煤矸石玻化微珠保温混凝土初探

宫立，张泽平，黄骁，王丕杰

（太原理工大学 建筑与土木工程学院，山西 太原 030024）

煤矸石玻化微珠保温混凝土初探

宫立，张泽平，黄骁，王丕杰

（太原理工大学 建筑与土木工程学院，山西 太原 030024）

玻化微珠保温混凝土作为一种集承重、保温于一体的绿色建筑材料，在工程上的应用正在逐步推广。在玻化微珠保温混凝土的基础上，用煤矸石取代了其中的部分或全部粗骨料制成了一种新型绿色建筑材料——煤矸石玻化微珠保温混凝土。通过对5种不同煤矸石掺量的玻化微珠保温混凝土立方体抗压强度和导热系数进行分析可知，参照C50强度等级普通混凝土配制的煤矸石玻化微珠保温混凝土抗压强度能够达到C30～C45混凝土的设计值，并仍具有玻化微珠保温混凝土良好的保温性能。

煤矸石；玻化微珠；保温混凝土；立方体抗压强度；导热系数

0 引言

近几年来我国的建筑规模巨大，并且还在不断发展，伴随着规模宏大的建筑业产生的是高能耗、高排放、高污染。据估计，全世界大约有30%的能源消耗在建筑物上[1]，建筑节能无疑是整个节能工作中的的重要方面，而在整个建筑节能体系中，新型绿色建筑材料的发展与推广应用更是起着不可替代的作用[2]。本文所研究的掺加煤矸石的玻化微珠保温混凝土便是基于以上背景提出的。

玻化微珠保温混凝土既具有一般混凝土的物理力学性能，同时又具有保温性能[3]，近几年来对其研究已取得一定的成果[4-6]；煤矸石与煤系地层共生，是在煤炭开采和洗选过程中被分离出来的岩石[7]，煤矸石所含物质种类较多、成分较为复杂，因此给煤矸石的回收再利用增加了难度。但煤矸石同时具有储量大、易开采的特点，将煤矸石用于玻化微珠保温混凝土中作为粗骨料的一部分，是回收再利用煤矸石较为合理的途径[8-9]。利用煤矸石的岩石特性，将其作为混凝土粗集料，有针对性地开展煤矸石集料混凝土的开发和应用，既可以减少煤矸石堆积引起的次生环境问题，又可以变废为宝，保证煤矸石集料混凝土具备绿色混凝土“健康、环保、安全”的属性[10]，具有一定的经济效益和社会效益。本文试验将煤矸石经人工破碎、筛分、级配后加工成粗骨料，考虑到煤矸石理化性能的复杂多变、不稳定等特点，选择煤矸石掺量为粗骨料总量的0、30%、50%、70%、100%，制成了煤矸石玻化微珠保温混凝土，进一步凸显了建筑材料的“绿色”特性。通过试验研究可知，掺加煤矸石的玻化微珠保温混凝土的物理力学性能较为理想，保温性能也符合要求。因此，作为一种新型绿色建筑材料，本文的试验探究可为后期煤矸石玻化微珠保温混凝土的进一步研究与推广应用提供参考。

1 试验

1.1 原材料

水泥：太原狮头水泥厂P·O42.5水泥，比表面积320m2/kg，细度模数为0.63。砂子：山西豆罗中砂，细度模数为2.94，堆积密度1500 kg/m3，含泥量3%。粗骨料：石子，粒径为10～30 mm的天然石子，含泥量为0.8%；煤矸石：太原西山矿区产，经人工破碎、筛分后加工成粒径为10～30 mm，粗骨料的基本性能如表1所示。玻化微珠：太原思科达科技发展有限公司生产的SKD型粒径分别为18～30目、30～50目的大、小颗粒玻化微珠，其具体物理性能如表2所示。专用外掺剂：自制，具有较高的活性，可有效地改善混凝土拌合物的黏聚性、提高混凝土强度，并且能改善混凝土的孔结构，使耐久性显著提高。萘系高效减水剂：减水率为18%～25%，可显著改善混凝土拌合物的流动性。

表1 粗骨料的基本性能

表2 玻化微珠的基本性能

1.2 试验配合比

参考JGJ 55—2000《普通混凝土配合比设计规程》进行煤矸石玻化微珠保温混凝土的配合比设计，参照C50强度等级普通混凝土的石子、砂用量、水灰比，同时为了保证配制出混凝土的密实性，适当降低了水灰比、控制了骨料颗粒的大小及形状，按煤矸石在粗骨料石子中的取代率配制A、B、C、D、E 5种不同煤矸石掺量的玻化微珠保温混凝土，各方案的配合比见表3。

表3 不同煤矸石取代石子量玻化微珠保温混凝土配合比

混凝土拌制过程表明，掺加专用外掺剂和高效减水剂后，可以满足混凝土拌和物的流动性要求，同时改善了混凝土拌和物的黏聚性和保水性，从而保证了混凝土拌合物所必须具有的和易性。在达到强度等级要求的同时，也满足了混凝土较好的流态及泵送混凝土的要求。

1.3 试验方案设计

按表3中煤矸石掺量分别为0、30%、50%、70%、100%的配合比制作150 mm×150 mm×150 mm标准立方体试块各1组（3块），待标准养护28 d后测试其抗压强度；制作200 mm× 200 mm×30 mm的板状试块各1组（3块），待标准养护28 d后测试其导热系数。

在搅拌混凝土前，先用适量水润湿搅拌机。为了保证拌制的混凝土的均匀性，试验搅拌过程中采用先干拌后湿拌的方法，即先将称好的粗细骨料煤矸石、石子、砂子和大小颗粒玻化微珠倒入搅拌机内搅拌均匀，再加入水泥共同搅拌2 min，然后倒入水及自制专用外掺剂，继续搅拌2 min。待拌合物充分混合均匀后，将混凝土倒出搅拌机并测试混凝土拌合物的坍落度，随后将其注入模具，并将装满混凝土拌合物的模具放在标准振动台振动成型，边振边用捣棒插捣，以减少混凝土拌合物内部的气泡；振动结束后抹平，保证表面与试模边缘的高低差不超过0.5 mm。将成型好的试件用塑料膜覆盖其表面以防止水分蒸发过多，养护24 h后拆模，并对试件进行编号标记并详细记录试件个数。随后放入标准养护室养护，养护温度（20±2）℃、湿度95%以上养护至龄期28 d后，取出各试件进行力学性能试验和导热系数测试。

抗压强度依据GB/T 50081—2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》进行测试，试验设备为浙江土工仪器制造有限公司生产的STYE-3000C型电脑全自动混凝土压力试验机，其测量精度为1%；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0.01～1.00 W/（m·K），测量精度为3%。

2 试验结果及分析

2.1 破坏形态

选出A、B、C、D、E五种配比混凝土试件典型的受压加载、破坏后的形态。图1为不掺煤矸石掺量试件（A）的破坏形态，图2为煤矸石掺量为50%试件（C）的破坏形态。

图1 不掺煤矸石玻化微珠保温混凝土试件的受压破坏形态

图2 掺50%煤矸石玻化微珠保温混凝土试件的受压破坏形态

通过对试验加载过程的观察发现，试件在受压一段时间后首先会在试件边缘产生竖向的细小裂缝，随着荷载的持续增加，细微裂缝数量逐渐增加，同时裂缝缓慢扩展延伸，直至最后主裂缝贯通，导致材料的宏观破坏，此时试验仪器达到最大荷载。破坏时试件横向膨胀较为明显，部分试块局部剥落严重。

从破坏剖开的断面观察发现，不掺加煤矸石的普通玻化微珠保温混凝土受压破坏时由于粗骨料与水泥胶体之间的接触面是薄弱环节，并且在接触面上会不可避免的存在初始微裂缝，因此破坏是发生在粗骨料与水泥浆胶体间的粘结面；而掺加煤矸石的玻化微珠保温混凝土受压破坏时的薄弱环节不仅有粗骨料石子与水泥胶体之间的接触面，而且粗骨料煤矸石的节理面也较为薄弱，因此破坏不仅发生在粗骨料石子与水泥浆胶体间的粘结面，同时裂缝也会直接贯穿煤矸石。不同煤矸石掺量的玻化微珠保温混凝土的破坏形态基本一致，但与不掺加煤矸石的普通玻化微珠保温混凝土试件的破坏形态有着显著差异。

煤矸石掺量较多的玻化微珠保温混凝土试件比煤矸石掺量较小的试件在受压过程中产生的竖向裂缝更多，并且受压破坏时试件侧面膨胀、剥落更严重，破损程度更彻底。这与不掺加煤矸石的普通混凝土的破坏形态也有所不同，普通混凝土随着强度的提高，混凝土的脆性破坏越明显；而本实验中由于煤矸石的脆性特性，随着煤矸石掺量的增加，混凝土的强度在下降的同时受压过程中试件的脆性破坏也较为明显。

2.2 试验数据分析

掺加煤矸石的玻化微珠保温混凝土的坍落度及试块28 d抗压强度及导热系数测试结果见表4。

表4 煤矸石玻化微珠保温混凝土的坍落度、抗压强度及导热系数

由表4可知，

（1）掺加煤矸石后玻化微珠保温混凝土坍落度均大于100 mm，流动性良好，可满足泵送混凝土的要求，并且煤矸石掺量对混凝土坍落度的影响不大，可以认为掺加煤矸石的玻化微珠保温混凝土的工作性能良好。

（2）掺加煤矸石后玻化微珠保温混凝土立方体抗压强度相比不掺加煤矸石的玻化微珠保温混凝土有一定程度的下降，降低幅度在30%以内。原因是煤矸石的成分较为复杂，针片状颗粒含量较多，并且存在着明显的节理面，在沿着节理面方向较为容易发生破坏，煤矸石整体强度与普通石子强度相比较低；掺加煤矸石后保温混凝土中的孔隙较多，密实度与普通玻化微珠保温混凝土相比较差；除此之外煤矸石、石子与水泥的弹性模量不同，受压时在各接触面存在应力集中现象，这些因素都会导致煤矸石玻化微珠保温混凝土与普通玻化微珠保温混凝土相比强度有所下降。并且随着煤矸石掺量的增加，试块的强度逐步降低，当掺量少于50%时，降低程度较小（10%左右），这与煤矸石的岩性紧密相关，并且与煤矸石作为粗骨料和水泥浆的胶结性能相关；但当掺量由50%增加为70%以上时，强度下降幅度增大至25%～30%，这是由于掺加煤矸石量较多时水泥基体强度与集料强度间的协调作用较差。

（3）掺加煤矸石后玻化微珠保温混凝土的导热系数相比不掺加煤矸石的玻化微珠保温混凝土也有所降低，并且与普通混凝土导热系数1.51 W/（m·K）[11]相比明显降低，且随着煤矸石掺量的增加逐渐下降。这与煤矸石和普通石子相比轻质、内部疏松孔隙较多等特点有关[12]。

2.3 拟合关系分析

分析以上试验数据可知，煤矸石玻化微珠保温混凝土的立方体抗压强度和导热系数与煤矸石掺量存在着一定的相关性，参照拟合优度R2的值可对其进行线性拟合，拟合后的煤矸石玻化微珠保温混凝土的抗压强度fcu与煤矸石掺量ω的关系曲线如图3所示，导热系数λ与煤矸石掺量ω的关系曲线如图4所示。

图3 煤矸石玻化微珠保温混凝土的抗压强度与煤矸石掺量关系曲线

图4 煤矸石玻化微珠保温混凝土的导热系数与煤矸石掺量关系曲线

图3、图4中煤矸石玻化微珠保温混凝土的立方体抗压强度和导热系数与煤矸石掺量间的关系，可为煤矸石玻化微珠保温混凝土后续研究过程中煤矸石掺量的选择提供理论参考与依据。

3 结论

（1）参照C50强度等级普通混凝土配制的掺加了一定量煤矸石的玻化微珠保温混凝土的工作性能并没有受到太大影响，强度完全可以达到预期值，可以配制成C30～C45强度等级的煤矸石玻化微珠保温混凝土。掺加煤矸石后玻化微珠保温混凝土强度有所下降，并且随着煤矸石掺量的增加，玻化微珠保温混凝土强度也出现了不同程度的降低，当煤矸石掺量大于50%时强度降低较明显。

（2）掺加煤矸石的玻化微珠保温混凝土的受压破坏过程与普通混凝土有所不同。从破坏形态看，掺加煤矸石的玻化微珠保温混凝土的破坏不仅发生在粗骨料石子与水泥浆胶体材料的接触面，同时也会贯穿粗骨料煤矸石的节理面；并且煤矸石玻化微珠保温混凝土受压过程中脆性破坏较为明显。

（3）本试验配制出的强度等级为C30～C45的煤矸石玻化微珠保温混凝土的导热系数为0.4978～0.7840 W/（m·K），与普通混凝土导热系数1.51 W/（m·K）相比明显降低，表明该混凝土的热工性能良好。

（4）煤矸石玻化微珠保温混凝土的立方体抗压强度与煤矸石掺量间的相关性可用fcu=-15.983ω+49.931表示，导热系数与煤矸石掺量间的相关性可用λ=-0.2775ω+0.7949表示。

4 结语及建议

虽然本次试验成功配制出了热工性能良好的C30～C45煤矸石玻化微珠保温混凝土，技术上完全符合绿色建筑材料的要求，可作为一种新型的绿色建筑材料推广使用，但本次试验仍有一些有待继续深入研究探讨的内容：

（1）在热工性能符合要求的前提下从强度方面考虑建议煤矸石的合理掺量不超过50%，煤矸石掺量梯度更为详细具体的煤矸石玻化微珠保温混凝土的性能有待进一步研究。

（2）掺加煤矸石的玻化微珠保温混凝土的强度较普通玻化微珠保温混凝土有所降低，降低程度与所采用的煤矸石及试验过程中煤矸石的人工破碎、筛分、级配有着密切关系。必要时可对煤矸石进行筛选，控制针片状颗粒的含量。

（3）作为一种新型绿色建筑材料，在兼顾强度指标与热学性能的前提下煤矸石的合理掺量及最佳掺量在材料推广使用过程中较为重要，必要时需对其进行经济性分析。

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Preliminary study on thermal insulation glazed hollow beads concrete mixed with coal gangue

GONG Li，ZHANG Zeping，HUANG Xiao，WANG Pijie
（College of Architecture and Civil Engineering，Taiyuan University of Technology，Taiyuan 030024，China）

As a kind of green building materials combining load-bearing and thermal insulation properties，the thermal insulation glazed hollow beads concrete's application in engineering is expanding gradually.Based on the thermal insulation glazed hollow beads concrete，a new type of green building material-thermal insulation glazed hollow beads concrete mixed with coal gangue was created by using coal gangue to replace one part or all of the coarse aggregate in it.Through analyzing the cube compressive strength and thermal conductivity test of thermal insulation glazed hollow beads concrete with five different coal gangue's mixing amount，it can be concluded that the thermal insulation glazed hollow beads concrete mixed with coal gangue referring to C50 ordinary concrete's compressive strength can reach the design value of C30～C45 concrete，and it can inherit thermal insulation glazed hollow beads concrete's outstanding insulation performance.

coal gangue，glazed hollow beads，thermal insulation concrete，cube compressive strength，thermal conductivity

TU528

A

1001-702X（2016）08-0008-04

国家自然科学基金项目（51308371）；

教育部高等院校博士点基金资助（20101402120007）；

山西省自然科学基金项目（2014011033-1）

2016-01-23；

2016-04-05

宫立，男，1991年生，山西代县人，硕士研究生，研究方向：混凝土结构。