CN103086662B - 一种利用煤矸石制备构件用活性粉末混凝土的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种利用煤矸石制备构件用活性粉末混凝土的方法，其特点是，利用部分工业固体废弃物煤矸石，使用机械活化、热活化和化学激发剂活化，活化后煤矸石粉代替石英粉、部分水泥和硅灰，配制活性粉末混凝土，在常压下、100℃以下热水养护条件下，制备出200级活性粉末混凝土。利用固体废弃物煤矸石替代天然资源，降低了活性粉末混凝土的原料成本，对保护生态环境、固体废弃物综合利用和促进可持续发展具有重大的意义。
Description
技术领域
本发明涉及到利用工业固体废弃物制备混凝土的技术领域，具体地讲，涉及到一种利用煤矸石制备活性粉末混凝土的方法。
背景技术
活性粉末混凝土，是一种超高强、高韧性、耐久性强和体积稳定性良好的水泥基复合材料。它是由法国最大的营造公司之一布伊格(BOUYGUES)公司在1993年率先研制成功的。活性粉末混凝土的显著特点是它的高强度、高韧性、高抗弯折强度和高耐久性。
近年来活性粉末混凝土已成为国内的研究热点之一，如清华大学覃维祖采用水泥、粉煤灰和硅灰三元胶凝材料体系对活性粉末混凝土开展了试验研究制备的活性粉末混凝土抗压强度超过200MPa，抗折强度50MPa，断裂能为2100J/m2。目前有企业开始生产铁道桥上的人行道板，其抗压强度达到150MPa，而存在的重要问题是其活性粉末中使用了大量的硅灰、石英粉，且集料为石英砂，因而原材料成本较高，限制了其推广应用。
有研究表明，活性粉末混凝土中的磨细石英粉在200℃以上和一定的压力下进行高温蒸压养护时才能观测到明显的反应迹象，而在常压、100℃及以下热养护条件下，石英粉的反应活性较低，这就使得其与水泥石基体存在明显的界面过渡区。另外，虽然硅灰是目前公认效果最佳的活性材料，但由于其数量有限，已不能满足水泥混凝土工程的需求。
煤矸石是煤炭开采过程的副产品，其主要成分是氧化硅和氧化铝，约占煤炭产量的15％～20％，存量更是超过45亿吨，而且以每年1.5亿吨/年的速度增加，由于其成分稳定性差，利用率极低，因此堆积的煤矸石占用大量土地还对周围环境造成严重污染。
由于煤矸石含有大量的黏土矿物，经过活化能产生一定的火山灰活性，因此可作为胶凝材料取代部分水泥。煤矸石活性激发方法通常有机械活化、热活化、化学活化等。国内外对煤矸石的机械活化是从颗粒级配和化学结构变化等方面来研究活性的发展，对机械力化学的反应机理还没有系统的研究，如煤矸石的活性是由于机械冲击力造成的晶体颗粒结构的变化所造成的，还是由于研磨作用使得颗粒细化造成的；碱激发是目前最常用的化学活化方法，但是这种方法会引起水泥的泛碱现象，降低水泥的耐久性，用于混凝土中会发生碱集料反应；热活化的效果较好，带来的副作用也较少，但是活化的工艺参数不易控制，且不利于大规模的生产。
本发明目的就是利用工业废弃物煤矸石制备活性粉末混凝土，用活化煤矸石粉替代部分水泥和硅灰，解决活性粉末混凝土原材料成本高和煤矸石环境污染的问题，推动了活性粉末混凝土材料的大范围推广应用。
发明内容
实现本发明的一种利用煤矸石制备活性粉末混凝土的方法是通过对煤矸石进行机械活化、热活化和化学活化，利用活化后煤矸石粉作为活性粉末的组份，制备出活性粉末混凝土，本发明方法的步骤是：
一、原料选取
活化煤矸石粉：将煤矸石进行破碎、磨细，然后采用管式炉在600℃～900℃进行充分煅烧，后加入0.1％～0.3％的醇胺类活性激发剂与之充分混合，继续入磨磨细到比表面积大于800m2/kg，备用；
水泥：强度不低于42.5的硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥；
硅灰：比表面积大于15000m2/kg，SiO2含量大于95％；
河砂：粒径范围为0.18～0.60mm；
钢纤维：直径0.18～0.20mm，长径比大于60，抗拉强度大于1800MPa；
高效减水剂：减水率大于30％。
二、原料选定后活性粉末混凝土材料中各组份按下列重量(％)配制：
水泥22～32；
硅灰3～8；
活化煤矸石粉5～12；
河砂42～56；
钢纤维2.6～5；
水5.2～8.4；
高效减水剂0.26～0.5。
三、原料配比选定后按下列工艺步骤进行：
第一，将河砂、水泥、硅灰、活化煤矸石粉依次倒入搅拌机内，干拌3～6分钟；加入溶有高效减水剂的拌合水，搅拌3～6分钟；然后均匀加入钢纤维，继续搅拌3～6分钟，出机装模，经混凝土振动台振实，成型得混凝土试件。
第二，将成型好的试件带模覆盖塑料膜在在20±3℃，相对湿度不小于90％的标准养护条件下静养6小时，再移入快速养护装置中，在40℃～50℃热水中恒温养护24小时，脱模后继续在80℃～100℃热水中恒温养护48～72小时，冷却自室温后测试抗压强度达到180MPa以上。
本发明的优点是，采用大宗工业固体废弃物煤矸石，经活化后代替石英粉、部分水泥和硅灰，在常压下、100℃以下热水养护条件下，制备出200级活性粉末混凝土。该方法与传统方法相比的显著效果是，降低了原料成本，利用了大量的煤矸石，减少了天然资源的消耗量，对保护生态环境、固体废弃物综合利用和促进可持续发展具有重大的意义。
具体实施方式
实例1：
(1)用颚式破碎机将煤矸石破碎成小于5mm的颗粒，放入SM-500型球磨机中，研磨1h；磨细之后采用管式炉在700℃进行充分煅烧；后加入0.2％的醇胺类活性激发剂充分混合，再次放入SM-500型球磨机中，研磨1h，比表面积达到840m2/kg，备用；选取水泥、硅灰、河砂、钢纤维、高效减水剂，其中水泥为普通硅酸盐42.5水泥；硅灰为20000m2/kg，SiO2含量大于95％；河砂经筛洗并烘干，粒径范围为0.18～0.60mm；拌合水为饮用水；钢纤维为表面镀铜平直钢纤维，直径0.18～0.20mm，长径比大于60，抗拉强度大于1800MPa；高效减水剂为早强型聚羧酸减水剂，减水率32％。
(2)原料选定后活性粉末混凝土材料中各组份按下列重量(％)配制：
水泥26；
硅灰8；
活化煤矸石粉5；
河砂50；
钢纤维4.5；
水6.1；
早强型聚羧酸减水剂0.4。
(3)将称量好的河砂、水泥、硅灰、活化煤矸石粉依次倒入搅拌锅内，干拌3分钟；加入溶有高效减水剂的拌合水，搅拌4分钟；然后均匀加入钢纤维，继续搅拌3分钟，搅拌均匀后出机测试坍落度260mm，扩展度520mm，并浇注于40mm×40mm×160mm的模具，在混凝土振动台上振实，成型得混凝土试件。
将成型好的试件带模覆盖塑料膜在20±3℃，相对湿度不小于90％的标准养护条件下静养6小时，再移入快速养护装置中，在40℃热水中恒温养护24小时，脱模后继续在80℃热水中恒温养护48小时，冷却自室温后测试抗压强度185.80MPa。
实例2：
(1)用颚式破碎机将煤矸石破碎成小于5mm的颗粒，放入SM-500型球磨机中，研磨1h；磨细之后采用管式炉在800℃进行充分煅烧；后加入0.4％的醇胺类活性激发剂充分混合，再次放入SM-500型球磨机中，研磨1h，比表面积达到900m2/kg，备用；选取水泥、硅灰、河砂、钢纤维、高效减水剂，其中水泥为普通硅酸盐42.5水泥；硅灰为20000m2/kg，SiO2含量大于95％；河砂经筛洗并烘干，粒径范围为0.18～0.60mm；拌合水为饮用水；钢纤维为表面镀铜平直钢纤维，直径0.18～0.20，长径比大于60，抗拉强度大于1800MPa；高效减水剂为早强型聚羧酸减水剂，减水率32％。
(2)原料选定后活性粉末混凝土材料中各组份按下列重量(％)配制：
水泥30；
硅灰5.7；
活化煤矸石粉7；
河砂47；
钢纤维4.5；
水5.3；
早强型聚羧酸减水剂0.5。
(3)将称量好的河砂、水泥、硅灰、活化煤矸石粉依次倒入搅拌锅内，干拌3分钟；加入溶有高效减水剂的拌合水，搅拌5分钟；然后均匀加入钢纤维，继续搅拌3分钟，搅拌均匀后出机测试坍落度270mm，扩展度600mm，并浇注于40mm×40mm×160mm的模具，混凝土振动台上振实，成型得混凝土试件。
将成型好的试件带模覆盖塑料膜在20±3℃，相对湿度不小于90％的标准养护条件下静养6小时，再移入快速养护箱中，在50℃热水中恒温养护24小时，脱模后继续在80℃热水中恒温养护72小时，冷却自室温后测试抗压强度197.00MPa。
Claims (2)
1.一种利用煤矸石制备构件用活性粉末混凝土的方法，其特征在于：利用活化后煤矸石粉作为活性粉末的组份，制备出活性粉末混凝土，所述方法的步骤是：
一、原料选取
活化煤矸石粉：将煤矸石进行破碎、磨细，然后采用管式炉在600℃～900℃进行充分煅烧，后加入0.1％～0.3％的醇胺类活性激发剂与之充分混合，继续入磨磨细到比表面积大于800m2/kg，备用；
水泥：强度不低于42.5的硅酸盐水泥；
硅灰：比表面积大于15000m2/kg，SiO2含量大于95％；
河砂：粒径范围为0.18～0.60mm；
钢纤维：直径0.18～0.20mm，长径比大于60，抗拉强度大于1800MPa；
高效减水剂：减水率大于30％；
二、原料选定后活性粉末混凝土材料中各组份按下列重量％配制：
水泥22～32；
硅灰3～8；
活化煤矸石粉5～12；
河砂42～56；
钢纤维2.6～5；
水5.2～8.4；
高效减水剂0.26～0.5；
三、原料配比选定后按下列工艺步骤进行：
第一，将河砂、水泥、硅灰、活化煤矸石粉依次倒入搅拌机内，干拌3～6分钟；加入溶有高效减水剂的拌合水，搅拌3～6分钟；然后均匀加入钢纤维，继续搅拌3～6分钟，出机装模，经混凝土振动台振实，成型得混凝土试件；
第二，将成型好的试件带模覆盖塑料膜在20±3℃，相对湿度不小于90％的标准养护条件下静养6小时，再移入快速养护装置中，在40℃～50℃热水中恒温养护24小时，脱模后继续在80℃～100℃热水中恒温养护48～72小时，冷却至室温后测试抗压强度达到180MPa以上。
2.根据权利要求1所述的一种利用煤矸石制备构件用活性粉末混凝土的方法，其特征在于：原料选定后活性粉末混凝土材料中各组份按下列重量％配制：
水泥26；
硅灰8；
活化煤矸石粉5；
河砂50；
钢纤维4.5；
水6.1；
高效减水剂0.4，所述高效减水剂为早强型聚羧酸减水剂。
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