Herstellung von hochkohlenhaltigem Ganggestein

Wissenschaftliche Berichte Band 12, Artikelnummer: 16369 (2022) Diesen Artikel zitieren

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Die Verwendung von Steinkohle (CG) als Baumaterial reduziert nicht nur die Entsorgung von Industrieabfällen und fördert die Ressourcennutzung fester Abfälle, sondern löst auch den übermäßigen Verbrauch von Sand und Stein im Bauwesen. In dieser Studie wurden experimentell kalzinierte Ceramisite aus CG-Rohstoffen untersucht und die mechanischen Eigenschaften von CG-Ceramsite-Beton untersucht. Darüber hinaus wurden die physikalischen, chemischen und Zusammensetzungsänderungen von CG vor und nach der Kalzinierung mithilfe von Rasterelektronenmikroskopie und Röntgenbeugungsanalyse (XRD) beobachtet. Die experimentellen Ergebnisse zeigen, dass die Kalzinierung die Dichte verringern, die Festigkeit erhöhen, die Porosität von CG erhöhen und die Mikrostruktur und Mineralzusammensetzung von CG verändern kann. Schließlich gibt es große Unterschiede zwischen Kohlebrand-Ceramsit-Beton und gewöhnlichem Beton hinsichtlich der zeitlichen Veränderung der Druckfestigkeit und der Beziehung zwischen Elastizitätsmodul und Druckfestigkeit. In dieser Arbeit wird die bestehende Formel entsprechend den experimentellen Daten modifiziert.

Kohlegang (CG) ist eine Art industrieller Feststoffabfall, der beim Kohleabbau und der Kohletrennung entsteht1,2,3. Im Allgemeinen wird pro 10 Tonnen geförderter Kohle eine Tonne CG entsorgt4,5. Statistiken zeigen, dass derzeit 5 bis 6 Milliarden Tonnen CG gelagert werden und die Ansammlung in China um 150 bis 200 Millionen Tonnen pro Jahr zunimmt6,7. Derzeit wird der größte Teil des CG durch einfaches Stapeln entsorgt, und es gibt in China etwa 2600 großflächige CG-Hügel, die sich auf etwa 15.000 Hektar belaufen8,9,10. Dies führt nicht nur zur Verschwendung von Ressourcen, sondern verursacht auch Umweltverschmutzung und gefährdet die Gesundheit und das Wohlbefinden der lokalen Gemeinschaften11. Mit der Umsetzung der grünen und nachhaltigen Entwicklungsstrategie Chinas wird die rationelle und umfassende Nutzung von CG bemerkenswerte wirtschaftliche, ökologische und soziale Vorteile bringen.

Die bestehende Forschung zu den Hauptanwendungsmethoden von CG in Baumaterialien umfasst Forschung zur Herstellung von Zement, brennenden Ziegeln, Betonhohlblöcken und Porenbeton12,13. Obwohl es aufgrund der unterschiedlichen Herkunft von CG verschiedene Arten von CG mit unterschiedlichen Eigenschaften gibt, ähneln die meisten chemischen und mineralischen Bestandteile natürlichen Aggregaten (NAs). Daher besteht eine direktere und effektivere Methode zur Verwendung von CG darin, es nach dem Zerkleinern als grober oder feiner Zuschlagstoff im Beton zu verwenden14,15,16. Allerdings haben CG-Aggregate (CGAs) im Vergleich zu NAs eine lockerere Struktur und weisen schlechtere physikalische Eigenschaften auf. Daher ist die Festigkeit von Beton mit CG als Zuschlagstoff geringer als die von Beton mit NA als Zuschlagstoff bei gleichem Mischungsverhältnis17,18,19. Um die mechanischen Eigenschaften von CGA-Beton zu verbessern und seine Einführung in mehr Baubereichen zu ermöglichen, ist es daher notwendig, die physikalischen und mechanischen Eigenschaften von CGA zu verbessern.

Obwohl die chemische Zusammensetzung von CG komplex ist, besteht CG hauptsächlich aus Silizium und Aluminium und enthält mehr als ein Dutzend Elemente. Im Allgemeinen besteht CG hauptsächlich aus Oxiden wie SiO2, Al2O3, Fe2O3, CaO, MgO, NaO und K2O20,21,22. Kalziniertes CG ist eine wirksame Methode zur Verbesserung der Aggregateigenschaften. Kohlenstoff und verschiedene andere Bestandteile in CG können während der Kalzinierung im Temperaturbereich von 500–800 °C entfernt werden, und der Kaolinit in CG kann auch schrittweise in Metakaolin umgewandelt werden23,24. Zhang et al.25, Cao et al.13 und Guo et al.26 wiesen darauf hin, dass CG nach Kalzinierung bei einer Temperatur von 700–800 °C eine hohe Aktivität aufweist. Die sekundäre Hydratationsreaktion von Metakaolin und Zementhydratationsprodukten (Kalziumhydroxid) kann die mechanischen Eigenschaften von CGA-Beton verbessern. Yang et al.27 fanden heraus, dass die Kalzinierung bei hoher Temperatur die interne chemische Reaktion von CG auslösen, instabile Komponenten in CG eliminieren, stabile Substanzen erzeugen und entsprechende Veränderungen der physikalischen Eigenschaften von CG verursachen kann. Durch Kalzinierung kann CGA in ein leichtes und hochfestes Ceramsit-Aggregat umgewandelt werden5,28. Im Vergleich zu gewöhnlichem Beton verfügt Ceramsite-Leichtbeton über hervorragende Eigenschaften, wie z. B. geringe Dichte, hohe Zylinderdruckfestigkeit, hohe Porosität, hohen Erweichungskoeffizienten, gute Frostbeständigkeit und ausgezeichnete Beständigkeit gegen Alkalizuschlagstoffe29,30,31. Viele Studien32,33,34,35,36 haben die Vorbereitung und Leistung von Blähtonbeton mit dem Ziel untersucht, seine Leistung weiter zu verbessern. Um die Leistung von CG-Ceramsit-Leichtzuschlagstoffbeton (CGCLAC) zu verbessern, ist es notwendig, die physikalischen und mechanischen Eigenschaften von Kohleganggesteinen zu verbessern. Forschungen zur Herstellung von hochfestem Ceramsit aus CG-Rohstoffen sind jedoch noch relativ selten, und Studien zu den konstitutiven Eigenschaften von CGCLAC gibt es noch weniger.

Diese Studie untersuchte experimentell die Herstellung von kalzinierbarem Ceramisit aus CG-Rohstoffen. Die in dieser Studie verwendete Rohstoffformel und der experimentelle Prozess können als vorläufige Grundlage für die experimentelle Untersuchung von CGC verwendet werden. Die physikalischen, chemischen und Zusammensetzungsänderungen von CG vor und nach der Kalzinierung wurden durch Rasterelektronenmikroskopie (REM) und Röntgenbeugungsanalyse (XRD) beobachtet. Mit dieser Methode hergestelltes Kohleganggestein (CGC) weist eine hohe Festigkeit auf. Darüber hinaus wurden in dieser Studie mechanische Tests an Beton durchgeführt, der mit CGC hergestellt wurde. Das Variationsgesetz der Festigkeit wird untersucht und die Beziehung zwischen Elastizitätsmodul und Druckfestigkeit dargelegt.

Gemäß Rileys Ergebnissen37, die durch die Untersuchung von kalziniertem Ceramsit gewonnen wurden, ist die chemische Zusammensetzung der Rohstoffe, die für die Herstellung von Ceramsit geeignet sind, in Tabelle 1 dargestellt. SiO2 und Al2O3 bilden bei hoher Temperatur Glasschmelze und ihre Wechselwirkung in der flüssigen Phase fördert die Bildung und das Wachstum von 3Al2O3·2SiO2. Steigt der SiO2- und Al2O3-Gehalt im Rohmaterial, erhöht sich die Schmelztemperatur, die Viskosität der flüssigen Phase steigt, die Ausdehnung wird geringer und die Festigkeit des Rohmaterials größer. Bei einem höheren Gehalt an SiO2 und Al2O3 in Ceramsite-Rohstoffen ist eine höhere Temperatur erforderlich, um eine bestimmte Viskosität zu erreichen. K2O, Na2O, CaO, MgO usw. sind Colösungsmittel, die sich positiv auf die Senkung des Schmelzpunkts von Rohstoffen auswirken. Wenn beispielsweise SiO2 und Al2O3 eutektische Verbindungen bilden, beträgt die Schmelztemperatur 1713 °C; Bei Zugabe von K2O liegt die Schmelztemperatur bei 976 °C; Bei Zugabe von Na2O beträgt die Schmelztemperatur 874 °C. Bei hoher Temperatur erzeugen Fe2O3 und C gasförmige Substanzen wie H2O, CO, CO2 und andere gasförmige Substanzen, die die Porenausdehnung von Ceramsit antreiben.

Die Hauptbestandteile von CG sind Tonmineralien, hauptsächlich Kaolinit und Hydroglimmer, aber auch Quarz, Feldspat, Pyrit, Carbonat und andere Sekundärmineralien. Tabelle 2 zeigt die chemische Zusammensetzung von CG in Fuxin, Liaoning, China. Durch den Vergleich der Tabellen 1 und 2 lässt sich feststellen, dass CG ein idealer Rohstoff für die Herstellung von kalzinierbarem Ceramsit ist. Auch wenn einige chemische Komponenten nicht der Norm genügen, kann der Gehalt an Rohstoffen durch Zugabe anderer Stoffe angepasst werden, um den Idealbereich zu erreichen.

Der Produktionsprozess von CGC umfasst die Rohstoffverarbeitung, Granulierung und thermische Verarbeitung. Der CG wurde mit einem Backenbrecher gebrochen und mit einer Kugelmühle gemahlen. Das Rohmaterial wurde mit einem 100-Mesh-Sieb gesiebt. Verschiedene Rohstoffe wurden in einem bestimmten Verhältnis gemischt, um Pellets mit einem Durchmesser von 10–20 mm herzustellen. Anschließend wurde das gebildete CGC in eine Trockenbox gegeben und 1–2 Stunden lang auf 105 °C erhitzt. Das Vorheizen wurde 30 Minuten lang bei 300 °C durchgeführt, um die Oberflächenfeuchtigkeit weiter zu entfernen und so Oberflächenrisse und Platzen von CG beim Kalzinierungsprozess zu verhindern, die durch einen starken Temperaturanstieg verursacht wurden. Das Vorwärmen und Kalzinieren der Probe erfolgte in einem Vorwärmofen bzw. Kalzinierungsofen. Als das CG-Rohmaterial die Vorwärmzeit bei der vorgesehenen Vorwärmtemperatur erreichte, wurde es sofort aus dem Vorwärmofen entfernt und in den Kalzinierungsofen gegeben, der die geplante Kalzinierungstemperatur von 1150 °C erreicht hatte, und die Kalzinierungszeit betrug 30 Minuten. Die Schnellkühlmethode wurde verwendet, um die Oberflächentemperatur von Blähton schnell auf unter 400 °C zu senken. Beim Kalzinieren der Keramik kam es bei Temperaturveränderungen aufgrund der inneren Materialzusammensetzung der Kugel zu folgendem Reaktionsprozess:

Chemische Reaktion bei 400–800 °C:

Chemische Reaktionen bei 800–1100 °C:

Die obigen Reaktionen deuten darauf hin, dass bei der Verbrennung von Elementen wie S und C CO2- und SO2-Gasüberlauf entsteht und die Carbonatverbindungen (CaCO3 und MgCO3) und Sulfide thermisch zersetzt werden. Beim Kalzinierungsprozess werden verschiedene instabile Substanzen nach und nach zersetzt und entladen, und die verbleibenden Substanzen sind nicht leicht zu zersetzen, was zu stabileren Eigenschaften von Ceramsite führt.

Die makroskopischen und mikroskopischen Morphologien von CG vor und nach der Kalzinierung sind in den Abbildungen dargestellt. 1 bzw. 2. Der Schwerpunkt ist schwarz oder schwarzgrau; Je nach Unterschied in der chemischen Zusammensetzung und der Kalzinierungstemperatur weisen die Keramikpartikel jedoch nach der Kalzinierung unterschiedliche Farben auf, beispielsweise Weiß, Grau, Eisenrot und Erdgelb. Wie in den REM-Bildern zu sehen ist, befindet sich die Oberfläche des CG-Ceramsits in einem geschmolzenen Zustand, seine Oberflächenverteilung beträgt ungefähr 30 μm große Poren und viele Poren sind darin verteilt. Die inneren Poren können im Wesentlichen in kreisförmige Makroporen mit einem Durchmesser von 50–200 μm zwischen dem Partikelgerüst und kleine Poren mit einem Durchmesser von weniger als 30 μm auf dem Gerüst unterteilt werden. Beim Hochtemperatur-Kalzinierungsprozess gehen Eisenoxid und Kohlenstoff im Ceramsit eine Redoxreaktion ein und setzen große Mengen an CO und CO2 frei. Diese Gase werden durch die von der Matrix gebildete flüssige Phase gebunden, was bei der Expansion des Blähtonvolumens zur Bildung von Hohlräumen führt. Die Menge an expansivem Gas und die Gleichmäßigkeit der Poren stehen nicht nur im Zusammenhang mit dem CG, sondern stehen auch in direktem Zusammenhang mit der Kalzinierungstemperatur. Wenn die Oberfläche eine größere Menge an viskoser Flüssigkeit produziert, nehmen die Menge an gebundenem Gas und die Poren im Blähton zu, und die Gleichmäßigkeit verbessert sich, was die Dichte des Blähtons verringert und gleichzeitig seine Festigkeit erhöht.

Veränderung makroskopischer Morphologien.

Veränderung mikroskopischer Morphologien.

Gemäß den in Teil 2: Testmethoden für leichte Zuschlagstoffe (GB/T17431.2-2010)38 angegebenen Prüfmethoden für leichte Zuschlagstoffe sollten die physikalischen und mechanischen Eigenschaften von CG vor und nach der Kalzinierung getestet werden. Die Leistungsindikatoren sind in Tabelle 3 aufgeführt. Nach der Kalzinierung veränderten sich die physikalischen und mechanischen Eigenschaften von CG erheblich. Die scheinbare Dichte, die lose Schüttdichte und die Schüttdichte sanken um 28,11 %, 40,47 % bzw. 45,58 %, während der Hohlraumanteil und die Wasseraufnahme um 30,12 % bzw. 79,86 % zunahmen und der Zerkleinerungsindex um 29,49 abnahm %.

Die Qualität des CGC wurde auf der Grundlage der technischen Norm für die Anwendung von Leichtbeton (JGJ/T12-2019)39 und von Kieselsteinen und Schotter für den Bau (GB/T14685-2011)40 bewertet. Der CG-Ceramsit erfüllt die Anforderungen an grobe Zuschlagstoffe der Klasse II, während CG nur die Anforderungen an grobe Zuschlagstoffe der Klasse III erfüllt. Der im Bauwesen verwendete CG-Gehalt kann durch Kalzinieren verbessert werden.

Die Mineralzusammensetzung von CG vor und nach der Kalzinierung wurde durch XRD (Ultima IV, Rigaku, Japan) gemäß der Spezifikation des Röntgendiffraktometers (JB/T 9400-2010)41 und der Analysemethode für Tonmineralien und gewöhnliche Mineralien bestimmt Nichttonmineralien in Sedimentgesteinen mittels Röntgenbeugung (SY/T 5163-2018)42. In diesem Test wurde eine quantitative Analyse-Scanmethode, nämlich das Stufenscannen, verwendet. Das Probenintervall und die Scangeschwindigkeit wurden auf 0,01 bzw. 0,25 /min eingestellt. Die Ergebnisse des XRD-Tests sind in Abb. 3 dargestellt.

XRD-Spektren von Kohleganggestein vor und nach der Kalzinierung.

Quarz und Kaolinit sind die beiden wichtigsten kristallisierten Mineralien im unkalzinierten CG. Quarz ist hart und verschleißfest, was zur hohen Festigkeit von CG beiträgt, während Kaolinit ein wasserhaltiges Schichtsilikat-Tonmineral und eine Art Boden oder Klumpen mit geringer Härte und schlechter Stabilität ist, was einer der Gründe dafür ist, dass CG leicht zu bearbeiten ist Bruch und geringe Festigkeit. Der CG enthält leicht hydrolysierbare und verwitterte chemische Bestandteile, die etwa 15 % ausmachen. Nach der Kalzinierung erhöht der Verlust an Originalmaterialien im CG den Quarzanteil erheblich, was zur Verbesserung der mechanischen Eigenschaften von CGC beiträgt. Das Aluminiumoxidsilikat in Kaolinit wird bei hoher Temperatur zu Mullit kalziniert, einem Material mit hoher Festigkeit, das die mechanischen Eigenschaften von kalziniertem CGC weiter verbessert. Darüber hinaus werden durch die Kalzinierung bei hoher Temperatur die instabilen Bestandteile des CG in stabile Substanzen des CGC umgewandelt. Daher unterscheiden sich die physikalischen und mechanischen Eigenschaften von CGC qualitativ von denen von CG vor der Kalzinierung.

In diesem Test wurde gewöhnlicher Portlandzement 42,5R als zementhaltiges Betonmaterial verwendet und eine entsprechende Menge Flugasche hinzugefügt. Als Feinzuschlagstoff für den Beton wurde lokaler Flusssand mit einem Feinheitsmodul von 3,26 verwendet. Das CGC mit einer Partikelgröße im Bereich von 5 bis 20 mm wurde als grober Zuschlagstoff verwendet und das Wasser zum Mischen war gewöhnliches Leitungswasser. Dem Frischbeton wurde ein wasserreduzierendes Mittel zugesetzt, um sicherzustellen, dass das Betonausbreitmaß den Betonmischungsanforderungen entspricht. Die Dosierung des Wasserreduktionsmittels betrug 1,5–2,5 % der Zementdosis und die Wasserreduktionsrate betrug 20–30 %.

Vier verschiedene Stärkemischungsanteile wurden entsprechend den Anforderungen unterschiedlicher Ingenieurspraktiken entwickelt. Die Mischungsverhältnisse von CGCLAC sind in Tabelle 4 dargestellt. Für jedes Mischungsverhältnis wurden der Druckfestigkeitstest, der Spaltzugfestigkeitstest, der Biegefestigkeitstest und der Elastizitätsmodultest durchgeführt. Die Prüfung der Druckfestigkeit und der Spaltzugfestigkeit erfolgte an einem kubischen Prüfkörper der Größe 100 mm × 100 mm × 100 mm, die Bestimmung der Biegefestigkeit erfolgte an prismatischen Probekörpern der Größe 100 mm × 100 mm × 550 mm Der Elastizitätsmodul wurde an prismatischen Proben mit einer Größe von 100 mm × 100 mm × 300 mm bestimmt. Die Druckfestigkeit wurde im Aushärtealter von 3 Tagen, 7 Tagen, 14 Tagen, 21 Tagen bzw. 28 Tagen getestet. Die Spaltzugfestigkeit, Biegefestigkeit und der Elastizitätsmodul wurden nur im Aushärtealter von 28 Tagen getestet. Jeder Festigkeitswert stellt die durchschnittliche Festigkeit von drei Testblöcken dar.

Die Menge jedes Rohmaterials im Beton wurde entsprechend dem Mischungsverhältnis berechnet. Laut einer früheren Studie ist es notwendig, CGC vorzunässen, um Unterschiede in der Fließfähigkeit des Betons zu vermeiden, die durch eine übermäßige Wasseraufnahme beim Mischprozess von CGC entstehen. Die allgemeine Praxis besteht darin, vor der Herstellung des CGCLAC 60 % des von CGC absorbierten Wassers innerhalb einer Stunde in das CGC zu geben, damit das CGC vollständig benetzt werden kann43. Dem Rührwasser wurde ein wasserreduzierendes Mittel zugesetzt. Als nächstes wurden alle CGCs, Sand und 70 % Wasser 10–20 s lang in einem Mischer gemischt, und dann wurden Zement und Flugasche über 30 s hinzugefügt; die restlichen 30 % Wasser wurden innerhalb von 60 s zugegeben. Nachdem der Beton gleichmäßig gerührt war, wurde er in die vorbereitete Form gegossen und dann auf einem Rütteltisch gerüttelt, um ihn zu verdichten. Nach 24 Stunden wurde die Form entfernt und der Beton in einen Standard-Inkubator mit einer Temperatur von 20 °C ± 2 °C und einer relativen Luftfeuchtigkeit von 95 % gegeben, um 28 Tage lang auszuhärten.

Die mechanischen Eigenschaften von CGCLAC wurden gemäß dem Standard für Testmethoden für physikalische und mechanische Eigenschaften von Beton (GB/T 50081-2019)44, dem Standard für Testmethodenleistung an gewöhnlichem Frischbeton (GB/T 50080-2016)45 und dem technischen Standard getestet für die Anwendung von Leichtbeton (JGJ/T 12-2019)39. Die Druckfestigkeit, Spaltzugfestigkeit und der Elastizitätsmodul wurden mit einer 200 Tonnen schweren elektrohydraulischen servohydraulischen Prüfmaschine gemessen. Das Prüfgerät ist in Abb. 4 dargestellt. Die Biegezugfestigkeit wurde mit einer 60 Tonnen schweren elektrohydraulischen servohydraulischen Prüfmaschine gemessen. Die im Test verwendete Belastungsvorrichtung ist in Abb. 5 dargestellt. Der gesamte Belastungsprozess wurde durch Spannung gesteuert. Die Belastungsrate der Druckfestigkeitsprüfung betrug 0,5 MPa/s und die Belastungsrate der Spaltzugfestigkeit und Biegezugfestigkeit betrug 0,05 MPa/s. Die Testdaten wurden automatisch von einem Datenerfassungsgerät aufgezeichnet, die Datenerfassungsfrequenz betrug 0,2 s.

Testgerät und Belastungsdiagramm.

Belastungsgerät für die Vierpunkt-Biegeprüfung von Beton.

Gemäß den Allgemeinen Regeln für die Längenmessung im Mikrometerbereich mittels REM (GB/T16594-2008)46 wurde nach dem mechanischen Test ein Testblock mit einer Oberfläche von bis zu 1 cm2 und einer Dicke von bis zu 1 cm von der Oberfläche aus gebohrt Bohren der beschädigten Probe mit einem Hohlbohrer. Die Proben wurden zur SEM-Analyse in ein Vakuum gepumpt und die Mikrostruktur der ausgefallenen Probe mit einem Rasterelektronenmikroskop (TESCAN MIRA4, Tschechische Republik) beobachtet.

Die durchschnittlichen Setzmaße der Serien A, B, C und D betrugen 69 mm, 65 mm, 53 mm bzw. 42 mm. Darüber hinaus waren die Kohäsion und das Wasserrückhaltevermögen des Betons zufriedenstellend. Die Testergebnisse zeigen, dass das Setzmaß die in Transportbeton (GB/T14902-2012)47 festgelegten Anforderungen an den Betonbau erfüllt. Die Kohäsion des Zementschlamms hängt hauptsächlich vom Trockendünngrad des Zementschlamms ab, d. h. von der Konsistenz des Zementschlamms, und der Reibungswiderstand zwischen den Zuschlagstoffen hängt hauptsächlich von der Dicke der Zementschlammschicht auf der Oberfläche ab Zuschlagstoffe, also von der Menge der Zementschlämme. In Anbetracht des Leistungsunterschieds zwischen CGC und natürlichem Zuschlagstoff geht die herkömmliche Entwurfsmethode für Betonmischungen davon aus, dass die Festigkeit mit abnehmendem Sandanteil zunimmt, was offensichtlich nicht den Anforderungen der CGCLAC-Mischung entspricht. Daher ist bei der Gestaltung von CGCLAC-Mischungen unter verschiedenen Bedingungen und gleichen Umständen der gewählte Sandanteil größer als bei normalem Beton.

Tabelle 5 zeigt die experimentellen Ergebnisse zur Rohdichte und Wasseraufnahme verschiedener Betonmischungen. Wie man sieht, sind die Dichten des CGC-Betons geringer als die von gewöhnlichem Beton. Damit werden im Wesentlichen die Anforderungen an Leichtbeton erfüllt, der typischerweise eine Rohdichte < 1950 kg/m3 aufweist. Der Hauptgrund dafür ist die Tatsache, dass in dieser Studie die scheinbare Dichte von CG 1876,2 kg/m3 betrug und die scheinbare Dichte von NA größtenteils über 2600 kg/m3 lag. Daher ist CGC-Beton viel leichter als NA-Beton.

Die Wasseraufnahme von CGCLAC ist viel höher als die von gewöhnlichem Beton (die Wasseraufnahme von gewöhnlichem Beton liegt zwischen 2 und 3 %). Sowohl die Dichte als auch die Absorption hängen eng mit den Eigenschaften des verwendeten Gesteinskörnungs zusammen. Die CGC-Aggregate sind im Vergleich zu natürlichen Aggregaten weniger dicht und saugfähiger. Der Grund dafür ist das Vorhandensein vieler Poren auf der Oberfläche des CGC-Aggregats. Dies führt dazu, dass mehr Mörtel an der Zuschlagstoffoberfläche haftet, was wiederum dazu führt, dass der CGC-Beton eine geringere Dichte und eine höhere Absorptionsrate aufweist.

Die Druckfestigkeit von Beton ist ein wichtiger Index zur Bestimmung der Festigkeitsklasse von Beton. Die Testergebnisse zeigen, dass die Druckfestigkeit mit abnehmendem Wasser-Zement-Verhältnis des Betons stetig zunahm, ähnlich wie bei gewöhnlichem Beton. Die Druckfestigkeit von Beton mit einem Wasser-Zement-Wert von 0,30 ist etwas geringer als die von Beton mit einem Wasser-Zement-Wert von 0,35. Wie in Abb. 6 dargestellt, änderte sich mit zunehmender Druckfestigkeit die Hauptursache für den Schaden allmählich von der Beschädigung der Aufschlämmung und der Grenzfläche zur Beschädigung des Aggregats. Daher führt eine Verringerung des Wasser-Zement-Verhältnisses nicht zu einer Verbesserung der Druckfestigkeit von Beton.

Rissentwicklung bei Versagen.

Die kubische Druckfestigkeit von CGCLAC wurde nach 3 Tagen, 7 Tagen, 14 Tagen, 21 Tagen und 28 Tagen gemessen. Die Ergebnisse sind in Tabelle 6 dargestellt. Die Variationskurve der kubischen Druckfestigkeit von CGCLAC mit dem Aushärtealter ist aufgetragen in Abb. 7.

Zusammenhang zwischen Druckfestigkeit und Alter des Würfels.

Aus Tabelle 6 und Abb. 7 ist ersichtlich, dass sich die frühe Festigkeit von CGCLAC schnell entwickelte und in drei Tagen mehr als 55 % der 28-Tage-Druckfestigkeit und in mehr als 80 % der 28-Tage-Druckfestigkeit erreichte sieben Tage, mit Ausnahme der Serie A. Diese Wachstumsrate ist deutlich höher als die von Normalbeton. Die 3-Tage-Druckfestigkeit von gewöhnlichem Beton liegt im Allgemeinen bei etwa 50 % der 28-Tage-Druckfestigkeit, während die 7-Tage-Druckfestigkeit typischerweise bei etwa 70 % der 28-Tage-Druckfestigkeit liegt. Nach mehr als 14 Tagen entwickelt sich die Druckfestigkeit von CGCLAC langsam, hauptsächlich aufgrund der großen Unterschiede zwischen den physikalischen und mechanischen Eigenschaften des CGC-Aggregats und des natürlichen Aggregats.

In der Betontechnik wird die 28-Tage-Druckfestigkeit von Beton unter Standardaushärtungsbedingungen im Allgemeinen als wichtiger Parameter bei der Akzeptanzbewertung der Qualität der Bauteiltechnik betrachtet. Die 28-Tage-Druckfestigkeit kann anhand der Frühdruckfestigkeit des Betons vorhergesagt werden, die die Grundlage für den weiteren Bau bildet. Daher ist es notwendig, den Zusammenhang zwischen dem Alter und der Druckfestigkeit von CGCLAC zu untersuchen. Gemäß der bestehenden empirischen Formel für gewöhnlichen Beton wird die Formel, die die Beziehung zwischen der frühen Druckfestigkeit und der 28-Tage-Festigkeit von CGCLAC beschreibt, wie folgt ausgedrückt:

wobei \(f_{cn}\) die frühe Druckfestigkeit von Beton (MPa) ist; \(f_{c28}\) ist die 28-Tage-Druckfestigkeit von Beton (MPa); n ist das Alter (\({\text{n}} \ge 3\)); a und b sind Parameter, die durch Regressionsanalyse erhalten wurden.

Die vorgeschlagene Formel, die die Beziehung zwischen der frühen Festigkeit und der Druckfestigkeit im Standardalter beschreibt, wurde unter Verwendung der Methode der kleinsten Quadrate und durch die Regressionsanalyse der experimentellen Daten wie folgt entwickelt:

Abbildung 8 zeigt die Werte der Druckfestigkeit von CGCLAC im Vergleich zu den experimentellen Werten, wie sie mit der vorgeschlagenen Formel ermittelt wurden. Die vorläufigen Bewertungen wurden anhand zweier Indizes durchgeführt: R2 und RMSE. Wie man sehen kann, liegen die meisten Daten innerhalb der Fehlergrenze von 10 %, und der maximale Fehler zwischen den berechneten und den experimentellen Werten beträgt 20,3 %. Die durch diese Formel angegebenen Werte von R2 und RMSE betragen 0,8521 bzw. 2,6359, was bedeutet, dass die Leistung der neu entwickelten Formel zur Schätzung der Druckfestigkeit zufriedenstellend ist. Daher kann die vorgeschlagene Formel in tatsächlichen Projekten verwendet werden, um die Druckfestigkeit von CGCLAC in verschiedenen Altersstufen vorherzusagen.

Vergleich zwischen theoretischen und experimentellen Ergebnissen zur Druckfestigkeit von CGCLAC.

Als grundlegender mechanischer Index von Beton ist die Zugfestigkeit des Betons von großer Bedeutung für die Rissbeständigkeit des Betons. Die Spaltzugfestigkeitsprüfung ist eine gängige Methode zur Beurteilung der Zugfestigkeit von Beton. Die Spaltungsversagensoberfläche der CGCLAC-Probe ist in Abb. 9 dargestellt. Der größte Teil des CGC-Aggregats wurde direkt gespalten, was sich stark von der Bruchoberfläche von gewöhnlichem Beton aus Zementmörtel und Grenzflächenversagen unterscheidet. Tatsächlich wird die Zugfestigkeit von CGCLAC hauptsächlich von der Festigkeit des Mörtels, der Qualität der groben Zuschlagstoffe und der Bindungsleistung zwischen Zuschlagstoff und Mörtel beeinflusst. Tabelle 7 zeigt die Ergebnisse der Spaltzugfestigkeitsprüfung für das gesamte Mischungsverhältnis. Die Testergebnisse zeigen, dass die 28-Tage-Spaltzugfestigkeit von CGCLAC zwischen 2 und 4 MPa liegt, was etwa 7 % der Würfeldruckfestigkeit ausmacht.

Bruchfläche spalten.

Einige nationale Vorschriften legen die Berechnungsformel zur Vorhersage der Zugfestigkeit von Beton anhand der Druckfestigkeit von Beton fest. Abbildung 10 zeigt den Vergleich zwischen den experimentellen und berechneten Werten in GB50010-202048, ACI318-1149, CEB-FIB50, JIS A 1113-200651 und AS52. Durch die Durchführung einer Fehleranalyse wurden die maximalen Fehler zwischen den berechneten Ergebnissen und den experimentellen Werten in den oben genannten Spezifikationen zu 13,5 %, 32,7 %, 17,4 %, 27,8 % und 32,2 % bestimmt, und die RMSE-Werte betragen 0,2156, 0,4424 , 0,2573, 0,7815 bzw. 0,8978. Aus den Vergleichsergebnissen kann geschlossen werden, dass die Formeln in den Spezifikationen GB50010-2010 und CEB-FIB die Spaltzugfestigkeit von CGCLAC zufriedenstellend vorhersagen können.

Vergleich der vorhergesagten Spaltzugfestigkeit mit dem experimentellen Wert.

Die experimentellen Daten in Tabelle 7 zeigen, dass die 28-Tage-Biegefestigkeit von CGCLAC zwischen 3,3 und 5,5 MPa liegt, während die Biegefestigkeit etwa ein Zehntel seiner Würfeldruckfestigkeit beträgt. Wie man sehen kann, weist der CGC eine gute Haftung im Hinblick auf die Verbindung mit dem Zementmörtel auf. Darüber hinaus ist deutlich zu erkennen, dass der CGC im Gegensatz zu gewöhnlichem Beton direkt an der Bruchfläche beschädigt wird.

Der Elastizitätsmodul von Beton ist ein wichtiger Leistungsindex bei der Konstruktion und Berechnung von Betonkonstruktionen und hat direkten Einfluss auf die Berechnung der inneren Kraft und der Verformung der Struktur. Der Elastizitätsmodul von Beton hängt hauptsächlich vom Elastizitätsmodul des Zementmörtels und der Zuschlagstoffe sowie deren relativen Anteil im Beton ab. Aufgrund der Besonderheit der CGCLAC-Zusammensetzung und des Unterschieds zwischen dem Elastizitätsmodul und der Verformungsleistung von CGC und Mörtel in der CGCLAC-Zusammensetzung sind die Faktoren, die den Elastizitätsmodul beeinflussen, im Vergleich zu denen von gewöhnlichem Beton komplexer. Die für den Elastizitätsmodul verschiedener Betone erhaltenen Ergebnisse sind in Tabelle 7 dargestellt. Gemäß der Norm für die Gestaltung von Betonkonstruktionen (GB50010-2020)48 beträgt der entsprechende Elastizitätsmodul 30, wenn die Druckfestigkeit von Beton 30–50 MPa beträgt GPa bis 34,5 GPa. Aus den Ergebnissen in Tabelle 7 geht hervor, dass der Elastizitätsmodul von CGCLAC 25–35 % niedriger ist als der von gewöhnlichem Beton mit der gleichen Festigkeit.

Basierend auf einer Vielzahl theoretischer Studien und praktischer Fälle wurde der Zusammenhang zwischen der Druckfestigkeit und dem Elastizitätsmodul von gewöhnlichem Zuschlagstoffbeton und Leichtbeton ermittelt. Die Formel zur Berechnung des Elastizitätsmoduls der Betondruckfestigkeit ist in den Bauvorschriften einiger Länder enthalten. Die vorliegenden Forschungsergebnisse zeigen, dass der Elastizitätsmodul von Beton eine Funktion der Druckfestigkeit und der Rohdichte des Betons ist. Abbildung 11 zeigt den Vergleich zwischen den experimentellen Werten und den berechneten Werten, die mit den Vorhersageformeln in der Literatur ermittelt wurden. Vorhersageformeln basieren hauptsächlich auf Berechnungsformeln, die in verschiedenen Studien vorgeschlagen wurden und in den Bauvorschriften einiger Länder enthalten sind. In Abb. 11 betragen die maximalen relativen Abweichungen zwischen den experimentellen Werten und den Berechnungswerten von Jian53, Smadi54, Yang55, JGJ/T12-201939 und ACI49 23,84 %, 5,45 %, 16,14 %, 11,77 % und 14,74 % Die durchschnittlichen Abweichungen betragen 3,5, 0,95, 3,03, 1,31 bzw. 1,32; Der mittlere quadratische Fehler (RMSE) beträgt 3,24, 1,52, 1,54, 3,55 bzw. 1,06. Die Vergleichsergebnisse zeigen, dass die von ACI vorgeschlagene Berechnungsformel eher dem tatsächlichen Elastizitätsmodul entspricht und zur Berechnung des Elastizitätsmoduls von Blähtonbeton verwendet werden kann.

Vergleich zwischen berechneten und experimentellen Werten des Elastizitätsmoduls.

Kohleganggestein kann mit der oben genannten Methode zu Blähtonbeton verarbeitet werden, was das Problem der Abfallbehandlung löst und den Mangel an Betonrohstoffen lindert. Basierend auf der Analyse der Testergebnisse wurden in dieser Studie folgende Schlussfolgerungen gezogen:

Die physikalischen Eigenschaften, die Mikrostruktur und die Zusammensetzung von CG veränderten sich nach der Kalzinierung, während die Festigkeit und die Wasseraufnahme zunahmen. Die Rohdichte von CGC-Beton war bei unterschiedlichen Betonmischungen geringer als die von Normalbeton, was im Wesentlichen die Anforderungen von Leichtbeton erfüllt.

Aufgrund der großen Unterschiede zwischen den physikalischen und mechanischen Eigenschaften von CGC-Aggregaten und natürlichen Aggregaten entwickelte sich die frühe Festigkeit von CGCLAC schnell, hauptsächlich weil die Wasseraufnahme von CGC groß ist und CG-Ceramsit eine beträchtliche Menge Wasser absorbiert. Daher ist die Hydratationsreaktion zwischen Zement und Gesteinskörnung ausreichend.

Basierend auf der experimentellen Untersuchung der Würfeldruckfestigkeit von CGCLAC in verschiedenen Altersstufen wurde die empirische Formel (die folgende Gleichung) zur Vorhersage der frühen Festigkeit von CGCLAC angepasst.

Der durch diese Formel angegebene R2- und RMSE-Wert beträgt 0,8521 bzw. 2,6359. Diese Werte deuten darauf hin, dass die Leistung der neuen Formel zur Schätzung der Druckfestigkeit zufriedenstellend ist. Daher kann die vorgeschlagene Formel in praktischen Projekten verwendet werden, um die Druckfestigkeit von CGCLAC vorherzusagen.

Es wurde eine Formel erstellt, die die Beziehung zwischen der Spaltzugfestigkeit und der Druckfestigkeit beschreibt, die in verschiedenen nationalen Vorschriften angegeben sind. Die Formeln in den GB50010-2010- und CEB-FIB-Spezifikationen können die Spaltzugfestigkeit von CGCLAC zufriedenstellend vorhersagen.

Die 28-Tage-Biegefestigkeit von CGCLAC liegt zwischen 3,3 und 5,5 MPa, und die Biegefestigkeit beträgt etwa ein Zehntel der Würfeldruckfestigkeit. Beim Biegefestigkeitstest wurde der CGC im Gegensatz zu gewöhnlichem Beton direkt an der Bruchfläche beschädigt.

Der Elastizitätsmodul von CGCLAC ist 25–35 % niedriger als der von gewöhnlichem Beton mit der gleichen Festigkeit. Die von ACI318-11 vorgeschlagene Berechnungsformel entspricht eher dem tatsächlichen Elastizitätsmodul und kann zur Berechnung des Elastizitätsmoduls von Blähtonbeton verwendet werden.

Die während der aktuellen Studie verwendeten und/oder analysierten Datensätze sind auf begründete Anfrage beim entsprechenden Autor erhältlich.

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Wir danken dem Disziplininnovationsteam der Technischen Universität Liaoning (Fördernummer LNTU20TD-12). Für die Bereitstellung der Mittel und Einrichtungen zur Durchführung der in dieser Studie vorgestellten experimentellen Arbeit.

Diese Studie wurde vom Wissenschaftlichen Forschungsfonds der Bildungsabteilung der Provinz Liaoning (CN) (Fördernummern LJ2020JCL030) und (CN) (Fördernummern LJ2019JL002) unterstützt.

Fakultät für Bauingenieurwesen, Technische Universität Liaoning, Fuxin, 123000, China

Hongbo Guan, Jitao Yu, Albert Salomon Umuhuza Kibugenza & Qingwei Sun

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HG: Konzeptualisierung, Betreuung, Methodik, Schreiben – Überprüfung und Bearbeitung; JY: Vorbereitung des schriftlichen Originalentwurfs; ASUK: formale Analyse, Datenkuration; QS: Formale Analyse, Datenkuration.

Korrespondenz mit Hongbo Guan oder Albert Salomon Umuhuza Kibugenza.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Guan, H., Yu, J., Umuhuza Kibugenza, AS et al. Herstellung von hochfestem Kohle-Gang-Ceramsit-Beton und Untersuchung seiner physikalisch-mechanischen Eigenschaften. Sci Rep 12, 16369 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-20940-y

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Eingegangen: 26. Juli 2022

Angenommen: 21. September 2022

Veröffentlicht: 30. September 2022

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-20940-y

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