煤矸石?；⒅楸鼗炷脸跆?/h1>
2016-06-05 15:15宮立張澤平黃驍王丕杰
新型建筑材料 2016年8期
宮立，張澤平，黃驍，王丕杰
（太原理工大學(xué) 建筑與土木工程學(xué)院，山西 太原 030024）
煤矸石玻化微珠保溫混凝土初探
宮立，張澤平，黃驍，王丕杰
（太原理工大學(xué) 建筑與土木工程學(xué)院，山西 太原 030024）
玻化微珠保溫混凝土作為一種集承重、保溫于一體的綠色建筑材料，在工程上的應(yīng)用正在逐步推廣。在?；⒅楸鼗炷恋幕A(chǔ)上，用煤矸石取代了其中的部分或全部粗骨料制成了一種新型綠色建筑材料——煤矸石?；⒅楸鼗炷?。通過對5種不同煤矸石摻量的?；⒅楸鼗炷亮⒎襟w抗壓強(qiáng)度和導(dǎo)熱系數(shù)進(jìn)行分析可知，參照C50強(qiáng)度等級普通混凝土配制的煤矸石?；⒅楸鼗炷量箟簭?qiáng)度能夠達(dá)到C30～C45混凝土的設(shè)計(jì)值，并仍具有?；⒅楸鼗炷亮己玫谋匦阅?。
煤矸石；玻化微珠；保溫混凝土；立方體抗壓強(qiáng)度；導(dǎo)熱系數(shù)
0 引言
近幾年來我國的建筑規(guī)模巨大，并且還在不斷發(fā)展，伴隨著規(guī)模宏大的建筑業(yè)產(chǎn)生的是高能耗、高排放、高污染。據(jù)估計(jì)，全世界大約有30%的能源消耗在建筑物上[1]，建筑節(jié)能無疑是整個節(jié)能工作中的的重要方面，而在整個建筑節(jié)能體系中，新型綠色建筑材料的發(fā)展與推廣應(yīng)用更是起著不可替代的作用[2]。本文所研究的摻加煤矸石的玻化微珠保溫混凝土便是基于以上背景提出的。
玻化微珠保溫混凝土既具有一般混凝土的物理力學(xué)性能，同時又具有保溫性能[3]，近幾年來對其研究已取得一定的成果[4-6]；煤矸石與煤系地層共生，是在煤炭開采和洗選過程中被分離出來的巖石[7]，煤矸石所含物質(zhì)種類較多、成分較為復(fù)雜，因此給煤矸石的回收再利用增加了難度。但煤矸石同時具有儲量大、易開采的特點(diǎn)，將煤矸石用于?；⒅楸鼗炷林凶鳛榇止橇系囊徊糠?，是回收再利用煤矸石較為合理的途徑[8-9]。利用煤矸石的巖石特性，將其作為混凝土粗集料，有針對性地開展煤矸石集料混凝土的開發(fā)和應(yīng)用，既可以減少煤矸石堆積引起的次生環(huán)境問題，又可以變廢為寶，保證煤矸石集料混凝土具備綠色混凝土“健康、環(huán)保、安全”的屬性[10]，具有一定的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。本文試驗(yàn)將煤矸石經(jīng)人工破碎、篩分、級配后加工成粗骨料，考慮到煤矸石理化性能的復(fù)雜多變、不穩(wěn)定等特點(diǎn)，選擇煤矸石摻量為粗骨料總量的0、30%、50%、70%、100%，制成了煤矸石?；⒅楸鼗炷?，進(jìn)一步凸顯了建筑材料的“綠色”特性。通過試驗(yàn)研究可知，摻加煤矸石的?；⒅楸鼗炷恋奈锢砹W(xué)性能較為理想，保溫性能也符合要求。因此，作為一種新型綠色建筑材料，本文的試驗(yàn)探究可為后期煤矸石?；⒅楸鼗炷恋倪M(jìn)一步研究與推廣應(yīng)用提供參考。
1 試驗(yàn)
1.1 原材料
水泥：太原獅頭水泥廠P·O42.5水泥，比表面積320m2/kg，細(xì)度模數(shù)為0.63。砂子：山西豆羅中砂，細(xì)度模數(shù)為2.94，堆積密度1500 kg/m3，含泥量3%。粗骨料：石子，粒徑為10～30 mm的天然石子，含泥量為0.8%；煤矸石：太原西山礦區(qū)產(chǎn)，經(jīng)人工破碎、篩分后加工成粒徑為10～30 mm，粗骨料的基本性能如表1所示。?；⒅椋禾伎七_(dá)科技發(fā)展有限公司生產(chǎn)的SKD型粒徑分別為18～30目、30～50目的大、小顆粒?；⒅椋渚唧w物理性能如表2所示。專用外摻劑：自制，具有較高的活性，可有效地改善混凝土拌合物的黏聚性、提高混凝土強(qiáng)度，并且能改善混凝土的孔結(jié)構(gòu)，使耐久性顯著提高。萘系高效減水劑：減水率為18%～25%，可顯著改善混凝土拌合物的流動性。
表1 粗骨料的基本性能
表2 ?；⒅榈幕拘阅?/p>
1.2 試驗(yàn)配合比
參考JGJ 55—2000《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》進(jìn)行煤矸石玻化微珠保溫混凝土的配合比設(shè)計(jì)，參照C50強(qiáng)度等級普通混凝土的石子、砂用量、水灰比，同時為了保證配制出混凝土的密實(shí)性，適當(dāng)降低了水灰比、控制了骨料顆粒的大小及形狀，按煤矸石在粗骨料石子中的取代率配制A、B、C、D、E 5種不同煤矸石摻量的?；⒅楸鼗炷粒鞣桨傅呐浜媳纫姳?。
表3 不同煤矸石取代石子量?；⒅楸鼗炷僚浜媳?/p>
混凝土拌制過程表明，摻加專用外摻劑和高效減水劑后，可以滿足混凝土拌和物的流動性要求，同時改善了混凝土拌和物的黏聚性和保水性，從而保證了混凝土拌合物所必須具有的和易性。在達(dá)到強(qiáng)度等級要求的同時，也滿足了混凝土較好的流態(tài)及泵送混凝土的要求。
1.3 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)
按表3中煤矸石摻量分別為0、30%、50%、70%、100%的配合比制作150 mm×150 mm×150 mm標(biāo)準(zhǔn)立方體試塊各1組（3塊），待標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d后測試其抗壓強(qiáng)度；制作200 mm× 200 mm×30 mm的板狀試塊各1組（3塊），待標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d后測試其導(dǎo)熱系數(shù)。
在攪拌混凝土前，先用適量水潤濕攪拌機(jī)。為了保證拌制的混凝土的均勻性，試驗(yàn)攪拌過程中采用先干拌后濕拌的方法，即先將稱好的粗細(xì)骨料煤矸石、石子、砂子和大小顆粒?；⒅榈谷霐嚢铏C(jī)內(nèi)攪拌均勻，再加入水泥共同攪拌2 min，然后倒入水及自制專用外摻劑，繼續(xù)攪拌2 min。待拌合物充分混合均勻后，將混凝土倒出攪拌機(jī)并測試混凝土拌合物的坍落度，隨后將其注入模具，并將裝滿混凝土拌合物的模具放在標(biāo)準(zhǔn)振動臺振動成型，邊振邊用搗棒插搗，以減少混凝土拌合物內(nèi)部的氣泡；振動結(jié)束后抹平，保證表面與試模邊緣的高低差不超過0.5 mm。將成型好的試件用塑料膜覆蓋其表面以防止水分蒸發(fā)過多，養(yǎng)護(hù)24 h后拆模，并對試件進(jìn)行編號標(biāo)記并詳細(xì)記錄試件個數(shù)。隨后放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)溫度（20±2）℃、濕度95%以上養(yǎng)護(hù)至齡期28 d后，取出各試件進(jìn)行力學(xué)性能試驗(yàn)和導(dǎo)熱系數(shù)測試。
抗壓強(qiáng)度依據(jù)GB/T 50081—2002《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行測試，試驗(yàn)設(shè)備為浙江土工儀器制造有限公司生產(chǎn)的STYE-3000C型電腦全自動混凝土壓力試驗(yàn)機(jī)，其測量精度為1%；導(dǎo)熱系數(shù)測試采用沈陽微特應(yīng)用技術(shù)開發(fā)有限公司生產(chǎn)的PDR-3030B型平板導(dǎo)熱系數(shù)測定儀（穩(wěn)態(tài)雙平板法），其測量范圍為0.01～1.00 W/（m·K），測量精度為3%。
2 試驗(yàn)結(jié)果及分析
2.1 破壞形態(tài)
選出A、B、C、D、E五種配比混凝土試件典型的受壓加載、破壞后的形態(tài)。圖1為不摻煤矸石摻量試件（A）的破壞形態(tài)，圖2為煤矸石摻量為50%試件（C）的破壞形態(tài)。
圖1 不摻煤矸石?；⒅楸鼗炷猎嚰氖軌浩茐男螒B(tài)
圖2 摻50%煤矸石玻化微珠保溫混凝土試件的受壓破壞形態(tài)
通過對試驗(yàn)加載過程的觀察發(fā)現(xiàn)，試件在受壓一段時間后首先會在試件邊緣產(chǎn)生豎向的細(xì)小裂縫，隨著荷載的持續(xù)增加，細(xì)微裂縫數(shù)量逐漸增加，同時裂縫緩慢擴(kuò)展延伸，直至最后主裂縫貫通，導(dǎo)致材料的宏觀破壞，此時試驗(yàn)儀器達(dá)到最大荷載。破壞時試件橫向膨脹較為明顯，部分試塊局部剝落嚴(yán)重。
從破壞剖開的斷面觀察發(fā)現(xiàn)，不摻加煤矸石的普通?；⒅楸鼗炷潦軌浩茐臅r由于粗骨料與水泥膠體之間的接觸面是薄弱環(huán)節(jié)，并且在接觸面上會不可避免的存在初始微裂縫，因此破壞是發(fā)生在粗骨料與水泥漿膠體間的粘結(jié)面；而摻加煤矸石的?；⒅楸鼗炷潦軌浩茐臅r的薄弱環(huán)節(jié)不僅有粗骨料石子與水泥膠體之間的接觸面，而且粗骨料煤矸石的節(jié)理面也較為薄弱，因此破壞不僅發(fā)生在粗骨料石子與水泥漿膠體間的粘結(jié)面，同時裂縫也會直接貫穿煤矸石。不同煤矸石摻量的?；⒅楸鼗炷恋钠茐男螒B(tài)基本一致，但與不摻加煤矸石的普通?；⒅楸鼗炷猎嚰钠茐男螒B(tài)有著顯著差異。
煤矸石摻量較多的?；⒅楸鼗炷猎嚰让喉肥瘬搅枯^小的試件在受壓過程中產(chǎn)生的豎向裂縫更多，并且受壓破壞時試件側(cè)面膨脹、剝落更嚴(yán)重，破損程度更徹底。這與不摻加煤矸石的普通混凝土的破壞形態(tài)也有所不同，普通混凝土隨著強(qiáng)度的提高，混凝土的脆性破壞越明顯；而本實(shí)驗(yàn)中由于煤矸石的脆性特性，隨著煤矸石摻量的增加，混凝土的強(qiáng)度在下降的同時受壓過程中試件的脆性破壞也較為明顯。
2.2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析
摻加煤矸石的?；⒅楸鼗炷恋奶涠燃霸噳K28 d抗壓強(qiáng)度及導(dǎo)熱系數(shù)測試結(jié)果見表4。
表4 煤矸石玻化微珠保溫混凝土的坍落度、抗壓強(qiáng)度及導(dǎo)熱系數(shù)
由表4可知，
（1）摻加煤矸石后?；⒅楸鼗炷撂涠染笥?00 mm，流動性良好，可滿足泵送混凝土的要求，并且煤矸石摻量對混凝土坍落度的影響不大，可以認(rèn)為摻加煤矸石的?；⒅楸鼗炷恋墓ぷ餍阅芰己谩?/p>
（2）摻加煤矸石后?；⒅楸鼗炷亮⒎襟w抗壓強(qiáng)度相比不摻加煤矸石的玻化微珠保溫混凝土有一定程度的下降，降低幅度在30%以內(nèi)。原因是煤矸石的成分較為復(fù)雜，針片狀顆粒含量較多，并且存在著明顯的節(jié)理面，在沿著節(jié)理面方向較為容易發(fā)生破壞，煤矸石整體強(qiáng)度與普通石子強(qiáng)度相比較低；摻加煤矸石后保溫混凝土中的孔隙較多，密實(shí)度與普通?；⒅楸鼗炷料啾容^差；除此之外煤矸石、石子與水泥的彈性模量不同，受壓時在各接觸面存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，這些因素都會導(dǎo)致煤矸石?；⒅楸鼗炷僚c普通?；⒅楸鼗炷料啾葟?qiáng)度有所下降。并且隨著煤矸石摻量的增加，試塊的強(qiáng)度逐步降低，當(dāng)摻量少于50%時，降低程度較?。?0%左右），這與煤矸石的巖性緊密相關(guān)，并且與煤矸石作為粗骨料和水泥漿的膠結(jié)性能相關(guān)；但當(dāng)摻量由50%增加為70%以上時，強(qiáng)度下降幅度增大至25%～30%，這是由于摻加煤矸石量較多時水泥基體強(qiáng)度與集料強(qiáng)度間的協(xié)調(diào)作用較差。
（3）摻加煤矸石后?；⒅楸鼗炷恋膶?dǎo)熱系數(shù)相比不摻加煤矸石的?；⒅楸鼗炷烈灿兴档?，并且與普通混凝土導(dǎo)熱系數(shù)1.51 W/（m·K）[11]相比明顯降低，且隨著煤矸石摻量的增加逐漸下降。這與煤矸石和普通石子相比輕質(zhì)、內(nèi)部疏松孔隙較多等特點(diǎn)有關(guān)[12]。
2.3 擬合關(guān)系分析
分析以上試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，煤矸石?；⒅楸鼗炷恋牧⒎襟w抗壓強(qiáng)度和導(dǎo)熱系數(shù)與煤矸石摻量存在著一定的相關(guān)性，參照擬合優(yōu)度R2的值可對其進(jìn)行線性擬合，擬合后的煤矸石?；⒅楸鼗炷恋目箟簭?qiáng)度fcu與煤矸石摻量ω的關(guān)系曲線如圖3所示，導(dǎo)熱系數(shù)λ與煤矸石摻量ω的關(guān)系曲線如圖4所示。
圖3 煤矸石?；⒅楸鼗炷恋目箟簭?qiáng)度與煤矸石摻量關(guān)系曲線
圖4 煤矸石?；⒅楸鼗炷恋膶?dǎo)熱系數(shù)與煤矸石摻量關(guān)系曲線
圖3、圖4中煤矸石?；⒅楸鼗炷恋牧⒎襟w抗壓強(qiáng)度和導(dǎo)熱系數(shù)與煤矸石摻量間的關(guān)系，可為煤矸石?；⒅楸鼗炷梁罄m(xù)研究過程中煤矸石摻量的選擇提供理論參考與依據(jù)。
3 結(jié)論
（1）參照C50強(qiáng)度等級普通混凝土配制的摻加了一定量煤矸石的?；⒅楸鼗炷恋墓ぷ餍阅懿]有受到太大影響，強(qiáng)度完全可以達(dá)到預(yù)期值，可以配制成C30～C45強(qiáng)度等級的煤矸石?；⒅楸鼗炷?。摻加煤矸石后?；⒅楸鼗炷翉?qiáng)度有所下降，并且隨著煤矸石摻量的增加，玻化微珠保溫混凝土強(qiáng)度也出現(xiàn)了不同程度的降低，當(dāng)煤矸石摻量大于50%時強(qiáng)度降低較明顯。
（2）摻加煤矸石的?；⒅楸鼗炷恋氖軌浩茐倪^程與普通混凝土有所不同。從破壞形態(tài)看，摻加煤矸石的?；⒅楸鼗炷恋钠茐牟粌H發(fā)生在粗骨料石子與水泥漿膠體材料的接觸面，同時也會貫穿粗骨料煤矸石的節(jié)理面；并且煤矸石?；⒅楸鼗炷潦軌哼^程中脆性破壞較為明顯。
（3）本試驗(yàn)配制出的強(qiáng)度等級為C30～C45的煤矸石?；⒅楸鼗炷恋膶?dǎo)熱系數(shù)為0.4978～0.7840 W/（m·K），與普通混凝土導(dǎo)熱系數(shù)1.51 W/（m·K）相比明顯降低，表明該混凝土的熱工性能良好。
（4）煤矸石?；⒅楸鼗炷恋牧⒎襟w抗壓強(qiáng)度與煤矸石摻量間的相關(guān)性可用fcu=-15.983ω+49.931表示，導(dǎo)熱系數(shù)與煤矸石摻量間的相關(guān)性可用λ=-0.2775ω+0.7949表示。
4 結(jié)語及建議
雖然本次試驗(yàn)成功配制出了熱工性能良好的C30～C45煤矸石?；⒅楸鼗炷?，技術(shù)上完全符合綠色建筑材料的要求，可作為一種新型的綠色建筑材料推廣使用，但本次試驗(yàn)仍有一些有待繼續(xù)深入研究探討的內(nèi)容：
（1）在熱工性能符合要求的前提下從強(qiáng)度方面考慮建議煤矸石的合理摻量不超過50%，煤矸石摻量梯度更為詳細(xì)具體的煤矸石?；⒅楸鼗炷恋男阅苡写M(jìn)一步研究。
（2）摻加煤矸石的玻化微珠保溫混凝土的強(qiáng)度較普通?；⒅楸鼗炷劣兴档停档统潭扰c所采用的煤矸石及試驗(yàn)過程中煤矸石的人工破碎、篩分、級配有著密切關(guān)系。必要時可對煤矸石進(jìn)行篩選，控制針片狀顆粒的含量。
（3）作為一種新型綠色建筑材料，在兼顧強(qiáng)度指標(biāo)與熱學(xué)性能的前提下煤矸石的合理摻量及最佳摻量在材料推廣使用過程中較為重要，必要時需對其進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性分析。
[1] 李珠，張澤平，劉元珍，等.建筑節(jié)能的重要性及一項(xiàng)新技術(shù)[J].工程力學(xué)，2006（23）：141-149.
[2] 張國華.節(jié)能環(huán)保理念下輕質(zhì)建材的推廣使用分析[J].建筑經(jīng)濟(jì)，2014（9）：90-92.
[3] 李珠.玻化微珠保溫材料的系列研究與城市窯洞式綠色建筑[M]．北京：北京郵電大學(xué)出版社，2011.
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[6] 張澤平，吳迪，樊亞男.不同溫度作用與冷卻方式對?；⒅楸鼗炷翉椥阅Ａ康挠绊懷芯縖J].新型建筑材料，2012（10）：88-90.
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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
國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51308371）；
教育部高等院校博士點(diǎn)基金資助（20101402120007）；
山西省自然科學(xué)基金項(xiàng)目（2014011033-1）
2016-01-23；
2016-04-05
宮立，男，1991年生，山西代縣人，碩士研究生，研究方向：混凝土結(jié)構(gòu)。
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（太原理工大學(xué) 建筑與土木工程學(xué)院，山西 太原 030024）
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（太原理工大學(xué) 建筑與土木工程學(xué)院，山西 太原 030024）
玻化微珠保溫混凝土作為一種集承重、保溫于一體的綠色建筑材料，在工程上的應(yīng)用正在逐步推廣。在?；⒅楸鼗炷恋幕A(chǔ)上，用煤矸石取代了其中的部分或全部粗骨料制成了一種新型綠色建筑材料——煤矸石?；⒅楸鼗炷?。通過對5種不同煤矸石摻量的?；⒅楸鼗炷亮⒎襟w抗壓強(qiáng)度和導(dǎo)熱系數(shù)進(jìn)行分析可知，參照C50強(qiáng)度等級普通混凝土配制的煤矸石?；⒅楸鼗炷量箟簭?qiáng)度能夠達(dá)到C30～C45混凝土的設(shè)計(jì)值，并仍具有?；⒅楸鼗炷亮己玫谋匦阅?。
煤矸石；玻化微珠；保溫混凝土；立方體抗壓強(qiáng)度；導(dǎo)熱系數(shù)
0 引言
近幾年來我國的建筑規(guī)模巨大，并且還在不斷發(fā)展，伴隨著規(guī)模宏大的建筑業(yè)產(chǎn)生的是高能耗、高排放、高污染。據(jù)估計(jì)，全世界大約有30%的能源消耗在建筑物上[1]，建筑節(jié)能無疑是整個節(jié)能工作中的的重要方面，而在整個建筑節(jié)能體系中，新型綠色建筑材料的發(fā)展與推廣應(yīng)用更是起著不可替代的作用[2]。本文所研究的摻加煤矸石的玻化微珠保溫混凝土便是基于以上背景提出的。
玻化微珠保溫混凝土既具有一般混凝土的物理力學(xué)性能，同時又具有保溫性能[3]，近幾年來對其研究已取得一定的成果[4-6]；煤矸石與煤系地層共生，是在煤炭開采和洗選過程中被分離出來的巖石[7]，煤矸石所含物質(zhì)種類較多、成分較為復(fù)雜，因此給煤矸石的回收再利用增加了難度。但煤矸石同時具有儲量大、易開采的特點(diǎn)，將煤矸石用于?；⒅楸鼗炷林凶鳛榇止橇系囊徊糠?，是回收再利用煤矸石較為合理的途徑[8-9]。利用煤矸石的巖石特性，將其作為混凝土粗集料，有針對性地開展煤矸石集料混凝土的開發(fā)和應(yīng)用，既可以減少煤矸石堆積引起的次生環(huán)境問題，又可以變廢為寶，保證煤矸石集料混凝土具備綠色混凝土“健康、環(huán)保、安全”的屬性[10]，具有一定的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。本文試驗(yàn)將煤矸石經(jīng)人工破碎、篩分、級配后加工成粗骨料，考慮到煤矸石理化性能的復(fù)雜多變、不穩(wěn)定等特點(diǎn)，選擇煤矸石摻量為粗骨料總量的0、30%、50%、70%、100%，制成了煤矸石?；⒅楸鼗炷?，進(jìn)一步凸顯了建筑材料的“綠色”特性。通過試驗(yàn)研究可知，摻加煤矸石的?；⒅楸鼗炷恋奈锢砹W(xué)性能較為理想，保溫性能也符合要求。因此，作為一種新型綠色建筑材料，本文的試驗(yàn)探究可為后期煤矸石?；⒅楸鼗炷恋倪M(jìn)一步研究與推廣應(yīng)用提供參考。
1 試驗(yàn)
1.1 原材料
水泥：太原獅頭水泥廠P·O42.5水泥，比表面積320m2/kg，細(xì)度模數(shù)為0.63。砂子：山西豆羅中砂，細(xì)度模數(shù)為2.94，堆積密度1500 kg/m3，含泥量3%。粗骨料：石子，粒徑為10～30 mm的天然石子，含泥量為0.8%；煤矸石：太原西山礦區(qū)產(chǎn)，經(jīng)人工破碎、篩分后加工成粒徑為10～30 mm，粗骨料的基本性能如表1所示。?；⒅椋禾伎七_(dá)科技發(fā)展有限公司生產(chǎn)的SKD型粒徑分別為18～30目、30～50目的大、小顆粒?；⒅椋渚唧w物理性能如表2所示。專用外摻劑：自制，具有較高的活性，可有效地改善混凝土拌合物的黏聚性、提高混凝土強(qiáng)度，并且能改善混凝土的孔結(jié)構(gòu)，使耐久性顯著提高。萘系高效減水劑：減水率為18%～25%，可顯著改善混凝土拌合物的流動性。
表1 粗骨料的基本性能
表2 ?；⒅榈幕拘阅?/p>
1.2 試驗(yàn)配合比
參考JGJ 55—2000《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》進(jìn)行煤矸石玻化微珠保溫混凝土的配合比設(shè)計(jì)，參照C50強(qiáng)度等級普通混凝土的石子、砂用量、水灰比，同時為了保證配制出混凝土的密實(shí)性，適當(dāng)降低了水灰比、控制了骨料顆粒的大小及形狀，按煤矸石在粗骨料石子中的取代率配制A、B、C、D、E 5種不同煤矸石摻量的?；⒅楸鼗炷粒鞣桨傅呐浜媳纫姳?。
表3 不同煤矸石取代石子量?；⒅楸鼗炷僚浜媳?/p>
混凝土拌制過程表明，摻加專用外摻劑和高效減水劑后，可以滿足混凝土拌和物的流動性要求，同時改善了混凝土拌和物的黏聚性和保水性，從而保證了混凝土拌合物所必須具有的和易性。在達(dá)到強(qiáng)度等級要求的同時，也滿足了混凝土較好的流態(tài)及泵送混凝土的要求。
1.3 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)
按表3中煤矸石摻量分別為0、30%、50%、70%、100%的配合比制作150 mm×150 mm×150 mm標(biāo)準(zhǔn)立方體試塊各1組（3塊），待標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d后測試其抗壓強(qiáng)度；制作200 mm× 200 mm×30 mm的板狀試塊各1組（3塊），待標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d后測試其導(dǎo)熱系數(shù)。
在攪拌混凝土前，先用適量水潤濕攪拌機(jī)。為了保證拌制的混凝土的均勻性，試驗(yàn)攪拌過程中采用先干拌后濕拌的方法，即先將稱好的粗細(xì)骨料煤矸石、石子、砂子和大小顆粒?；⒅榈谷霐嚢铏C(jī)內(nèi)攪拌均勻，再加入水泥共同攪拌2 min，然后倒入水及自制專用外摻劑，繼續(xù)攪拌2 min。待拌合物充分混合均勻后，將混凝土倒出攪拌機(jī)并測試混凝土拌合物的坍落度，隨后將其注入模具，并將裝滿混凝土拌合物的模具放在標(biāo)準(zhǔn)振動臺振動成型，邊振邊用搗棒插搗，以減少混凝土拌合物內(nèi)部的氣泡；振動結(jié)束后抹平，保證表面與試模邊緣的高低差不超過0.5 mm。將成型好的試件用塑料膜覆蓋其表面以防止水分蒸發(fā)過多，養(yǎng)護(hù)24 h后拆模，并對試件進(jìn)行編號標(biāo)記并詳細(xì)記錄試件個數(shù)。隨后放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)溫度（20±2）℃、濕度95%以上養(yǎng)護(hù)至齡期28 d后，取出各試件進(jìn)行力學(xué)性能試驗(yàn)和導(dǎo)熱系數(shù)測試。
抗壓強(qiáng)度依據(jù)GB/T 50081—2002《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行測試，試驗(yàn)設(shè)備為浙江土工儀器制造有限公司生產(chǎn)的STYE-3000C型電腦全自動混凝土壓力試驗(yàn)機(jī)，其測量精度為1%；導(dǎo)熱系數(shù)測試采用沈陽微特應(yīng)用技術(shù)開發(fā)有限公司生產(chǎn)的PDR-3030B型平板導(dǎo)熱系數(shù)測定儀（穩(wěn)態(tài)雙平板法），其測量范圍為0.01～1.00 W/（m·K），測量精度為3%。
2 試驗(yàn)結(jié)果及分析
2.1 破壞形態(tài)
選出A、B、C、D、E五種配比混凝土試件典型的受壓加載、破壞后的形態(tài)。圖1為不摻煤矸石摻量試件（A）的破壞形態(tài)，圖2為煤矸石摻量為50%試件（C）的破壞形態(tài)。
圖1 不摻煤矸石?；⒅楸鼗炷猎嚰氖軌浩茐男螒B(tài)
圖2 摻50%煤矸石玻化微珠保溫混凝土試件的受壓破壞形態(tài)
通過對試驗(yàn)加載過程的觀察發(fā)現(xiàn)，試件在受壓一段時間后首先會在試件邊緣產(chǎn)生豎向的細(xì)小裂縫，隨著荷載的持續(xù)增加，細(xì)微裂縫數(shù)量逐漸增加，同時裂縫緩慢擴(kuò)展延伸，直至最后主裂縫貫通，導(dǎo)致材料的宏觀破壞，此時試驗(yàn)儀器達(dá)到最大荷載。破壞時試件橫向膨脹較為明顯，部分試塊局部剝落嚴(yán)重。
從破壞剖開的斷面觀察發(fā)現(xiàn)，不摻加煤矸石的普通?；⒅楸鼗炷潦軌浩茐臅r由于粗骨料與水泥膠體之間的接觸面是薄弱環(huán)節(jié)，并且在接觸面上會不可避免的存在初始微裂縫，因此破壞是發(fā)生在粗骨料與水泥漿膠體間的粘結(jié)面；而摻加煤矸石的?；⒅楸鼗炷潦軌浩茐臅r的薄弱環(huán)節(jié)不僅有粗骨料石子與水泥膠體之間的接觸面，而且粗骨料煤矸石的節(jié)理面也較為薄弱，因此破壞不僅發(fā)生在粗骨料石子與水泥漿膠體間的粘結(jié)面，同時裂縫也會直接貫穿煤矸石。不同煤矸石摻量的?；⒅楸鼗炷恋钠茐男螒B(tài)基本一致，但與不摻加煤矸石的普通?；⒅楸鼗炷猎嚰钠茐男螒B(tài)有著顯著差異。
煤矸石摻量較多的?；⒅楸鼗炷猎嚰让喉肥瘬搅枯^小的試件在受壓過程中產(chǎn)生的豎向裂縫更多，并且受壓破壞時試件側(cè)面膨脹、剝落更嚴(yán)重，破損程度更徹底。這與不摻加煤矸石的普通混凝土的破壞形態(tài)也有所不同，普通混凝土隨著強(qiáng)度的提高，混凝土的脆性破壞越明顯；而本實(shí)驗(yàn)中由于煤矸石的脆性特性，隨著煤矸石摻量的增加，混凝土的強(qiáng)度在下降的同時受壓過程中試件的脆性破壞也較為明顯。
2.2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析
摻加煤矸石的?；⒅楸鼗炷恋奶涠燃霸噳K28 d抗壓強(qiáng)度及導(dǎo)熱系數(shù)測試結(jié)果見表4。
表4 煤矸石玻化微珠保溫混凝土的坍落度、抗壓強(qiáng)度及導(dǎo)熱系數(shù)
由表4可知，
（1）摻加煤矸石后?；⒅楸鼗炷撂涠染笥?00 mm，流動性良好，可滿足泵送混凝土的要求，并且煤矸石摻量對混凝土坍落度的影響不大，可以認(rèn)為摻加煤矸石的?；⒅楸鼗炷恋墓ぷ餍阅芰己谩?/p>
（2）摻加煤矸石后?；⒅楸鼗炷亮⒎襟w抗壓強(qiáng)度相比不摻加煤矸石的玻化微珠保溫混凝土有一定程度的下降，降低幅度在30%以內(nèi)。原因是煤矸石的成分較為復(fù)雜，針片狀顆粒含量較多，并且存在著明顯的節(jié)理面，在沿著節(jié)理面方向較為容易發(fā)生破壞，煤矸石整體強(qiáng)度與普通石子強(qiáng)度相比較低；摻加煤矸石后保溫混凝土中的孔隙較多，密實(shí)度與普通?；⒅楸鼗炷料啾容^差；除此之外煤矸石、石子與水泥的彈性模量不同，受壓時在各接觸面存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，這些因素都會導(dǎo)致煤矸石?；⒅楸鼗炷僚c普通?；⒅楸鼗炷料啾葟?qiáng)度有所下降。并且隨著煤矸石摻量的增加，試塊的強(qiáng)度逐步降低，當(dāng)摻量少于50%時，降低程度較?。?0%左右），這與煤矸石的巖性緊密相關(guān)，并且與煤矸石作為粗骨料和水泥漿的膠結(jié)性能相關(guān)；但當(dāng)摻量由50%增加為70%以上時，強(qiáng)度下降幅度增大至25%～30%，這是由于摻加煤矸石量較多時水泥基體強(qiáng)度與集料強(qiáng)度間的協(xié)調(diào)作用較差。
（3）摻加煤矸石后?；⒅楸鼗炷恋膶?dǎo)熱系數(shù)相比不摻加煤矸石的?；⒅楸鼗炷烈灿兴档?，并且與普通混凝土導(dǎo)熱系數(shù)1.51 W/（m·K）[11]相比明顯降低，且隨著煤矸石摻量的增加逐漸下降。這與煤矸石和普通石子相比輕質(zhì)、內(nèi)部疏松孔隙較多等特點(diǎn)有關(guān)[12]。
2.3 擬合關(guān)系分析
分析以上試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，煤矸石?；⒅楸鼗炷恋牧⒎襟w抗壓強(qiáng)度和導(dǎo)熱系數(shù)與煤矸石摻量存在著一定的相關(guān)性，參照擬合優(yōu)度R2的值可對其進(jìn)行線性擬合，擬合后的煤矸石?；⒅楸鼗炷恋目箟簭?qiáng)度fcu與煤矸石摻量ω的關(guān)系曲線如圖3所示，導(dǎo)熱系數(shù)λ與煤矸石摻量ω的關(guān)系曲線如圖4所示。
圖3 煤矸石?；⒅楸鼗炷恋目箟簭?qiáng)度與煤矸石摻量關(guān)系曲線
圖4 煤矸石?；⒅楸鼗炷恋膶?dǎo)熱系數(shù)與煤矸石摻量關(guān)系曲線
圖3、圖4中煤矸石?；⒅楸鼗炷恋牧⒎襟w抗壓強(qiáng)度和導(dǎo)熱系數(shù)與煤矸石摻量間的關(guān)系，可為煤矸石?；⒅楸鼗炷梁罄m(xù)研究過程中煤矸石摻量的選擇提供理論參考與依據(jù)。
3 結(jié)論
（1）參照C50強(qiáng)度等級普通混凝土配制的摻加了一定量煤矸石的?；⒅楸鼗炷恋墓ぷ餍阅懿]有受到太大影響，強(qiáng)度完全可以達(dá)到預(yù)期值，可以配制成C30～C45強(qiáng)度等級的煤矸石?；⒅楸鼗炷?。摻加煤矸石后?；⒅楸鼗炷翉?qiáng)度有所下降，并且隨著煤矸石摻量的增加，玻化微珠保溫混凝土強(qiáng)度也出現(xiàn)了不同程度的降低，當(dāng)煤矸石摻量大于50%時強(qiáng)度降低較明顯。
（2）摻加煤矸石的?；⒅楸鼗炷恋氖軌浩茐倪^程與普通混凝土有所不同。從破壞形態(tài)看，摻加煤矸石的?；⒅楸鼗炷恋钠茐牟粌H發(fā)生在粗骨料石子與水泥漿膠體材料的接觸面，同時也會貫穿粗骨料煤矸石的節(jié)理面；并且煤矸石?；⒅楸鼗炷潦軌哼^程中脆性破壞較為明顯。
（3）本試驗(yàn)配制出的強(qiáng)度等級為C30～C45的煤矸石?；⒅楸鼗炷恋膶?dǎo)熱系數(shù)為0.4978～0.7840 W/（m·K），與普通混凝土導(dǎo)熱系數(shù)1.51 W/（m·K）相比明顯降低，表明該混凝土的熱工性能良好。
（4）煤矸石?；⒅楸鼗炷恋牧⒎襟w抗壓強(qiáng)度與煤矸石摻量間的相關(guān)性可用fcu=-15.983ω+49.931表示，導(dǎo)熱系數(shù)與煤矸石摻量間的相關(guān)性可用λ=-0.2775ω+0.7949表示。
4 結(jié)語及建議
雖然本次試驗(yàn)成功配制出了熱工性能良好的C30～C45煤矸石?；⒅楸鼗炷?，技術(shù)上完全符合綠色建筑材料的要求，可作為一種新型的綠色建筑材料推廣使用，但本次試驗(yàn)仍有一些有待繼續(xù)深入研究探討的內(nèi)容：
（1）在熱工性能符合要求的前提下從強(qiáng)度方面考慮建議煤矸石的合理摻量不超過50%，煤矸石摻量梯度更為詳細(xì)具體的煤矸石?；⒅楸鼗炷恋男阅苡写M(jìn)一步研究。
（2）摻加煤矸石的玻化微珠保溫混凝土的強(qiáng)度較普通?；⒅楸鼗炷劣兴档停档统潭扰c所采用的煤矸石及試驗(yàn)過程中煤矸石的人工破碎、篩分、級配有著密切關(guān)系。必要時可對煤矸石進(jìn)行篩選，控制針片狀顆粒的含量。
（3）作為一種新型綠色建筑材料，在兼顧強(qiáng)度指標(biāo)與熱學(xué)性能的前提下煤矸石的合理摻量及最佳摻量在材料推廣使用過程中較為重要，必要時需對其進(jìn)行經(jīng)濟(jì)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
國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51308371）；
教育部高等院校博士點(diǎn)基金資助（20101402120007）；
山西省自然科學(xué)基金項(xiàng)目（2014011033-1）
2016-01-23；
2016-04-05
宮立，男，1991年生，山西代縣人，碩士研究生，研究方向：混凝土結(jié)構(gòu)。
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