煤矸石制备C20喷射混凝土的试验研究.pdf

第3 8 卷第3 期 2 0 1 5 年5 月 非金 属 矿 N o n M e t a l l i c M i n e s Vl0 1 3 8 No 3 M ay，201 5 煤矸石制备C 2 0 喷射混凝土的试验研究 孙琦 李永靖张淑坤 ( 辽宁工程技术大学 土木与交通学院，辽宁 阜新1 2 3 0 0 0 ) 摘要以煤矸石陶粒为粗骨料、 煤矸砂为细骨料， 4 2 5 级普通硅酸盐水泥为胶凝材料并掺入速凝剂， 制备 C 2 0 喷射混凝土； 采用正交设计 手段设计了4因素 3 水平配合 比方案， 并对各种配合 比喷射混凝土坍落度 、 净浆凝 结时间、 1 d 、 7 d和 2 8 d抗压强度进行 了极差分析 ， 探 索水泥用量、 水灰比、 砂率和速凝剂掺量对喷射混凝土性能的影响。结果表明， 当水泥用量为 4 0 0 k g 、 水灰比为 0 6 0 、 砂率为5 0 、 速凝剂掺量为4 时喷射混 凝 土性能满足规范要 求， 且成本较低 ， 此配合比为最优配合比， 使用煤矸石陶粒和煤矸砂作为骨料制备喷射 混凝土可行 。 关键词煤矸石陶粒； 煤矸砂； 喷射混凝土； 抗压强度； 坍落度 中图分类号： T U 5 2 8 5 3 ； T D8 4 9 + 5 文献标识码： A 文章编号： 1 0 0 0 - 8 0 9 8 ( 2 0 1 5 ) 0 3 - 0 0 2 4 - 0 3 Ex p e r i me n t a l S t ud y o n t h e P r e p a r a t i o n o f C2 0 S h o t c r e t e wi t h Co a l Ga n g u e S u n Qi L i Y o n g j i n g Z h a n g S h u k u n ( S c h o o l o f Ci v i l E n g i n e e r i n g a n d T r a n s p o r t a t i o n ， L i a o n i n g T e c h n i c a l Un i v e r s i t y , F u x i n ， L i a o n i n g 1 2 3 0 0 0 ) Abs t r a c t Th e C2 0 s h o t c r e t e i s pr e p a r e d w i t h c o a l g a ng u e c e r a ms i t e a s c o ars e a g g r e g a t e ， c o a l g a n g u e s a n d a s fin e a g g r e g a t e ， a n d 4 2 5 一 l e v e l o r d i n a r y p o r t l a n d c e me nt a s t h e bind i n g ma t e r i a l t h a t wi l l b e mi xe d wi t h a c c e l e r a t ing a g e n t Th e f o u r - f a c t o r a nd t h r e e l e v e l mi x p r o p o r t i o n s c h e me h a s b e e n d e s i g ne d b y me a ns o f o rth og o n a l d e s i g n ，a n d me a n wh i l e ， r an g e an a l y s i s i s c o n du c t e d o n t h e s l u mp ，n e t pa s t e s e t t i n g t i me ，1 d， 7 d a n d 28 d c o mp r e s s i v e s t r e n g t h o f t he s h o t c r e t e wi t h d i ffe r e n t p r o p o r t i o n s t o e x pl o r e t h e i n fl u e n c e o f c e m e n t c o n t e n t ，wa t e r c e me nt r a t i o， s a n d r a t i o a n d a c c e l e r a t i n g a g e n t a mo u n t o n t h e p e r f o r m a n c e o f t h e s h o t c r e t e f o r t h e p u r p o s e o f fig u r i n g o u t th e o p t i ma l mi x p r o p o r t i o n Th e fi nd i n g s s h o w th a t wh e n t h e c e me nt c o n t e n t ， wa t e r c e me n t r a t i o ， s an d r a t i o an d a c c e l e r a t i ng a g e n t am o u n t are 4 0 0 k g ms ，O 6 0 ， 5 0 ， a n d 4 ， r e s p e c t i v e l y , th e s ho t c r e t e wi l l b e a b l e t o me e t c o d e r e q u i r e m e n t s an d c o s t e ffe c t i v e Th i s m i x p r o p o rti o n p r o v e s t o b e t h e mos t o p t i m a l p r o po rti o n， a n d i t i s f e a s i b l e t o p r e p a r e s h o t c r e t e wi th c o a l g an g u e s a n d an d c e r a m s i t e a s t he c o u r s e a g gre g a t e Ke y wo r d s c o a l gang u e s a n d； c o a l g a n g u e c e r a ms i t e ； s h o t c r e t e ； c o mp r e s s i v e s t r e n g t h； s l u mp 煤矸石利用主要有烧结砖、 制备矿山充填材料和 制备轻型混凝土、 树脂混凝土、 泡沫混凝土 l 】 等。喷 射混凝土作为一种常用、 有效的支护手段， 在隧道工 程、 地下工程、 矿山工程和其他加固工程中得到了广泛 应用。近年来有学者研究将煤矸石应用于喷射混凝土 中， 肖同社等 啦 采用工业性试验手段研究了煤矸石陶 粒在喷射混凝土中的应用， 认为煤矸石陶粒可作为喷 射混凝土的骨料； 赵文彬等 1 1 研究了煤矸石喷射混凝 土的界面结构 ， 提出碱性拌和用水可以提高喷射混凝 土的强度， 而骨料类型影响不大； 袁家鸣等 试验研 究了煤矸石陶粒制备喷射混凝土， 提出了配合比方案。 这些研究将煤矸石用作喷射混凝土中的粗骨料， 仍使 用天然砂或机制砂作为细骨料， 较少使用煤矸砂作为 喷射混凝土细骨料。 本实验以煤矸石陶粒为粗骨料、 煤矸砂为细骨 收稿 日期 ：2 0 1 5 - 0 3 3 1 基金项目：国家自然科学基金 ( 5 1 2 7 4 1 l 】 )；辽宁省教育厅项目 ( L 2 0 1 4 1 3 6 ，L 2 0 1 3 1 3 7 )； 辽宁工程技术大学生产技术调研基金 (1 4 T - 0 0 5 )。 通讯作者 ，T e l ： 1 3 5 1 4 1 8 3 9 0 4；E - ma i l ： b i r d mi l an1 6 3 t o m。 料 ， 4 2 5 级普通硅酸盐水泥为胶凝材料， 掺入速凝剂 ， 采用正交设计手段配制湿喷施工工艺的喷射混凝土， 并测试其抗压强度和施 工和易性， 确定合适 的配合 比， 为煤矸石综合利用提供新途径。 1 实验部分 1 1 原料水泥为 4 2 5级普通 硅酸 盐水泥 ， 阜新 大鹰水泥厂生产； G J - 8 型速凝剂， 广西新广建化工 科技有限公司生产； 煤矸石陶粒， 以阜新市高德东 山矸石山煤矸石为原料加工而成， 煤矸石陶粒粒径 在 5 1 0 m m， 煤 矸石 化 学成 分 ( w ) 为 ： S i O ， 6 2 5 ； A1 2 03 ， l 6 3； Fe 2 03 ， 9 2； Ca O ， 3 1 ； M g O ， 3 0； SO3 ， 1 1； T iO 2 ， 4 8 。煤矸砂： 以阜新市高德东山矸石山煤矸石 破碎后制成 ， 其级配见表 l 。 一 2 4 表 1 煤矸砂级配 由表 1 计算得出煤矸砂的细度模数为 2 7 5 ， 为中 砂 ， 级配满足喷射混凝土的要求 1 3 0拌和用水为 自来 孙琦 ，李永靖，张淑坤 煤矸石制备C 2 0 喷射混凝土的试验研究 水 ， 由于煤矸石吸水能力较强， 因此煤矸石混凝土需 要用水量较多， 需要较大的水灰比。 1 2 正交配合比设计正交设计采用4因素 3 水平 方案进行， 4 个因素为水泥用量 A ( 1 m 3 混凝土中水 泥的质量) 、 水灰比 B( 水与水泥的质量比) 、 砂率 C 矸砂质量占煤矸砂和煤矸石质量之和的百分比) 、 速 凝剂掺量 D ( 速凝剂质量占水泥与速凝剂质量之和 的百分比) ， 详细方案见表 2 。 表 2正交试验方案 试验编号水泥用量 ( k g , m3 ) 水灰比 砂率 速凝剂掺量 l 4 0 0 0 5 5 4 5 3 2 4 0 0 0 6 0 5 0 4 3 4 0 0 0 6 5 5 5 5 4 4 5 0 0 5 5 5 0 5 5 45 0 0 6 O 5 5 3 6 4 5 0 0 6 5 4 5 4 7 5 0 0 0 5 5 5 5 4 8 5 0 0 0 6 0 4 5 5 9 5 0 0 0 6 5 5 0 3 1 3 试验方法测试坍落度、 净浆初凝时间、 净浆终 凝时间、 混凝土 1 d 、 7 d和 2 8 d抗压强度 ， 作为试验研 究的指标， 试验方法参照 普通混凝土力学性能试验 方法标准 和 普通混凝土拌合物性能试验方法标 准 。 2 结果与讨论 正交试验结果见表 3 。 表 3 正交试验结果 2 1 坍落度极差分析对正交实验坍落度进行极差 分析 ， 结果见表 4 ， 效应曲线见 图 1 。 从表 4 和图 1 可看出， 影响坍落度因素的主次 顺序为 A B C D， 且水泥用量 A和水灰比 B两个影 响因素较之其他两个因素较为明显， 坍落度随水泥用 量和水灰比的增加而明显增大， 这是 由于水泥用量与 水灰比的乘积即为喷射混凝土中水的用量 ， 用水量越 大 ， 坍落度也相应越大。砂率对坍落度也有一定程度 的影响， 当砂率较大时， 粗骨料少， 坍落度增大。速凝 剂用量对坍落度影响最小， 随速凝剂掺量增加， 坍落 度呈递减趋势 ， 这主要是由于掺入速凝剂后水化反应 变快， 导致坍落度变小， 但由于刚刚拌和完成就测试 坍落度， 速凝剂发挥作用时间较短， 因此影响不明显 。 表 4坍落度极差分析 1 O5 1 00 9 5 篓 ： 8 O 75 图1 坍 落度 效应 曲线 对于水泥净浆 的凝结 时间， 由于净浆中没有骨 料， 因此对其影响的因素仅有一个， 即速凝剂掺量， 速 凝剂掺量越大， 贝 IJ 初凝和终凝时间越短。 2 2 1 d抗压强度极差分析对正交实验 1 d 抗压强 度进行极差分析 ， 结果见表 5 ， 效应曲线见图 2 。 表 5 1 d抗压强度极差分析 一 2 5 ： 匿 4。 第3 8 卷第3 期 非金属矿 2 0 1 5 年5 月 抗压强度降低。 2 - 3 7 d 抗压强度极差分析对7 d 抗压强度进行极差 分析 ， 结果见表 6 ， 效应曲线见 图 3 。 表 6 7 d抗压强度极差分析 1 5 薹1 4 1 3 置 1 2 普1 1 表 7 2 8 d抗压强度极差分析 3 0 。 26 2 0 图4 2 8 d + L 压 强度效应 曲线 从表 7 和图 4可看出， 影响 2 8 d抗压强度因素的 主次顺序为B A C D， 这与7 d 抗压强度的影响因素 顺序一致。 2 5 最优配合比的确定根据文献 1 3 的要求， 湿 喷喷射混凝土坍落度应在 8 0 -1 2 0 n l l -fl ， 净浆初凝时 间不能大于 5 m in ， 终凝时间不能大于 1 0 m in ， 1 d 抗压 强度平均值不能低于 5 MP a ， 2 8 d抗压强度平均值不 低于设计抗压强度的 1 1 5 倍， 对于 C 2 0 喷射混凝土， 设计抗压强度的 1 1 5 倍为 2 3 V I P a ， 即 2 8 d 抗压强度 不低于 2 3 MP a 。 从表 3可看出， 方案 1 坍落度不满足要求 ， 方案 3的 2 8 d抗压强度不满足要 求， 方案 2 、 4 、 5 、 6 、 7 、 8 、 9 均满足规范要求 ， 但抗压强度并非越大越好 ， 在制备 喷射混凝土的材料中， 水泥用量较大会使成本较高， 需要选取满足规范要求同时可以节约水泥的方案 ， 故 选取方案 2为最优配合 比， 即水泥用量为 4 0 0 k g m3 ， 水灰比为 0 6 0 ， 砂率为 5 0 ， 速凝剂掺量为4 。 3 结论 1 以煤矸石陶粒作为粗骨料， 煤矸砂作为细骨 料， 4 2 5 水泥为胶凝材料， 掺入速凝剂， 经过科学配 比， 可以制备符合湿喷混凝土要求的喷射混凝土； 2 煤矸石骨料喷射混凝土的坍落度受水泥用量 和水灰 比影响较大， 1 d抗压强度主要受速凝剂掺量 和水泥用量的影响， 7 d 、 2 8 d抗压强度受水灰 比和水 泥用量影响较大； 3 制备喷射混凝土的最优配合比为： 水泥用量为 4 0 0 k g m3 ， 水灰 比为 0 6 O ， 砂率为 5 0 ， 速凝剂掺量为 4 2 6一 参考文献 ： 1 张淑坤， 张向东， 李永靖， 等 用煤矸石研制免烧路面砖的实验研究 明 非金属矿 ， 2 0 1 4 ， 3 7 ( 5 ) ： 4 6 - 4 9 2 徐子芳， 张明旭， 闵凡飞 粉煤灰、 煤矸石低温焙烧优等保温砖及性 能分析 J 非金属矿 ， 2 0 1 0 ， 3 3 ( 4 ) ： 1 3 1 6 3 】 吴红， 郭光颖 ， 昊莎 工艺条件对劣质煤矸 石免烧砖性能的影响 J 非金属矿 ， 2 0 1 1 ， 3 4 ( 5 ) ： 3 5 3 7 4 4徐子芳， 张明旭， 李金华 用污泥建筑垃圾研制免烧砖的实验研究 阴 非金属矿 ， 2 0 1 1 ， 3 4 ( 5 ) ： 1 1 1 4 5 E r c i k d i B ， Yi lma z Kia l e k c i G S t r e n g t h a n d u l t r a s o n i c p r o p e r ti e s o f c e me n t e d p a s t e b a c k fi l l J U l l r a s o nic s ， 2 0 1 4 ， 5 4 ( 1 ) ： 1 9 5 2 0 4 6 6周梅， 牟爽， 王强 基于正交设计的大流动性 自 燃煤矸石全轻混凝 土试验研 究 明 j 金属矿 ， 2 0 1 2， 3 5 ( 6 ) ： 1 9 2 3 7 宋洋 ， 赵 禹， 祝百茹 煤矸石轻集料混凝土性能试验研究 【 J 非金属 矿 ， 2 0 1 4 ， 3 7 ( 1 ) ： 2 8 3 0 8 】 周梅 ， 朱涵 ， 王美丽 ， 等 固体废 弃物制备树脂混凝土的试验研 究及 应用 J 硅酸盐通报 ， 2 0 0 8 ， 2 7 ( 3 ) ： 4 3 8 4 -4 3 9 9李德军 煤矸石泡沫混凝土的研究 D 重庆： 重庆大学， 2 0 0 7 1 0 肖同社 ， 孙正殷， 商屹， 等 煤矸石 自燃 陶粒在喷射混凝土 中的应 用 中国矿业 ， 2 0 0 6 ， 1 5 ( 6 ) ： 4 6 -49 1 1 赵家彬， 张守勇， 王金风， 等 燃煤矸石喷射混凝土界面结构分析 与性能研 究 明 金属矿 山， 2 0 1 4 ( 2 ) ： 1 3 7 1 4 1 【 1 2 袁家鸣， 单继舟， 唐彦秋 自 燃煤矸石陶粒作为骨料制备混凝土试 验研究 J 辽宁工程技术大学：自然科学版 ， 2 0 1 1 ， 3 0 ( s ) ： 4 0 -42 1 3 】 G B 5 0 0 8 6 2 0 0 1 锚杆喷射混凝土支护技术规范 s 】 觚