自燃煤矸石輕骨料混凝土抗壓強度試驗研究

摘要：自燃煤矸石具有諸多優越特性，可以作為輕骨料應用于混凝土制備中，而抗壓強度是評價自燃煤矸石輕骨料混凝土性能的重要指標。本文采用均勻設計方法，開展自燃煤矸石輕骨料混凝土配合比設計，然后開展混凝土抗壓強度測試并采用回歸分析對數據進行處理，分析不同因素對混凝土抗壓強度的交互影響。研究表明，水和聚丙烯纖維摻量是影響混凝土抗壓強度的重要因素，必須做好混凝土配合比設計，拓展自燃煤矸石輕骨料混凝土的應用范圍，提高煤矸石綜合利用價值。

關鍵詞：自燃煤矸石；輕骨料混凝土；抗壓強度；配合比

中圖分類號：TU528 文獻標識碼：A 文章編號：1008-9500（2023）06-00-04

DOI：10.3969/j.issn.1008-9500.2023.06.009

Experimental study on compressive strength of self-igniting coal gangue lightweight aggregate concrete

YANG Lihui， LIANG Yan， LIU Huan

（Agency Management Office of the Fourth Project of Joint Logistics Support Force， Shenyang 110005， China）

Abstract： Self-igniting coal gangue has many superior properties， which can be used as lightweight aggregate in concrete preparation， and compressive strength is an important indicator for evaluating the performance of self-igniting coal gangue lightweight aggregate concrete. This paper adopts the uniform design method to carry out the mix design of self-igniting coal gangue lightweight aggregate concrete， and then conducts concrete compressive strength testing and uses regression analysis to process the data， analyzing the interactive effects of different factors on the compressive strength of concrete. Research has shown that water and polypropylene fiber content are important factors affecting the compressive strength of concrete， it is necessary to do a good job in concrete mix design， expand the application range of self-igniting coal gangue lightweight aggregate concrete， and improve the comprehensive utilization value of coal gangue.

Keywords： self-igniting coal gangue; lightweight aggregate concrete; compressive strength; mix proportion

輕骨料混凝土是指采用輕骨料制備的混凝土，其表觀密度不大于1 950 kg/m3，具有輕質、高強、保溫和耐火等特點，變形性能良好，彈性模量較低，收縮和徐變較大。自燃煤矸石質量好﹑儲量大、易開采、價格低廉，可以作為輕骨料應用于混凝土制備中。抗壓強度是評價自燃煤矸石輕骨料混凝土性能的一個重要指標，也是確定其他力學性能的重要參數。一般來說，輕集料混凝土的抗壓強度等級利用標準立方體試塊來確定。本文采用均勻設計方法，開展自燃煤矸石輕骨料混凝土配合比設計，然后開展混凝土抗壓強度測試并采用回歸分析對數據進行處理，分析不同因素對混凝土抗壓強度的交互影響，評價其力學性能。

1 試驗材料

試驗材料主要有6種。一是水泥。采用唐山冀東水泥股份有限公司生產的盾石牌P·O42.5普通硅酸鹽水泥。二是砂子。采用阜新市自產中砂，細度模數為2.98，堆積密度為1 550 kg/m3，級配合格。三是聚丙烯纖維。采用江蘇射陽強力纖維制造有限公司生產的聚丙烯纖維。四是外加劑。采用上海花王化學有限公司生產的早強高效純萘系減水劑。五是水。采用自來水，水質符合《混凝土用水標準》（JGJ 63—2006）的要求。六是煤矸石。煤矸石是成煤過程中與煤層伴生的一種含碳量較低并具有一定強度的巖石。

2 自燃煤矸石輕骨料混凝土配合比設計

本研究采用均勻設計，選定5個影響因素（水泥摻量、水摻量、砂率、聚丙烯纖維摻量、減水劑摻量），安排10組試驗。5因素10水平的均勻設計如表1所示。密實混凝土的砂率取36%～45%。在保證纖維總量不變的情況下，調節不同截面聚丙烯纖維的摻量，達到增強﹑增韌的目的。

3 混凝土抗壓強度測試

抗壓強度是混凝土最基本的力學性能指標，混凝土抗壓強度指標分為立方體抗壓強度和軸心抗壓強度[1-2]。輕骨料混凝土表觀密度存在上限，其抗壓強度也有上限[3-4]。基體強度達到骨料的極限強度時，混凝土的抗壓強度就很難繼續提高。本試驗采用的標準立方體試塊尺寸為100 mm×100 mm×100 mm。試驗在100 t的電液伺服萬能試驗機上進行。根據表1設計配合比，開展混凝土抗壓強度測試。試驗結果顯示，水平1至水平10時，自燃煤矸石輕骨料混凝土的7 d抗壓強度分別為37.78 MPa、32.40 MPa、33.33 MPa、39.21 MPa、36.82 MPa、27.53 MPa、34.13 MPa、37.72 MPa、35.19 MPa、31.19 MPa。

4 抗壓強度測試數據處理

根據所測數據，為了進一步分析不同因素對自燃煤矸石輕骨料混凝土抗壓強度的影響，利用均勻設計軟件建立相關數學模型，采用回歸分析方法對數據進行處理，得到二次項的交互影響次序。根據均勻設計軟件，得到混凝土7 d抗壓強度的回歸方程，如式（1）所示。混凝土的7 d抗壓強度方差分析如表2所示，復相關系數為0.985 540 327，剩余標準差為0.907，顯著性水平α＝0.01，F統計量值為27.065。回歸方程擬合對比如圖1所示，樣本數值為圓圈，方程擬合值為圓點，若垂直距離小，則擬合精度高。

（1）

式中：Y為混凝土7 d抗壓強度，MPa；X1為水泥摻量，kg/m3；X2為水摻量，kg/m3；X3為砂率，%；X4為纖維摻量，kg/m3；X5為外加劑摻量，kg/m3。

5 回歸方程二次項交互影響分析

水泥摻量和水摻量兩個因素對自燃煤矸石輕骨料混凝土7 d抗壓強度的交互作用如圖2所示。當X2在左下角區域內變化時，X1的變化對混凝土抗壓強度的影響不大，抗壓強度只是在最下部兩個相鄰的區域內變化，也就是說，混凝土的抗壓強度在38.298～40.603 MPa的范圍內波動。相反，當X1在左下角區域內變化時，X2的變化對混凝土抗壓強度的影響較大，抗壓強度在33.688～40.603 MPa的范圍內波動。換句話說，當X1不變時，混凝土的抗壓強度隨著X2的增加而減小，當X2不變時，X1的增加對混凝土抗壓強度的影響不大。

砂率和水摻量兩個因素對自燃煤矸石輕骨料混凝土7 d抗壓強度的交互作用如圖3所示。當X3為某個特定值時，混凝土的抗壓強度隨著X2的增加而減小。相反，X2固定，隨著X3的增加，抗壓強度變化不大。

減水劑摻量和聚丙烯纖維摻量兩個因素對自燃煤矸石輕骨料混凝土7 d抗壓強度的交互作用如圖4所示。當X4固定時，隨著X5的增加，混凝土的抗壓強度變化不大，只有X4接近0.9 kg/m3時，混凝土的抗壓強度會隨著X5的增加而逐漸減小。當X5不變時，隨著X4的增加，混凝土的抗壓強度逐漸減小。

6 結論

輕骨料混凝土具有輕質、高強、保溫和耐火等特點，綜合性能較好。自燃煤矸石也具有諸多優越特性，可以作為輕骨料應用于混凝土制備中。本文首先開展自燃煤矸石輕骨料混凝土配合比設計，然后開展混凝土抗壓強度測試并采用回歸分析對數據進行處理，分析不同因素對混凝土抗壓強度的交互影響。結果發現，水和聚丙烯纖維摻量是影響混凝土抗壓強度的重要因素。因此，要做好混凝土配合比設計，優化自燃煤矸石輕骨料混凝土性能，拓展其應用范圍，提高煤矸石綜合利用價值。

參考文獻

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