傳感技術(shù)等理論和方法,研究了煤矸石集料的摻入對水泥混凝土微觀結(jié)構(gòu)和宏觀物理力學(xué)性能的影響,分析了煤矸石集料混凝土的基本力學(xué)性能和早期收縮性能,得到了煤矸石集料品質(zhì)的評價模型。論文的研究成果將

2、對煤矸石作為混凝土集料的選用原則和煤矸石集料混凝土的設(shè)計、應(yīng)用和推廣等方面提供科學(xué)的理論基礎(chǔ)。
　　運(yùn)用物相分析方法、材料微觀形貌學(xué)方法研究了煤矸石細(xì)集料的活性對混凝土微觀結(jié)構(gòu)的影響。通過煤矸石細(xì)集料-水泥漿體水化產(chǎn)物的物相分析可知,自燃煤矸石細(xì)集料中活性SiO2和Al2O3能夠發(fā)生二次水化反應(yīng),并生成水石榴石、水鈣沸石和鈣鐵榴石等新物質(zhì);通過微觀形貌分析,煤矸石細(xì)集料活性反應(yīng)后,水化產(chǎn)物相互交聯(lián),形成間斷的、孔隙較大的骨架網(wǎng)狀體

3、系并填充于微觀孔隙和微裂縫之中,使微觀結(jié)構(gòu)不夠致密,無法有效地改善水泥基材料的微觀結(jié)構(gòu)特征。通過4組配合比、3種煤矸石細(xì)集料摻量和3個齡期的450個煤矸石細(xì)集料-水泥漿體試塊的抗壓、抗折強(qiáng)度試驗可知,自燃煤矸石的活性反應(yīng)能夠提高水泥基體材料的早期抗壓強(qiáng)度,但對其后期抗壓強(qiáng)度的影響不明顯。煤矸石細(xì)集料和水泥漿體的強(qiáng)度協(xié)調(diào)對煤矸石細(xì)集料-水泥漿體宏觀性能的發(fā)展最為有利。
　　采用 XRD、SEM、EDXA、MIP等多種測試技術(shù),研究了

4、煤矸石集料混凝土界面結(jié)構(gòu)的微觀形貌特征、化學(xué)元素分布特征、孔結(jié)構(gòu)特征及顯微硬度變化,得到了自燃和非自燃煤矸石集料-水泥石基體的界面結(jié)構(gòu)特征;基于材料孔隙學(xué)、混凝土細(xì)微觀結(jié)構(gòu)學(xué)等理論,揭示了兩種煤矸石集料與水泥石基體的物理、化學(xué)作用機(jī)理,構(gòu)建了煤矸石集料混凝土的界面結(jié)構(gòu)模型。
　　通過材料力學(xué)試驗,以煤矸石作為混凝土粗、細(xì)集料為研究對象,考慮了煤矸石種類、顆粒級配、預(yù)處理方式、養(yǎng)護(hù)條件等4種影響因素和2種水灰比,進(jìn)行了288個試塊的

5、材料力學(xué)性能試驗,建立了煤矸石集料混凝土的細(xì)微觀結(jié)構(gòu)與材料力學(xué)性能之間的內(nèi)在聯(lián)系,提出了混凝土制備中煤矸石集料的選用原則和煤矸石集料混凝土的設(shè)計方法。
　　采用混凝土力學(xué)試驗方法,研究了 C15~C30四個強(qiáng)度等級的兩種煤矸石集料混凝土4個齡期的混凝土立方體抗壓強(qiáng)度、軸心抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度等基本力學(xué)性能的發(fā)展規(guī)律。通過回歸分析,建立了軸心抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度與立方體抗壓強(qiáng)度之間的關(guān)系式;通過試驗獲取了自燃和非自燃煤矸石集料混

6、凝土的單軸受壓應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)€,建立了峰值應(yīng)變、彈性模量、泊松比與峰值應(yīng)力之間的關(guān)系式,提出了煤矸石集料混凝土的單軸受壓本構(gòu)模型,試塊數(shù)量共計312個。
　　采用光纖光柵傳感技術(shù),研究了煤矸石集料混凝土的早期收縮和開裂性能,分析了煤矸石集料混凝土的塑性收縮、自身收縮、化學(xué)減縮及干燥收縮性能,得出了活性和非活性煤矸石集料的摻入將加劇混凝土的早期收縮,其中煤矸石的吸水性、煤矸石摻入引起的泌水回吸、自燃煤矸石活性反應(yīng)以及自燃煤矸石中堿金

7、屬元素引起的化學(xué)反應(yīng)等是引起混凝土早期收縮與開裂的主要原因。
　　基于煤矸石力學(xué)性能的多因素化和影響性能的多元化,選取了徐州7個煤礦12個煤矸石試樣,通過灰色關(guān)聯(lián)分析,得到了影響煤矸石集料混凝土抗壓強(qiáng)度的影響因素,其由大到小依次為煤矸石的巖石強(qiáng)度、針片狀含量、吸水率、顆粒級配的分形維數(shù)、堆積密度和矸石含水率。根據(jù)煤矸石集料混凝土抗壓強(qiáng)度因素之間大小差異,建立了基于灰色理論的煤矸石集料品質(zhì)評估模型,提出了煤矸石集料質(zhì)量的評估體系和預(yù)