煤矸石混凝土空心砌块性能实验研究.pdf

第 3 7 卷第 4 期 2 0 1 4年 1 O月 煤 炭 转 化 C( ) AI C( ) N VERS1 0N Vo 1 37 NO 4 0c t 2 O1 4 煤矸石混凝土空心砌块性能实验研究 宋 洋” 祝 百 茹 摘 要 以辽宁阜新矿 区所产废渣 自燃煤矸石为骨料 ， 添加适 当粉煤灰 ， 配制混凝土空心砌 块 依据均匀设计理论设计 实验方案 ， 研究不同配合比情况下煤矸石混凝 土空心砌块 的表观密度 、 吸 水率 、 相 对 含水 率 、 软 化 系数 、 碳化 系数 、 抗 冻性 和抗 压强 度等性 能指标 通过 回归分析 ， 得 到抗 压 强度 方程 利 用 B P神 经 网络预 测 出煤 矸 石 混 凝 土砌 块 抗 压 强度 ， 预 测 结 果 与 实验 结 果 吻 合较 好 实验与计算结果表 明， 采用煤矸石配制混凝土砌块 ， 强度达到建材使用标准， 能降低工程造价， 且可 以有效 治理 环境 污染 ， 工 艺先进 ， 值得 大力推 广使 用 关键 词 煤矸 石 ， 粉煤 灰 ， 混凝 土 ， 空心砌 块 ， 均 匀设计 ， 回归分析 ， 神 经 网络 中图分 类号 TD8 4 9 5 ， TU5 2 2 3 0 引 言 煤矸石是我国 目前排放量和累计堆存量最大的 工业 固体 废 弃 物 之 一 ， 每 年 新 增 的 煤 矸 石 超 过 4亿 t 煤矸石的堆积、 自燃 和浸滤给生态环境造成 极 大危 害 1 】 。 随 着 国家 对 环 境 污 染 整 治 力 度 的 加 大 ， 煤矸 石对 环境 的重 度 污染 亟待解 决 ， 而将 煤矸 石 作 为骨 料生 产混 凝 土 空 心砌 块 加 以 回收 利 用 ， 既 解 决了环境污染问题又降低 了工程造价 ， 具有显著的 社会效益和经济效益 【 5 。 煤矸石制备的空心砖 的抗 压 、 抗弯 、 耐 酸 以 及 耐 碱 性 能 均 优 于 普 通 黏 土 烧 结 砖 ， 而且 煤矸 石 空心砖 在砌 墙 及粉刷 前 不需要 浇 水 ， 因此工 程成 本 也 大 大 降低 8 基 于 以 上优 点 ， 本 实 验选取辽宁阜新矿 区煤矸石 为骨料 ， 添加适 当比例 研究不同配合 比情况下煤矸石混凝土空心砌块 的表 观 密度 、 吸水 率 、 相 对 含 水率 、 软 化 系数 、 碳 化 系数 、 抗冻性和抗压强度等性能指标 ， 并对最佳配合比条件 下混凝土空心砌块的抗压强度进行回归分析和预测 1 实验部分 1 1实验原 材 料 实 验采 用唐 山冀 东水 泥股 份有 限公 司生 产 的盾 石牌 3 2 5矿渣硅酸盐水泥 ( P s ) ； 普通 自来水 ； 煤 矸 石选 自辽 宁阜 新 五 龙煤 矿 ， 其 化 学成 分 和 基 本 性 能指标 见表 1和表 2 ； 粉煤 灰选 自阜 新发 电厂 ， 用 水 量为 9 3 ， 筛余量为 7 0 ， 具 体化学成分见表 1 实验用 砂选 用 普 通 河 砂 ， 表 观密 度 为 2 6 0 8 k g I T I 。 ， 的粉煤灰配制混凝土空心砌块 采用均匀设计方法 ， 堆积密度为 1 4 2 0 k g m 3 ， 细度模数 2 6 2 8 ， 中砂 表 1阜新 自燃 煤矸石和粉煤灰化学成分 ( ) Ta b l e 1 Ch e mi c a l c o mp o s i t io n o f s p o n t a n e o u s c o mb u s t i o n g a n g u e a n d c o a l a s h f r o m F u x i n ( ) 表 2阜新 自燃煤矸石基本性能指标 Ta b l e 2 B a s i c p e r o r ma n c e i n d i c a t o r s o f s p o n t a n e o u s c o mb u s t i o n g a n g u e f r o m F u x i n * 国家 自然科学基金资助项 目( 5 1 0 0 8 1 4 8和 5 1 2 7 4 1 1 1 ) 和 中国煤炭工业协会项 目( MTK J 2 0 1 2 3 1 9 ) 1 )讲师、 博士 ， 辽宁工程技术大学 土木与交通学 院， 1 2 3 0 0 0 辽宁阜新 收稿 日期 ： 2 0 1 4 0 1 1 6 ； 修 回日期 ： 2 0 1 4 0 3 1 5 煤炭转化 l1 2实验过 程 1 2 1 实验 方 案 通过绝对体积法进行混凝土配合 比计算 ， 确定 各 原材料 用 量 均 匀 设计 的优 点 在 于 通过 较 少 的实 验 获取较 多 的信息 ， 在 实验过 程 中选取 水泥 用量 、 砂 率 、 用水量和废渣含量作为影响因素， 根据均匀设计 表安排实验L l ， 具体配合比见表 3 实 验主要 测试 指标 为煤 矸石 混凝 土空 心砌 块 的 抗压强度 ( 饱和状态下) 、 表观密度 、 吸水率 、 相对含 水率、 软化系数、 碳化 系数和抗冻性等 混凝 土制备 及 养护均 依 据相 关设 计规 范完 成 1 2 2 实验设 备 HJ W一 6 O型滚筒 式混 凝 土搅 拌 机 ； S P 一 1 0 0 1 0 0 型鄂式破 碎 机 ； WAW一 1 0 0 0 A 微 机 控 制 电液 伺 服 万 能试验 机 ； D6 0 6型低 温 箱 ； 韩 国产 THNJ I A 一 9 9型 全 自动 砌块 成 型机 等 1 2 3 实验 结果 混 凝 土空 心砌 块 实 验 配 合 比见 表 3 由表 3可 以看出， 抗压强度实测值与估计值 比较接近， 且每组 抗压强度值 较接近 ， 说 明配合 比较 为合理 表 4为 混 凝 土砌 块 的表 观密 度 、 吸 水率 、 相 对 含 水率 、 软化 表 3煤 矸 石 混凝 土 空 心砌 块 实 验 室 配 合 比 Ta b l e 3 La bo r a t o r y mi x pr o por t i on of c o a l ga n gue c o nc r e t e ho l l ow bl oc k Ap p a r e n t d e n s i t y Wa t e r a b s o r p t i o n R e l a t i v e w a t e r S o f t e n i n g c o e f f i c i e n t C a r b o n i z e d c o e f f ic i e n t F r o s t r e s i s t a n c e F r o s t r e s i s t a n c e ( k gm ) c o n t e nt s t r e n g t h l o s s q u a l i t y l o s s 1 O 2 0 7 4 3 5 0 0 8 1 0 9 3 9 2 0 No t e ： Fr o s t r e s i s t a nc e i s 1 5 t i m e s f r e e z e t h a w c y c l e 系 数 、 碳 化 系数 、 抗 冻性 强度 损失 与抗 冻性 质量 损失 数值 ， 均符合 轻集 料 昆凝 土小型 空心砌 块规 范 ( GB 1 5 2 9 9 2 0 1 1 ) 的要 求 2 实验数据分析 2 1 实验数 据拟 合一 回归 分析 均 匀设 计理论 可 以对混 凝 土配合 比进 行最 优化 设计 ， 并利用多元 回归得出混凝土抗压强度计算公 式 设计 中选 取 四个影 响 因素 ， 因此 归类 于多 因素实 验 、 多水平实验行列 ， 借助统计分析软件 S P S S的 回 归 分析 功能 进行 数据 处理 选取 数学 模 型见式 ( 1 ) ： Yb 。 +b +6 z z i- _1 i 1 J； ( 1) 式 中 ： s = = = 3 或 4 将实验数据输入 S P S S软件 中， 经过逐步 回归 分析 ， 得 出 自燃 煤 矸 石 为 骨料 的混 凝 土 空 心 砌 块抗 压强 度 回归方 程 ， 见式 ( 2 ) ： _厂 7 d 一 一 5 8 7 8 7 4 7 9 9 1 0 一 X2 8 2 2 7 1 0 z1 3+ 1 85 6 1 0一 z 一 6 3 48 x 1 0一 2 g 2 z3+ 1 22 7 1 0 2 4+ 1 4 08 X 1 0 z i 一 5 2 1 5 1 0 3 2 Z 4 + 1 3 1 0 x 1 0 2 7 ； ( 2 ) 式中 ： z 为水泥用量； 为煤矸石用量 ； 0 7 。 为砂率 ； 第 4期 宋洋 等煤矸 石混凝土空心砌块性能实验研究 9 3 X 为 用水 量 2 2 预 测 煤矸 石 混凝 土 空心砌 块抗 压强 度 通过 回归分析， 将影响煤矸石混凝土砌块抗压 强度的定量因素， 如骨料种类 、 质量和养护条件等逐 一 进行 研 究 但 对一 些 定性 因素 ， 如混 凝 土含气 量 和 坍 落 度等 ， 因不能作 为变量 输入 确定 其 准确值 ， 而 采 用 B P神经 网 络 方 法 ， 则 可 以准 确 地 判 断这 些 定 性 因素 通过计算出的混凝土配合 比( 输入 ) 与实测强 度( 输 出) 等实验数据对 网络进行训练 ， 构建煤矸石 混凝 土砌 块 抗 压 强 度 的 输 入一 输 出模 式 非 线 性 映 射 关 系 从 表 4中 随机 抽 取六 组 数 据 作 为训 练 样 本 ， 通 过 B P神经网络模型进行学习训练 ， 网络模 型见 图 1 具体过程为先将训练样本极差标准化 ， 使其成为 0 ， 1 区间上的实数 ， 随后提供训练模式对网络进行 训 练 ， 直至 误差 在允 许范 围内即停 止训 练 ， 最终 建立 煤矸石混凝土抗压强度预测模型 神经网络的模 型 确立之后 ， 需要采用 大量的实验数据对其权 重予以 校 准 在预 先设 定 的 变 化 范 围 内选 取 1 2 0个 实验 数 据 ， 水 泥用 量 范 围在 2 9 0 k g m。 3 6 0 k g m。 之 间 ； 自燃 煤矸 石用 量 范 围在 7 0 0 k g m。 7 8 0 k g m。之 间； 粉煤灰用量范 围在 6 5 k g r n 3 1 5 1 k g ma之间 ； 水 的用量 范 围在 1 4 5 k g m。 1 6 5 4 k g m。 之 间 a T I n pu t a 2 a 图 1 B P神 经 网 络 结 构 Fi g 1 St r u c t u r a l d i a g r a m o f B P n e u r a l n e t wo r k 由表 3中煤矸石混凝土砌块抗压强度实测值与 预 测值 对 比可 以看 出 ， 利 用 神 经 元 网络 在 预 测 混凝 土空 心砌块 抗 压强 度 时有 以下特 点 ： 1 )定性因素和定量因素均可作为变量输入 ， 只 需要设计一合理的输入导 出规则 ， 使得 系统可 以辨 认描述性信息 即可 2 )采用神经元网络方法 ， 需要有一定规模 的学 习样本 ， 学习样本规模越大， 计算结果精确度越高 3 )煤矸石混凝土砌块抗压强度实测值与预测 值吻合较好 ， 说明预测结果较为准确 3 生产 工 艺 3 1胶 结料 生产 原材 料 在 使 用 之前 要 先 破 碎 ， 自燃 煤 矸 石 块 体 尺 寸都较 大 ， 需经 过 二 级 破 碎 ， 达 到 粗 、 细 骨 料 使 用 标准 胶结料的粉磨采用球磨机 ， 对研磨体级配要求 为 ： 当研磨体粒径较大 ， 产 品细度又较粗时， 应选用 大直径的钢段或钢球 ， 反之则选用小直径 的钢段或 钢球 ； 每一磨仓中一般不选用单一 规格 的钢段或钢 球 ， 钢段一般选取 2种3种 ， 钢球 般选取 3种 5种 ； 一个 磨仓 内不 能 同时 使用钢 段 与钢球 ； 3 2 混合 料 的制备 制备煤矸石空心砌块 的混合料必须保证计量准 确 通常采用 自动控制的质量秤进行配料量取 ， 误差 控制在( 以质量份计) 骨料3 ， 胶结料2 ， 水土 2 使用间歇式搅拌机进行拌合， 搅拌时间一般不 超 过 3 mi n 投 料 过 程 中， 当采 用 一 次投 料 力 法 时 ， 应按 照先 细 骨 料 ， 再 胶 结 料 ， 最 后 粗 骨 料 的 次 序 投 放， 拌合用水一次性全部加入进行搅拌 ； 当采用分组 投料时 ， 先将粗骨料和一部分水投放 ， 目的是去除先 前生产过程中筒壁上的残渣 ， 再将细骨料 、 胶结料以 及剩余的拌合用水投入搅拌 3 3砌 块成 型 空 心砌 块 采 用 立模 振 动 成 型 ， 成 型 机 主要 由组 合模箱 、 给料 系统、 振动系统、 脱模系统 、 制品顶推机 构和机架等组成 在进行加工时， 首先将砌块托板放 入组合模箱 中， 开启 振动系统 ， 使砌块托板 抵达箱 底 ， 随后 向模 箱 内 填 满 混 合 料 模 箱 振 动 2 rai n 3 rai n后 ， 混合料基本达到密实状态， 此时在混合 料 表面 压上加 压 板 ， 再 振 动 半 分钟 ， 去掉 加 压 板 ， 关 闭 振动系统 开动卷扬机 ， 利用顶升推杆将砌块和托板 顶出， 转运至养护室进行蒸汽养护 3 4 砌 块 的养 护 通常采用常压蒸汽的养护方式， 经过干热养护 与 蒸汽 养护 2个 阶段 ， 养 护周 期一 般保 持在 2 O h 3 4 1 干热 养护 于热 养 护是 在高 温 低 湿 环境 下 ， 砌 块 中生石 灰 继续水化凝结以及 内部游离水分的蒸发 ， 使混凝土 砌块产生一定的初始强度 干热养护 参数一般控制 在 ： 温 度 6 0 7 O。 C， 相 对 湿度 5 0 6 O 9 6 ， 养护 时 间 6 h 8 h 3 。 4 2 蒸汽养 护 蒸汽养 护 目的是使水热合成反应继续进行， 使 煤矸石混凝土砌块获得最终强度 ， 其过程为升温 、 恒 温和降温 3 个 阶段 升温阶段是将煤矸石混凝土砌 块 温度 提高 至蒸 汽 养 护 阶段 的 温度 标 准 在升 温 过 9 4 煤炭转 化 2 O 1 4年 程中需对升温速度严格加 以控制， 这是因为蒸汽冷 凝水的湿胀软化及混凝土因温差产生的收缩应力会 造 成砌 块开 裂破 坏 ， 所 以升 温速 度不宜 过快 恒 温 阶 段 的温 度对 蒸汽养 护后 砌块 最终 强度 的形 成会有 很 大 影 响 ， 温度 控 制在 9 5。 C 1 0 0 ， 采 用 饱 和 蒸 汽 恒 温 8 h 1 0 h是适 宜 的 降温 阶段 是 在 恒温 养 护 停 止后 ， 砌块 温度 自然 冷却 至常 温 的过程 一般 持续 2 h 3 h后 将砌 块从 养护设 备 内取 出 3 5 制 品堆 放 煤矸石混凝土砌块养护结束后 ， 依据不同规格、 等级和生产 日期码垛堆放 ， 堆放时间不宜超过 1 个月 4 结 论 1 )实验方 案通 过均 匀设 计方 法 进行 设计 ， 保 证 在较大范围内设计出符合约束条件 的实验方案 ， 使 得实验次数减少 ， 实验效果较好 2 )应 用统 计分 析 软件 S P S S进 行 回归 分析 ， 建 立 煤矸 石 混凝 土空 心 砌 块抗 压 强 度 回归 方 程 ， 且 误 差 在 允许 范 围内 3 )将神经元 网络应用在预测煤矸石混凝土砌 块抗压强度中， 为以往 只能定性描述却不能定量表 达的影响因素寻求到一条理想的解决途径 ， 且预测 值与实验值吻合较好 4 )煤矸 石混 凝土 空心 砌块 生产 工 艺 流程 ， 机械 化程 度高 ， 技 术较 先进 ， 可 以保 证 产 品质量 5 )运用 工业 废 渣 自燃 煤 矸 石 和 粉 煤 灰 配 制 混 凝土 空心砌 块 砖 ， 强度 和耐 久 性 均 满 足建 材 使 用 标 准 ， 且 减少 了对环境 的 污染 ， 具有 较好 的应 用前 景 参 考文 献 E l i 王国平 辽宁阜新煤矸石资源化研究 D 成都 ： 成都理工大学 ， 2 0 0 5 2 关博 文， 刘开平 ， 赵秀峰 ， 等 煤矸石资源化再利用研究 J 煤炭转化 ， 2 0 0 8 ， 3 1 ( 1 ) ： 8 9 9 2 3 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I J 非金属矿 ， 2 0 1 2 ， 3 5 ( 6 ) ： l 9 2 2 4 李永 峰， 王万绪 ， 杨效益 煤矸石热活化及影 响因素 J 煤 炭转化 ， 2 0 0 7 ， 3 0 ( 1 ) ： 5 2 5 8 5 宋旭 艳， 李东旭 不 同活化方法对煤矸石胶 凝性 能的影 响厂 J 材料 导报 ， 2 0 0 4 ， 1 8 ( 3 ) ： 9 9 1 0 2 6 曹文聪， 杨树森 普通硅酸盐工艺学 M 武汉 ： 武汉理工大学 出版社 ， 2 0 0 8 ： 5 O 7 但建明， 王培铭 煤矸石细度和掺量对水泥性能的影响 J 建筑 材料学报 ， 2 0 0 7 ， 1 0 ( 1 ) ： 7 7 8 2 8 吴红， 郭光颖 ， 吴莎 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 l ， 3 4 ( 5 ) ： 3 5 3 7 9 3 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 o l o ， 3 3 ( 4 ) ： l 3 1 6 1 o 朱金 萌 ， 蔡会武 ， 李赛 ， 等 利用晋城煤矸石合成 堇青石 的实验研究 J 煤炭转化 ， 2 0 1 3 ， 3 6 ( 4 ) ： 7 7 7 9 EXPERI M ENTAL S TUDY oN CoAL GANGUE CoNCRETE HoLLOW BLoCK S o n g Ya n g a nd Zhu Ba i r u ( C o l l e g e o f Ci v i l En g i n e e r i n g a n d Uni ve r s i t y ，1 23 0 0 0 Ar c e c 。 c r 口 ，Li a on i ng Te c hn i c a l Fu xi n，Li a on i ng) ABS TRACT Th e c o a l g a n gu e c o nc r e t e ho l l ow bl oc ks we r e p r e pa r e d wi t h t h e s e l f i g ni t i on g a ng ue a n d f l y a s h i n Fu xi n mi ne Ba s e d on t he t he or y of un i f o r m de s i gn，t he a pp a r e nt d e ns i t y， wa t e r ab s o r p t i o n， r e l a t i v e wa t e r c o nt e nt ， s o f t e n c o e f f i c i e nt ， c a r b o n i z e d c o e f f i c i e n t ， f r o s t r e s i s t a n c e s t r e n g t h l o s s a n d f r o s t r e s i s t a n c e q u a l i t y l O S S o f t h e c o a l g a n g u e c o n c r e t e h o l l o w b l o c k i n d i f f e r e n t mi xi n g p r op o r t i o n we r e s t u di e d， a n d t h e c ompr e s s i ve s t r e n gt h e q ua t i o n wa s o bt a i ne d by r e g r e s s i o n a na l ys i s The c o m p r e s s i v e s t r e n gt h of c o a l g a ng ue c o nc r e t e h ol l o w b l o c k wa s pr e d i c t e d by BP n e u r a l ne t wo r k，i t s ho we d t ha t t h e pr e d i c t e d r e s ul t s we r e i n g oo d a gr e e m e nt wi t h t h e t e s t r e s u l t s Th e t e s t a n d c a l c u l a t i o n r e s u l t s i n d i c a t e d t h a t u s i n g t h e c o a l g a n g u e c o n c r e t e b l o c k wh i c h s t r e ng t h r e a c he d t h e s t a n da r d o f b ui l d i ng m a t e r i a l s c o ul d r e d uc e t h e e n gi n e e r i n g c os t ， c o nt r o l e n vi r o n m e n t a l po l l ut i on，i n a d v a nc e d t e c h no l o gy，a n d wo r t hy r e c o m me nd i n g KEY W ORDS c o a l g a n gue，f l y a s h，c o nc r e t e， h ol l o w bl o c k， t he or y of un i f o r m d e s i gn， r e gr e s s i on a n a l ys i s，n e ur a I ne t wo r ks 第 3 7卷 卷终