全级配煤矸石混凝土导热性能试验与分析

皇 民, 赵玉如, 蔺世豪, 王浩南

(河南工程学院土木工程学院, 郑州 451191)

煤矸石是煤炭开采和洗选过程中排出的固体废弃物，属于和煤层伴生的煤质沉积岩类矿物质，是当前排放量最大的工业废弃物之一。煤矸石堆放占用大量土地，而且产生粉尘和有害气体，还可能发生自燃、崩塌与滑坡，对自然环境有较大的危害性[1]。经过对煤矸石的破碎、清洗和筛分处理，可以替代天然骨料配制煤矸石混凝土，在降低固体废弃物堆放量的同时，还可以节约资源[2]。

利用煤矸石骨料配制混凝土的力学性能方面，已经有很多学者进行了广泛研究[3-5]，但关于煤矸石混凝土热工性能方面的研究还比较少。宫立等[6]研究了煤矸石取代天然碎石的煤矸石混凝土保温性能，结果表明掺加煤矸石粗骨料会降低混凝土的抗压强度和导热系数；李永靖等[7]研究了加气煤矸石混凝土的力学性能和导热性能，结果表明加入引气剂可以降低煤矸石混凝土的导热系数；王丕杰等[8]研究了以煤矸石替代部分天然粗骨料的混凝土导热系数，结果表明煤矸石粗骨料取代率为50%时的煤矸石混凝土可以满足一般结构的强度要求，并可降低混凝土导热系数；苗昊逸等[9]研究了煤矸石玻化微珠混凝土的力学和保温性能，结果表明煤矸石替代天然粗骨料后再掺加玻化微珠可以改善混凝土的保温性能。

上述研究主要是针对以煤矸石粗骨料配制的混凝土导热系数进行研究，缺乏不同替代率下的全级配煤矸石混凝土导热系数分析和预测模型研究。现拟通过对不同煤矸石替代率下的全级配煤矸石混凝土导热系数进行试验和分析，提出适合煤矸石混凝土导热系数的修正计算模型，为煤矸石的综合利用提供参考。

1 试验方案

1.1 试验原理

煤矸石混凝土和普通混凝土一样可视为平板导热模式，混凝土两侧面为平板且各处温度相等，这样平板两侧面就成为两个等温面且存在一定的温差，在煤矸石混凝土平板内就会产生反向于温度梯度的降度方向热流，由此可计算出混凝土导热系数为

(1)

式(1)中：ΔQ为通过平板的热量；S为平板面积；Δδ为平板厚度；ΔT为平板两侧温度差值；λ为导热系数，λ数值较小，表示通过混凝土的热流量较少，保温性较好。

1.2 试验材料

胶凝材料为新乡新星产PC32.5级复合水泥；天然细骨料为河砂，细度模数为2.46；天然粗骨料采用石灰岩碎石，粒径规格5～20 mm；煤矸石粗骨料由平顶山十三矿所产煤矸石经破碎筛分而成，粒径规格5～20 mm；将煤矸石颗粒用粉磨机继续磨细可制作成煤矸石细骨料，细度模数2.32；减水剂采用聚羧酸系，减水率18%。表1为天然骨料与煤矸石骨料的主要性质对比。

表1 两种骨料的性质比较

1.3 混凝土配合比设计

依据煤矸石粗骨料替代率和煤矸石细骨料替代率的不同，设计9组试件，每组3个，共27个大小为270 mm×270 mm×22 mm的平板试块。基准混凝土配合比(质量比)为水泥∶细骨料∶粗骨料∶水=1∶1.91∶3.26∶0.42，其组成材料具体用量如表2所示。

表2 试验配合比设计参数

1.4 测定导热系数

导热系数测定采用上海怀欧HOR303型导热系数测定仪(图1)。在试验前，首先将煤矸石混凝土平板试块(图2)放入烘箱烘干至干燥状态，再用砂纸把试块表面打磨平滑后，将热电偶探头放至平板试块上下平板中心处。热板设定温度为30 ℃，冷板为20 ℃。测试过程中每隔1 h观测一次导热系数试验值，直至试验值连续稳定。

图1 导热系数测定仪Fig.1 Thermal conductivity device

图2 煤矸石混凝土试块Fig.2 Coal gangue concrete test block

2 试验结果与分析

2.1 试验结果

试验完成后，分别测试9组试块的导热系数和表观密度以及孔隙率，每组取三个试块的平均值作为最终试验结果，如表3所示。

表3 煤矸石混凝土导热系数试验结果Table 3 Test results of thermal conductivity of coal gangue concrete

2.2 导热系数变化分析

由试验结果可获得不同煤矸石粗骨料替代率下的煤矸石混凝土导热系数变化情况如图3所示。可知煤矸石混凝土的导热系数随煤矸石粗骨料替代率的增加而单调减小，不含煤矸石的普通混凝土导热系数最高，为1.56 W/(m·K)，煤矸石粗骨料替代率为25%、50%、75%和100%的煤矸石混凝土导热系数相比普通混凝土分别降低了7.05%、13.46%、23.72%和32.05%。其原因主要是煤矸石粗骨料孔隙率较高，因此随着煤矸石粗骨料替代率的增加，相应配制的煤矸石混凝土表观密度就越低，孔隙率也越高，而混凝土孔隙内的空气导热系数很低，其导热系数仅为0.023 W/(m·K)，远低于混凝土材料。所以，煤矸石混凝土的煤矸石粗骨料替代率越高，其孔隙率就越高，表观密度和导热系数也就越低。

图3 不同煤矸石粗骨料替代率下的混凝土导热系数Fig.3 Thermal conductivity of concrete with different replacement ratio of coal gangue coarse aggregate

在粗骨料均为煤矸石的基础上，逐次用煤矸石细骨料替代天然砂，最终得到全级配煤矸石混凝土，其导热系数随煤矸石细骨料的增加也是呈单调降低，具体如图4所示。由试验结果可知：煤矸石细骨料替代率为25%、50%、75%和100%的煤矸石混凝土导热系数相比煤矸石粗骨料混凝土(MC100)分别降低了6.60%、12.26%、22.64%和30.19%，与不掺煤矸石的普通混凝土导热系数相比则分别降低了36.54%、40.38%、47.44%和52.56%。

图4 不同煤矸石细骨料替代率下的混凝土导热系数Fig.4 Thermal conductivity of concrete with different replacement ratio of coal gangue fine aggregate

煤矸石细骨料替代率增加后使得煤矸石混凝土导热系数进一步降低，当混凝土粗细骨料均为煤矸石时即为全级配煤矸石混凝土，此时混凝土的导热系数达到最低，相比普通混凝土下降幅度达52.56%。其原因也是由于煤矸石细骨料减小了混凝土的表观密度，提高了混凝土的孔隙率，导致混凝土导热系数进一步降低。

综合上述分析可知，煤矸石混凝土孔隙率的增加和表观密度的降低是引起导热系数降低的重要因素。图5为煤矸石混凝土表观密度随孔隙率增加的变化情况，图6为煤矸石混凝土导热系数随表观密度减小的变化情况。其中全级配煤矸石混凝土的孔隙率最大，达到了13.86%，是普通混凝土孔隙率的6.73倍；其表观密度最低，为2 098.5，相比普通混凝土下降了12.05%，而其导热系数同样最低，相比普通混凝土降低了52.56%。

图5 孔隙率对表观密度的影响Fig.5 Effect of porosity on apparent density

图6 表观密度对导热系数的影响Fig.6 Effect of apparent density on thermal conductivity

2.3 煤矸石混凝土导热系数变化机理

煤矸石混凝土与普通混凝土的胶凝材料相同，两者最大的差别是骨料性能的差异，并导致两者的力学性质和导热系数差异较大。由于煤矸石骨料颗粒杂质含量较大，孔隙率较高，可以将煤矸石混凝土看做混凝土的退化形式，其导热性能类似于再生骨料混凝土，故可以根据其他混凝土的导热机理来理解煤矸石混凝土的导热性能变化机理[10]。

常温状态下的骨料情况、孔隙率、表观密度、含水率对混凝土导热性能影响较大[11-13]。由于本次试验试件是在烘干后测定导热系数，故不用考虑含水率对导热系数的影响。由图6可知，表观密度和导热系数具有良好的相关性，孔隙率的大小又决定了表观密度值，而煤矸石骨料状况对混凝土的孔隙率具有重要影响，故骨料状态是影响煤矸石混凝土导热性能的重要因素。在此设定煤矸石骨料对煤矸石混凝土导热性能的影响系数M为

M=η1p1+η2p2

(2)

式(2)中：η1、η2分别为煤矸石粗骨料和煤矸石细骨料的替代率；p1为煤矸石粗骨料孔隙率，%；p2为煤矸石细骨料水泥浆孔隙率，%。

根据表3和式(2)得出煤矸石骨料影响系数M对煤矸石混凝土导热系数的影响如图7所示。

图7 煤矸石骨料影响系数M对导热系数的影响Fig.7 Effect of influence coefficient M of gangue aggregate on thermal conductivity

由图7可知，煤矸石骨料影响系数与煤矸石混凝土导热系数之间具有显著的线性相关性。M综合反映了煤矸石混凝土中骨料分布状态和混凝土内部孔隙率情况，比单独的孔隙率或表观密度能够更综合性地反映煤矸石混凝土导热系数的变动情况。煤矸石骨料影响系数M物理意义明确，计算简便，可以比较方便地用于对煤矸石混凝土导热系数的分析和预测。

综上可知：与普通混凝导热系数变化机理类似，影响煤矸石混凝土导热系数的主要因素还是骨料特征，包括孔隙率和表观密度等因素。

3 煤矸石混凝土导热系数模型修正

导热系数理论分析中可以将混凝土视为两相复合材料，由砂浆和粗骨料组成。如果已知砂浆和粗骨料的导热系数，则可根据两相材料导热系数模型计算混凝土导热系数。目前，两相复合材料导热系数计算模型包括三大类：①串联并联模型[14]，该类模型计算简便实用，但未考虑界面热阻；②Maxwell模型以及Bruggema推广模型[15]，这类模型比串并联模型计算精度高一些，但同样没有考虑界面热阻；③考虑了界面热阻的基于Maxwell模型的Hasselman-Jonsons推广模型[16]。 文献[15]通过对干燥和饱和状态下的混凝土导热系数实测研究表明：对于饱和混凝土，这三类模型的计算结果与实测值基本一致，其中第二类和第三类的模型计算精度较高；对于干燥混凝土，由于存在较高的界面热阻，第三种模型的计算值与试验值最为接近。由于研究对象为干燥状态的煤矸石混凝土，故在此采用Hasselman-Johnson模型[16]进行导热系数预测计算，其公式为

(3)

式(3)中：λ1、λ2分别为两相材料各自的导热系数；v2为第二相材料体积与总体积的比；α为两相材料界面热阻系数，对于混凝土可取0.122[15]。

试验测得煤矸石粗骨料导热系数为0.72 W/(m·K)，水泥导热系数可取1.233 W/(m·K)，天然粗骨料石灰岩取2.08 W/(m·K)，河砂取3.086 W/(m·K)。首先将水泥和煤矸石细骨料或河砂的导热系数分别代入式(3)，可以先算出不同替代率下的煤矸石细骨料水泥砂浆导热系数，然后和粗骨料导热系数再次代入式(3)即可得到煤矸石混凝土的导热系数计算值。煤矸石混凝土导热系数的计算值和试验值随煤矸石骨料影响系数M的变化而变动的情况如图8所示。

图8 导热系数计算值和试验值与M的关系Fig.8 Relationship between calculated and test values of thermal conductivity and M

由图8可知，煤矸石混凝土导热系数计算值和试验值与煤矸石骨料影响系数M之间的线性相关性十分显著；试验值拟合曲线的斜率和计算值拟合曲线斜率十分接近，而前者绝对值略大于后者，表明煤矸石骨料影响系数对两者的影响程度基本一致，其中对试验值的影响要略高一点；从导热系数数值上看，试验值总体上要小于计算值，主要是因为煤矸石骨料颗粒的孔隙率和含水率均较高，尤其对于全级配的煤矸石混凝土，拌合时候需要更多的附加用水，而孔隙内多余水分会在试件烘干时蒸发，并在煤矸石混凝土内留下较多孔隙，降低了混凝土的表观密度和导热系数，而式(3)是基于普通混凝土材料的导热系数计算模型，导致利用式(3)计算的煤矸石混凝土导热系数计算结果偏低。因此如果将式(3)应用于煤矸石混凝土导热系数计算，就需要对式(3)进行适当修正。

由前文分析可知：煤矸石骨料影响系数M综合体现了煤矸石粗细骨料在混凝土中的替代程度和煤矸石混凝土内的孔隙率和表观密度，且通过式(3)计算的预测值和试验值与M的影响规律基本一致。因此可以通过M来修正式(3)对煤矸石混凝土导热系数进行计算。煤矸石混凝土导热系数试验值和计算值与M均呈良好线性相关关系，故修正煤矸石混凝土导热系数公式为

λM=λc-(λc-λt)=λc-f(M)

(4)

式(4)中：λM为煤矸石混凝土修正导热系数；λc为利用式(3)计算的导热系数值；λt为导热系数试验值；f(M)为图8中导热系数计算值拟合公式与试验值拟合公式的差值。

将式(3)代入式(4)，可得

0.004 74M-0.244 64

(5)

依据式(5)可以得到煤矸石混凝土导热系数的修正计算值，并与导热系数试验值对比，如表4所示。由表4可知，煤矸石混凝土导热系数修正值与试验值十分接近，所以该煤矸石混凝土导热系数修正公式具有很好的工程应用价值。

表4 煤矸石混凝土导热系数修正计算值与试验值

4 结论

(1)煤矸石粗骨料替代率越高，煤矸石混凝土导热系数就越低。当煤矸石粗骨料替代率为100%时，煤矸石混凝土相比普通混凝土导热系数的下降幅度为32.05%。

(2)煤矸石粗骨料替代率为100%情况下，随着煤矸石细骨料替代率增加，煤矸石混凝土导热系数继续降低，当煤矸石细骨料替代率增加到100%时，即为全级配煤矸石混凝土时，混凝土导热系数最低，相比普通混凝土的下降幅度为52.56%。

(3)煤矸石混凝土内部孔隙情况和骨料状态是影响混凝土导热系数的重要因素，定义了可以综合反映煤矸石混凝土内部孔隙和骨料状态的煤矸石骨料影响系数M，M越大，煤矸石混凝土导热系数就越低。

(4)根据煤矸石混凝土导热系数试验值，对Hasselman-Johnson混凝土导热系数计算模型进行修正，得到煤矸石混凝土导热系数的修正计算模型，修正计算值与试验结果相吻合。