煤矸石集料混凝土的微观结构与物理力学性能研究

摘要

煤矸石作为我国目前年排放量和累计存量最大的工业废弃物之一,它的堆放方式和处理过程对周围环境产生重要影响,因此实现煤矸石的建材资源化是实现煤矸石可再生资源利用的有效途径。本文以自燃和非自燃煤矸石为混凝土的粗、细集料,采用理论数学模型、物理力学试验及光纤传感技术等理论和方法,研究了煤矸石集料的掺入对水泥混凝土微观结构和宏观物理力学性能的影响,分析了煤矸石集料混凝土的基本力学性能和早期收缩性能,得到了煤矸石集料品质的评价模型。论文的研究成果将对煤矸石作为混凝土集料的选用原则和煤矸石集料混凝土的设计、应用和推广等方面提供科学的理论基础。
　　运用物相分析方法、材料微观形貌学方法研究了煤矸石细集料的活性对混凝土微观结构的影响。通过煤矸石细集料-水泥浆体水化产物的物相分析可知,自燃煤矸石细集料中活性SiO2和Al2O3能够发生二次水化反应,并生成水石榴石、水钙沸石和钙铁榴石等新物质;通过微观形貌分析,煤矸石细集料活性反应后,水化产物相互交联,形成间断的、孔隙较大的骨架网状体系并填充于微观孔隙和微裂缝之中,使微观结构不够致密,无法有效地改善水泥基材料的微观结构特征。通过4组配合比、3种煤矸石细集料掺量和3个龄期的450个煤矸石细集料-水泥浆体试块的抗压、抗折强度试验可知,自燃煤矸石的活性反应能够提高水泥基体材料的早期抗压强度,但对其后期抗压强度的影响不明显。煤矸石细集料和水泥浆体的强度协调对煤矸石细集料-水泥浆体宏观性能的发展最为有利。
　　采用 XRD、SEM、EDXA、MIP等多种测试技术,研究了煤矸石集料混凝土界面结构的微观形貌特征、化学元素分布特征、孔结构特征及显微硬度变化,得到了自燃和非自燃煤矸石集料-水泥石基体的界面结构特征;基于材料孔隙学、混凝土细微观结构学等理论,揭示了两种煤矸石集料与水泥石基体的物理、化学作用机理,构建了煤矸石集料混凝土的界面结构模型。
　　通过材料力学试验,以煤矸石作为混凝土粗、细集料为研究对象,考虑了煤矸石种类、颗粒级配、预处理方式、养护条件等4种影响因素和2种水灰比,进行了288个试块的材料力学性能试验,建立了煤矸石集料混凝土的细微观结构与材料力学性能之间的内在联系,提出了混凝土制备中煤矸石集料的选用原则和煤矸石集料混凝土的设计方法。
　　采用混凝土力学试验方法,研究了 C15~C30四个强度等级的两种煤矸石集料混凝土4个龄期的混凝土立方体抗压强度、轴心抗压强度和劈裂抗拉强度等基本力学性能的发展规律。通过回归分析,建立了轴心抗压强度、劈裂抗拉强度与立方体抗压强度之间的关系式;通过试验获取了自燃和非自燃煤矸石集料混凝土的单轴受压应力-应变全曲线,建立了峰值应变、弹性模量、泊松比与峰值应力之间的关系式,提出了煤矸石集料混凝土的单轴受压本构模型,试块数量共计312个。
　　采用光纤光栅传感技术,研究了煤矸石集料混凝土的早期收缩和开裂性能,分析了煤矸石集料混凝土的塑性收缩、自身收缩、化学减缩及干燥收缩性能,得出了活性和非活性煤矸石集料的掺入将加剧混凝土的早期收缩,其中煤矸石的吸水性、煤矸石掺入引起的泌水回吸、自燃煤矸石活性反应以及自燃煤矸石中碱金属元素引起的化学反应等是引起混凝土早期收缩与开裂的主要原因。
　　基于煤矸石力学性能的多因素化和影响性能的多元化,选取了徐州7个煤矿12个煤矸石试样,通过灰色关联分析,得到了影响煤矸石集料混凝土抗压强度的影响因素,其由大到小依次为煤矸石的岩石强度、针片状含量、吸水率、颗粒级配的分形维数、堆积密度和矸石含水率。根据煤矸石集料混凝土抗压强度因素之间大小差异,建立了基于灰色理论的煤矸石集料品质评估模型,提出了煤矸石集料质量的评估体系和预测方法。

目录

封面

声明

致谢

中文摘要

英文摘要

目录

图清单

表清单

变量注释表

1 绪论

1.1选题背景和研究意义(ResearchBackgroundand Significance)

1.2论文的国内外研究现状(Research Statuses)

1.3论文的研究内容（Research Contents）

1.4论文的总体研究方案（Overall the Research Scheme）

2 煤矸石细集料对水泥浆体的影响及作用机理研究

2.1煤矸石的主要性能指标(Characteristicsof Coal Gangue Specimens)

2.2煤矸石细集料对水泥浆体影响的试验方案设计(Test Program Design)

2.3煤矸石细集料活性对水泥浆体的作用机理(Active Mechanism Researchon thePerformanceof Cement Mortar with Coal Gangue as Fine Aggregate)

2.4煤矸石细集料-水泥浆体的基本力学性能试验（Research on theFundamentalMechanicalPerformance ofCoalGangueFine Aggregate-Cement Martor）

2.5本章小结（Chapter Summary）

3 煤矸石集料-水泥石基体的界面结构特征研究

3.1 煤矸石集料-水泥石基体界面结构的试验方案设计（ Test Program Design）

3.2 煤矸石集料-水泥石基体界面结构的微观形貌分析(MicrostructureCharacteristicsof theInterfaceStructure)

3.3化学元素在界面结构的分布、迁移和富集(Chemical Elements Distribution、Migration andEnrichmentAnalysis of the Interface Structure)

3.4 煤矸石集料-水泥石基体界面结构的显微硬度(Micro-Hardness Analysis of the Interface Structure )

3.5 煤矸石集料-水泥石基体界面结构的孔结构分布特征（Pore StructureAnalysis of theInterfaceStructure）

3.6 煤矸石集料-水泥石基体的物理化学作用机理及界面结构特征（Physical-Chemical Influencing and MechanismResearch between Coal Gangue Aggregates and Cement Paste）

3.7 本章小结(Chapter Summary)

4 煤矸石集料特征对混凝土力学性能影响的试验研究

4.1 煤矸石集料特征对混凝土力学性能影响的试验方案设计(Test Program Design)

4.2 煤矸石集料种类对混凝土力学性能的影响 (Influencing on Mechanical PerformancewithCoalGangueAggregateTypes)

4.3 颗粒级配对混凝土力学性能的影响 (Influencing on Mechanical PerformancewithCoal GangueAggregateGrading)

4.4 煤矸石预处理方式对混凝土力学性能的影响(Influencing on Mechanical PerformancewithCoalGangueAggregatePretreatment) 4.4.1煤矸石预处理方式对混凝土抗压强度的影响

4.5 养护条件对混凝土力学性能的影响 (Influencing on Mechanical PerformancewithCuring Condition)

4.6 煤矸石作为混凝土集料的选用原则（Selection Principles of CoalGangueas ConcreteAggregate）

4.7 本章小结（Chapter Summary）

5 煤矸石集料混凝土的材料力学性能研究与本构关系

5.1 煤矸石集料混凝土的材料力学性能试验方案设计 (Test Program Design)

5.2 煤矸石集料混凝土的材料力学性能试验结果分析（ Test ResultsAnalysisofMaterialsMechanical Performance）

5.3 煤矸石集料混凝土的本构关系（Constitutive Relations of Coal Gangue Aggregate Concrete）

5.4 本章小结（Chapter Summary）

6 煤矸石集料混凝土的早期收缩性能研究

6.1 煤矸石集料混凝土早期收缩试验方案设计(Test Program Design)

6.2混凝土早期塑性收缩试验结果分析(Test ResultsAnalysis of EarlyPlastic Shrinkage)

6.3混凝土的早期自收缩试验结果分析（TestResults Analysis of Early Autogenous Shrinkage）

6.4煤矸石集料混凝土的收缩机理(Mechanism Analysis of Shrinkage of Coal Gangue Concrete)

6.5 本章小结（Chapter Summary）

7 基于灰色理论的煤矸石集料品质评价模型

7.1煤矸石集料品质评价的方案设计(TestProgram Design)

7.2 煤矸石集料各指标的灰色关联度分析(Grey Relational Analysis of theEffectingCharactersof Aggregate)

7.3基于GM(1，4)的煤矸石集料品质评估模型(Build the Evaluation Model of Coal Gangue Aggregate Quality Based on GM(1,4))

7.4本章小结（Chapter Summary）

8 结论与展望

8.1 结论（Conclusions）

8.2未来工作展望（Prospect of Future Work）

参考文献

作者简历

一、基本情况

二、学术论文

四、研究项目

学位论文数据集