CN113192574A - C30～c40自燃煤矸石骨料混凝土的配合比设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开C30～C40自燃煤矸石骨料混凝土的配合比设计方法，属于混凝土配制技术领域及固废建材资源化利用领域。本发明利用自燃煤矸石粗骨料、细骨料或粗细骨料取代天然骨料制备混凝土，包括以下步骤：(1)检测各类原材料性能指标；(2)确定配合比设计三个参数：水胶比、单位用水量和初始砂率；(3)计算胶凝材料单位用量以及水泥和掺合料的用量，确定外加剂掺量；(4)根据拌合物稠度调整砂率；(5)计算天然砂、石，以及煤矸砂、煤矸石和预湿用水的单位用量。本发明考虑了自燃煤矸石骨料吸水率大、粒形差等特点，针对性强、可操作性好，实现了自燃煤矸石在建材领域规模化利用，缓解了作为基础建材混凝土用砂石资源短缺的问题，具有显著的社会和经济效益。
Description
技术领域
本发明属于混凝土配制技术领域及固废建材资源化利用领域，特别涉及C30～C40自燃煤矸石骨料混凝土的配合比设计方法。
背景技术
煤炭生产的伴生物煤矸石堆积量和产量巨大，不仅占用了宝贵的土地资源，对矿区 空气、水源和土地造成了严重污染，严重威胁着矿区居民的健康安全。因此，开展煤矸石固 废建材资源化研究意义重大。
自燃煤矸石骨料“质”上富含硅、铝，“量”上大宗性，与天然硅质类骨料具有双 重近似性，取代天然骨料制备混凝土是可行的。自燃煤矸石骨料以其质量较好、储量较大、 易开采、价格低廉等特点，在“固废”骨料家族中占有一席之地。开展自燃煤矸石在混凝土 中的基础和应用研究具有重要的现实意义。
利用自燃煤矸石骨料配制混凝土时，由于自燃煤矸石骨料许多性能指标介于轻骨料与普通天然骨料之间，配合比设计时若直接采用JGJ55-2011《普通混凝土配合比设计规程》或JGJ51-2002《轻骨料混凝土技术规程》中的设计方法，显然是不合理的。自燃煤矸石是大自然对其进行了脱碳处理，破碎过程中只要把控好自燃煤矸石骨料粒径、粒形和级配，控制燃烧不充分矸石含量，就可以制备出符合规范要求的自燃煤矸石粗、细骨料。但由于自燃煤矸石孔隙率大、吸水率高、压碎值偏大且粒形不好等，所以在混凝土配合比设计时直接采用传统的普通混凝土鲍罗米公式、单位用水量和砂率的选择标准，必然会产生较大的误差。建立基于自燃煤矸石材质特性(吸水率大、针片状含量偏多等)的混凝土配合比设计方法，对自燃煤矸石在混凝土中规模化利用具有重要的指导作用。
发明内容
为此，本发明采取的技术方案为C30～C40自燃煤矸石骨料混凝土的配合比设计方法，包括：
(1)确定自燃煤矸石骨料混凝土的原材料种类，所述自燃煤矸石骨料混凝土的原材料由胶凝材料、骨料、外加剂和水组成，所述胶凝材料由水泥、矿物掺合料组成，所述矿物掺合料由粉煤灰、硅灰、矿渣中的一种、两种或三种组成；所述骨料由天然砂、天然碎石、自燃煤矸砂、自燃煤矸石中的两种组成，所述水为拌合水或由拌合水和吸附水组成；
(2)测定除减水剂、硅灰以外的各原材料的技术性质指标；
(3)确定混凝土的配制强度。根据JGJ55-2011《普通混凝土配合比设计规程》中规定，计算配制强度，计算方法如式(1)；
fcu,0＝fcu,k+1.645σ (1)
式中，fcu,0——自燃煤矸石骨料混凝土的配制强度，MPa；
fcu,k——自燃煤矸石骨料混凝土的设计强度，MPa；
σ——混凝土强度标准差，MPa；
混凝土标准差σ值，可参考表1取值。
(4)确定该设计强度下自燃煤矸石骨料混凝土的水胶比；SNC水胶比计算公式如式(2)，NSC水胶比计算公式如式(3)，SSC水胶比计算公式如式(4)；
式中：fb——胶凝材料28d胶砂抗压强度实测值；这里考虑了自燃煤矸石骨料的特性修正了鲍罗米公式；
(5)确定单位用水量mw。根据所用粗骨料的种类、最大粒径及施工要求的坍落度值，参考普通混凝土配合比设计规范，在充分考虑了自燃煤矸石骨料粒形差和孔隙率大的基础上，依据前期大量试验的统计资料，修正了自燃煤矸石骨料混凝土单位用水量mw0，详见表2所示。掺外加剂，若混凝土减水率为β，1m3混凝土用水量可按(5)式计算：
mw＝mw0(1-β) (5)
式中：mw——单位用水量；β——减水率。
表2自燃煤矸石骨料混凝土的单位用水量mw0/(kg·m-3)
计算胶凝材料用量。计算公式如式(6)；
若计算所得胶凝材料用量不能满足工作性和耐久性要求，参考《普通混凝土配合比设计规程》(JGJ55-2011)的规定调整为mb1；
(6)计算矿物掺合料和水泥用量，计算公式分别如式(7)、(8)；
mf0＝mb1βf (7)
mc0＝mb1-mf0 (8)
其中，βf为矿物掺合料的取代率(一般粉煤灰掺量≥20％，硅灰掺量≤3.5％，矿粉掺量≥10％)；
(8)确定外加剂用量，计算公式如式(9)；
ma0＝mb1βa (9)
其中，βa为减水剂掺量，对于高效减水剂，掺量一般控制在1.5％～2.5％。若掺入引气型复合外加剂，需要依据具体工况的耐久性要求确定掺量；
(9)确定合理砂率值βs，当所述骨料为天然砂石时，最终砂率即为所述初始砂率；当所述骨料是自燃煤矸石骨料时，需要根据水胶比、自燃煤矸石细骨料粗细程度、自燃煤矸石粗骨料针片状含量等，调整砂率为最终砂率，可参考表3确定。
表3自燃煤矸石骨料混凝土的砂率/％
(10)按假定容重法确定粗、细骨料用量。混凝土的表观密度ρ0c，粗骨料用量mg0、细骨料用量ms0，按计算公式如式(10)计算粗、细骨料用量；
其中，ρ0c可根据骨料品种的表观密度、混凝土的强度等级，以及当地的统计资料在2100～2400kg/m3范围内合理选定；
(11)计算自燃煤矸石骨料混凝土的附加用水量。粗骨料为自燃煤矸石的附加用量为 W1，计算公式如式(11)，细骨料为自燃煤矸砂的附加用水量为W2，计算公式如式(12)；
W1＝mg×Wmg×k1 (11)
W2＝ms×Wms×k2 (12)
式中，Wmg——自燃煤矸石1h的质量吸水率，％；
Wms——自燃煤矸砂1h的质量吸水率，％；
k1——自燃煤矸石吸附水系数，取值0.8；
k2——自燃煤矸砂吸附水系数，取值0.6。
所述自燃煤矸石骨料混凝土的设计要求：强度等级为C30～C40、坍落度为35～50mm。
所述天然碎石和自燃煤矸石粗骨料，粒径5～20mm，级配合格；细骨料为天然河砂和自燃煤矸砂，细度模数在2.3～3.0，中砂，自燃煤矸砂偏粗。
所述水泥为42.5级普通硅酸盐水泥(P·O)。
所述粉煤灰为Ⅱ级粉煤灰，矿粉为S95矿粉，硅灰的比表面积20000m3/kg。
所述外加剂为聚羧酸高效减水剂，减水率≥20％。
所述自燃煤矸石骨料混凝土的附加水需提前30～60min掺到自燃煤矸石骨料中，并搅拌均匀将自燃煤矸石骨料预湿。
作为所述设计方法的优选实施方式，每立方米的自燃煤矸石骨料混凝土中各原材料用量如表4，单位均为kg。
表4自燃煤矸石骨料混凝土配合比/(kg·m-3)
本发明自燃煤矸石骨料混凝土配合比设计与普通混凝土配合比设计相比，具有以下优点：
本专利在配合比设计中，从水胶比的修正，单位用水量的确定，砂率的选择，附加用水量的引入等每个步骤上，均考虑到了自燃煤矸石骨料在粒形、表面质构、强度等方面的特性，制备的混凝土能够完全满足设计要求。本专利能有效推进自燃煤矸石骨料在混凝土中规模化利用，可为自燃煤矸石骨料的工程应用提供借鉴及指导作用。
附图说明
图1为本发明自燃煤矸石骨料混凝土配合比设计方法的一种实施流程图；图2为本发明自燃煤矸石粗、细骨料外观形貌。
具体实施方式
为更好的说明本发明的目的、技术方案和优点，下面将结合具体实施例对本发明作进一步说明。各实施实例采用的水泥为普通硅酸盐P·O42.5水泥；天然粗骨料为当地5～20mm 石灰岩碎石；自燃煤矸石为当地煤矸石，现场取样经人工破碎、筛分和组配制成5～20mm连续级配的自燃煤矸石粗骨料；普通细骨料为当地天然河砂；自燃煤矸砂由自燃煤矸石经人工破碎筛、筛分和组配制得；粉煤灰为Ⅱ级灰；矿粉为S95矿粉；减水剂均为聚羧酸系高效减水剂，减水率分别是27％及22％。
实施例1
本实施例提供强度等级为C30的自燃煤矸石粗骨料混凝土(SNC)配合比的设计方法，具体包括如下步骤：
(1)确定SNC的原材料种类。所述SNC的原材料由水泥、粉煤灰、天然河砂、自燃煤矸石、拌合水及吸附水、减水剂组成；
(2)检测除减水剂以外的各原材料的技术性质指标；水泥表观密度3100kg/m3、粉煤灰表观密度2700kg/m3；自燃煤矸石粗骨料表观密度2579kg/m3、堆积密度1076kg/m3、紧堆密度1220kg/m3，压碎指标9.90％，1h质量吸水率为9.87％；天然河砂，细度模数2.70，中砂，表观密度2610kg/m3；
(3)确定SNC的配制强度。根据JGJ55-2011《普通混凝土配合比设计规程》中规定，计算需要配制的SNC的配制强度:fcu,0＝30+1.645×5＝38.2MPa；
(4)确定该设计强度下SNC的水胶比:
(5)确定C30强度等级的SNC单位用水量:mw＝240×(1-27％)＝175.2kg/m3；
(6)计算胶凝材料用量:
对胶凝材料用量进行修正，计算结果有±2％的计算误差，需对胶凝材料用量计算值进行修正，mb1＝400kg/m3；
(7)计算粉煤灰用量:mf＝400×20％＝80kg/m3，水泥用量:C1＝400-80＝320kg/m3；
(8)确定减水剂用量:ma＝400×1.8％＝7.2kg/m3；
(9)参考表3，确定合理砂率值:βs＝53％；
(10)计算粗、细骨料用量(mg0、ms0)；
(11)按经验选择混凝土的表观密度2319kg/m3，用假定容重法计算，即:
解此联立方程得ms0＝924kg/m3，mg0＝820kg/m3；
(12)计算SNC的附加用水量：Wa＝924×9.87％×0.8＝73kg/m3；
实施例2
本实施例提供C35强度等级的自燃煤矸石细骨料混凝土(NSC)配合比的设计方法，具体包括如下步骤：
(1)确定NSC的原材料种类。所述NSC的原材料由水泥、粉煤灰、天然碎石、自燃煤矸石砂、拌合水及吸附水、减水剂组成；
(2)测定除减水剂以外的各原材料的技术性质指标；水泥表观密度3100kg/m3、粉煤灰表观密度2700kg/m3；天然碎石表观密度2715kg/m3、堆积密度1470kg/m3、紧堆密度1660kg/m3，压碎指标4.5％；自燃煤矸砂，细度模数2.81，中砂偏粗，表观密度2357kg/m3， 1h质量吸水率为12％；
(3)确定NSC的配制强度。根据JGJ55-2011《普通混凝土配合比设计规程》中规定，计算需要配制的NSC的配制强度为:fcu,0＝35+1.645×5＝43.2MPa；
(4)确定该设计强度下NSC的水胶比:
(5)确定C35强度等级的NSC单位用水量:mw＝228×(1-22％)＝178kg/m3；
(6)计算胶凝材料用量:
对胶凝材料用量进行修正，计算结果有±2％的计算误差，需对胶凝材料用量计算值进行修正，mb1＝440kg/m3；
(7)计算粉煤灰用量:mf＝440×20％＝88kg/m3，水泥用量:C1＝440-88＝352kg/m3；
(8)确定减水剂用量:ma＝440×2.3％＝10.12kg/m3；
(9)参考表3,确定合理砂率值:βs＝48％；
(10)计算粗、细骨料用量(mg0、ms0)；
(11)按经验选择混凝土的表观密度2289kg/m3，用假定容重法计算，即:
解此联立方程得ms0＝802kg/m3，mg0＝869kg/m3；
(11)计算NSC的附加用水量：Wa＝802×12％×0.6＝58kg/m3；
实施例3
本实施例提供了C40强度等级的自燃煤矸石全轻混凝土(SSC)配合比的设计方法，具体包括如下步骤：
(1)确定SSC的原材料种类。所述SSC的原料由水泥、粉煤灰、自燃煤矸石、自燃煤矸砂、拌合水及吸附水、高效减水剂组成；
(2)测定除减水剂以外的各原材料的技术性质指标；水泥表观密度3100kg/m3、粉煤灰表观密度2700kg/m3；自燃煤矸石粗骨料表观密度2579kg/m3、堆积密度1076kg/m3、紧堆密度1220kg/m3，压碎指标9.90％，1h质量吸水率为9.87％；自燃煤矸砂细度模数2.81，中砂偏粗，表观密度2357kg/m3，1h质量吸水率为12％；
(3)确定SSC的配制强度。根据JGJ55-2011《普通混凝土配合比设计规程》中规定，计算需要配制的SSC的配制强度:fcu,040+1.645×5＝48.2MPa；
(4)确定该设计强度下SSC的水胶比:
(5)确定C40强度等级的SSC单位用水量:mw＝209×(1-22％)＝163kg/m3；
(6)计算胶凝材料用量:
对胶凝材料用量进行修正，计算结果有±2％的计算误差，需对胶凝材料用量计算值进行修正，mb1＝480kg/m3；
(7)计算粉煤灰用量:mf＝480×20％＝96kg/m3，水泥用量:C1＝480-96＝384kg/m3；
(8)确定减水剂用量:ma＝480×2.2％＝10.56kg/m3；
(9)参考表3，确定合理砂率值:βs＝54％；
(10)计算粗、细骨料用量(mg0、ms0)；
(11)按经验选择混凝土的表观密度2120kg/m3，用假定容重法计算，即:
解此联立方程得ms0＝797kg/m3，mg0＝679kg/m3；
(11)计算SSC中粗骨料的附加用水量：Wag＝679×9.87％×0.8＝54kg/m3，细骨料的附加用水量：Was＝797×12％×0.6＝57kg/m3。
表5实施例1～3中混凝土各原材料的配合比
按实施例1～3中的配合比，分别制备相同规格且尺寸为100mm×100mm×100mm 和100mm×100mm×300mm试块，测试这些试块抗压、劈拉和轴压强度及弹性模量，以及混凝土表观密度，测试结果如表6所示。
表6自燃煤矸石骨料混凝土性能试验结果
由表6的可知，自燃煤矸石以粗骨料、细骨料及粗细骨料形式配制的混凝土，强度等级都满足设计要求，混凝土的表观密度随着自燃煤矸石骨料的增加明显下降，对降低结构的自重有利。
验证实验一
依据该设计方法设计的配合比见表7，其混凝土力学性能见表8。
表7C30自燃煤矸石全轻混凝土(SSC)配合比/(kg·m-3)
表8C30自燃煤矸石全轻混凝土(SSC)性能指标
从表8中可以看出，混凝土拌合物的坍落度35mm～50mm符合设计要求，混凝土 28d抗压强度符合设计要求，混凝土表观密度实测值与设计值之差的绝对值没有超过设计值的2％，说明依据本发明设计的配合比满足设计要求可以指导工程实践。
验证实验二
依据该设计方法设计的配合比见表9，其抗氯离子渗透性及抗冻性能试验结果见表 10。
表9C40自燃煤矸石粗集料混凝土(NSC)配合比/(kg·m-3)
表10 C40自燃煤矸石粗集料混凝土(NSC)耐久性指标
从表10中可以看出，自燃煤矸石粗骨料混凝土电通量在1000～2000C范围之间，属于氯离子渗透能力低的范畴；在125次冻融循下，动弹性模量损失小于40％、质量损失损失小于5％，满足抗冻等级F125要求。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其他不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。
Claims (8)
1.C30～C40自燃煤矸石骨料混凝土的配合比设计方法，其特征在于，所述设计方法包括如下步骤：
(1)确定自燃煤矸石骨料混凝土的原材料种类，所述自燃煤矸石骨料混凝土的原材料由胶凝材料、骨料、外加剂和水组成，所述胶凝材料由水泥、矿物掺合料组成，所述矿物掺合料由粉煤灰、矿粉和硅灰中的一种、两种或三种组成；所述骨料由天然砂、天然碎石、自燃煤矸砂、自燃煤矸石中的两种组成，所述外加剂由减水剂、引气剂中的一种或两种组成，所述水由拌合水和骨料预湿附加水组成；
(2)检测除外加剂、硅灰以外的各原材料的技术性质指标；
(3)确定混凝土的配制强度。根据JGJ55-2011《普通混凝土配合比设计规程》中规定，计算配制强度，计算方法如式(1)；
fcu,0＝fcu,k+1.645σ (1)
式中：fcu,0——自燃煤矸石骨料混凝土的配制强度，MPa；
fcu,k——自燃煤矸石骨料混凝土的设计强度，MPa；
σ——混凝土强度标准差，MPa。
(4)确定水胶比。自燃煤矸石粗骨料混凝土(简称SNC)水胶比计算公式如式(2)，自燃煤矸石细骨料混凝土(简称NSC)水胶比计算公式如式(3)，自燃煤矸石粗、细骨料混凝土(简称SSC)水胶比计算公式如式(4)；
式中：fb——胶凝材料28d胶砂抗压强度实测值。
(5)确定单位用水量mw。根据所用粗骨料的种类、最大粒径及施工要求的坍落度值，参考普通混凝土配合比设计规范，在充分考虑了自燃煤矸石骨料粒形差和孔隙率大的基础上，依据前期大量试验的统计资料，修正了自燃煤矸石骨料混凝土单位用水量mw0，详见表1所示。掺外加剂，若混凝土减水率为β，1m3混凝土用水量可按(5)式计算：
mw＝mw0(1-β) (5)
式中：mw——单位用水量；β——减水率。
表1 自燃煤矸石骨料混凝土的单位用水量mw0/(kg·m-3)
(6)计算胶凝材料用量。计算公式如式(6)；
若计算所得胶凝材料用量不能满足工作性和耐久性要求，参考《普通混凝土配合比设计规程》(JGJ55-2011)的规定调整为mb1；
(7)计算矿物掺合料用量及水泥用量。计算公式分别如式(7)、(8)；
mf0＝mb1βf (7)
mc0＝mb1-mf0 (8)
其中，βf为矿物掺合料取代率(一般粉煤灰掺量≥20％，硅灰掺量≤3.5％，矿粉掺量≥10％)；
(8)确定外加剂掺量。计算公式如式(9)；
ma0＝mb1βa (9)
其中，βa为减水剂掺量，对于高效减水剂，掺量一般控制在1.5％～2.5％；
(9)确定合理砂率值βs。当所述骨料为天然砂石时，最终砂率即为所述初始砂率；当所述骨料是自燃煤矸石骨料时，为满足施工的工作性要求，需要根据水胶比、自燃煤矸石细骨料粗细程度、自燃煤矸石粗骨料针片状含量等，调整砂率为最终砂率，可参考表2选取。
表2 自燃煤矸石骨料混凝土砂率/％
(10)按假定容重法确定粗、细骨料用量。混凝土的表观密度ρ0c，粗骨料用量mg0、细骨料用量ms0，按计算公式如式(10)计算粗、细骨料用量；
其中，ρ0c可根据骨料品种的表观密度以及混凝土的强度等级，以及当地的统计资料在2100～2400kg范围内合理选定；
(11)计算自燃煤矸石骨料混凝土的附加用水量；自燃煤矸石粗骨料的附加用量为W1，计算公式如式(11)，自燃煤矸石细骨料砂的附加用水量为W2，计算公式如式(12)；
W1＝mg×Wmg×k1 (11)
W2＝ms×Wms×k2 (12)
式中，Wmg——自燃煤矸石粗骨料1h的质量吸水率，％；
Wms——自燃煤矸石细骨料1h的质量吸水率，％；
k1——自燃煤矸石粗骨料吸附水系数，取值0.8；
k2——自燃煤矸石细骨料吸附水系数，取值0.6。
2.如权利要求1所述的自燃煤矸石骨料混凝土，其特征在于，所述自燃煤矸石骨料混凝土的设计要求：强度等级为C30～C40、坍落度为35～200mm。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述粗骨料粒径5～20mm，级配合格；细骨料为天然河砂和自燃煤矸砂，细度模数2.3～3.0，中砂，其中自燃煤矸砂偏粗。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述水泥为42.5级普通硅酸盐水泥(P·O)。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述掺合料为Ⅱ级粉煤灰、S95矿粉或硅灰中的一种、两种或三种。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述外加剂为聚羧酸高效减水剂或减水剂与引气剂复合外加剂中的一种，减水率20％～25％。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述附加用水需提前30～60min掺入到自燃煤矸石骨料中，并搅拌均匀，实现对自燃煤矸石骨料的预湿处理。
8.根据权利要求1所述的设计方法，其特征在于，每立方米的自燃煤矸石骨料混凝土中各原材料用量如表3，单位均为kg。
表3 自燃煤矸石骨料混凝土配合比/(kg·m-3)
。
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