凍融循環作用下煤矸石-鐵尾礦燒結多孔磚的損傷性能

郝贠洪, 李京, 王韞輝, 何曉雁, 薛晨光

(1.內蒙古工業大學土木工程學院, 呼和浩特 010051; 2.內蒙古工業大學, 內蒙古自治區土木工程結構與力學重點實驗室, 呼和浩特 010051; 3.內蒙古工業大學內蒙古自治區建筑檢測鑒定與安全評估工程技術研究中心, 呼和浩特 010051; 4.內蒙古自治區烏蘭察布市察右前旗同福建材有限責任公司, 烏蘭察布 012299)

中國近年來經濟發展迅速,工業化進程不斷加快,固體廢棄物回收利用,存放等問題日益嚴重,這些固體廢棄物以煤矸石、鐵尾礦和粉煤灰等廢渣為主[1-2]。中國煤矸石累計堆存量已達70億t,占地面積約70 km2[3];尾礦總量達600億t,占地110萬km2[4]。針對這一情況,中國相繼出臺了《中華人民共和國固體廢物污染環境防治法》《關于“十四五”大宗固體廢棄物綜合利用的指導意見》[5-6]等政策,進一步完善了固體廢棄物的貯存、運輸和利用等。由于固體廢棄物中含有高嶺土、長石等硅鋁酸鹽類礦物,這與燒結磚主要原料黏土成分類似[7],利用固體廢棄物制備燒結磚等建筑墻體材料可為大宗固廢綜合利用提供新思路。

內蒙古地區冬季寒冷,平均溫度在-15～-3.5℃,部分地區年極端最低氣溫低于-30 ℃[8],眾多學者針對燒結墻體材料研究主要集中在制備工藝對燒結墻體材料性能的影響[9-13],但對燒結墻體材料在嚴寒環境服役過程凍害損傷研究鮮有報道,而基于Wiener過程對材料耐久性退化及壽命預測研究多集中在混凝土[14-16]。綜上所述,研究內蒙古地區燒結多孔磚劣化機理及抗凍性退化過程對提高該地區燒結多孔磚服役壽命是很有必要的。

現以內蒙古地區實際自然環境為背景,設計凍融循環試驗,研究煤矸石-鐵尾礦燒結多孔磚的外觀、質量、強度、吸水率和體積密度隨凍融次數變化規律,通過一元Wiener過程建立燒結多孔磚退化模型,分析煤矸石-鐵尾礦燒結多孔磚抗凍性退化規律,利用凍融壽命預測模型對室內外凍融次數轉化,并對對煤矸石-鐵尾礦燒結多孔磚進行壽命預測。研究成果可為內蒙古地區燒結多孔磚抗凍性分析提供一定的理論依據。

1 原材料及試件制備

1.1 試件制備工藝

煤矸石-鐵尾礦燒結多孔磚制備工藝流程如圖1所示。原料經破碎處理后將按比例進行攪拌,摻入一定量成型水進行陳化,陳化后原料進行真空擠出制坯,坯體在干燥室干燥一段時間后會進入除塵燒結窯燒結至成品,檢測成品各項性能達到標準后即可。

圖1 標準試件制備流程Fig.1 Standard specimen preparation process

1.2 原材料及試件制備

試驗原材料為煤矸石、鐵尾礦及頁巖,分別取自烏蘭察布市同福磚廠周邊馬蓮灘煤礦、盛達礦業、磚廠周圍廢棄頁巖。具體化學組成(質量分數)見表1。

按照煤矸石、鐵尾礦、頁巖比例為4∶4∶2混合并粉碎,過篩后粒徑為0.5～2 mm;粉碎后原料加入成型水,在原料含水率約8%,溫度室溫條件下陳化7～10 d;對陳化后原料進行攪拌并再次加水,此時含水率為11%～13%,在成型壓力為20～25 MPa條件下真空擠出成型;坯體干燥后在溫度850～1 100 ℃條件下進行燒結,對成品外觀檢查無缺陷后即為實際試驗材料.試驗材料尺寸為240 mm×115 mm×90 mm,孔型為方孔。

表1 原料化學組成分析結果Table 1 Results of chemical composition analysis of raw materials

2 試驗方法

2.1 煤矸石-鐵尾礦燒結多孔磚凍融循環試驗

依據《砌墻磚試驗方法》(GB/T 2542—2012)進行凍融循環試驗,每組5塊。試驗前將試樣表面進行清理,去除多余粘連物、雜質。將處理后試樣放入電熱鼓風干燥箱中,在(105±5) ℃條件下干燥至恒質并稱重(干燥過程中,前后兩次稱量相差小于0.2%,前后兩次稱量時間間隔為2 h),將干燥后試樣浸在10～20 ℃的水中24 h后取出并用濕布拭去表面水分放入凍融箱內,放置時試樣間距應大于20 mm。在-15～-20 ℃冰凍3 h,然后放入10～20 ℃水中融化2 h,如此為一次凍融循環。凍融循環設置0、10、20、30、40、50、60、70次,每10次凍融循環后測量試樣質量、吸水率、抗壓強度、體積密度并記錄外觀變化。

2.2 煤矸石-鐵尾礦燒結多孔磚凍融前后抗壓強度測試

依據《砌墻磚試驗方法》(GB/T 2542—2012),對凍融前后試樣采用上下灌漿方式制作抗壓強度試驗試樣(二次成型制樣),如圖2所示。試驗采用200 t電液伺服萬能試驗機對試樣進行力學性能測定,加荷速度為2～6 kN/s,每組試樣數量為5個,試件破壞后記錄最大破壞荷載,計算每個試樣抗壓強度并取5個試件平均值為最終試驗結果,得到不同凍融循環次數作用后燒結多孔磚的抗壓強度。試樣抗壓強度計算公式為

(1)

式(4)中:Rp為抗壓強度,MPa;P為最大破壞荷載,N;L為受壓面長度,mm;B為受壓面寬度,mm。

2.3 煤矸石-鐵尾礦燒結多孔磚凍融前后吸水率和體積密度測試

依據《砌墻磚試驗方法》(GB/T 2542—2012)對試樣進行吸水率和體積密度進行測定。將凍融前后的試樣放入電熱鼓風干燥箱中干燥至恒重,測量干燥后試樣體積兩次,取平均值作為試樣體積并測量其質量,將測量后干燥試樣放入水中浸泡24 h,將浸泡后試樣取出,用濕毛巾擦去表面水分,立即稱重,每組5個試件,將其平均值作為最終試驗結果。吸水率和體積密度計算公式為

(2)

(3)

式(2)中:W24為常溫水浸泡24 h試樣吸水率,%;m為試樣干質量,kg;m24為浸水24 h濕質量,kg;ρ為干試樣密度,kg/m3;V為干試樣體積,mm3。

3 結果與討論

3.1 煤矸石-鐵尾礦燒結多孔磚外觀隨凍融循環次數變化規律

圖3為不同凍融循環次數作用下煤矸石-鐵尾礦燒結多孔磚側面外觀變化圖。由圖3(a)、圖3(b)所示可知,10～20次凍融循環后,試樣表面出現明顯的細微裂縫,在裂縫周圍表面微微隆起,四周棱角處未出現缺失。30次凍融循環后,裂縫數量增多,試樣表面出現少量缺失,缺失部位形狀近似圓形,缺陷處可觀察到白色物質[圖3(c)]。40～60次凍融循環后,裂縫數量增加,裂縫增寬,缺失部位數量增加,可以明顯觀察到更多白色物質,邊緣棱角處部分剝落,呈現出凹凸不平的狀態[圖3(d)～圖3(f)]。70次凍融循環后,缺失部位范圍增大,磚體內物質外露現象更加明顯,棱角處損傷嚴重[圖3(g)]。凍融循環結束后,燒結多孔磚孔洞處僅有少量微裂縫產生,未出現缺失剝落現象,主要因為在實際生產時,坯體真空擠出后,孔洞壁較其他部位更加光滑,初始缺陷少,燒結時機械性能進一步加強,故抗凍性相比其他部位更優。

圖3 不同循環次數作用下煤矸石-鐵尾礦 燒結多孔磚側面外觀變化Fig.3 Side appearance changes of coal gangue-iron tailings sintered porous brick under different cycles

3.2 煤矸石-鐵尾礦燒結多孔磚質量隨凍融循環次數變化規律

燒結多孔磚質量采用量程為0.001 kg量程電子秤進行稱量,取每組平均值為最終結果。圖4為煤矸石-鐵尾礦燒結多孔磚質量變化與凍融循環次數關系。由圖4可知,隨著凍融次數的增加,質量損失量呈現增大趨勢,質量總損傷約為22.7 g。10～20次凍融循環后質量損失量增長平緩,30次凍融循環后質量損失量明顯增加,質量損失率增加約0.72%,這是由于當30次凍融循環后,試件表面首次出現部分缺失。30～60次凍融循環質量損失量平穩增加,質量損失率漲幅均低于0.5%,但70次凍融循環后質量損失量顯著上升,質量損失率增加約1.19%,這是由于隨著凍融循環次數增加,試樣加速劣化,不僅試件表面出現缺失,而且棱角處也出現破損,使得質量大幅下降。

圖4 不同凍融循環次數下煤矸石-鐵尾 礦燒結多孔磚質量損失Fig.4 Mass loss of coal gangue-iron tailings sintered porous brick under different freeze-thaw cycles

3.3 煤矸石-鐵尾礦燒結多孔磚抗壓強度隨凍融循環次數變化規律

圖5為煤矸石-鐵尾礦燒結多孔磚抗壓強度變化與凍融循環次數變化規律,可以看出隨著凍融次數的增加,煤矸石-鐵尾礦燒結多孔磚抗壓強度逐漸下降。未凍融時,試樣抗壓強度為10.6 MPa,10次凍融循環作用后強度下降約6.2%,這是由于凍融后試樣內部缺陷增加,出現微裂縫導致。20次凍融循環后下降不明顯,下降率僅為0.9%。30～60次凍融循環后,強度均勻下降,平均下降幅度在5%～8%,下降率表現出下滑趨勢。而70次凍融循環后,強度為6.8 MPa,較未凍融試樣損失約35.8%。主要因為當凍融次數增加時,試樣內部孔隙逐漸增多,微孔相互聯通,試樣出現較多較大裂縫,進而造成抗壓強度降低。

圖5 不同凍融循環次數下煤矸石-鐵尾礦 燒結多孔磚抗壓強度損失Fig.5 Strength loss of coal gangue-iron tailings sintered porous brick under different freeze-thaw cycles

從煤矸石-鐵尾礦燒結多孔磚破壞形式(圖6)可以看出,在破壞時,棱角處破壞最為嚴重,出現貫通的大裂縫,部分呈現出片狀剝落破壞。主要由于試樣受壓時,在與力垂直方向會產生膨脹變形,這種作用形式可通過無限域映射到單位圓內映射函數解釋,函數近似形式為

(4)

式(4)中:z=ω(ξ)為映射函數;β1、β3、β5、……與矩形孔邊長有關;c為復常數,與矩形孔大小有關。

可以看出矩形孔的圓角曲率半徑與所取項數有關,項數越多,矩形孔圓角曲率半徑越小。當邊長比λ=3且取式(2)前4項計算矩形孔孔邊應力如圖7所示。從圖7中可以看出,沿著矩形孔受力方向(α=0°)應力集中最小,垂直孔洞方向(α=90°)次之,斜向(α=45°)應力集中最大[17]。因此,壓力作用時邊角處及孔洞處邊角最先出破壞,裂縫沿著約45°方向發展,隨著壓力增加,垂直方向切應力增大,試樣肋處逐漸破壞,進而試樣完全破壞。

圖6 煤矸石-鐵尾礦燒結多孔磚破壞外觀Fig.6 Coal gangue-iron tailings sintered porous brick damage appearance

圖7 映射函數取前4項時應力變化曲線[17]Fig.7 Stress variation curve when mapping function takes the first 4 items[17]

3.4 煤矸石-鐵尾礦燒結多孔磚吸水性和體積密度隨凍融循環次數變化規律

吸水性和體積密度與試樣孔隙率有關,可直接或間接反映出試樣內部情況。圖8為煤矸石-鐵尾礦燒結多孔磚吸水性變化與凍融循環次數變化規律,可以看出,隨著凍融循環次數的增加,試樣吸水量逐漸增大,總體增加趨勢存在兩次大幅度上漲,10次凍融循環后吸水率增加約1.1%,70次凍融循環后吸水量為570 g,吸水率則上漲約3%,其余階段增長平穩,近似呈現出線性增長,這是由于70次凍融循環后試樣內部缺陷劇增,孔隙率尤其是開孔孔隙率增加,導致試樣吸水率增加。圖9為煤矸石-鐵尾礦燒結多孔磚體積密度變化與凍融循環次數變化規律。由圖9可知,體積密度隨著凍融循環次數的增長呈平穩下降趨勢,但總體損失量不大,下降率不超過1%。這是由于干燥時試樣體積無明顯變化,而質量變化幅度小,因此體積密度總體變化不大。

圖8 不同凍融次數燒結多孔磚吸水性變化規律Fig.8 Water absorption variation of sintered porous brick with different freeze-thaw cycles

圖9 不同凍融次數燒結多孔磚體積密度變化規律Fig.9 Volume density variation of sintered porous brick with different freeze-thaw cycles

3.5 凍融循環后煤矸石-鐵尾礦燒結多孔磚損傷度變化規律

根據損傷力學理論,以煤矸石-鐵尾礦燒結多孔磚凍融前后質量、抗壓強度、吸水率、體積密度為指標,計算不同指標表征下的損傷度[18],公式為

(5)

式(5)中:Dα為指標為α的煤矸石-鐵尾礦燒結多孔磚損傷度;α0為凍融前煤矸石-鐵尾礦燒結多孔磚指標量;αn為凍融后煤矸石-鐵尾礦燒結多孔磚指標量。

圖10為煤矸石-鐵尾礦燒結多孔磚在凍融循環作用下不同指標損傷度變化情況。由圖10可知,各指標總體變化趨勢相同,損傷度逐漸增加,其中吸水性損傷度總體變化幅度最小而抗壓強度損傷度變化最大,經歷不同凍融循環次數后,各指標損傷度也存在差異,70次凍融循環后,煤矸石-鐵尾礦燒結多孔磚質量、抗壓強度、吸水率和體積密度損傷度分別為7.1%、36%、18%、3.6%.凍融循環條件下煤矸石-鐵尾礦燒結多孔磚抗壓強度性能退化最大,體積密度性能退化量最小。主要因為在凍融環境有水條件下,磚體一段時間后孔隙達到飽和狀態,冷凍時水膨脹結冰,形成部分膨脹應力,膨脹應力作用于磚體內部固體材料,造成材料內部應力,凍融初始時,材料內部孔隙應力大于膨脹應力,但隨著凍融次數增加,損傷逐漸累積,材料孔隙應力達到其能承受極限,孔隙破壞,材料抗壓強度急劇下降。

圖10 凍融環境下煤矸石-鐵尾礦燒結 多孔磚不同指標損傷度變化Fig.10 Damage degree changes of different indexes of coal gangue-iron tailings sintered porous brick under freeze-thaw environmen

4 基于Wiener過程的燒結磚抗凍性壽命預測

Wiener過程為布朗運動的數學模型,即微粒受到大量隨機、相互獨立水分子撞擊后會發生無規則運動,常用于描述液體或氣體中小粒子運動[19]。Wiener過程具有良好的計算與分析性質,適用于因微小損傷累計導致產品發生增加或減小趨勢的非單調退化過程。試樣在凍融循環過程中,孔隙中液體不斷在水和冰之間相互轉化,每次凍融循環過程都會加速試樣劣化,隨著凍融循環次數不斷增加,損傷逐漸積累,試樣性能逐漸退化,因此這種劣化過程可用Wiener過程進行分析。

4.1 模型建立

Wiener過程一般公式為

B(t)=mt+nW(t)

(6)

式(6)中:B(t)為煤矸石-鐵尾礦燒結多孔磚在凍融循環侵蝕過程中退化量;m為漂移系數主要表征退化速度;n為過程的擴散系數;t為時間;W(t)為標準的Wiener過程。

試樣壽命可定義為其性能退化量首次達到失效閾值的時間。為準確預測試樣在凍融循環侵蝕后的服役壽命,可參考《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法》(GB/T 50082—2009)中相關規定,以相對質量損失作為退化指標失效閾值.設煤矸石-鐵尾礦燒結多孔磚失效閾值為P(P>0),則試樣壽命T滿足關系式

T=inf{t︱B(t)>P}

(7)

經推導可得該試樣退化指標達到失效閾值時的概率密度和可靠度函數為

(8)

(9)

式中:φ為標準正態分布函數。

4.2 模型驗證

計算前要對數據進行檢驗,驗證其是否滿足Wiener過程性質。一元漂移Wiener過程要滿足以下條件。

(1)ΔB=B(t+Δt)-B(t)～N(mΔt,n2Δt)。

(2)B(t)具有獨立增量,即對于任意0≤t0

(3)B(0)=0。

根據試驗數據,采用統計直方圖對相對質量損失進行分布檢驗,如圖11所示。可以看出相對質量損失服從正態分布。根據統計學相關理論可知,表征煤矸石-鐵尾礦燒結多孔磚抗凍性退化過程的相對質量損失滿足一元連續時間隨機過程性質,故煤矸石-鐵尾礦燒結多孔磚抗凍性退化過程符合一元漂移Wiener過程。

圖11 相對質量損失直方圖Fig.11 Relative quality loss histogram

4.3 參數計算

通過式(6)、式(7)可得Wiener過程似然函數為

(10)

式(10)中:ΔBij為第j個試件在Δtij段內退化量。

對式(8)求解[20]可得m、n的函數式為

(11)

(12)

根據式(11)、式(12)計算參數得m=0.000 081 9,n2=0.000 185。

將參數代入式(8)、式(9)中得到試樣的可靠度函數,并用Origin軟件進行擬合,結果如圖12、圖13所示。可以看出函數曲線隨著閾值降低而下降,總體下降速度較快,而下降到一定范圍時,變化又趨于平緩且持續時間較長。因此,煤矸石-鐵尾礦燒結多孔磚抗凍性雖然在短時間內退化較快,但隨著服役時間的增長,性能退化會逐漸趨于平緩,符合材料性能退化規律。

4.4 壽命預測

采用凍融壽命預測模型[21],模型中應力比與室內外環境中最低氣溫和室內室外最大降溫速度有機聯系在一起,使得自然環境凍融次數與室內標準實驗凍融循環次數得以轉換。

圖12 試件可靠度函數曲線Fig.12 Reliability function curve of specimen

圖13 試件概率密度曲線Fig.13 Probability density curve of specimen

(13)

式(13)中:σmax為標準室內凍融過程中煤矸石-鐵尾礦燒結多孔磚最大壓應力;σi,max為自然條件下某一特定凍融循環制度下煤矸石-鐵尾礦燒結多孔磚最大壓應力;T為室內或室外最低熱力學溫度(t+273.15);dθ/dt為室內或室外最大降溫速度(℃/min);pω/pi為冰的結冰點與相對蒸汽壓力達到平衡時的半經驗關系方程。

以日最低氣溫低于-5 ℃且日最高氣溫高于5 ℃天數計為1次室外實際凍融循環,以內蒙古自治區呼和浩特市為例,根據中國氣象局數據統計呼和浩特市2021年實際室外凍融循環次數為 22 次,平均日溫差為 13.91 ℃/d。室外最大降溫速度為

(14)

室內降溫速度為

(15)

則

(16)

即本文試驗標準環境中一次凍融循環相當于呼和浩特實際自然環境中凍融循環10次。通過Wiener過程計算當閾值分別為0.2、0.3、0.4時,凍融循環次數為24.4、77.8、188.4次。呼和浩特實際凍融環境中煤矸石-鐵尾礦燒結多孔磚耐久性壽命計算[22]公式為

(17)

式(17)中:t為呼和浩特市實際凍融環境下煤矸石-鐵尾礦燒結多孔磚耐久性壽命,年;n為煤矸石-鐵尾礦燒結多孔磚在呼和浩特實際自然環境中的凍融次數,次;N為室內凍融環境中煤矸石-鐵尾礦燒結多孔磚失效時循環次數。

通過計算得閾值為0.2、0.3、0.4條件下,煤矸石-鐵尾礦燒結多孔磚耐久性壽命為11.1、35.4、85.6年。

5 結論

(1)以煤矸石、鐵尾礦和頁巖為原料,在原料粒徑0.5～2 mm;陳化時間7～10 d;成型水分11%～13%;成型壓力20～25 MPa;燒結溫度850～1 100 ℃條件下制備燒結多孔磚。成品抗壓強度為10.6 MPa;吸水率為13.3%;體積密度為1 779.7 kg/m3。

(2)通過對煤矸石-鐵尾礦燒結多孔磚標準試件進行凍融試驗,發現試樣劣化現象明顯,隨著凍融循環次數增加,表面依次出現隆起,微裂縫,輕微剝落等,但是沒有出現磚體大面積破損,貫通裂縫等現象。煤矸石-鐵尾礦燒結多孔磚質量、抗壓強度、吸水性和體積密度表現出隨凍融次數增加性能退化程度加深,其損傷度分別為7.1%、38%、18%、3.6%;同時60～70次凍融循環后,煤矸石-鐵尾礦燒結多孔磚性能退化速度最快。

(3)以相對質量損失為指標建立Wiener過程模型,并對指標選取合理性進行驗證,結果顯示符合要求。煤矸石-鐵尾礦燒結多孔磚可靠度曲線大致分為三階段,其中第一階段最短,第三階段最長,變化趨勢符合材料破壞特點。通過凍融壽命預測模型對煤矸石-鐵尾礦燒結多孔磚進行壽命預測,在閾值為0.2、0.3、0.4條件下,煤矸石-鐵尾礦燒結多孔磚耐久性壽命為11.1、35.4、85.6年。