CN113511868A - 一种利用大宗煤矿工业固废的活性粉末混凝土及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种利用大宗煤矿工业固废的活性粉末混凝土，利用煤矿工业固废处理料代替硅灰、粉煤灰和部分水泥，在大宗煤矿工业固废再利用的基础上制备活性粉末混凝土，实现固废规模化消纳与高值化利用兼备的效果，达到了降低造价，减少砂石，节能减排的目的，另外本发明还提供了一种利用大宗煤矿工业固废制备活性粉末混凝土的方法，该方法制备工艺简单，成本低，材料来源广泛，消纳大宗固废，得到的混凝土的抗压强度最高可达120MPa，抗折强度最高可达30MPa，在土木工程建材及装饰材料领域具有广泛用途。
Description
技术领域
本发明属于土木工程建材及装饰材料领域，具体涉及一种利用大宗煤矿工业固废的活性粉末混凝土及制备方法。
背景技术
对石油严重匮乏，煤炭液化技术可以从根本上解决原油紧张的问题。因此，走煤炭液化合成油的道路是我国能源战略的一个重要趋势。而随着煤化工行业的快速发展，煤炭液化技术产生的煤间接液化灰渣亦逐渐增多，其处理处置问题已是当前煤间接液化行业的热点问题，煤间接液化灰渣主要为煤矸石、气化粗渣、锅炉渣或除尘灰均为固体废弃物。当前，对于固废处理存在就地转化困难，利用效率低、运输不便等问题。大宗煤矿固体废弃物的绿色、高效、高值资源化再利用工艺是当今的重点研究问题。
我国能源结构以煤炭为主，煤炭约占能源消费构成的75％。煤炭在为国民经济发展作出巨大贡献的同时，也给矿区带来严重的生态环境和社会问题。大规模的矿山开采导致矿山废弃物数量的激增，具《中国矿产资源节约与综合利用报告(2019)》显示我国尾矿和废石累积对存量目前已接近600亿吨，其中废石堆放438亿吨，75％为煤矸石和矿山开采产生的废石。在庞大产量中，利用量却十分有限，具环保部数据显示我国固体废弃物综合利用率仅为62.2％。
因此需要一种能将大宗煤矿工业固废进行有效利用的方法。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足，提供一种利用大宗煤矿工业固废的活性粉末混凝土。该活性粉末混凝土通过大量使用煤矿工业固废，实现固废规模化消纳与高值化利用兼备的效果，减少了传统混凝土中砂石以及水泥用量，达到了节能减排的目的，材料来源广泛，降低了成本，得到的材料的性能优异，其7天抗压强度不小于26MPa，最高可达120MPa，7天抗折强度均不小于6MPa，最高可达30MPa。
为解决上述技术问题，本发明提供的技术方案为：一种利用大宗煤矿工业固废的活性粉末混凝土，其特征在于，由以下质量份数的组分制成：煤矿工业固废处理料750～1750份、气化细渣300～562份、脱硫石膏25～38份、水泥600～1256份、纤维10～40份、添加剂26～64份、水258～430份。
本发明采用的煤矿工业固废处理料和气化细渣中二氧化硅、氧化铝、氧化铁的含量比较丰富，三者质量之和可达工业固废处理料质量的70％以上，其中二氧化硅和氧化铝具有一定火山灰活性，当原料中的水泥与水混合后发生水化反应并放出热量使得水化反应体系内部升温，同时原料中的添加剂裹附在水化反应体系的周围，水化反应放出的热量不易散出且持续升高，煤矿工业固废处理料与水化反应中的产生的Ca(OH)2反应生成水化硅酸钙等产物，使原料中的颗粒粘结起来形成凝胶体，使混凝土中的其它成分牢固地胶结在一起，从而提高了混凝土的抗拉强度，而且本发明将大宗煤矿工业固废处理料作为主要原料，可将大宗煤矿产生工业固废充分进行利用，来源广泛，取材方便，且无产地限制，大大降低混凝土的原料成本，节省了人力物力，减少了对环境的污染和破坏；本发明通过将脱硫石膏和气化细渣加入到煤矿工业固废处理料和水泥体系中，会提高胶凝体系的流动性能，节约了大量的水泥和细骨料减少了用水量，改善了混合浆料的和易性，缩短凝结时间，增强混合浆料的可泵性，并提高胶凝体系的强度，石膏的微膨胀效应改善了水泥和粉煤灰结构的早期收缩，减少了水化热和热能膨胀性，同时脱硫石膏能够促进气化细渣的水化，改善气化细渣的微结构，提高了混凝土的抗渗能力，因此脱硫石膏、气化细渣、水泥胶凝体系能在大量利用这两种工业废渣的同时，直接拌合，成为兼具气硬性和水硬性特点的特殊结构，通过添加纤维提高了混凝土的韧性，从而提高了混凝土的抗拉强度。
上述的一种利用大宗煤矿工业固废的活性粉末混凝土，其特征在于，所述煤矿工业固废处理料为煤矸石、气化粗渣、锅炉渣或除尘灰。本发明采用煤炭间接液化产生的煤矸石、气化粗渣、锅炉渣或除尘灰，保证了煤炭间接液化产生的固废和燃煤热电厂产生的固废能够得到有效处理，减少了固废对环境的污染，并能将固废进行重新利用，使固废具有经济价值。
上述的一种利用大宗煤矿工业固废的活性粉末混凝土，其特征在于，所述煤矸石为粒径0.25mm～5mm的粗煤矸石或粒径0.075mm～0.25mm的细煤矸石；所述气化粗渣的粒径为0.25mm～4.75mm；所述锅炉渣的粒径为0.25mm～5mm；所述除尘灰的粒径为0.75mm～0.2mm。本发明通过控制大宗煤矿工业固废处理料的粒径，实际上相当于将大宗煤矿工业固废处理料经过破碎，研磨和过筛处理，破坏了工业固废处理料表面的玻璃聚合体，使工业固废处理料的表面释放出游离硅铝质，增大了工业固废处理料的比表面积，使工业固废处理料具有活性，具有活性的工业固废处理料与其余成分混合时，发生火山灰反应，生成具有较高强度的地质聚合物。
上述的一种利用大宗煤矿工业固废的活性粉末混凝土，其特征在于，所述气化细渣的粒径为0.075mm～0.25mm。本发明通过控制气化渣的粒径，使气化细渣可一定程度上替代粉煤灰与硅灰，降低了混凝土的制备成本，气化渣的来源广泛，取材方便，大大降低混凝土的原料成本，节省了人力物力，减少了对环境的污染和破坏。
上述的一种利用大宗煤矿工业固废的活性粉末混凝土，其特征在于，所述脱硫石膏为脱硫石膏粉。
上述的一种利用大宗煤矿工业固废的活性粉末混凝土，其特征在于，所述水泥为P.O42.5普通硅酸盐水泥。
上述的一种利用大宗煤矿工业固废的活性粉末混凝土，其特征在于，所述纤维为钢纤维、聚丙烯纤维或抗裂纤维。本发明通过采用直径为0.15～0.25mm，长度为10～18mm，抗拉强度大于2850MPa的钢纤维、直径为0.18～0.20mm，长度18～25mm的聚丙烯纤维或直径为0.18～0.20μm，长度8～10mm的抗裂纤维，通过控制纤维的成分、长度和横截面直径，使纤维在混凝土中起到最优异的增韧效果，从而提高了混凝土的强度和韧性。
上述的一种利用大宗煤矿工业固废的活性粉末混凝土，其特征在于，所述添加剂的主要成分为聚乙烯醇单甲醚、甲基丙烯酸先酯化、甲基丙烯酸、葡萄糖酸钠、糊精、引气剂、消泡剂、硝酸钠、无机盐、醇胺类增强剂和分散剂。本发明通过控制添加剂的成分，促进原料间的火山灰反应，避免纤维在粉体材料凝结成团，加水后形成具有一定粘度和流动度的混合浆料，同时能够减少了混凝土组分中水的份数，从而提高了混凝土的密实度，减少了内部孔隙分布，进而提高了混凝土的强度。
另外，本发明还提供了一种利用大宗煤矿工业固废的活性粉末混凝土的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤一、对煤矿工业固废处理料依次进行破碎、研磨和筛分处理；
步骤二、将步骤一中筛分处理后的煤矿工业固废处理料和气化细渣、水泥、脱硫石膏进行混合，干拌2分钟，再加入纤维，干拌1～3分钟，形成混合干料；
步骤三、将添加剂与水混合均匀后加入到步骤二中得到的混合干料中，继续搅拌2～6分钟，然后进行装模并在振动台上振实1分钟，制成混凝土试件前驱体；
步骤四、将步骤三中得到的混凝土试件前驱体在室温下静置24h后脱模，再进行养生，得到混凝土试件；所述混凝土试件的抗压强度可达120MPa，抗折强度可达30MPa。
上述的方法，其特征在于，步骤四中所述养生条件为在85℃～95℃的蒸汽条件下养生3～5天后取出在室温中冷却，或在40℃～60℃的水浴条件下养生5天后取出在室温中冷却，或在室温条件下喷湿养护5天。本发明的养生过程在蒸汽条件、水浴条件或室温条件下均可实现，其中，室温条件下的养生由水泥水化反应放出的热量作为混凝土中活性组分之间的化学反应的初始热量，而水浴条件或蒸汽条件下的养生为混凝土中的活性组分之间的化学反应提供了初始热量，并与水泥水化反应放出的热量共同促进活性组分之间的化学反应的持续进行，进一步促进了活性组分反应的充分程度，缩短了反应的时间，三种养生条件制备得到的混凝土的强度均可满足要求。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
1、本发明在制备高强活性粉末混凝土的同时，实现了大宗煤矿工业固废再利用，实现了固废规模化消纳与高值化利用兼备的效果，减少了砂石以及水泥用量，达到了节能减排的目的。
2、本发明所制备高强活性粉末混凝土，材料来源广泛，利用煤矿工业废渣有效替代了集料与活性胶凝材料，降低了成本。
3、本发明制备得到的混凝土的性能优异，其7天抗压强度不小于26MPa，最高可达120MPa，7天抗折强度均不小于6MPa，最高可达30MPa，完全满足现行规范《GB/T35160-2017合成石材试验方法》、《GB/T29059-2012超薄石材复合板》、《JG/T 463-2014建筑装饰用人造石英石板》、《JC/T 507-2012建筑装饰用水磨石》、《JTG_D40-2019公路水泥混凝土路面设计规范》以及《GB5101-2003烧结普通砖》中对于建筑材料强度的要求。
下面通过附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的详细描述。
附图说明
图1是本发明实施例2中制备得到的混凝土试件的微观结构特征图。
具体实施方式
实施例1
本实施例的活性粉末混凝土由以下质量份数的组分制成：煤矿工业固废处理料750份、气化细渣562份、脱硫石膏38份、水泥1256份、纤维20份、添加剂64份、水430份；本实施例中煤矿工业固废处理料为煤矸石；所述脱硫石膏为脱硫石膏粉；所述的水泥为P.O42.5普通硅酸盐水泥；所述添加剂的主要成分为聚乙烯醇单甲醚、甲基丙烯酸先酯化、甲基丙烯酸、葡萄糖酸钠、糊精、引气剂、消泡剂、硝酸钠、无机盐、醇胺类增强剂和分散剂。
本实施例包括以下步骤：
步骤一、对煤矿工业固废处理料依次进行破碎、研磨、筛分处理；所述筛分后的煤矿工业固废处理料的粒径为0.25～5mm；
步骤二、将步骤一中筛分处理后的煤矿工业固废处理料和气化细渣、水泥、脱硫石膏进行混合，干拌2分钟，再加入聚丙烯纤维，干拌3分钟，形成混合干料；
步骤三、将添加剂与水混合均匀后加入步骤二中得到的混合干料中，继续搅拌6分钟，然后进行装模并在振动台上振实1分钟，制成混凝土试件前驱体；
步骤四、将步骤三中得到的混凝土试件前驱体在室温下静置24h后脱模，再进行养生，得到混凝土试件；所述养生条件为40℃的水浴条件下养生5天后取出在室温中冷却。
实施例2
本实施例的活性粉末混凝土由以下质量份数的组分制成：煤矿工业固废处理料1500份、气化细渣500份、脱硫石膏25份、水泥600份、纤维40份、添加剂37份、水258份；本实施例煤矿工业固废处理料为煤矸石；所述脱硫石膏为脱硫石膏粉；所述的水泥为P.O42.5普通硅酸盐水泥；所述添加剂的主要成分为聚乙烯醇单甲醚、甲基丙烯酸先酯化、甲基丙烯酸、葡萄糖酸钠、糊精、引气剂、消泡剂、硝酸钠、无机盐、醇胺类增强剂和分散剂。
本实施例包括以下步骤：
步骤一、对煤矿工业固废处理料依次进行破碎、研磨、筛分处理；所述筛分处理后的煤矿工业固废处理料的粒径为0.075～0.25mm；
步骤二、将步骤一中筛分处理后的煤矿工业固废处理料和气化细渣、水泥、脱硫石膏进行混合，干拌2分钟，再加入钢纤维，干拌1分钟，形成混合干料；
步骤三、将添加剂与水混合均匀后加入步骤二中得到的混合干料中，继续搅拌4分钟，然后进行装模并在振动台上振实1分钟，制成混凝土试件前驱体；
步骤四、将步骤三中得到的混凝土试件前驱体在室温下静置24h后脱模，再进行养生，得到混凝土试件；所述养生条件为60℃的水浴条件下养生5天后取出在室温中冷却。
图1是本实施例中制备得到的混凝土试件的微观结构特征图，从图1中可以看出，本实施例制备的混凝土试件微观结构均匀致密，纤维在混凝土试件中分步均匀。
实施例3
本实施例的活性粉末混凝土由以下质量份数的组分制成：煤矿工业固废处理料1000份、气化细渣300份、脱硫石膏30份、水泥1170份、纤维40份、添加剂51份、水345份；本实施例煤矿工业固废处理料为煤矸石；所述脱硫石膏为脱硫石膏粉；所述的水泥为P.O42.5普通硅酸盐水泥；所述添加剂的主要成分为聚乙烯醇单甲醚、甲基丙烯酸先酯化、甲基丙烯酸、葡萄糖酸钠、糊精、引气剂、消泡剂、硝酸钠、无机盐、醇胺类增强剂和分散剂。
本实施例包括以下步骤：
步骤一、对煤矿工业固废处理料依次进行破碎、研磨、筛分处理；所述筛分处理后的煤矿工业固废处理料的粒径为0.075～0.25mm；
步骤二、将步骤一中筛分处理后的煤矿工业固废处理料和气化细渣、水泥、脱硫石膏进行混合，干拌2分钟，再加入钢纤维，干拌2分钟，形成混合干料；
步骤三、将添加剂与水混合均匀后加入步骤二中得到的混合干料中，继续搅拌2分钟，然后进行装模并在振动台上振实1分钟，制成混凝土试件前驱体；
步骤四、将步骤三中得到的混凝土试件前驱体在室温下静置24h后脱模，再进行养生，得到混凝土试件；所述养生条件为在85℃的蒸汽条件下养生5天后取出在室温中冷却。
实施例4
本实施例的活性粉末混凝土由以下质量份数的组分制成：煤矿工业固废处理料1250份、气化细渣475份、脱硫石膏25份、水泥750份、纤维10份、添加剂28份、水287份；本实施例煤矿工业固废处理料为锅炉渣；所述脱硫石膏为脱硫石膏粉；所述的水泥为P.O42.5普通硅酸盐水泥；所述添加剂的主要成分为聚乙烯醇单甲醚、甲基丙烯酸先酯化、甲基丙烯酸、葡萄糖酸钠、糊精、引气剂、消泡剂、硝酸钠、无机盐、醇胺类增强剂和分散剂。
本实施例包括以下步骤：
步骤一、对煤矿工业固废处理料依次进行破碎、研磨、筛分处理；所述筛分处理后的煤矿工业固废处理料的粒径为0.25～5mm；
步骤二、将步骤一中筛分处理后的煤矿工业固废处理料和气化细渣、水泥、脱硫石膏进行混合，干拌2分钟，再加入钢纤维，干拌2分钟，形成混合干料；
步骤三、将添加剂与水混合均匀后加入步骤二中得到的混合干料中，继续搅拌3分钟，然后进行装模并在振动台上振实1分钟，制成混凝土试件前驱体；
步骤四、将步骤三中得到的混凝土试件前驱体在室温下静置24h后脱模，再进行养生，得到混凝土试件；所述养生条件为50℃的水浴条件下养生5天后取出在室温中冷却。
实施例5
本实施例的活性粉末混凝土由以下质量份数的组分制成：煤矿工业固废处理料1125份、气化细渣412份、脱硫石膏28份、水泥921份、纤维20份、添加剂26份、水316份；本实施例煤矿工业固废处理料为气化粗渣；所述脱硫石膏为脱硫石膏粉；所述的水泥为P.O42.5普通硅酸盐水泥；所述添加剂的主要成分为聚乙烯醇单甲醚、甲基丙烯酸先酯化、甲基丙烯酸、葡萄糖酸钠、糊精、引气剂、消泡剂、硝酸钠、无机盐、醇胺类增强剂和分散剂。
本实施例包括以下步骤：
步骤一、对煤矿工业固废处理料进行筛分处理；所述筛分处理后的煤矿工业固废处理料的粒径为0.25～4.75mm；
步骤二、将步骤一中筛分处理后的煤矿工业固废处理料和气化细渣、水泥、脱硫石膏进行混合，干拌2分钟，再加入钢纤维，干拌1分钟，形成混合干料；
步骤三、将添加剂与水混合均匀后加入步骤二中得到的混合干料中，继续搅拌5分钟，然后进行装模并在振动台上振实1分钟，制成混凝土试件前驱体；
步骤四、将步骤三中得到的混凝土试件前驱体在室温下静置24h后脱模，再进行养生，得到混凝土试件；所述养生条件为在95℃的蒸汽条件下养生3天后取出在室温中冷却。
实施例6
本实施例的活性粉末混凝土由以下质量份数的组分制成：煤矿工业固废处理料1750份、气化细渣150份、脱硫石膏15份、水泥585份、纤维20份、添加剂38份、水225份；本实施例煤矿工业固废处理料为气化粗渣；所述脱硫石膏为脱硫石膏粉；所述的水泥为P.O42.5普通硅酸盐水泥；所述添加剂的主要成分为聚乙烯醇单甲醚、甲基丙烯酸先酯化、甲基丙烯酸、葡萄糖酸钠、糊精、引气剂、消泡剂、硝酸钠、无机盐、醇胺类增强剂和分散剂。
本实施例包括以下步骤：
步骤一、对煤矿工业固废处理料进行筛分处；所述筛分处理后的煤矿工业固废处理料的粒径为0.25～4.75mm；
步骤二、将步骤一中筛分处理后的煤矿工业固废处理料和气化细渣、水泥、脱硫石膏进行混合，干拌2分钟，再加入钢纤维，干拌3分钟，形成混合干料；
步骤三、将添加剂与水混合均匀后加入步骤二中得到的混合干料中，继续搅拌4分钟，然后进行装模并在振动台上振实1分钟，制成混凝土试件前驱体；
步骤四、将步骤三中得到的混凝土试件前驱体在室温下静置24h后脱模，再进行养生，得到混凝土试件；所述养生条件为在90℃的蒸汽条件下养生4天后取出在室温中冷却。
对实施例1～实施例6制备得到的混凝土试件的性能进行检测，结果如下表1所示。
表1
| 项目 | 7天抗压强度(MPa) | 7天抗折强度(MPa) |
| 实施例1 | 120 | 11.3 |
| 实施例2 | 110 | 21.6 |
| 实施例3 | 105 | 30.2 |
| 实施例4 | 95.3 | 15.4 |
| 实施例6 | 76.5 | 12.4 |
| 实施例6 | 32 | 6.4 |
从表1可以看出，本发明实施例1～实施例6中制备的混凝土试件的7天抗压强度不小于30MPa，最高可达120MPa，7天抗折强度均不小于6MPa，最高可达30MPa，均符合《GB/T35160-2017合成石材试验方法》、《GB/T 29059-2012超薄石材复合板》、《JG/T 463-2014建筑装饰用人造石英石板》、《JC/T 507-2012建筑装饰用水磨石》、《JTG_D40-2019公路水泥混凝土路面设计规范》以及《GB5101-2003烧结普通砖》中对于建筑材料强度的要求，本发明制备的混凝土可用于各种建筑领域。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制。凡是根据发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。
Claims (10)
1.一种利用大宗煤矿工业固废的活性粉末混凝土，其特征在于，由以下质量份数的组分制成：煤矿工业固废处理料750～1750份、气化细渣300～562份、脱硫石膏25～38份、水泥600～1256份、纤维10～40份、添加剂26～64份、水258～430份。
2.根据权利要求1所述的一种利用大宗煤矿工业固废的活性粉末混凝土，其特征在于，所述煤矿工业固废处理料为煤矸石、气化粗渣、锅炉渣或除尘灰。
3.根据权利要求2所述的一种利用大宗煤矿工业固废的活性粉末混凝土，其特征在于，所述煤矸石为粒径0.25mm～5mm的粗煤矸石或粒径0.075mm～0.25mm的细煤矸石；所述气化粗渣的粒径为0.25mm～4.75mm；所述锅炉渣的粒径为0.25mm～5mm；所述除尘灰的粒径为0.75mm～0.2mm。
4.根据权利要求1所述的一种利用大宗煤矿工业固废的活性粉末混凝土，其特征在于，所述气化细渣的粒径为0.075mm～0.25mm。
5.根据权利要求1所述的一种利用大宗煤矿工业固废的活性粉末混凝土，其特征在于，所述脱硫石膏为脱硫石膏粉。
6.根据权利要求1所述的一种利用大宗煤矿工业固废的活性粉末混凝土，其特征在于，所述水泥为P.O42.5普通硅酸盐水泥。
7.根据权利要求1所述的一种利用大宗煤矿工业固废的活性粉末混凝土，其特征在于，所述纤维为钢纤维、聚丙烯纤维或抗裂纤维。
8.根据权利要求1所述的一种利用大宗煤矿工业固废的活性粉末混凝土，其特征在于，所述添加剂的主要成分为聚乙烯醇单甲醚、甲基丙烯酸先酯化、甲基丙烯酸、葡萄糖酸钠、糊精、引气剂、消泡剂、硝酸钠、无机盐、醇胺类增强剂和分散剂。
9.一种制备如权利要求1～8中任一权利要求所述利用大宗煤矿工业固废的活性粉末混凝土的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤一、对煤矿工业固废处理料依次进行破碎、研磨和筛分处理；
步骤二、将步骤一中筛分处理后的煤矿工业固废处理料和气化细渣、水泥、脱硫石膏进行混合，干拌2分钟，再加入纤维，干拌1～3分钟，形成混合干料；
步骤三、将添加剂与水混合均匀后加入到步骤二中得到的混合干料中，继续搅拌2～6分钟，然后进行装模并在振动台上振实1分钟，制成混凝土试件前驱体；
步骤四、将步骤三中得到的混凝土试件前驱体在室温下静置24h后脱模，再进行养生，得到混凝土试件；所述混凝土试件的抗压强度可达120MPa，抗折强度可达30MPa。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，步骤四中所述养生条件为在85℃～95℃的蒸汽条件下养生3～5天后取出在室温中冷却，或在40℃～60℃的水浴条件下养生5天后取出在室温中冷却，或在室温条件下喷湿养护5天。
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