Préparation de gangue de charbon céramsite haute | Bétonnière Cie., Ltd de Gansu

Rapports scientifiques volume 12, Numéro d'article : 16369 (2022) Citer cet article

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L'utilisation de la gangue de charbon (CG) comme matériau de construction réduit non seulement l'élimination des déchets industriels et favorise l'utilisation des ressources en déchets solides, mais résout également la consommation excessive de sable et de pierre dans la construction. Cette étude a étudié expérimentalement la calcination des céramisites à partir de matières premières CG et les propriétés mécaniques du béton de céramsite CG ont été étudiées. De plus, les changements physiques, chimiques et de composition du CG avant et après la calcination ont été observés à l'aide de la microscopie électronique à balayage et de l'analyse par diffraction des rayons X (XRD). Les résultats expérimentaux révèlent que la calcination peut réduire la densité, augmenter la résistance, augmenter la porosité du CG et modifier la microstructure et la composition minérale du CG. Enfin, il existe de grandes différences entre le béton de céramsite à gangue de charbon et le béton ordinaire dans la variation de la résistance à la compression avec le temps et la relation entre le module d'élasticité et la résistance à la compression. Dans cet article, la formule existante est modifiée en fonction des données expérimentales.

La gangue de charbon (CG) est un type de déchets solides industriels produits par le processus d'extraction et de séparation du charbon1,2,3. Généralement, une tonne de CG est rejetée pour 10 tonnes de charbon produit4,5. Les statistiques montrent que 5 à 6 milliards de tonnes de CG sont désormais stockées et que l'accumulation augmente au rythme de 150 à 200 millions de tonnes par an en Chine6,7. Actuellement, la majeure partie du CG est éliminée par simple empilement, et il existe environ 2 600 collines de CG à grande échelle en Chine, qui représentent environ 15 000 hectares8,9,10. Cela entraîne non seulement un gaspillage des ressources, mais provoque également une pollution de l'environnement et menace la santé et le bien-être des communautés locales11. Avec la mise en œuvre de la stratégie de développement vert et durable de la Chine, l'utilisation rationnelle et complète du CG apportera des avantages économiques, environnementaux et sociaux remarquables.

Les recherches existantes sur les principales méthodes d'application du CG dans les matériaux de construction comprennent des recherches sur la production de ciment, de briques brûlantes, de blocs creux en béton et de béton cellulaire12,13. Bien qu'il existe différents types de CG avec des propriétés différentes en raison des différentes origines du CG, la plupart des composants chimiques et minéraux sont similaires aux agrégats naturels (AN). Par conséquent, une méthode plus directe et efficace d'utilisation du CG consiste à l'utiliser comme granulat grossier ou fin dans le béton après concassage14,15,16. Cependant, les agrégats CG (CGA) ont une structure plus lâche et présentent des propriétés physiques inférieures à celles des NA. Par conséquent, la résistance du béton avec CG comme agrégat est inférieure à celle du béton avec NA comme agrégat dans la même proportion de mélange17,18,19. Par conséquent, pour améliorer les propriétés mécaniques du béton CGA et permettre son adoption dans davantage de domaines de la construction, il est nécessaire d'améliorer les propriétés physiques et mécaniques du CGA.

Bien que la composition chimique du CG soit complexe, le CG est principalement composé de silicium et d'aluminium et contient plus d'une douzaine d'éléments. Généralement, CG est principalement composé d'oxydes, tels que SiO2, Al2O3, Fe2O3, CaO, MgO, NaO et K2O20,21,22. Le CG calciné est une méthode efficace pour améliorer les propriétés des agrégats. Le carbone et divers autres composants du CG peuvent être éliminés lors de la calcination dans la plage de température de 500 à 800 ° C, et la kaolinite du CG peut également être progressivement transformée en métakaolin23,24. Zhang et al.25, Cao et al.13 et Guo et al.26 ont souligné que CG a une activité élevée après calcination à une température de 700 à 800 °C. La réaction d'hydratation secondaire du métakaolin et des produits d'hydratation du ciment (hydroxyde de calcium) peut améliorer les propriétés mécaniques du béton CGA. Yang et al.27 ont découvert que la calcination à haute température peut provoquer la réaction chimique interne du CG, éliminer les composants instables du CG, générer des substances stables et provoquer des modifications correspondantes des propriétés physiques du CG. Par calcination, le CGA peut être converti en un agrégat de céramsite léger et à haute résistance5,28. Comparé au béton ordinaire, le béton à granulats légers de céramsite présente d'excellentes propriétés, telles qu'une faible densité, une résistance élevée à la compression des cylindres, une porosité élevée, un coefficient de ramollissement élevé, une bonne résistance au gel et une excellente résistance aux agrégats alcalins29,30,31. De nombreuses études32,33,34,35,36 ont étudié la préparation et les performances du béton de céramsite dans le but d'améliorer encore ses performances. Pour améliorer les performances du béton de granulats légers à céramsite CG (CGCLAC), il est nécessaire d'améliorer les propriétés physiques et mécaniques des céramsites à gangue de charbon. Cependant, les recherches sur la préparation de céramsite à haute résistance à partir de matières premières CG sont encore relativement rares, et les études sur les propriétés constitutives du CGCLAC sont encore moins nombreuses.

Cette étude a étudié expérimentalement la production de céramisite calcinante à partir de matières premières CG. La formule de la matière première et le processus expérimental utilisés dans cette étude peuvent être utilisés comme base préliminaire pour l'étude expérimentale de CGC. Les changements physiques, chimiques et de composition du CG avant et après la calcination ont été observés par microscopie électronique à balayage (SEM) et analyse par diffraction des rayons X (XRD). La céramsite de la gangue de charbon (CGC) fabriquée par cette méthode a une résistance élevée. De plus, cette étude a mené des essais mécaniques sur du béton préparé à l'aide de CGC. La loi de variation de la résistance est explorée et la relation entre module d'élasticité et résistance à la compression est mise en avant.

Selon les résultats de Riley37 obtenus par l'étude de la céramsite calcinée, la composition chimique des matières premières qui convient à la production de céramsite est présentée dans le tableau 1. Le SiO2 et l'Al2O3 forment du verre fondu à haute température et leur interaction en phase liquide favorise la formation et la croissance de 3Al2O3·2SiO2. Si la teneur en SiO2 et Al2O3 dans la matière première augmente, la température de fusion augmente, la viscosité de la phase liquide augmente, la dilatation diminue et la résistance de la matière première augmente. Avec une teneur plus élevée en SiO2 et Al2O3 dans les matières premières de céramsite, une température plus élevée est nécessaire pour atteindre une certaine viscosité. Le K2O, Na2O, CaO, MgO, etc. sont des cosolvants, ce qui est bénéfique pour réduire le point de fusion des matières premières. Par exemple, lorsque SiO2 et Al2O3 génèrent des composés eutectiques, la température de fusion est de 1713 °C ; lorsque K2O est ajouté, la température de fusion est de 976 °C ; lorsque Na2O est ajouté, la température de fusion est de 874 °C. À haute température, Fe2O3 et C produisent des substances gazeuses telles que H2O, CO, CO2 et d'autres substances gazeuses, qui sont la force motrice de l'expansion des pores de la céramsite.

Les principaux composants du CG sont les minéraux argileux, principalement la kaolinite et l'hydromica, ainsi que le quartz, le feldspath, la pyrite, le carbonate et d'autres minéraux secondaires. Le tableau 2 présente la composition chimique du CG à Fuxin, Liaoning, Chine. En comparant les tableaux 1 et 2, on constate que le CG est une matière première idéale pour la production de céramsite calcinante. Même si certains composants chimiques ne satisfont pas à la norme, la teneur en matières premières peut être ajustée en ajoutant d'autres substances pour atteindre la plage idéale.

Le processus de production de CGC comprend le traitement des matières premières, la granulation et le traitement thermique. Le CG a été brisé par un concasseur à mâchoires et broyé par un broyeur à boulets. La matière première a été tamisée à l'aide d'un tamis de 100 mesh. Diverses matières premières ont été mélangées selon un certain ratio pour préparer des granulés d'un diamètre de 10 à 20 mm. Ensuite, le CGC formé a été placé dans une boîte de séchage et chauffé à 105 ° C pendant 1 à 2 h. Un préchauffage a été effectué à 300 ° C pendant 30 min pour éliminer davantage l'humidité de surface afin d'éliminer la fissuration de surface et l'éclatement du CG dans le processus de calcination provoqué par une forte augmentation de la température. Le préchauffage et la calcination de l'échantillon ont été effectués respectivement dans un four de préchauffage et un four de calcination. Lorsque la matière première CG a atteint le temps de préchauffage à la température de préchauffage de conception, elle a été immédiatement retirée du four de préchauffage et placée dans le four de calcination, qui avait atteint la température de calcination de conception de 1150 ° C, et le temps de calcination était de 30 min. La méthode de refroidissement rapide a été utilisée pour diminuer rapidement la température de surface de la céramsite en dessous de 400 °C. Lorsque la céramique a été calcinée, lorsque la température a changé, la composition du matériau interne de la bille a entraîné le processus de réaction suivant :

Réaction chimique à 400–800 °C :

Réactions chimiques à 800–1100 °C :

Les réactions ci-dessus indiquent que la combustion d'éléments tels que S et C forment un débordement de gaz CO2 et SO2, et les composés de carbonate (CaCO3 et MgCO3) et les sulfures sont thermiquement décomposés. Dans le processus de calcination, diverses substances instables sont progressivement décomposées et évacuées, et les substances restantes ne sont pas faciles à décomposer, ce qui se traduit par des propriétés plus stables de la céramsite.

Les morphologies macroscopiques et microscopiques de CG avant et après calcination sont présentées sur les Fig. 1 et 2, respectivement. Le CG est noir ou gris noir; cependant, selon la différence de composition chimique et de température de calcination, les particules de céramique présentent des couleurs différentes, telles que blanc, gris, rouge fer et jaune terre, après calcination. Comme on peut le voir sur les images SEM, la surface de la céramsite CG est à l'état fondu, sa distribution de surface est d'environ 30 μm de pores et de nombreux pores y sont répartis. Les pores internes peuvent essentiellement être divisés en macropores circulaires d'un diamètre de 50 à 200 μm entre le squelette des particules et en petits pores d'un diamètre inférieur à 30 μm sur le squelette. Dans le processus de calcination à haute température, l'oxyde de fer et le carbone de la céramsite subissent une réaction redox et libèrent de grandes quantités de CO et de CO2. Ces gaz sont liés par la phase liquide formée par la matrice, ce qui entraîne la formation de vides lors de l'expansion du volume de céramsite. La quantité de gaz expansif et l'uniformité des pores ne sont pas seulement liées au CG, mais sont également directement liées à la température de calcination. Lorsque la surface produit une quantité plus élevée de liquide visqueux, la quantité de gaz lié et les pores de la céramsite augmentent et l'uniformité s'améliore, ce qui diminue la densité de la céramsite tout en augmentant sa résistance.

Modification des morphologies macroscopiques.

Modification des morphologies microscopiques.

Selon les méthodes d'essai pour les granulats légers spécifiées dans la partie 2 : Méthodes d'essai pour les granulats légers (GB/T17431.2-2010)38, les propriétés physiques et mécaniques du CG doivent être testées avant et après la calcination. Les indicateurs de performance sont répertoriés dans le tableau 3. Après calcination, les propriétés physiques et mécaniques du CG ont considérablement changé. La densité apparente, la densité apparente lâche et la densité apparente du robinet ont diminué de 28,11 %, 40,47 % et 45,58 %, respectivement, tandis que l'indice des vides et l'absorption d'eau ont augmenté de 30,12 % et 79,86 %, respectivement, et l'indice de concassage a diminué de 29,49. %.

La qualité du CGC a été évaluée sur la base de la norme technique pour l'application du béton de granulats légers (JGJ/T12-2019)39 et des galets et de la pierre concassée pour la construction (GB/T14685-2011)40. La céramsite CG satisfait aux exigences des granulats grossiers de classe II, tandis que CG ne satisfait qu'aux exigences des granulats grossiers de classe III. Le grade de CG utilisé dans la construction peut être amélioré par calcination.

La composition minérale de CG avant et après calcination a été déterminée par DRX (Ultima IV, Rigaku, Japon), selon la spécification du diffractomètre à rayons X (JB/T 9400-2010)41 et la méthode d'analyse des minéraux argileux et ordinaires. minéraux non argileux dans les roches sédimentaires par diffraction des rayons X (SY/T 5163-2018)42. Une méthode de balayage d'analyse quantitative, à savoir, le balayage par étapes, a été utilisée dans ce test ; l'intervalle d'échantillonnage et la vitesse de balayage ont été fixés à 0,01 et 0,25/min, respectivement. Les résultats du test XRD sont présentés à la Fig. 3.

Spectres DRX de gangue de charbon avant et après calcination.

Le quartz et la kaolinite sont les deux principaux minéraux cristallisés dans le CG non calciné. Le quartz est dur et résistant à l'usure, ce qui contribue à la haute résistance du CG, tandis que la kaolinite est un minéral argileux de silicate à couche hydratée et un type de sol ou de motte à faible dureté et à faible stabilité, ce qui est l'une des raisons pour lesquelles le CG est facile à casser et avoir une faible résistance. Le CG contient des composants chimiques facilement hydrolysés et altérés, qui représentent environ 15 %. Après calcination, la perte de matériaux d'origine dans le CG augmente fortement la proportion de quartz, ce qui contribue à l'amélioration des propriétés mécaniques du CGC. Le silicate d'alumine dans la kaolinite est calciné à haute température pour former la mullite, qui est un matériau à haute résistance qui améliore encore les propriétés mécaniques du CGC calciné. De plus, avec la calcination à haute température, les composants instables du CG sont transformés en substances stables du CGC. Par conséquent, les propriétés physiques et mécaniques du CGC sont qualitativement différentes de celles du CG avant calcination.

Dans cet essai, du ciment Portland ordinaire 42.5R a été utilisé comme matériau cimentaire pour béton, et une quantité appropriée de cendres volantes a été ajoutée. Du sable de rivière local a été utilisé comme agrégat fin de béton avec un module de finesse de 3,26. Le CGC avec une taille de particules allant de 5 à 20 mm a été utilisé comme agrégat grossier, et l'eau pour le mélange était de l'eau du robinet ordinaire. Un agent réducteur d'eau a été ajouté au béton frais pour s'assurer que l'affaissement du béton répond aux exigences de mélange du béton. La dose d'agent réducteur d'eau était de 1,5 à 2,5 % de la dose de ciment et le taux de réduction d'eau était de 20 à 30 %.

Quatre proportions de mélange de résistance différentes ont été conçues en fonction des besoins des différentes pratiques d'ingénierie. Les proportions de mélange de CGCLAC sont présentées dans le tableau 4. Le test de résistance à la compression, le test de résistance à la traction par fendage, le test de résistance à la flexion et le test de module élastique de chaque rapport de mélange ont été effectués. La résistance à la compression et la résistance à la traction par fendage ont été testées à l'aide d'un bloc d'essai cubique d'une taille de 100 mm × 100 mm × 100 mm, la résistance à la flexion a été déterminée à l'aide d'éprouvettes prismatiques d'une taille de 100 mm × 100 mm × 550 mm, et le module d'élasticité a été déterminé à l'aide d'éprouvettes prismatiques d'une taille de 100 mm × 100 mm × 300 mm. La résistance à la compression a été testée à l'âge de durcissement de 3 jours, 7 jours, 14 jours, 21 jours et 28 jours, respectivement. La résistance à la traction par fendage, la résistance à la flexion et le module d'élasticité ont été testés uniquement à l'âge de durcissement de 28 jours. Chaque valeur de résistance représente la résistance moyenne de trois blocs de test.

La quantité de chaque matière première dans le béton a été calculée en fonction de la proportion du mélange. Selon une étude précédente, il est nécessaire de prémouiller le CGC pour éviter la différence de fluidité du béton causée par une absorption excessive d'eau dans le processus de mélange du CGC. La pratique générale consiste à ajouter 60 % de l'eau absorbée par le CGC en une heure dans le CGC avant de fabriquer le CGCLAC, de sorte que le CGC puisse être entièrement mouillé43. Un agent réducteur d'eau a été ajouté à l'eau d'agitation. Ensuite, tous les CGC, le sable et 70 % d'eau ont été mélangés dans un mélangeur pendant 10 à 20 s, puis le ciment et les cendres volantes ont été ajoutés en 30 s ; les 30 % d'eau restants ont été ajoutés en 60 s. Lorsque le béton a été uniformément agité, il a été versé dans le moule préparé, puis vibré sur une table vibrante pour être rendu dense. Après 24 h, le moule a été retiré et le béton a été placé dans un incubateur standard avec une température de 20 °C ± 2 °C et une humidité relative de 95 % pour durcir pendant 28 jours.

Les propriétés mécaniques du CGCLAC ont été testées conformément à la norme pour les méthodes d'essai des propriétés physiques et mécaniques du béton (GB/T 50081-2019)44, à la norme pour les performances des méthodes d'essai sur le béton frais ordinaire (GB/T 50080-2016)45 et à la norme technique pour l'application de béton de granulats légers (JGJ/T 12- 2019)39. La résistance à la compression, la résistance à la traction fendue et le module d'élasticité ont été mesurés à l'aide d'une machine d'essai électro-hydraulique servo-hydraulique de 200 tonnes. Le dispositif d'essai est illustré à la Fig. 4. La résistance à la traction en flexion a été mesurée à l'aide d'une machine d'essai électro-hydraulique servo-hydraulique de 60 tonnes. Le dispositif de chargement utilisé dans le test est illustré à la Fig. 5. L'ensemble du processus de chargement a été contrôlé par le stress. Le taux de charge du test de résistance à la compression était de 0,5 MPa/s, et le taux de charge de la résistance à la traction par fendage et de la résistance à la traction par flexion était de 0,05 MPa/s. Les données de test ont été automatiquement enregistrées par un instrument d'acquisition de données, et la fréquence d'acquisition de données était de 0,2 s.

Dispositif d'essai et diagramme de chargement.

Dispositif de chargement pour essai de flexion en quatre points du béton.

Selon les règles générales de mesure de la longueur à l'échelle du micron par SEM (GB/T16594-2008)46, après l'essai mécanique, un bloc d'essai d'une surface allant jusqu'à 1 cm2 et d'une épaisseur allant jusqu'à 1 cm a été foré à partir de la surface de l'éprouvette endommagée à l'aide d'un foret creux. Les échantillons ont été pompés dans un vide pour une analyse SEM, et la microstructure de l'échantillon défaillant a été observée à l'aide d'un microscope électronique à balayage (TESCAN MIRA4, République tchèque).

Les valeurs moyennes d'affaissement des séries A, B, C et D étaient respectivement de 69 mm, 65 mm, 53 mm et 42 mm. De plus, la cohésion et la rétention d'eau du béton étaient satisfaisantes. Les résultats des tests révèlent que l'affaissement satisfait aux exigences de construction en béton spécifiées dans Béton prêt à l'emploi (GB/T14902-2012)47. La cohésion du coulis de ciment dépend principalement du degré sec-mince du coulis de ciment, c'est-à-dire de la consistance du coulis de ciment, et de la résistance au frottement entre les agrégats, dépend principalement de l'épaisseur de la couche de coulis de ciment à la surface du granulats, c'est-à-dire sur la quantité de coulis de ciment. Compte tenu de la différence de performance entre le CGC et le granulat naturel, la méthode traditionnelle de conception du mélange de béton considère que la résistance augmente lorsque le taux de sable diminue, ce qui ne satisfait évidemment pas aux exigences du mélange CGCLAC. Par conséquent, dans la conception du mélange CGCLAC dans différentes conditions et dans les mêmes circonstances, le rapport de sable sélectionné est supérieur à celui du béton ordinaire.

Le tableau 5 présente les résultats expérimentaux obtenus pour la masse volumique apparente et l'absorption d'eau de différents mélanges de béton. Comme on peut le voir, les densités du béton CGC sont inférieures à celles du béton ordinaire. Cela répond essentiellement aux exigences du béton de granulats légers, qui a généralement une densité apparente < 1950 kg/m3. La raison principale en est le fait que, dans cette étude, la densité apparente de CG était de 1876,2 kg/m3, et la densité apparente de NA était principalement supérieure à 2600 kg/m3. Par conséquent, le béton CGC est beaucoup plus léger que le béton NA.

L'absorption d'eau du CGCLAC est bien supérieure à celle du béton ordinaire (l'absorption d'eau du béton ordinaire est comprise entre 2 et 3%). La densité et l'absorption sont étroitement liées aux caractéristiques du granulat utilisé. Les granulats CGC sont moins denses et plus absorbants que les granulats naturels. La raison en est l'existence de nombreux pores à la surface de l'agrégat CGC. Il en résulte que plus de mortier est attaché à la surface des granulats, ce qui à son tour donne au béton CGC une densité plus faible et un taux d'absorption plus élevé.

La résistance à la compression du béton est un indice important pour déterminer le degré de résistance du béton. Les résultats des tests révèlent que la résistance à la compression augmentait régulièrement à mesure que le rapport eau-ciment du béton diminuait, comme pour le béton ordinaire. La résistance à la compression du béton avec un rapport eau-ciment de 0,30 est légèrement inférieure à celle du béton avec un rapport eau-ciment de 0,35. Comme le montre la figure 6, au fur et à mesure que la résistance à la compression augmentait, la principale raison de l'endommagement passait progressivement de l'endommagement de la boue et de l'interface à l'endommagement de l'agrégat. Par conséquent, la réduction du rapport eau-ciment n'améliore pas la résistance à la compression du béton.

Développement de fissures en cas de rupture.

La résistance à la compression cubique du CGCLAC a été mesurée à 3 jours, 7 jours, 14 jours, 21 jours et 28 jours, et les résultats sont présentés dans le tableau 6. La courbe de variation de la résistance à la compression cubique du CGCLAC avec l'âge de durcissement est tracée sur la figure 7.

Relation entre la résistance à la compression et l'âge du cube.

D'après le tableau 6 et la figure 7, on peut voir que la résistance initiale du CGCLAC s'est développée rapidement, atteignant plus de 55% de la résistance à la compression à 28 jours en trois jours, et plus de 80% de la résistance à la compression à 28 jours en sept jours, sauf pour la série A. Ce taux de croissance est nettement supérieur à celui du béton ordinaire. La résistance à la compression à 3 jours du béton ordinaire est généralement proche de 50 % de la résistance à la compression à 28 jours, tandis que la résistance à la compression à 7 jours est généralement proche de 70 % de la résistance à la compression à 28 jours. Après plus de 14 jours, la résistance à la compression du CGCLAC se développe lentement, principalement en raison de la grande différence entre les propriétés physiques et mécaniques du granulat CGC et du granulat naturel.

Dans l'ingénierie du béton, la résistance à la compression à 28 jours du béton dans des conditions de durcissement standard est généralement considérée comme un paramètre important dans l'évaluation de l'acceptation de la qualité de l'ingénierie unitaire. La résistance à la compression à 28 jours peut être prédite par la résistance à la compression initiale du béton, qui constitue la base de la construction ultérieure. Par conséquent, il est nécessaire d'étudier la relation entre l'âge et la résistance à la compression du CGCLAC. Selon la formule empirique existante pour le béton ordinaire, la formule décrivant la relation entre la résistance à la compression initiale et la résistance à 28 jours du CGCLAC s'exprime comme suit :

où \(f_{cn}\) est la résistance à la compression initiale du béton (MPa) ; \(f_{c28}\) est la résistance à la compression à 28 jours du béton (MPa) ; n est l'âge (\({\text{n}} \ge 3\)) ; a et b sont des paramètres obtenus par analyse de régression.

La formule proposée décrivant la relation entre la résistance précoce et la résistance à la compression à l'âge standard a été développée en utilisant la méthode des moindres carrés et par l'analyse de régression des données expérimentales, comme suit :

La figure 8 montre les valeurs de la résistance à la compression de CGCLAC par rapport aux valeurs expérimentales, telles qu'obtenues par la formule proposée. Les évaluations préliminaires ont été réalisées à l'aide de deux indices : R2 et RMSE. Comme on peut le voir, la majorité des données se situent dans la ligne d'erreur de 10 %, et l'erreur maximale entre les valeurs calculées et expérimentales est de 20,3 %. Les valeurs de R2 et RMSE données par cette formule sont respectivement de 0,8521 et 2,6359, ce qui signifie que les performances de la formule nouvellement développée pour estimer la résistance à la compression sont satisfaisantes. Par conséquent, la formule proposée peut être utilisée dans des projets réels pour prédire la résistance à la compression du CGCLAC à différents âges.

Comparaison entre les résultats théoriques et expérimentaux pour la résistance à la compression du CGCLAC.

En tant qu'indice mécanique de base du béton, la résistance à la traction du béton est d'une grande importance pour la résistance à la fissuration du béton. Le test de résistance à la traction par fendage est une méthode courante pour évaluer la résistance à la traction du béton. La surface de rupture par fendage de l'échantillon CGCLAC est illustrée à la Fig. 9. La majeure partie de l'agrégat CGC a été directement fendue, ce qui est très différent de la surface de rupture du béton ordinaire du mortier de ciment et de la rupture de l'interface. En fait, la résistance à la traction du CGCLAC est principalement affectée par la résistance du mortier, la qualité du granulat grossier et les performances de liaison entre le granulat et le mortier. Le tableau 7 présente les résultats des tests de résistance à la traction par fendage pour l'ensemble de la proportion de mélange. Les résultats des tests révèlent que la résistance à la traction par fendage à 28 jours du CGCLAC est comprise entre 2 et 4 MPa, ce qui représente environ 7 % de la résistance à la compression du cube.

Surface de rupture par fractionnement.

Certains codes nationaux précisent la formule de calcul pour prédire la résistance à la traction du béton en fonction de la résistance à la compression du béton. La figure 10 montre la comparaison entre les valeurs expérimentales et calculées dans GB50010-202048, ACI318-1149, CEB-FIB50, JIS A 1113-200651 et AS52. En effectuant une analyse d'erreur, les erreurs maximales entre les résultats calculés et les valeurs expérimentales dans les spécifications mentionnées ci-dessus ont été déterminées comme étant de 13,5 %, 32,7 %, 17,4 %, 27,8 % et 32,2 %, et les valeurs RMSE sont de 0,2156, 0,4424. , 0,2573, 0,7815 et 0,8978, respectivement. D'après les résultats de la comparaison, on peut conclure que les formules des spécifications GB50010-2010 et CEB-FIB peuvent prédire de manière satisfaisante la résistance à la traction par fendage du CGCLAC.

Comparaison de la résistance à la traction par fendage prédite à la valeur expérimentale.

Les données expérimentales du tableau 7 révèlent que la résistance à la flexion à 28 jours du CGCLAC est comprise entre 3,3 et 5,5 MPa, tandis que la résistance à la flexion est d'environ un dixième de sa résistance à la compression au cube. Comme on peut le voir, le CGC présente de bonnes performances en termes d'adhérence avec le mortier de ciment. De plus, on voit clairement que le CGC est directement endommagé à la surface de rupture, contrairement au béton ordinaire.

Le module d'élasticité du béton est un indice de performance important dans la conception et le calcul des structures en béton, et affecte directement le calcul de la force interne et la déformation de la structure. Le module d'élasticité du béton dépend principalement du module d'élasticité du mortier et des granulats de ciment et de leur teneur relative dans le béton. En raison de la particularité de la composition du CGCLAC et de la différence entre le module d'élasticité et les performances de déformation du CGC et du mortier dans la composition du CGCLAC, les facteurs affectant le module d'élasticité sont plus complexes que ceux du béton ordinaire. Les résultats obtenus pour le module d'élasticité de différents bétons sont présentés dans le tableau 7. Selon le Code pour la conception des structures en béton (GB50010-2020)48, lorsque la résistance à la compression du béton est de 30 à 50 MPa, le module d'élasticité correspondant est de 30 GPa à 34,5 GPa. D'après les résultats du tableau 7, le module d'élasticité du CGCLAC est de 25 à 35 % inférieur à celui du béton ordinaire de même résistance.

Sur la base d'un grand nombre d'études théoriques et de cas pratiques, la relation entre la résistance à la compression et le module d'élasticité du béton de granulats ordinaires et du béton de granulats légers a été établie. La formule de calcul du module d'élasticité de la résistance à la compression du béton est fournie dans les codes du bâtiment de certains pays. Les résultats des recherches existantes révèlent que le module d'élasticité du béton est fonction de la résistance à la compression et de la densité apparente du béton. La figure 11 montre la comparaison entre les valeurs expérimentales et les valeurs calculées obtenues par les formules de prédiction de la littérature. Les formules de prédiction sont principalement basées sur des formules de calcul proposées par diverses études et sont fournies dans les codes du bâtiment de certains pays. Dans la Fig. 11, les écarts relatifs maximaux entre les valeurs expérimentales et les valeurs de calcul de Jian53, Smadi54, Yang55, JGJ/T12-201939 et ACI49 sont de 23,84 %, 5,45 %, 16,14 %, 11,77 % et 14,74 %, et le les écarts moyens sont de 3,5, 0,95, 3,03, 1,31 et 1,32, respectivement ; l'erreur quadratique moyenne (RMSE) est de 3,24, 1,52, 1,54, 3,55 et 1,06, respectivement. Les résultats de la comparaison révèlent que la formule de calcul proposée par ACI est plus conforme au module d'élasticité réel et peut être utilisée pour calculer le module d'élasticité du béton de céramsite.

Comparaison entre les valeurs calculées et expérimentales du module d'élasticité.

La gangue de charbon peut être transformée en béton de céramsite par la méthode ci-dessus, ce qui résout le problème du traitement des déchets solides et atténue la pénurie de matières premières en béton. Sur la base de l'analyse des résultats des tests, les conclusions suivantes ont été tirées de cette étude :

Les propriétés physiques, la microstructure et la composition du CG ont changé après la calcination, tandis que la résistance et l'absorption d'eau ont augmenté. La densité apparente du béton CGC avec différents mélanges de béton était inférieure à celle du béton ordinaire, qui satisfait essentiellement aux exigences du béton à granulats légers.

En raison de la grande différence entre les propriétés physiques et mécaniques de l'agrégat CGC et de l'agrégat naturel, la résistance initiale du CGCLAC s'est développée rapidement, principalement parce que l'absorption d'eau du CGC est importante et que la céramsite CG absorbe une quantité substantielle d'eau. Par conséquent, la réaction d'hydratation entre le ciment et le granulat est suffisante.

Sur la base de l'étude expérimentale de la résistance à la compression du cube de CGCLAC à différents âges, la formule empirique (l'équation suivante) pour prédire la résistance initiale de CGCLAC a été ajustée.

Le R2 et le RMSE donnés par cette formule sont respectivement de 0,8521 et 2,6359. Ces valeurs indiquent que les performances de la nouvelle formule d'estimation de la résistance à la compression sont satisfaisantes. Par conséquent, la formule proposée peut être utilisée dans des projets pratiques pour prédire la résistance à la compression du CGCLAC.

Une formule décrivant la relation entre la résistance à la traction par fendage et la résistance à la compression spécifiée dans différents codes nationaux a été établie. Les formules des spécifications GB50010-2010 et CEB-FIB peuvent prédire de manière satisfaisante la résistance à la traction par fendage du CGCLAC.

La résistance à la flexion à 28 jours du CGCLAC est comprise entre 3,3 et 5,5 MPa, et la résistance à la flexion est d'environ un dixième de la résistance à la compression du cube. Dans le test de résistance à la flexion, le CGC a été directement endommagé à la surface de rupture, contrairement au béton ordinaire.

Le module d'élasticité du CGCLAC est de 25 à 35 % inférieur à celui du béton ordinaire de même résistance. La formule de calcul proposée par ACI318-11 est plus conforme au module d'élasticité réel et peut être utilisée pour calculer le module d'élasticité du béton de céramsite.

Les ensembles de données utilisés et/ou analysés au cours de l'étude en cours sont disponibles auprès de l'auteur correspondant sur demande raisonnable.

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Nous remercions l'équipe d'innovation de la discipline de l'Université technique du Liaoning (Grant Number LNTU20TD-12). Pour avoir fourni le financement et les installations nécessaires à la réalisation des travaux expérimentaux présentés dans cette étude.

Cette étude a été soutenue par le Fonds de recherche scientifique du Département provincial de l'éducation du Liaoning (CN) (Grant Numbers LJ2020JCL030) et (CN) (Grant Numbers LJ2019JL002).

École de génie civil, Université technique du Liaoning, Fuxin, 123000, Chine

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

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HG : conceptualisation, supervision, méthodologie, rédaction—révision et édition ; JY : écriture-préparation du projet original ; ASUK : analyse formelle, conservation des données ; QS : analyse formelle, curation des données.

Correspondance à Hongbo Guan ou Albert Salomon Umuhuza Kibugenza.

Les auteurs ne déclarent aucun intérêt concurrent.

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Réimpressions et autorisations

Guan, H., Yu, J., Umuhuza Kibugenza, AS et al. Préparation d'un béton à haute résistance céramsite gangue de charbon et étude de ses propriétés physico-mécaniques. Sci Rep 12, 16369 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-20940-y

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Reçu : 26 juillet 2022

Accepté : 21 septembre 2022

Publié: 30 septembre 2022

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

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