Preparación de ganga de carbón ceramsita alta

Scientific Reports volumen 12, Número de artículo: 16369 (2022) Citar este artículo

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El uso de ganga de carbón (CG) como material de construcción no solo reduce la eliminación de desechos industriales y promueve la utilización de recursos de desechos sólidos, sino que también resuelve el consumo excesivo de arena y piedra en la construcción. Este estudio investigó experimentalmente la calcinación de ceramitas a partir de materias primas CG y se estudiaron las propiedades mecánicas del concreto de ceramsita CG. Además, los cambios físicos, químicos y de composición de CG antes y después de la calcinación se observaron mediante microscopía electrónica de barrido y análisis de difracción de rayos X (XRD). Los resultados experimentales revelan que la calcinación puede reducir la densidad, aumentar la resistencia, aumentar la porosidad del CG y cambiar la microestructura y la composición mineral del CG. Finalmente, existen grandes diferencias entre el concreto de ceramsita de ganga de carbón y el concreto ordinario en la variación de la resistencia a la compresión con el tiempo y la relación entre el módulo elástico y la resistencia a la compresión. En este trabajo, la fórmula existente se modifica de acuerdo con los datos experimentales.

La ganga de carbón (CG) es un tipo de residuo sólido industrial producido por el proceso de excavación y separación del carbón1,2,3. Generalmente, se descarta una tonelada de CG por cada 10 toneladas de carbón producido4,5. Las estadísticas muestran que ahora se almacenan de 5 a 6 mil millones de toneladas de CG, y la acumulación aumenta a un ritmo de 150 a 200 millones de toneladas por año en China6,7. En la actualidad, la mayor parte del CG se elimina mediante un simple apilamiento, y hay aproximadamente 2600 colinas de CG a gran escala en China, que suman aproximadamente 15 000 hectáreas8,9,10. Esto no solo resulta en el desperdicio de recursos, sino que también causa contaminación ambiental y amenaza la salud y el bienestar de las comunidades locales11. Con la implementación de la estrategia de desarrollo verde y sostenible de China, la utilización racional e integral de GC traerá notables beneficios económicos, ambientales y sociales.

La investigación existente sobre los principales métodos de aplicación de CG en materiales de construcción incluye investigación sobre la producción de cemento, ladrillos quemados, bloques huecos de hormigón y hormigón celular12,13. Aunque existen diferentes tipos de GC con diferentes propiedades debido a los diferentes orígenes del GC, la mayoría de los componentes químicos y minerales son similares a los agregados naturales (AN). Por lo tanto, un método más directo y efectivo de usar CG es usarlo como agregado grueso o fino en el concreto después de la trituración14,15,16. Sin embargo, los agregados CG (CGA) tienen una estructura más flexible y exhiben propiedades físicas más bajas en comparación con los NA. Por lo tanto, la resistencia del concreto con CG como agregado es menor que la del concreto con NA como agregado bajo la misma proporción de mezcla17,18,19. Por lo tanto, para mejorar las propiedades mecánicas del hormigón CGA y permitir su adopción en más campos de la construcción, es necesario mejorar las propiedades físicas y mecánicas del CGA.

Aunque la composición química del CG es compleja, el CG se compone principalmente de silicio y aluminio, y contiene más de una docena de elementos. Generalmente, el CG se compone principalmente de óxidos, como SiO2, Al2O3, Fe2O3, CaO, MgO, NaO y K2O20,21,22. El CG calcinado es un método efectivo para mejorar las propiedades de los agregados. El carbono y varios otros componentes del CG pueden eliminarse durante la calcinación en un rango de temperatura de 500 a 800 °C, y la caolinita del CG también puede transformarse gradualmente en metacaolín23,24. Zhang et al.25, Cao et al.13 y Guo et al.26 señalaron que el CG tiene una alta actividad después de la calcinación a una temperatura de 700–800 °C. La reacción de hidratación secundaria del metacaolín y los productos de hidratación del cemento (hidróxido de calcio) pueden mejorar las propiedades mecánicas del hormigón CGA. Yang et al.27 encontraron que la calcinación a alta temperatura puede causar la reacción química interna de CG, eliminar componentes inestables en CG, generar sustancias estables y causar los cambios correspondientes en las propiedades físicas de CG. Por calcinación, el CGA se puede convertir en un agregado de ceramsita liviano y de alta resistencia5,28. Comparado con el concreto ordinario, el concreto de agregado liviano de ceramsita tiene excelentes propiedades, como baja densidad, alta resistencia a la compresión del cilindro, alta porosidad, alto coeficiente de ablandamiento, buena resistencia a las heladas y excelente resistencia a los agregados alcalinos29,30,31. Muchos estudios32,33,34,35,36 han investigado la preparación y el desempeño del concreto de ceramsita con el objetivo de mejorar aún más su desempeño. Para mejorar el desempeño del concreto de agregado liviano de ceramsita CG (CGCLAC), es necesario mejorar las propiedades físicas y mecánicas de las ceramsitas de ganga de carbón. Sin embargo, la investigación sobre la preparación de ceramsita de alta resistencia a partir de materias primas de CG aún es relativamente escasa, y los estudios sobre las propiedades constitutivas de CGCLAC son aún menos.

Este estudio investigó experimentalmente la producción de ceramisita calcinada a partir de materias primas CG. La fórmula de la materia prima y el proceso experimental utilizados en este estudio se pueden utilizar como base preliminar para la investigación experimental de CGC. Los cambios físicos, químicos y de composición del CG antes y después de la calcinación se observaron mediante microscopía electrónica de barrido (SEM) y análisis de difracción de rayos X (XRD). La ceramsita de ganga de carbón (CGC) fabricada con este método tiene una alta resistencia. Además, este estudio realizó ensayos mecánicos sobre hormigón preparado con CGC. Se explora la ley de variación de la resistencia y se presenta la relación entre el módulo elástico y la resistencia a la compresión.

De acuerdo con los resultados de Riley37 obtenidos por la investigación de la ceramsita calcinada, la composición química de las materias primas apropiadas para la producción de ceramsita se presenta en la Tabla 1. El SiO2 y el Al2O3 forman el vidrio fundido a alta temperatura y su interacción en la fase líquida. promueve la formación y crecimiento de 3Al2O3·2SiO2. Si aumenta el contenido de SiO2 y Al2O3 en la materia prima, aumenta la temperatura de fusión, aumenta la viscosidad de la fase líquida, disminuye la expansión y aumenta la resistencia de la materia prima. Con un mayor contenido de SiO2 y Al2O3 en las materias primas de ceramsita, se requiere una temperatura más alta para alcanzar una determinada viscosidad. El K2O, Na2O, CaO, MgO, etc., son cosolventes, lo que es beneficioso para reducir el punto de fusión de las materias primas. Por ejemplo, cuando SiO2 y Al2O3 generan compuestos eutécticos, la temperatura de fusión es de 1713 °C; cuando se agrega K2O, la temperatura de fusión es de 976 °C; cuando se agrega Na2O, la temperatura de fusión es de 874 °C. A alta temperatura, el Fe2O3 y el C producen sustancias gaseosas como H2O, CO, CO2 y otras sustancias gaseosas, que son la fuerza que impulsa la expansión de los poros de la ceramsita.

Los principales componentes del CG son minerales arcillosos, principalmente caolinita e hidrómica, y también cuarzo, feldespato, pirita, carbonato y otros minerales secundarios. La Tabla 2 presenta la composición química de CG en Fuxin, Liaoning, China. Al comparar las Tablas 1 y 2, se puede encontrar que CG es una materia prima ideal para la producción de ceramsita de calcinación. Incluso si algunos componentes químicos no cumplen con el estándar, el contenido de materias primas se puede ajustar agregando otras sustancias para alcanzar el rango ideal.

El proceso de producción de CGC incluye procesamiento de materia prima, granulación y procesamiento térmico. El CG se rompió con una trituradora de mandíbulas y se molió con un molino de bolas. La materia prima se tamizó utilizando un tamiz de malla 100. Se mezclaron varias materias primas de acuerdo con una cierta proporción para preparar gránulos con un diámetro de 10 a 20 mm. Luego, el CGC formado se colocó en una caja de secado y se calentó a 105 °C durante 1 a 2 h. El precalentamiento se llevó a cabo a 300 °C durante 30 min para eliminar aún más la humedad de la superficie a fin de eliminar el agrietamiento de la superficie y el estallido de CG en el proceso de calcinación causado por un fuerte aumento de la temperatura. El precalentamiento y la calcinación de la muestra se realizaron en horno de precalentamiento y horno de calcinación, respectivamente. Cuando la materia prima de CG alcanzó el tiempo de precalentamiento a la temperatura de precalentamiento de diseño, se retiró inmediatamente del horno de precalentamiento y se colocó en el horno de calcinación, que había alcanzado la temperatura de calcinación de diseño de 1150 °C, y el tiempo de calcinación fue de 30 min. El método de enfriamiento rápido se utilizó para disminuir rápidamente la temperatura de la superficie de la ceramsita por debajo de 400 °C. Cuando se calcinaba la cerámica, a medida que cambiaba la temperatura, la composición del material interno de la bola dio como resultado el siguiente proceso de reacción:

Reacción química a 400–800 °C:

Reacciones químicas a 800–1100 °C:

Las reacciones anteriores indican que la combustión de elementos como S y C forman desbordamiento de gas CO2 y SO2, y los compuestos de carbonato (CaCO3 y MgCO3) y sulfuros se descomponen térmicamente. En el proceso de calcinación, varias sustancias inestables se descomponen y descargan gradualmente, y las sustancias restantes no se descomponen fácilmente, lo que da como resultado propiedades más estables de la ceramsita.

Las morfologías macroscópicas y microscópicas de CG antes y después de la calcinación se muestran en las Figs. 1 y 2, respectivamente. El CG es negro o gris negro; sin embargo, de acuerdo con la diferencia de la composición química y la temperatura de calcinación, las partículas cerámicas exhiben diferentes colores, como blanco, gris, rojo hierro y amarillo tierra, después de la calcinación. Como se puede ver en las imágenes SEM, la superficie de la ceramsita CG está en estado fundido, su distribución superficial es de aproximadamente 30 μm de poros y muchos poros se distribuyen dentro de ella. Los poros internos se pueden dividir esencialmente en macroporos circulares con un diámetro de 50 a 200 μm entre el esqueleto de la partícula y poros pequeños con un diámetro de menos de 30 μm en el esqueleto. En el proceso de calcinación a alta temperatura, el óxido de hierro y el carbono de la ceramsita experimentan una reacción redox y liberan grandes cantidades de CO y CO2. Estos gases están unidos por la fase líquida formada por la matriz, lo que da como resultado la formación de vacíos durante la expansión del volumen de ceramsita. La cantidad de gas expansivo y la uniformidad de los poros no solo están relacionados con el CG, sino que también están directamente relacionados con la temperatura de calcinación. Cuando la superficie produce una mayor cantidad de líquido viscoso, la cantidad de gas ligado y los poros en la ceramsita aumentan y la uniformidad mejora, lo que disminuye la densidad de la ceramsita mientras aumenta su resistencia.

Cambio de morfologías macroscópicas.

Cambio de morfologías microscópicas.

De acuerdo con los métodos de prueba para agregados livianos especificados en la Parte 2: Métodos de prueba para agregados livianos (GB/T17431.2-2010)38, las propiedades físicas y mecánicas del CG deben probarse antes y después de la calcinación. Los indicadores de rendimiento se enumeran en la Tabla 3. Después de la calcinación, las propiedades físicas y mecánicas de CG cambiaron sustancialmente. La densidad aparente, la densidad aparente suelta y la densidad aparente aparente disminuyeron un 28,11 %, un 40,47 % y un 45,58 %, respectivamente, mientras que la relación de vacíos y la absorción de agua aumentaron un 30,12 % y un 79,86 %, respectivamente, y el índice de trituración disminuyó un 29,49. %

La calidad del CGC se evaluó con base en la Norma técnica para la aplicación de concreto de agregado liviano (JGJ/T12-2019)39 y Canto rodado y piedra triturada para la construcción (GB/T14685-2011)40. La ceramsita CG cumple con los requisitos de los agregados gruesos Clase II, mientras que la CG solo satisface los requisitos de los agregados gruesos Clase III. El grado de CG utilizado en la construcción se puede mejorar mediante la calcinación.

La composición mineral del CG antes y después de la calcinación se determinó por XRD (Ultima IV, Rigaku, Japón), de acuerdo con la especificación del difractómetro de rayos X (JB/T 9400-2010)41 y el método de análisis para minerales arcillosos y ordinarios. minerales no arcillosos en rocas sedimentarias mediante difracción de rayos X (SY/T 5163-2018)42. En esta prueba se usó un método de escaneo de análisis cuantitativo, a saber, escaneo por pasos; el intervalo de muestreo y la velocidad de exploración se establecieron en 0,01 y 0,25 /min, respectivamente. Los resultados de la prueba XRD se muestran en la Fig. 3.

Espectros XRD de ganga de carbón antes y después de la calcinación.

El cuarzo y la caolinita son los dos principales minerales cristalizados en el CG sin calcinar. El cuarzo es duro y resistente al desgaste, lo que contribuye a la alta resistencia del CG, mientras que la caolinita es un mineral de arcilla de silicato de capa hidratada y un tipo de suelo o terrón con baja dureza y poca estabilidad, que es una de las razones por las que el CG es fácil de romperse y tener poca resistencia. El CG contiene componentes químicos fácilmente hidrolizados y degradados, que representan aproximadamente el 15%. Después de la calcinación, la pérdida de materiales originales en CG aumenta considerablemente la proporción de cuarzo, lo que contribuye a la mejora de las propiedades mecánicas de CGC. El silicato de alúmina en la caolinita se calcina a alta temperatura para formar mullita, que es un material de alta resistencia que mejora aún más las propiedades mecánicas del CGC calcinado. Además, con la calcinación a alta temperatura, los componentes inestables de CG se transforman en sustancias estables en CGC. Por lo tanto, las propiedades físicas y mecánicas del CGC son cualitativamente diferentes a las del CG antes de la calcinación.

En esta prueba, se usó cemento Portland ordinario 42.5R como material cementoso del concreto y se agregó una cantidad adecuada de cenizas volantes. Se utilizó arena de río local como agregado fino de hormigón con un módulo de finura de 3,26. El CGC con un tamaño de partícula que oscilaba entre 5 y 20 mm se usó como agregado grueso y el agua para mezclar fue agua corriente del grifo. Se agregó un agente reductor de agua al concreto fresco para garantizar que el asentamiento del concreto satisfaga los requisitos de mezclado del concreto. La dosis del agente reductor de agua fue del 1,5 al 2,5 % de la dosis de cemento, y la tasa de reducción del agua fue del 20 al 30 %.

Se diseñaron cuatro proporciones de mezcla de fuerza diferentes de acuerdo con las necesidades de las diferentes prácticas de ingeniería. Las proporciones de mezcla de CGCLAC se presentan en la Tabla 4. Se completaron la prueba de resistencia a la compresión, la prueba de resistencia a la tracción por división, la prueba de resistencia a la flexión y la prueba de módulo elástico de cada relación de mezcla. La resistencia a la compresión y la resistencia a la tracción por división se ensayaron utilizando un bloque de ensayo cúbico con un tamaño de 100 mm × 100 mm × 100 mm, la resistencia a la flexión se determinó utilizando probetas prismáticas con un tamaño de 100 mm × 100 mm × 550 mm, y el módulo elástico se determinó utilizando muestras prismáticas con un tamaño de 100 mm × 100 mm × 300 mm. La resistencia a la compresión se probó a la edad de curado de 3 días, 7 días, 14 días, 21 días y 28 días, respectivamente. La resistencia a la tracción por división, la resistencia a la flexión y el módulo elástico se probaron solo a la edad de curado de 28 días. Cada valor de fuerza representa la fuerza promedio de tres bloques de prueba.

La cantidad de cada materia prima en el concreto se calculó de acuerdo a la proporción de la mezcla. Según un estudio previo, es necesario prehumedecer el CGC para evitar la diferencia en la fluidez del hormigón provocada por la excesiva absorción de agua en el proceso de mezclado del CGC. La práctica general es agregar el 60 % del agua absorbida por CGC en una hora en el CGC antes de hacer el CGCLAC, de modo que el CGC pueda humedecerse por completo43. Se añadió un agente reductor de agua al agua agitada. A continuación, todos los CGC, la arena y el 70 % de agua se mezclaron en un mezclador durante 10 a 20 s, y luego se agregaron el cemento y las cenizas volantes durante 30 s; el 30% restante de agua se añadió durante 60 s. Cuando el concreto se agitó uniformemente, se vertió en el molde preparado y luego se hizo vibrar en una mesa vibratoria para hacerlo denso. Después de 24 h, se retiró el molde y el concreto se colocó en una incubadora estándar con una temperatura de 20 °C ± 2 °C y una humedad relativa del 95% para curar durante 28 días.

Las propiedades mecánicas de CGCLAC se probaron de acuerdo con la Norma para métodos de prueba de propiedades físicas y mecánicas del hormigón (GB/T 50081-2019)44, la Norma para el rendimiento del método de prueba en hormigón fresco ordinario (GB/T 50080-2016)45 y la Norma técnica para la aplicación de hormigón de áridos ligeros (JGJ/T 12-2019)39. La resistencia a la compresión, la resistencia a la tracción dividida y el módulo elástico se midieron utilizando una máquina de prueba electrohidráulica servohidráulica de 200 toneladas. El dispositivo de prueba se muestra en la Fig. 4. La resistencia a la tracción por flexión se midió utilizando una máquina de prueba electrohidráulica servohidráulica de 60 toneladas. El dispositivo de carga utilizado en la prueba se muestra en la Fig. 5. Todo el proceso de carga estuvo controlado por la tensión. La tasa de carga de la prueba de resistencia a la compresión fue de 0,5 MPa/s, y la tasa de carga de la resistencia a la tracción por división y la resistencia a la tracción por flexión fue de 0,05 MPa/s. Los datos de prueba se registraron automáticamente mediante un instrumento de adquisición de datos y la frecuencia de adquisición de datos fue de 0,2 s.

Dispositivo de prueba y diagrama de carga.

Dispositivo de carga para ensayo de flexión de cuatro puntos de hormigón.

De acuerdo con las Reglas generales para la medición de la longitud en escala micrométrica por SEM (GB/T16594-2008)46, después de la prueba mecánica, se perforó un bloque de prueba con un área superficial de hasta 1 cm2 y un espesor de hasta 1 cm desde la superficie. del espécimen dañado usando un taladro hueco. Las muestras se bombearon al vacío para el análisis SEM y la microestructura de la muestra fallida se observó utilizando un microscopio electrónico de barrido (TESCAN MIRA4, República Checa).

Los valores medios de asentamiento de las series A, B, C y D fueron 69 mm, 65 mm, 53 mm y 42 mm, respectivamente. Además, la cohesión y la retención de agua del hormigón fueron satisfactorias. Los resultados de la prueba revelan que el asentamiento cumple con los requisitos de construcción de hormigón especificados en hormigón premezclado (GB/T14902-2012)47. La cohesión de la lechada de cemento depende principalmente del grado seco-delgado de la lechada de cemento, es decir, de la consistencia de la lechada de cemento, y la resistencia friccional entre los agregados, depende principalmente del espesor de la capa de lechada de cemento en la superficie del agregados, es decir, de la cantidad de lechada de cemento. Considerando la diferencia de desempeño entre el CGC y el agregado natural, el método tradicional de diseño de mezclas de concreto considera que la resistencia aumenta a medida que disminuye la proporción de arena, lo que obviamente no satisface los requerimientos de la mezcla CGCLAC. Por lo tanto, en el diseño de la mezcla CGCLAC bajo diferentes condiciones y las mismas circunstancias, la proporción de arena seleccionada es mayor en comparación con la del hormigón ordinario.

La Tabla 5 presenta los resultados experimentales obtenidos para la densidad aparente y absorción de agua de diferentes mezclas de concreto. Como puede verse, las densidades del hormigón CGC son inferiores a las del hormigón ordinario. Esto satisface esencialmente los requisitos del hormigón de áridos ligeros, que suele tener una densidad aparente < 1950 kg/m3. La razón principal de esto es el hecho de que, en este estudio, la densidad aparente de CG fue de 1876,2 kg/m3, y la densidad aparente de NA fue mayoritariamente superior a 2600 kg/m3. Por lo tanto, el hormigón CGC es mucho más ligero que el hormigón NA.

La absorción de agua de CGCLAC es mucho mayor que la del hormigón ordinario (la absorción de agua del hormigón ordinario está entre el 2 y el 3%). Tanto la densidad como la absorción están íntimamente ligadas a las características del árido utilizado. Los agregados CGC son menos densos y más absorbentes en comparación con los agregados naturales. La razón de esto es la existencia de muchos poros en la superficie del agregado CGC. Esto da como resultado que se adhiera más mortero a la superficie del agregado, lo que a su vez da como resultado que el concreto CGC tenga una densidad más baja y una tasa de absorción más alta.

La resistencia a la compresión del hormigón es un índice importante para determinar el grado de resistencia del hormigón. Los resultados de la prueba revelan que la resistencia a la compresión aumentó constantemente a medida que la relación agua-cemento del concreto disminuyó, de manera similar al concreto ordinario. La resistencia a la compresión del hormigón con una relación agua-cemento de 0,30 es ligeramente inferior a la del hormigón con una relación agua-cemento de 0,35. Como se muestra en la Fig. 6, a medida que aumentaba la resistencia a la compresión, la razón principal del daño cambió gradualmente del daño de la lechada y la interfaz al daño del agregado. Por lo tanto, la reducción de la relación agua-cemento no mejora la resistencia a la compresión del hormigón.

Desarrollo de grietas bajo falla.

La resistencia a la compresión cúbica de CGCLAC se midió a los 3 días, 7 días, 14 días, 21 días y 28 días, y los resultados se presentan en la Tabla 6. Se representa la curva de variación de la resistencia a la compresión cúbica de CGCLAC con la edad de curado. en la figura 7.

Relación entre la resistencia a la compresión y la edad del cubo.

En la Tabla 6 y la Fig. 7, se puede ver que la resistencia inicial de CGCLAC se desarrolló rápidamente, alcanzando más del 55 % de la resistencia a la compresión de 28 días en tres días, y más del 80 % de la resistencia a la compresión de 28 días en tres días. siete días, excepto para la serie A. Esta tasa de crecimiento es significativamente mayor que la del concreto ordinario. La resistencia a la compresión a los 3 días del concreto ordinario es generalmente cercana al 50% de la resistencia a la compresión a los 28 días, mientras que la resistencia a la compresión a los 7 días es típicamente cercana al 70% de la resistencia a la compresión a los 28 días. Después de más de 14 días, la resistencia a la compresión de CGCLAC se desarrolla lentamente, debido principalmente a la gran diferencia entre las propiedades físicas y mecánicas del agregado CGC y el agregado natural.

En la ingeniería del hormigón, la resistencia a la compresión de 28 días del hormigón en condiciones de curado estándar se considera generalmente como un parámetro importante en la evaluación de aceptación de la calidad de ingeniería de la unidad. La resistencia a la compresión de 28 días se puede predecir por la resistencia a la compresión inicial del hormigón, que proporciona la base para la construcción posterior. Por lo tanto, es necesario investigar la relación entre la edad y la resistencia a la compresión de CGCLAC. De acuerdo con la fórmula empírica existente para el concreto ordinario, la fórmula que describe la relación entre la resistencia a la compresión inicial y la resistencia a los 28 días del CGCLAC se expresa de la siguiente manera:

donde \(f_{cn}\) es la resistencia inicial a la compresión del hormigón (MPa); \(f_{c28}\) es la resistencia a la compresión del hormigón a los 28 días (MPa); n es la edad (\({\text{n}} \ge 3\)); ayb son parámetros obtenidos mediante análisis de regresión.

La fórmula propuesta que describe la relación entre la resistencia inicial y la resistencia a la compresión a la edad estándar se desarrolló utilizando el método de mínimos cuadrados y mediante el análisis de regresión de los datos experimentales, de la siguiente manera:

La figura 8 muestra los valores de la resistencia a la compresión de CGCLAC frente a los valores experimentales, obtenidos mediante la fórmula propuesta. Las evaluaciones preliminares se realizaron utilizando dos índices: R2 y RMSE. Como puede verse, la mayoría de los datos se encuentran dentro de la línea de error del 10 %, y el error máximo entre los valores calculados y experimentales es del 20,3 %. Los valores de R2 y RMSE dados por esta fórmula son 0.8521 y 2.6359, respectivamente, lo que significa que el desempeño de la fórmula recientemente desarrollada para estimar la resistencia a la compresión es satisfactorio. Por lo tanto, la fórmula propuesta se puede utilizar en proyectos reales para predecir la resistencia a la compresión de CGCLAC a diferentes edades.

Comparación entre resultados teóricos y experimentales para resistencia a compresión de CGCLAC.

Como índice mecánico básico del hormigón, la resistencia a la tracción del hormigón es de gran importancia para la resistencia al agrietamiento del hormigón. La prueba de resistencia a la tracción por división es un método común para evaluar la resistencia a la tracción del hormigón. La superficie de falla por división del espécimen CGCLAC se muestra en la Fig. 9. La mayor parte del agregado CGC se dividió directamente, lo cual es muy diferente a la superficie de falla del mortero de cemento y la falla de interfaz del concreto ordinario. De hecho, la resistencia a la tracción de CGCLAC se ve afectada principalmente por la resistencia del mortero, la calidad del agregado grueso y el rendimiento de adherencia entre el agregado y el mortero. La Tabla 7 presenta los resultados de la prueba de resistencia a la tracción por división para la proporción de mezcla completa. Los resultados de la prueba revelan que la resistencia a la tracción por división de 28 días de CGCLAC está entre 2 y 4 MPa, lo que representa aproximadamente el 7% de la resistencia a la compresión del cubo.

Superficie de falla por división.

Algunos códigos nacionales especifican la fórmula de cálculo para predecir la resistencia a la tracción del hormigón de acuerdo con la resistencia a la compresión del hormigón. La Figura 10 muestra la comparación entre los valores experimentales y calculados en GB50010-202048, ACI318-1149, CEB-FIB50, JIS A 1113-200651 y AS52. Al realizar el análisis de errores, los errores máximos entre los resultados calculados y los valores experimentales en las especificaciones mencionadas anteriormente se determinaron como 13,5 %, 32,7 %, 17,4 %, 27,8 % y 32,2 %, y los valores RMSE son 0,2156, 0,4424 , 0,2573, 0,7815 y 0,8978, respectivamente. A partir de los resultados de la comparación, se puede concluir que las fórmulas de las especificaciones GB50010-2010 y CEB-FIB pueden predecir satisfactoriamente la resistencia a la tracción por división de CGCLAC.

Comparación de la resistencia a la tracción por división predicha con el valor experimental.

Los datos experimentales de la Tabla 7 revelan que la resistencia a la flexión a los 28 días del CGCLAC está entre 3,3 y 5,5 MPa, mientras que la resistencia a la flexión es aproximadamente una décima parte de su resistencia a la compresión cúbica. Como se puede apreciar, el CGC tiene un buen desempeño en cuanto a la adherencia con el mortero de cemento. Además, se puede ver claramente que el CGC se daña directamente en la superficie de fractura, a diferencia del hormigón ordinario.

El módulo de elasticidad del hormigón es un índice de rendimiento importante en el diseño y cálculo de estructuras de hormigón, y afecta directamente al cálculo de la fuerza interna y la deformación de la estructura. El módulo de elasticidad del hormigón depende principalmente del módulo de elasticidad del mortero de cemento y los áridos y su contenido relativo en el hormigón. Debido a la particularidad de la composición CGCLAC y la diferencia entre el módulo elástico y el comportamiento de deformación del CGC y el mortero en la composición CGCLAC, los factores que afectan el módulo elástico son más complejos en comparación con los del hormigón ordinario. Los resultados obtenidos para el módulo de elasticidad de diferentes hormigones se presentan en la Tabla 7. Según el Código para el diseño de estructuras de hormigón (GB50010-2020)48, cuando la resistencia a la compresión del hormigón es de 30–50 MPa, el módulo de elasticidad correspondiente es de 30 GPa a 34,5 GPa. De los resultados de la Tabla 7, el módulo elástico de CGCLAC es 25%–35% más bajo que el del concreto ordinario con la misma resistencia.

Con base en un gran número de estudios teóricos y casos prácticos, se estableció la relación entre la resistencia a la compresión y el módulo de elasticidad del hormigón de áridos ordinarios y del hormigón de áridos ligeros. La fórmula para calcular el módulo elástico de la resistencia a la compresión del hormigón se proporciona en los códigos de construcción de algunos países. Los resultados de las investigaciones existentes revelan que el módulo de elasticidad del hormigón es una función de la resistencia a la compresión y la densidad aparente del hormigón. La Figura 11 muestra la comparación entre los valores experimentales y los valores calculados obtenidos por las fórmulas de predicción en la literatura. Las fórmulas de predicción se basan principalmente en fórmulas de cálculo propuestas por varios estudios y se proporcionan en los códigos de construcción de algunos países. En la Fig. 11, las desviaciones relativas máximas entre los valores experimentales y los valores de cálculo de Jian53, Smadi54, Yang55, JGJ/T12-201939 y ACI49 son 23,84 %, 5,45 %, 16,14 %, 11,77 % y 14,74 %, y el las desviaciones promedio son 3.5, 0.95, 3.03, 1.31 y 1.32, respectivamente; el error cuadrático medio (RMSE) es 3,24, 1,52, 1,54, 3,55 y 1,06, respectivamente. Los resultados de la comparación revelan que la fórmula de cálculo propuesta por ACI está más en línea con el módulo de elasticidad real y se puede utilizar para calcular el módulo de elasticidad del concreto de ceramsita.

Comparación entre los valores calculados y experimentales del módulo de elasticidad.

La ganga de carbón se puede procesar en hormigón de ceramsita mediante el método anterior, que resuelve el problema del tratamiento de residuos sólidos y alivia la escasez de materias primas de hormigón. Sobre la base del análisis de los resultados de las pruebas, este estudio extrajo las siguientes conclusiones:

Las propiedades físicas, la microestructura y la composición del CG cambiaron después de la calcinación, mientras que la resistencia y la absorción de agua aumentaron. La densidad aparente del concreto CGC con diferentes mezclas de concreto fue menor que la del concreto ordinario, lo que satisface esencialmente los requisitos del concreto de agregado liviano.

Debido a la gran diferencia entre las propiedades físicas y mecánicas del agregado CGC y el agregado natural, la resistencia inicial de CGCLAC se desarrolló rápidamente, principalmente porque la absorción de agua de CGC es grande y la ceramsita CG absorbe una cantidad sustancial de agua. Por tanto, la reacción de hidratación entre el cemento y el árido es suficiente.

Con base en la investigación experimental de la resistencia a la compresión del cubo de CGCLAC a diferentes edades, se ajustó la fórmula empírica (la siguiente ecuación) para predecir la resistencia inicial de CGCLAC.

El R2 y el RMSE proporcionados por esta fórmula son 0,8521 y 2,6359, respectivamente. Estos valores indican que el desempeño de la novedosa fórmula para estimar la resistencia a compresión es satisfactorio. Por lo tanto, la fórmula propuesta se puede utilizar en proyectos prácticos para predecir la resistencia a la compresión de CGCLAC.

Se estableció una fórmula que describe la relación entre la resistencia a la tracción por hendimiento y la resistencia a la compresión especificada en diferentes códigos nacionales. Las fórmulas de las especificaciones GB50010-2010 y CEB-FIB pueden predecir satisfactoriamente la resistencia a la tracción por división de CGCLAC.

La resistencia a la flexión a los 28 días de CGCLAC está entre 3,3 y 5,5 MPa, y la resistencia a la flexión es aproximadamente una décima parte de la resistencia a la compresión cúbica. En la prueba de resistencia a la flexión, el CGC se dañó directamente en la superficie de fractura, a diferencia del concreto ordinario.

El módulo de elasticidad de CGCLAC es un 25-35 % más bajo que el del hormigón ordinario con la misma resistencia. La fórmula de cálculo propuesta por ACI318-11 está más en línea con el módulo de elasticidad real y se puede utilizar para calcular el módulo de elasticidad del hormigón de ceramsita.

Los conjuntos de datos utilizados y/o analizados durante el estudio actual están disponibles del autor correspondiente a pedido razonable.

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Descargar referencias

Agradecemos al equipo de innovación de la disciplina de la Universidad Técnica de Liaoning (Número de subvención LNTU20TD-12). Por proporcionar el financiamiento y las facilidades para llevar a cabo el trabajo experimental presentado en este estudio.

Este estudio fue financiado por el Fondo de Investigación Científica del Departamento de Educación Provincial de Liaoning (CN) (Números de concesión LJ2020JCL030) y (CN) (Números de concesión LJ2019JL002).

Escuela de Ingeniería Civil, Universidad Técnica de Liaoning, Fuxin, 123000, China

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

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HG: conceptualización, supervisión, metodología, redacción—revisión y edición; JY: redacción-preparación del borrador original; ASUK: análisis formal, curación de datos; QS: análisis formal, curación de datos.

Correspondencia a Hongbo Guan o Albert Salomon Umuhuza Kibugenza.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

Springer Nature se mantiene neutral con respecto a los reclamos jurisdiccionales en mapas publicados y afiliaciones institucionales.

Acceso abierto Este artículo tiene una licencia internacional Creative Commons Attribution 4.0, que permite el uso, el intercambio, la adaptación, la distribución y la reproducción en cualquier medio o formato, siempre que se otorgue el crédito correspondiente al autor o autores originales y a la fuente. proporcionar un enlace a la licencia Creative Commons e indicar si se realizaron cambios. Las imágenes u otro material de terceros en este artículo están incluidos en la licencia Creative Commons del artículo, a menos que se indique lo contrario en una línea de crédito al material. Si el material no está incluido en la licencia Creative Commons del artículo y su uso previsto no está permitido por la regulación legal o excede el uso permitido, deberá obtener el permiso directamente del titular de los derechos de autor. Para ver una copia de esta licencia, visite http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/.

Reimpresiones y permisos

Guan, H., Yu, J., Umuhuza Kibugenza, AS et al. Preparación de hormigones de alta resistencia con ceramsita de ganga de carbón e investigación de sus propiedades físico-mecánicas. Informe científico 12, 16369 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-20940-y

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Recibido: 26 julio 2022

Aceptado: 21 de septiembre de 2022

Publicado: 30 de septiembre de 2022

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

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