郝贠洪, 李京, 王韞輝, 何曉雁, 薛晨光

(1.內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院, 呼和浩特 010051; 2.內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué), 內(nèi)蒙古自治區(qū)土木工程結(jié)構(gòu)與力學(xué)重點實驗室, 呼和浩特 010051; 3.內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)內(nèi)蒙古自治區(qū)建筑檢測鑒定與安全評估工程技術(shù)研究中心, 呼和浩特 010051; 4.內(nèi)蒙古自治區(qū)烏蘭察布市察右前旗同福建材有限責(zé)任公司, 烏蘭察布 012299)

中國近年來經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速,工業(yè)化進(jìn)程不斷加快,固體廢棄物回收利用,存放等問題日益嚴(yán)重,這些固體廢棄物以煤矸石、鐵尾礦和粉煤灰等廢渣為主[1-2]。中國煤矸石累計堆存量已達(dá)70億t,占地面積約70 km2[3];尾礦總量達(dá)600億t,占地110萬km2[4]。針對這一情況,中國相繼出臺了《中華人民共和國固體廢物污染環(huán)境防治法》《關(guān)于“十四五”大宗固體廢棄物綜合利用的指導(dǎo)意見》[5-6]等政策,進(jìn)一步完善了固體廢棄物的貯存、運(yùn)輸和利用等。由于固體廢棄物中含有高嶺土、長石等硅鋁酸鹽類礦物,這與燒結(jié)磚主要原料黏土成分類似[7],利用固體廢棄物制備燒結(jié)磚等建筑墻體材料可為大宗固廢綜合利用提供新思路。

內(nèi)蒙古地區(qū)冬季寒冷,平均溫度在-15～-3.5℃,部分地區(qū)年極端最低氣溫低于-30 ℃[8],眾多學(xué)者針對燒結(jié)墻體材料研究主要集中在制備工藝對燒結(jié)墻體材料性能的影響[9-13],但對燒結(jié)墻體材料在嚴(yán)寒環(huán)境服役過程凍害損傷研究鮮有報道,而基于Wiener過程對材料耐久性退化及壽命預(yù)測研究多集中在混凝土[14-16]。綜上所述,研究內(nèi)蒙古地區(qū)燒結(jié)多孔磚劣化機(jī)理及抗凍性退化過程對提高該地區(qū)燒結(jié)多孔磚服役壽命是很有必要的。

現(xiàn)以內(nèi)蒙古地區(qū)實際自然環(huán)境為背景,設(shè)計凍融循環(huán)試驗,研究煤矸石-鐵尾礦燒結(jié)多孔磚的外觀、質(zhì)量、強(qiáng)度、吸水率和體積密度隨凍融次數(shù)變化規(guī)律,通過一元Wiener過程建立燒結(jié)多孔磚退化模型,分析煤矸石-鐵尾礦燒結(jié)多孔磚抗凍性退化規(guī)律,利用凍融壽命預(yù)測模型對室內(nèi)外凍融次數(shù)轉(zhuǎn)化,并對對煤矸石-鐵尾礦燒結(jié)多孔磚進(jìn)行壽命預(yù)測。研究成果可為內(nèi)蒙古地區(qū)燒結(jié)多孔磚抗凍性分析提供一定的理論依據(jù)。

1 原材料及試件制備

1.1 試件制備工藝

煤矸石-鐵尾礦燒結(jié)多孔磚制備工藝流程如圖1所示。原料經(jīng)破碎處理后將按比例進(jìn)行攪拌,摻入一定量成型水進(jìn)行陳化,陳化后原料進(jìn)行真空擠出制坯,坯體在干燥室干燥一段時間后會進(jìn)入除塵燒結(jié)窯燒結(jié)至成品,檢測成品各項性能達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)后即可。

圖1 標(biāo)準(zhǔn)試件制備流程Fig.1 Standard specimen preparation process

1.2 原材料及試件制備

試驗原材料為煤矸石、鐵尾礦及頁巖,分別取自烏蘭察布市同福磚廠周邊馬蓮灘煤礦、盛達(dá)礦業(yè)、磚廠周圍廢棄頁巖。具體化學(xué)組成(質(zhì)量分?jǐn)?shù))見表1。

按照煤矸石、鐵尾礦、頁巖比例為4∶4∶2混合并粉碎,過篩后粒徑為0.5～2 mm;粉碎后原料加入成型水,在原料含水率約8%,溫度室溫條件下陳化7～10 d;對陳化后原料進(jìn)行攪拌并再次加水,此時含水率為11%～13%,在成型壓力為20～25 MPa條件下真空擠出成型;坯體干燥后在溫度850～1 100 ℃條件下進(jìn)行燒結(jié),對成品外觀檢查無缺陷后即為實際試驗材料.試驗材料尺寸為240 mm×115 mm×90 mm,孔型為方孔。

表1 原料化學(xué)組成分析結(jié)果Table 1 Results of chemical composition analysis of raw materials

2 試驗方法

2.1 煤矸石-鐵尾礦燒結(jié)多孔磚凍融循環(huán)試驗

依據(jù)《砌墻磚試驗方法》(GB/T 2542—2012)進(jìn)行凍融循環(huán)試驗,每組5塊。試驗前將試樣表面進(jìn)行清理,去除多余粘連物、雜質(zhì)。將處理后試樣放入電熱鼓風(fēng)干燥箱中,在(105±5) ℃條件下干燥至恒質(zhì)并稱重(干燥過程中,前后兩次稱量相差小于0.2%,前后兩次稱量時間間隔為2 h),將干燥后試樣浸在10～20 ℃的水中24 h后取出并用濕布拭去表面水分放入凍融箱內(nèi),放置時試樣間距應(yīng)大于20 mm。在-15～-20 ℃冰凍3 h,然后放入10～20 ℃水中融化2 h,如此為一次凍融循環(huán)。凍融循環(huán)設(shè)置0、10、20、30、40、50、60、70次,每10次凍融循環(huán)后測量試樣質(zhì)量、吸水率、抗壓強(qiáng)度、體積密度并記錄外觀變化。

2.2 煤矸石-鐵尾礦燒結(jié)多孔磚凍融前后抗壓強(qiáng)度測試

依據(jù)《砌墻磚試驗方法》(GB/T 2542—2012),對凍融前后試樣采用上下灌漿方式制作抗壓強(qiáng)度試驗試樣(二次成型制樣),如圖2所示。試驗采用200 t電液伺服萬能試驗機(jī)對試樣進(jìn)行力學(xué)性能測定,加荷速度為2～6 kN/s,每組試樣數(shù)量為5個,試件破壞后記錄最大破壞荷載,計算每個試樣抗壓強(qiáng)度并取5個試件平均值為最終試驗結(jié)果,得到不同凍融循環(huán)次數(shù)作用后燒結(jié)多孔磚的抗壓強(qiáng)度。試樣抗壓強(qiáng)度計算公式為

(1)

式(4)中:Rp為抗壓強(qiáng)度,MPa;P為最大破壞荷載,N;L為受壓面長度,mm;B為受壓面寬度,mm。

2.3 煤矸石-鐵尾礦燒結(jié)多孔磚凍融前后吸水率和體積密度測試

依據(jù)《砌墻磚試驗方法》(GB/T 2542—2012)對試樣進(jìn)行吸水率和體積密度進(jìn)行測定。將凍融前后的試樣放入電熱鼓風(fēng)干燥箱中干燥至恒重,測量干燥后試樣體積兩次,取平均值作為試樣體積并測量其質(zhì)量,將測量后干燥試樣放入水中浸泡24 h,將浸泡后試樣取出,用濕毛巾擦去表面水分,立即稱重,每組5個試件,將其平均值作為最終試驗結(jié)果。吸水率和體積密度計算公式為

(2)

(3)

式(2)中:W24為常溫水浸泡24 h試樣吸水率,%;m為試樣干質(zhì)量,kg;m24為浸水24 h濕質(zhì)量,kg;ρ為干試樣密度,kg/m3;V為干試樣體積,mm3。

3 結(jié)果與討論

3.1 煤矸石-鐵尾礦燒結(jié)多孔磚外觀隨凍融循環(huán)次數(shù)變化規(guī)律

圖3為不同凍融循環(huán)次數(shù)作用下煤矸石-鐵尾礦燒結(jié)多孔磚側(cè)面外觀變化圖。由圖3(a)、圖3(b)所示可知,10～20次凍融循環(huán)后,試樣表面出現(xiàn)明顯的細(xì)微裂縫,在裂縫周圍表面微微隆起,四周棱角處未出現(xiàn)缺失。30次凍融循環(huán)后,裂縫數(shù)量增多,試樣表面出現(xiàn)少量缺失,缺失部位形狀近似圓形,缺陷處可觀察到白色物質(zhì)[圖3(c)]。40～60次凍融循環(huán)后,裂縫數(shù)量增加,裂縫增寬,缺失部位數(shù)量增加,可以明顯觀察到更多白色物質(zhì),邊緣棱角處部分剝落,呈現(xiàn)出凹凸不平的狀態(tài)[圖3(d)～圖3(f)]。70次凍融循環(huán)后,缺失部位范圍增大,磚體內(nèi)物質(zhì)外露現(xiàn)象更加明顯,棱角處損傷嚴(yán)重[圖3(g)]。凍融循環(huán)結(jié)束后,燒結(jié)多孔磚孔洞處僅有少量微裂縫產(chǎn)生,未出現(xiàn)缺失剝落現(xiàn)象,主要因為在實際生產(chǎn)時,坯體真空擠出后,孔洞壁較其他部位更加光滑,初始缺陷少,燒結(jié)時機(jī)械性能進(jìn)一步加強(qiáng),故抗凍性相比其他部位更優(yōu)。

圖3 不同循環(huán)次數(shù)作用下煤矸石-鐵尾礦 燒結(jié)多孔磚側(cè)面外觀變化Fig.3 Side appearance changes of coal gangue-iron tailings sintered porous brick under different cycles

3.2 煤矸石-鐵尾礦燒結(jié)多孔磚質(zhì)量隨凍融循環(huán)次數(shù)變化規(guī)律

燒結(jié)多孔磚質(zhì)量采用量程為0.001 kg量程電子秤進(jìn)行稱量,取每組平均值為最終結(jié)果。圖4為煤矸石-鐵尾礦燒結(jié)多孔磚質(zhì)量變化與凍融循環(huán)次數(shù)關(guān)系。由圖4可知,隨著凍融次數(shù)的增加,質(zhì)量損失量呈現(xiàn)增大趨勢,質(zhì)量總損傷約為22.7 g。10～20次凍融循環(huán)后質(zhì)量損失量增長平緩,30次凍融循環(huán)后質(zhì)量損失量明顯增加,質(zhì)量損失率增加約0.72%,這是由于當(dāng)30次凍融循環(huán)后,試件表面首次出現(xiàn)部分缺失。30～60次凍融循環(huán)質(zhì)量損失量平穩(wěn)增加,質(zhì)量損失率漲幅均低于0.5%,但70次凍融循環(huán)后質(zhì)量損失量顯著上升,質(zhì)量損失率增加約1.19%,這是由于隨著凍融循環(huán)次數(shù)增加,試樣加速劣化,不僅試件表面出現(xiàn)缺失,而且棱角處也出現(xiàn)破損,使得質(zhì)量大幅下降。

圖4 不同凍融循環(huán)次數(shù)下煤矸石-鐵尾 礦燒結(jié)多孔磚質(zhì)量損失Fig.4 Mass loss of coal gangue-iron tailings sintered porous brick under different freeze-thaw cycles

3.3 煤矸石-鐵尾礦燒結(jié)多孔磚抗壓強(qiáng)度隨凍融循環(huán)次數(shù)變化規(guī)律

圖5為煤矸石-鐵尾礦燒結(jié)多孔磚抗壓強(qiáng)度變化與凍融循環(huán)次數(shù)變化規(guī)律,可以看出隨著凍融次數(shù)的增加,煤矸石-鐵尾礦燒結(jié)多孔磚抗壓強(qiáng)度逐漸下降。未凍融時,試樣抗壓強(qiáng)度為10.6 MPa,10次凍融循環(huán)作用后強(qiáng)度下降約6.2%,這是由于凍融后試樣內(nèi)部缺陷增加,出現(xiàn)微裂縫導(dǎo)致。20次凍融循環(huán)后下降不明顯,下降率僅為0.9%。30～60次凍融循環(huán)后,強(qiáng)度均勻下降,平均下降幅度在5%～8%,下降率表現(xiàn)出下滑趨勢。而70次凍融循環(huán)后,強(qiáng)度為6.8 MPa,較未凍融試樣損失約35.8%。主要因為當(dāng)凍融次數(shù)增加時,試樣內(nèi)部孔隙逐漸增多,微孔相互聯(lián)通,試樣出現(xiàn)較多較大裂縫,進(jìn)而造成抗壓強(qiáng)度降低。

圖5 不同凍融循環(huán)次數(shù)下煤矸石-鐵尾礦 燒結(jié)多孔磚抗壓強(qiáng)度損失Fig.5 Strength loss of coal gangue-iron tailings sintered porous brick under different freeze-thaw cycles

從煤矸石-鐵尾礦燒結(jié)多孔磚破壞形式(圖6)可以看出,在破壞時,棱角處破壞最為嚴(yán)重,出現(xiàn)貫通的大裂縫,部分呈現(xiàn)出片狀剝落破壞。主要由于試樣受壓時,在與力垂直方向會產(chǎn)生膨脹變形,這種作用形式可通過無限域映射到單位圓內(nèi)映射函數(shù)解釋,函數(shù)近似形式為

(4)

式(4)中:z=ω(ξ)為映射函數(shù);β1、β3、β5、……與矩形孔邊長有關(guān);c為復(fù)常數(shù),與矩形孔大小有關(guān)。

可以看出矩形孔的圓角曲率半徑與所取項數(shù)有關(guān),項數(shù)越多,矩形孔圓角曲率半徑越小。當(dāng)邊長比λ=3且取式(2)前4項計算矩形孔孔邊應(yīng)力如圖7所示。從圖7中可以看出,沿著矩形孔受力方向(α=0°)應(yīng)力集中最小,垂直孔洞方向(α=90°)次之,斜向(α=45°)應(yīng)力集中最大[17]。因此,壓力作用時邊角處及孔洞處邊角最先出破壞,裂縫沿著約45°方向發(fā)展,隨著壓力增加,垂直方向切應(yīng)力增大,試樣肋處逐漸破壞,進(jìn)而試樣完全破壞。

圖6 煤矸石-鐵尾礦燒結(jié)多孔磚破壞外觀Fig.6 Coal gangue-iron tailings sintered porous brick damage appearance

圖7 映射函數(shù)取前4項時應(yīng)力變化曲線[17]Fig.7 Stress variation curve when mapping function takes the first 4 items[17]

3.4 煤矸石-鐵尾礦燒結(jié)多孔磚吸水性和體積密度隨凍融循環(huán)次數(shù)變化規(guī)律

吸水性和體積密度與試樣孔隙率有關(guān),可直接或間接反映出試樣內(nèi)部情況。圖8為煤矸石-鐵尾礦燒結(jié)多孔磚吸水性變化與凍融循環(huán)次數(shù)變化規(guī)律,可以看出,隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加,試樣吸水量逐漸增大,總體增加趨勢存在兩次大幅度上漲,10次凍融循環(huán)后吸水率增加約1.1%,70次凍融循環(huán)后吸水量為570 g,吸水率則上漲約3%,其余階段增長平穩(wěn),近似呈現(xiàn)出線性增長,這是由于70次凍融循環(huán)后試樣內(nèi)部缺陷劇增,孔隙率尤其是開孔孔隙率增加,導(dǎo)致試樣吸水率增加。圖9為煤矸石-鐵尾礦燒結(jié)多孔磚體積密度變化與凍融循環(huán)次數(shù)變化規(guī)律。由圖9可知,體積密度隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增長呈平穩(wěn)下降趨勢,但總體損失量不大,下降率不超過1%。這是由于干燥時試樣體積無明顯變化,而質(zhì)量變化幅度小,因此體積密度總體變化不大。

圖8 不同凍融次數(shù)燒結(jié)多孔磚吸水性變化規(guī)律Fig.8 Water absorption variation of sintered porous brick with different freeze-thaw cycles

圖9 不同凍融次數(shù)燒結(jié)多孔磚體積密度變化規(guī)律Fig.9 Volume density variation of sintered porous brick with different freeze-thaw cycles

3.5 凍融循環(huán)后煤矸石-鐵尾礦燒結(jié)多孔磚損傷度變化規(guī)律

根據(jù)損傷力學(xué)理論,以煤矸石-鐵尾礦燒結(jié)多孔磚凍融前后質(zhì)量、抗壓強(qiáng)度、吸水率、體積密度為指標(biāo),計算不同指標(biāo)表征下的損傷度[18],公式為

(5)

式(5)中:Dα為指標(biāo)為α的煤矸石-鐵尾礦燒結(jié)多孔磚損傷度;α0為凍融前煤矸石-鐵尾礦燒結(jié)多孔磚指標(biāo)量;αn為凍融后煤矸石-鐵尾礦燒結(jié)多孔磚指標(biāo)量。

圖10為煤矸石-鐵尾礦燒結(jié)多孔磚在凍融循環(huán)作用下不同指標(biāo)損傷度變化情況。由圖10可知,各指標(biāo)總體變化趨勢相同,損傷度逐漸增加,其中吸水性損傷度總體變化幅度最小而抗壓強(qiáng)度損傷度變化最大,經(jīng)歷不同凍融循環(huán)次數(shù)后,各指標(biāo)損傷度也存在差異,70次凍融循環(huán)后,煤矸石-鐵尾礦燒結(jié)多孔磚質(zhì)量、抗壓強(qiáng)度、吸水率和體積密度損傷度分別為7.1%、36%、18%、3.6%.凍融循環(huán)條件下煤矸石-鐵尾礦燒結(jié)多孔磚抗壓強(qiáng)度性能退化最大,體積密度性能退化量最小。主要因為在凍融環(huán)境有水條件下,磚體一段時間后孔隙達(dá)到飽和狀態(tài),冷凍時水膨脹結(jié)冰,形成部分膨脹應(yīng)力,膨脹應(yīng)力作用于磚體內(nèi)部固體材料,造成材料內(nèi)部應(yīng)力,凍融初始時,材料內(nèi)部孔隙應(yīng)力大于膨脹應(yīng)力,但隨著凍融次數(shù)增加,損傷逐漸累積,材料孔隙應(yīng)力達(dá)到其能承受極限,孔隙破壞,材料抗壓強(qiáng)度急劇下降。

圖10 凍融環(huán)境下煤矸石-鐵尾礦燒結(jié) 多孔磚不同指標(biāo)損傷度變化Fig.10 Damage degree changes of different indexes of coal gangue-iron tailings sintered porous brick under freeze-thaw environmen

4 基于Wiener過程的燒結(jié)磚抗凍性壽命預(yù)測

Wiener過程為布朗運(yùn)動的數(shù)學(xué)模型,即微粒受到大量隨機(jī)、相互獨立水分子撞擊后會發(fā)生無規(guī)則運(yùn)動,常用于描述液體或氣體中小粒子運(yùn)動[19]。Wiener過程具有良好的計算與分析性質(zhì),適用于因微小損傷累計導(dǎo)致產(chǎn)品發(fā)生增加或減小趨勢的非單調(diào)退化過程。試樣在凍融循環(huán)過程中,孔隙中液體不斷在水和冰之間相互轉(zhuǎn)化,每次凍融循環(huán)過程都會加速試樣劣化,隨著凍融循環(huán)次數(shù)不斷增加,損傷逐漸積累,試樣性能逐漸退化,因此這種劣化過程可用Wiener過程進(jìn)行分析。

4.1 模型建立

Wiener過程一般公式為

B(t)=mt+nW(t)

(6)

式(6)中:B(t)為煤矸石-鐵尾礦燒結(jié)多孔磚在凍融循環(huán)侵蝕過程中退化量;m為漂移系數(shù)主要表征退化速度;n為過程的擴(kuò)散系數(shù);t為時間;W(t)為標(biāo)準(zhǔn)的Wiener過程。

試樣壽命可定義為其性能退化量首次達(dá)到失效閾值的時間。為準(zhǔn)確預(yù)測試樣在凍融循環(huán)侵蝕后的服役壽命,可參考《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法》(GB/T 50082—2009)中相關(guān)規(guī)定,以相對質(zhì)量損失作為退化指標(biāo)失效閾值.設(shè)煤矸石-鐵尾礦燒結(jié)多孔磚失效閾值為P(P>0),則試樣壽命T滿足關(guān)系式

T=inf{t︱B(t)>P}

(7)

經(jīng)推導(dǎo)可得該試樣退化指標(biāo)達(dá)到失效閾值時的概率密度和可靠度函數(shù)為

(8)

(9)

式中:φ為標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布函數(shù)。

4.2 模型驗證

計算前要對數(shù)據(jù)進(jìn)行檢驗,驗證其是否滿足Wiener過程性質(zhì)。一元漂移Wiener過程要滿足以下條件。

(1)ΔB=B(t+Δt)-B(t)～N(mΔt,n2Δt)。

(2)B(t)具有獨立增量,即對于任意0≤t0

(3)B(0)=0。

根據(jù)試驗數(shù)據(jù),采用統(tǒng)計直方圖對相對質(zhì)量損失進(jìn)行分布檢驗,如圖11所示?？梢钥闯鱿鄬|(zhì)量損失服從正態(tài)分布。根據(jù)統(tǒng)計學(xué)相關(guān)理論可知,表征煤矸石-鐵尾礦燒結(jié)多孔磚抗凍性退化過程的相對質(zhì)量損失滿足一元連續(xù)時間隨機(jī)過程性質(zhì),故煤矸石-鐵尾礦燒結(jié)多孔磚抗凍性退化過程符合一元漂移Wiener過程。

圖11 相對質(zhì)量損失直方圖Fig.11 Relative quality loss histogram

4.3 參數(shù)計算

通過式(6)、式(7)可得Wiener過程似然函數(shù)為

(10)

式(10)中:ΔBij為第j個試件在Δtij段內(nèi)退化量。

對式(8)求解[20]可得m、n的函數(shù)式為

(11)

(12)

根據(jù)式(11)、式(12)計算參數(shù)得m=0.000 081 9,n2=0.000 185。

將參數(shù)代入式(8)、式(9)中得到試樣的可靠度函數(shù),并用Origin軟件進(jìn)行擬合,結(jié)果如圖12、圖13所示?？梢钥闯龊瘮?shù)曲線隨著閾值降低而下降,總體下降速度較快,而下降到一定范圍時,變化又趨于平緩且持續(xù)時間較長。因此,煤矸石-鐵尾礦燒結(jié)多孔磚抗凍性雖然在短時間內(nèi)退化較快,但隨著服役時間的增長,性能退化會逐漸趨于平緩,符合材料性能退化規(guī)律。

4.4 壽命預(yù)測

采用凍融壽命預(yù)測模型[21],模型中應(yīng)力比與室內(nèi)外環(huán)境中最低氣溫和室內(nèi)室外最大降溫速度有機(jī)聯(lián)系在一起,使得自然環(huán)境凍融次數(shù)與室內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)實驗凍融循環(huán)次數(shù)得以轉(zhuǎn)換。

圖12 試件可靠度函數(shù)曲線Fig.12 Reliability function curve of specimen

圖13 試件概率密度曲線Fig.13 Probability density curve of specimen

(13)

式(13)中:σmax為標(biāo)準(zhǔn)室內(nèi)凍融過程中煤矸石-鐵尾礦燒結(jié)多孔磚最大壓應(yīng)力;σi,max為自然條件下某一特定凍融循環(huán)制度下煤矸石-鐵尾礦燒結(jié)多孔磚最大壓應(yīng)力;T為室內(nèi)或室外最低熱力學(xué)溫度(t+273.15);dθ/dt為室內(nèi)或室外最大降溫速度(℃/min);pω/pi為冰的結(jié)冰點與相對蒸汽壓力達(dá)到平衡時的半經(jīng)驗關(guān)系方程。

以日最低氣溫低于-5 ℃且日最高氣溫高于5 ℃天數(shù)計為1次室外實際凍融循環(huán),以內(nèi)蒙古自治區(qū)呼和浩特市為例,根據(jù)中國氣象局?jǐn)?shù)據(jù)統(tǒng)計呼和浩特市2021年實際室外凍融循環(huán)次數(shù)為 22 次,平均日溫差為 13.91 ℃/d。室外最大降溫速度為

(14)

室內(nèi)降溫速度為

(15)

則

(16)

即本文試驗標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境中一次凍融循環(huán)相當(dāng)于呼和浩特實際自然環(huán)境中凍融循環(huán)10次。通過Wiener過程計算當(dāng)閾值分別為0.2、0.3、0.4時,凍融循環(huán)次數(shù)為24.4、77.8、188.4次。呼和浩特實際凍融環(huán)境中煤矸石-鐵尾礦燒結(jié)多孔磚耐久性壽命計算[22]公式為

(17)

式(17)中:t為呼和浩特市實際凍融環(huán)境下煤矸石-鐵尾礦燒結(jié)多孔磚耐久性壽命,年;n為煤矸石-鐵尾礦燒結(jié)多孔磚在呼和浩特實際自然環(huán)境中的凍融次數(shù),次;N為室內(nèi)凍融環(huán)境中煤矸石-鐵尾礦燒結(jié)多孔磚失效時循環(huán)次數(shù)。

通過計算得閾值為0.2、0.3、0.4條件下,煤矸石-鐵尾礦燒結(jié)多孔磚耐久性壽命為11.1、35.4、85.6年。

5 結(jié)論

(1)以煤矸石、鐵尾礦和頁巖為原料,在原料粒徑0.5～2 mm;陳化時間7～10 d;成型水分11%～13%;成型壓力20～25 MPa;燒結(jié)溫度850～1 100 ℃條件下制備燒結(jié)多孔磚。成品抗壓強(qiáng)度為10.6 MPa;吸水率為13.3%;體積密度為1 779.7 kg/m3。

(2)通過對煤矸石-鐵尾礦燒結(jié)多孔磚標(biāo)準(zhǔn)試件進(jìn)行凍融試驗,發(fā)現(xiàn)試樣劣化現(xiàn)象明顯,隨著凍融循環(huán)次數(shù)增加,表面依次出現(xiàn)隆起,微裂縫,輕微剝落等,但是沒有出現(xiàn)磚體大面積破損,貫通裂縫等現(xiàn)象。煤矸石-鐵尾礦燒結(jié)多孔磚質(zhì)量、抗壓強(qiáng)度、吸水性和體積密度表現(xiàn)出隨凍融次數(shù)增加性能退化程度加深,其損傷度分別為7.1%、38%、18%、3.6%;同時60～70次凍融循環(huán)后,煤矸石-鐵尾礦燒結(jié)多孔磚性能退化速度最快。

(3)以相對質(zhì)量損失為指標(biāo)建立Wiener過程模型,并對指標(biāo)選取合理性進(jìn)行驗證,結(jié)果顯示符合要求。煤矸石-鐵尾礦燒結(jié)多孔磚可靠度曲線大致分為三階段,其中第一階段最短,第三階段最長,變化趨勢符合材料破壞特點。通過凍融壽命預(yù)測模型對煤矸石-鐵尾礦燒結(jié)多孔磚進(jìn)行壽命預(yù)測,在閾值為0.2、0.3、0.4條件下,煤矸石-鐵尾礦燒結(jié)多孔磚耐久性壽命為11.1、35.4、85.6年。