全級配煤矸石混凝土導熱性能試驗與分析

皇 民, 趙玉如, 藺世豪, 王浩南

(河南工程學院土木工程學院, 鄭州 451191)

煤矸石是煤炭開采和洗選過程中排出的固體廢棄物，屬于和煤層伴生的煤質沉積巖類礦物質，是當前排放量最大的工業廢棄物之一。煤矸石堆放占用大量土地，而且產生粉塵和有害氣體，還可能發生自燃、崩塌與滑坡，對自然環境有較大的危害性[1]。經過對煤矸石的破碎、清洗和篩分處理，可以替代天然骨料配制煤矸石混凝土，在降低固體廢棄物堆放量的同時，還可以節約資源[2]。

利用煤矸石骨料配制混凝土的力學性能方面，已經有很多學者進行了廣泛研究[3-5]，但關于煤矸石混凝土熱工性能方面的研究還比較少。宮立等[6]研究了煤矸石取代天然碎石的煤矸石混凝土保溫性能，結果表明摻加煤矸石粗骨料會降低混凝土的抗壓強度和導熱系數；李永靖等[7]研究了加氣煤矸石混凝土的力學性能和導熱性能，結果表明加入引氣劑可以降低煤矸石混凝土的導熱系數；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導熱系數，結果表明煤矸石粗骨料取代率為50%時的煤矸石混凝土可以滿足一般結構的強度要求，并可降低混凝土導熱系數；苗昊逸等[9]研究了煤矸石玻化微珠混凝土的力學和保溫性能，結果表明煤矸石替代天然粗骨料后再摻加玻化微珠可以改善混凝土的保溫性能。

上述研究主要是針對以煤矸石粗骨料配制的混凝土導熱系數進行研究，缺乏不同替代率下的全級配煤矸石混凝土導熱系數分析和預測模型研究。現擬通過對不同煤矸石替代率下的全級配煤矸石混凝土導熱系數進行試驗和分析，提出適合煤矸石混凝土導熱系數的修正計算模型，為煤矸石的綜合利用提供參考。

1 試驗方案

1.1 試驗原理

煤矸石混凝土和普通混凝土一樣可視為平板導熱模式，混凝土兩側面為平板且各處溫度相等，這樣平板兩側面就成為兩個等溫面且存在一定的溫差，在煤矸石混凝土平板內就會產生反向于溫度梯度的降度方向熱流，由此可計算出混凝土導熱系數為

(1)

式(1)中：ΔQ為通過平板的熱量；S為平板面積；Δδ為平板厚度；ΔT為平板兩側溫度差值；λ為導熱系數，λ數值較小，表示通過混凝土的熱流量較少，保溫性較好。

1.2 試驗材料

膠凝材料為新鄉新星產PC32.5級復合水泥；天然細骨料為河砂，細度模數為2.46；天然粗骨料采用石灰巖碎石，粒徑規格5～20 mm；煤矸石粗骨料由平頂山十三礦所產煤矸石經破碎篩分而成，粒徑規格5～20 mm；將煤矸石顆粒用粉磨機繼續磨細可制作成煤矸石細骨料，細度模數2.32；減水劑采用聚羧酸系，減水率18%。表1為天然骨料與煤矸石骨料的主要性質對比。

表1 兩種骨料的性質比較

1.3 混凝土配合比設計

依據煤矸石粗骨料替代率和煤矸石細骨料替代率的不同，設計9組試件，每組3個，共27個大小為270 mm×270 mm×22 mm的平板試塊。基準混凝土配合比(質量比)為水泥∶細骨料∶粗骨料∶水=1∶1.91∶3.26∶0.42，其組成材料具體用量如表2所示。

表2 試驗配合比設計參數

1.4 測定導熱系數

導熱系數測定采用上海懷歐HOR303型導熱系數測定儀(圖1)。在試驗前，首先將煤矸石混凝土平板試塊(圖2)放入烘箱烘干至干燥狀態，再用砂紙把試塊表面打磨平滑后，將熱電偶探頭放至平板試塊上下平板中心處。熱板設定溫度為30 ℃，冷板為20 ℃。測試過程中每隔1 h觀測一次導熱系數試驗值，直至試驗值連續穩定。

圖1 導熱系數測定儀Fig.1 Thermal conductivity device

圖2 煤矸石混凝土試塊Fig.2 Coal gangue concrete test block

2 試驗結果與分析

2.1 試驗結果

試驗完成后，分別測試9組試塊的導熱系數和表觀密度以及孔隙率，每組取三個試塊的平均值作為最終試驗結果，如表3所示。

表3 煤矸石混凝土導熱系數試驗結果Table 3 Test results of thermal conductivity of coal gangue concrete

2.2 導熱系數變化分析

由試驗結果可獲得不同煤矸石粗骨料替代率下的煤矸石混凝土導熱系數變化情況如圖3所示。可知煤矸石混凝土的導熱系數隨煤矸石粗骨料替代率的增加而單調減小，不含煤矸石的普通混凝土導熱系數最高，為1.56 W/(m·K)，煤矸石粗骨料替代率為25%、50%、75%和100%的煤矸石混凝土導熱系數相比普通混凝土分別降低了7.05%、13.46%、23.72%和32.05%。其原因主要是煤矸石粗骨料孔隙率較高，因此隨著煤矸石粗骨料替代率的增加，相應配制的煤矸石混凝土表觀密度就越低，孔隙率也越高，而混凝土孔隙內的空氣導熱系數很低，其導熱系數僅為0.023 W/(m·K)，遠低于混凝土材料。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，表觀密度和導熱系數也就越低。

圖3 不同煤矸石粗骨料替代率下的混凝土導熱系數Fig.3 Thermal conductivity of concrete with different replacement ratio of coal gangue coarse aggregate

在粗骨料均為煤矸石的基礎上，逐次用煤矸石細骨料替代天然砂，最終得到全級配煤矸石混凝土，其導熱系數隨煤矸石細骨料的增加也是呈單調降低，具體如圖4所示。由試驗結果可知：煤矸石細骨料替代率為25%、50%、75%和100%的煤矸石混凝土導熱系數相比煤矸石粗骨料混凝土(MC100)分別降低了6.60%、12.26%、22.64%和30.19%，與不摻煤矸石的普通混凝土導熱系數相比則分別降低了36.54%、40.38%、47.44%和52.56%。

圖4 不同煤矸石細骨料替代率下的混凝土導熱系數Fig.4 Thermal conductivity of concrete with different replacement ratio of coal gangue fine aggregate

煤矸石細骨料替代率增加后使得煤矸石混凝土導熱系數進一步降低，當混凝土粗細骨料均為煤矸石時即為全級配煤矸石混凝土，此時混凝土的導熱系數達到最低，相比普通混凝土下降幅度達52.56%。其原因也是由于煤矸石細骨料減小了混凝土的表觀密度，提高了混凝土的孔隙率，導致混凝土導熱系數進一步降低。

綜合上述分析可知，煤矸石混凝土孔隙率的增加和表觀密度的降低是引起導熱系數降低的重要因素。圖5為煤矸石混凝土表觀密度隨孔隙率增加的變化情況，圖6為煤矸石混凝土導熱系數隨表觀密度減小的變化情況。其中全級配煤矸石混凝土的孔隙率最大，達到了13.86%，是普通混凝土孔隙率的6.73倍；其表觀密度最低，為2 098.5，相比普通混凝土下降了12.05%，而其導熱系數同樣最低，相比普通混凝土降低了52.56%。

圖5 孔隙率對表觀密度的影響Fig.5 Effect of porosity on apparent density

圖6 表觀密度對導熱系數的影響Fig.6 Effect of apparent density on thermal conductivity

2.3 煤矸石混凝土導熱系數變化機理

煤矸石混凝土與普通混凝土的膠凝材料相同，兩者最大的差別是骨料性能的差異，并導致兩者的力學性質和導熱系數差異較大。由于煤矸石骨料顆粒雜質含量較大，孔隙率較高，可以將煤矸石混凝土看做混凝土的退化形式，其導熱性能類似于再生骨料混凝土，故可以根據其他混凝土的導熱機理來理解煤矸石混凝土的導熱性能變化機理[10]。

常溫狀態下的骨料情況、孔隙率、表觀密度、含水率對混凝土導熱性能影響較大[11-13]。由于本次試驗試件是在烘干后測定導熱系數，故不用考慮含水率對導熱系數的影響。由圖6可知，表觀密度和導熱系數具有良好的相關性，孔隙率的大小又決定了表觀密度值，而煤矸石骨料狀況對混凝土的孔隙率具有重要影響，故骨料狀態是影響煤矸石混凝土導熱性能的重要因素。在此設定煤矸石骨料對煤矸石混凝土導熱性能的影響系數M為

M=η1p1+η2p2

(2)

式(2)中：η1、η2分別為煤矸石粗骨料和煤矸石細骨料的替代率；p1為煤矸石粗骨料孔隙率，%；p2為煤矸石細骨料水泥漿孔隙率，%。

根據表3和式(2)得出煤矸石骨料影響系數M對煤矸石混凝土導熱系數的影響如圖7所示。

圖7 煤矸石骨料影響系數M對導熱系數的影響Fig.7 Effect of influence coefficient M of gangue aggregate on thermal conductivity

由圖7可知，煤矸石骨料影響系數與煤矸石混凝土導熱系數之間具有顯著的線性相關性。M綜合反映了煤矸石混凝土中骨料分布狀態和混凝土內部孔隙率情況，比單獨的孔隙率或表觀密度能夠更綜合性地反映煤矸石混凝土導熱系數的變動情況。煤矸石骨料影響系數M物理意義明確，計算簡便，可以比較方便地用于對煤矸石混凝土導熱系數的分析和預測。

綜上可知：與普通混凝導熱系數變化機理類似，影響煤矸石混凝土導熱系數的主要因素還是骨料特征，包括孔隙率和表觀密度等因素。

3 煤矸石混凝土導熱系數模型修正

導熱系數理論分析中可以將混凝土視為兩相復合材料，由砂漿和粗骨料組成。如果已知砂漿和粗骨料的導熱系數，則可根據兩相材料導熱系數模型計算混凝土導熱系數。目前，兩相復合材料導熱系數計算模型包括三大類：①串聯并聯模型[14]，該類模型計算簡便實用，但未考慮界面熱阻；②Maxwell模型以及Bruggema推廣模型[15]，這類模型比串并聯模型計算精度高一些，但同樣沒有考慮界面熱阻；③考慮了界面熱阻的基于Maxwell模型的Hasselman-Jonsons推廣模型[16]。 文獻[15]通過對干燥和飽和狀態下的混凝土導熱系數實測研究表明：對于飽和混凝土，這三類模型的計算結果與實測值基本一致，其中第二類和第三類的模型計算精度較高；對于干燥混凝土，由于存在較高的界面熱阻，第三種模型的計算值與試驗值最為接近。由于研究對象為干燥狀態的煤矸石混凝土，故在此采用Hasselman-Johnson模型[16]進行導熱系數預測計算，其公式為

(3)

式(3)中：λ1、λ2分別為兩相材料各自的導熱系數；v2為第二相材料體積與總體積的比；α為兩相材料界面熱阻系數，對于混凝土可取0.122[15]。

試驗測得煤矸石粗骨料導熱系數為0.72 W/(m·K)，水泥導熱系數可取1.233 W/(m·K)，天然粗骨料石灰巖取2.08 W/(m·K)，河砂取3.086 W/(m·K)。首先將水泥和煤矸石細骨料或河砂的導熱系數分別代入式(3)，可以先算出不同替代率下的煤矸石細骨料水泥砂漿導熱系數，然后和粗骨料導熱系數再次代入式(3)即可得到煤矸石混凝土的導熱系數計算值。煤矸石混凝土導熱系數的計算值和試驗值隨煤矸石骨料影響系數M的變化而變動的情況如圖8所示。

圖8 導熱系數計算值和試驗值與M的關系Fig.8 Relationship between calculated and test values of thermal conductivity and M

由圖8可知，煤矸石混凝土導熱系數計算值和試驗值與煤矸石骨料影響系數M之間的線性相關性十分顯著；試驗值擬合曲線的斜率和計算值擬合曲線斜率十分接近，而前者絕對值略大于后者，表明煤矸石骨料影響系數對兩者的影響程度基本一致，其中對試驗值的影響要略高一點；從導熱系數數值上看，試驗值總體上要小于計算值，主要是因為煤矸石骨料顆粒的孔隙率和含水率均較高，尤其對于全級配的煤矸石混凝土，拌合時候需要更多的附加用水，而孔隙內多余水分會在試件烘干時蒸發，并在煤矸石混凝土內留下較多孔隙，降低了混凝土的表觀密度和導熱系數，而式(3)是基于普通混凝土材料的導熱系數計算模型，導致利用式(3)計算的煤矸石混凝土導熱系數計算結果偏低。因此如果將式(3)應用于煤矸石混凝土導熱系數計算，就需要對式(3)進行適當修正。

由前文分析可知：煤矸石骨料影響系數M綜合體現了煤矸石粗細骨料在混凝土中的替代程度和煤矸石混凝土內的孔隙率和表觀密度，且通過式(3)計算的預測值和試驗值與M的影響規律基本一致。因此可以通過M來修正式(3)對煤矸石混凝土導熱系數進行計算。煤矸石混凝土導熱系數試驗值和計算值與M均呈良好線性相關關系，故修正煤矸石混凝土導熱系數公式為

λM=λc-(λc-λt)=λc-f(M)

(4)

式(4)中：λM為煤矸石混凝土修正導熱系數；λc為利用式(3)計算的導熱系數值；λt為導熱系數試驗值；f(M)為圖8中導熱系數計算值擬合公式與試驗值擬合公式的差值。

將式(3)代入式(4)，可得

0.004 74M-0.244 64

(5)

依據式(5)可以得到煤矸石混凝土導熱系數的修正計算值，并與導熱系數試驗值對比，如表4所示。由表4可知，煤矸石混凝土導熱系數修正值與試驗值十分接近，所以該煤矸石混凝土導熱系數修正公式具有很好的工程應用價值。

表4 煤矸石混凝土導熱系數修正計算值與試驗值

4 結論

(1)煤矸石粗骨料替代率越高，煤矸石混凝土導熱系數就越低。當煤矸石粗骨料替代率為100%時，煤矸石混凝土相比普通混凝土導熱系數的下降幅度為32.05%。

(2)煤矸石粗骨料替代率為100%情況下，隨著煤矸石細骨料替代率增加，煤矸石混凝土導熱系數繼續降低，當煤矸石細骨料替代率增加到100%時，即為全級配煤矸石混凝土時，混凝土導熱系數最低，相比普通混凝土的下降幅度為52.56%。

(3)煤矸石混凝土內部孔隙情況和骨料狀態是影響混凝土導熱系數的重要因素，定義了可以綜合反映煤矸石混凝土內部孔隙和骨料狀態的煤矸石骨料影響系數M，M越大，煤矸石混凝土導熱系數就越低。

(4)根據煤矸石混凝土導熱系數試驗值，對Hasselman-Johnson混凝土導熱系數計算模型進行修正，得到煤矸石混凝土導熱系數的修正計算模型，修正計算值與試驗結果相吻合。