CN115286348A - 一种煤矿/煤化工固废合成混凝土材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种煤矿/煤化工固废合成混凝土材料及其制备方法,该混凝土材料由以下重量份的原料组成:粗粒径煤矸石100~120份、细粒径煤矸石40~60份、水泥15~20份、粉煤灰10~15份、矿渣12~16份、碱性激发剂2~3份、水玻璃1~2份、添加剂A 1~2份、硅灰1.2~1.5份、硫酸镁0.8~1.0份、石灰0.8~1.0份、石膏0.8~1.0份、添加剂B 0.5~0.8份、工业氯化钙0.5~0.6份、六偏磷酸钠0.1~0.2份及水15~20份。其制备方法是将两种粒径的的煤矸石倒入搅拌机中,加入添加剂B搅拌,再将其他原料加入搅拌均匀,然后将激发剂溶液分多次加入,将混合均匀的流动态混凝土注入模具中,覆盖一层保鲜膜并养护。本发明所制备的煤矸石混凝土成本低,28d强度高达46.3MPa,且制备工艺简单、生产效率较高、操作简单稳定、控制方便、容易实现自动化作业。
Description
技术领域
本发明属于混凝土材料技术领域,具体涉及一种煤矿/煤化工固废合成混凝土材料及其制备方法。
背景技术
我国的煤矿资源丰富,在我国的能源结构中,煤炭占了很高的比重,由此催生了极其丰富的煤炭开采行业。但是,在对煤矿进行开发过程中,还存在严重的不规范开采手段。在该发展情况下,经过长期的发展,煤矿固体废弃物产生量不断增加,面对日益严峻的节能减排和生态保护的巨大压力,以往的煤炭粗放增长模式难以为继,煤矿、煤化工等工业固体废弃物的清洁高效利用是当前面临的首要问题。
煤矿、煤化工固体废弃物是指在采煤、和其它工业生产活动中产生的固体废物。这种固体废弃物是环境的主要污染源之一,并且大量堆积还会占用土地资源。一般有高炉矿渣、钢渣、赤泥、有色金属渣、粉煤灰、煤矸石、硫酸渣、废石膏等。中国作为能源大国,在能源开采利用的过程中产生了大量的煤矿、煤化工固体废弃物,其中粉煤灰的2020年新增量超过6亿吨,利用率70%;工业副产石膏的年增长量2亿吨左右,利用率50%;煤矸石的年增长量8亿吨左右,利用率20%。利用工业固体废弃物制备混凝土,不仅可以解决大量固体废弃物带来的种种弊端,而且还可以减少水泥使用从而减少水泥工业的碳排放量,降低混凝土成本,提高资源利用率。
发明内容
本发明的第一目的是提供一种煤矿/煤化工固废合成混凝土材料,本发明的第二目的是提供所述煤矿/煤化工固废合成混凝土材料的制备方法。
本发明的第一目的是这样实现的,一种煤矿/煤化工固废合成混凝土材料,由以下重量份的原料组成:粗粒径煤矸石100~120份、细粒径煤矸石40~60份、水泥15~20份、粉煤灰10~15份、矿渣12~16份、碱性激发剂2~3份、水玻璃1~2份、添加剂A1~2份、硅灰1.2~1.5份、硫酸镁0.8~1.0份、石灰0.8~1.0份、石膏0.8~1.0份、添加剂B0.5~0.8份、工业氯化钙0.5~0.6份、六偏磷酸钠0.1~0.2份及水15~20份。
本发明的第二目的是这样实现的,一种煤矿/煤化工固废合成混凝土材料的制备方法,按照以下步骤实现:
1)按照所述配比,称取各原料;将煤矸石过100目筛,去除粉状煤矸石,再过4目的筛网,将煤矸石筛分为粗骨料和细骨料;将碱激发剂溶入水中,然后再加入硅酸钠溶液,得到激发剂溶液。
2)将所述两种粒径的的煤矸石倒入搅拌机中,首先将添加剂B倒入搅拌机,使用15~40r/min的搅拌速度搅拌20-40秒后,再依次将粉煤灰、矿渣、石膏、水泥、硅灰、硫酸镁、石灰、氯化钙、六偏磷酸钠和添加剂A加入搅拌机中,将混合料搅拌均匀,然后将激发剂溶液分两次加入搅拌机,得到混合均匀的流动态混凝土,其中搅拌时间不超过2min;
3)将搅拌完的流动态混凝土注入模具中,在混凝土表面覆盖一层保鲜膜,等24h后将混凝土块从模具中取出,并放入湿度95%、温度25℃的养护箱中养护。
本发明的原理为:
本发明煤矿/煤化工固废合成混凝土材料的配方是通过理论和实验得到的,其中:
1、粉煤灰和矿渣粉通过激发剂和添加剂的作用可以达到和水泥
基本一致的效果。
2、添加剂里面的氧化镁、氯化钠、氯化钙和硫酸镁发生反应生成5Mg(OH)2•MgCl2•8H2O和3Mg(OH)2•MgCl2•8H2O组成的三元化合物结晶相复盐,还有部分氢氧化镁胶凝体,极大程度提高了混凝土的硬度、抗折强度。
3、六偏磷酸钠可以改变混凝土的和易性,无泌水。适用于含泥和石粉量较高的机制砂混凝土,由于煤矸石原料在筛分时难以避免有粉状煤矸石产生,所以使用该添加剂可大幅提高胶凝材料的力学性能与施工性能,络合钙离子,增大它的溶解度,也可以达到缓疑效果。
4、添加剂B是一种复合有机的添加剂,可以提高煤矸石的强度并且在煤矸石表面形成一层有机膜,这层膜可以弥补煤矸石遇水强度下降的缺陷,从而达到提高混凝土强度的目的。
本发明的有益效果是:
1、本发明所制备的煤矸石混凝土成本低,制备的混凝土28d强度高达46.3MPa,满足工业和民用建筑的强度要求。
2、本发明提供的混凝土解决了大量煤矸石堆积问题,且制备工艺简单、生产效率较高、操作简单稳定、控制方便、容易实现自动化作业。
3、与中国专利申请“一种粉煤灰基地聚物改性煤矸石混凝土砌块及其制备方法”(申请号 202110685735.2)相比较,本发明具有以下优势:
①本发明采用特制的添加剂B能够保护并加强煤矸石的强度,改善煤矸石遇水后强度下降的状况。
②本发明能够反应生成三元化合物结晶相复盐,还有部分氢氧化镁胶凝体,极大程度提高了混凝土的硬度、抗压和抗折强度。
③本发明抗压强度能够达到46.3Mpa,相对于22.3Mpa有巨大提升。
附图说明
图1为实施例2制备的混凝土的扫描电镜图;
图2左右图分别是实施例1的混凝土试块测试抗压强度前后的图片;
图3左右图分别是实施例2的混凝土试块测试抗压强度前后的图片;
图4左右图分别是实施例3的混凝土试块测试抗压强度前后的图片;
图5左右图分别是实施例4的混凝土试块测试抗压强度前后的图片;
图6左右图分别是实施例5的混凝土试块测试抗压强度前后的图片;
图7左右图分别是实施例6的混凝土试块测试抗压强度前后的图片。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明,但不以任何方式对本发明加以限制,基于本发明教导所作的任何变换或改进,均落入本发明的保护范围。
本发明实施例中的煤矸石、粉煤灰、石膏均来自陕西省榆林市,水泥使用阿尔博牌白色硅酸盐水泥,矿渣粉来自内蒙古骏平环保科技有限公司。
本发明一种煤矿/煤化工固废合成混凝土材料,由以下重量份的原料组成:粗粒径煤矸石100~120份、细粒径煤矸石40~60份、水泥15~20份、粉煤灰10~15份、矿渣12~16份、碱性激发剂2~3份、水玻璃1~2份、添加剂A 1~2份、硅灰1.2~1.5份、硫酸镁0.8~1.0份、石灰0.8~1.0份、石膏0.8~1.0份、添加剂B 0.5~0.8份、工业氯化钙0.5~0.6份、六偏磷酸钠0.1~0.2份及水15~20份。
所述粉煤灰为一级或二级粉煤灰,比表面积不低于370m2/kg,细度小于12%,比重为2.0~3.0;所述矿渣粉为S95级矿粉,比表面积不低于450m2/kg,密度为2.7~3.5g/cm3。
所述石膏为磷石膏,氟石膏,脱硫石膏中的一种,所述石膏中CaSO4·2H2O含量超过80%。
所述碱性激发剂为Ca(OH)2、NaOH或KOH;所述水玻璃的模数为1.2~1.5;所述硫酸镁烧灼后中MgSO4含量不低于93%,水中不溶物含量不超过0.7%。
所述工业氯化钙中氯化钙含量≥92%,镁及碱金属氯化物含量不超过4%,其它不溶物含量不超过4%;所述六偏铝酸钠为工业级六偏铝酸钠,其中六偏铝酸钠的含量不低于68%。
所述添加剂A为芒硝、三乙醇胺、β-萘磺酸钠甲醛缩合物、氯化钠、氧化镁、亚硝酸钠的组合物,质量比为1:0.1:0.2:0.5:0.5:0.2,通过在行星球磨机中球磨3h将上述组合物混合均匀,球磨机转速为300r/min。
所述添加剂B为糊精、二甲基硅油、聚丙烯酰胺及聚乙烯吡咯烷酮的组合物,质量比为1:2:2:4,通过在行星球磨机中球磨3h将上述组合物混合均匀,球磨机转速为300r/min。
本发明还提供了一种煤矿/煤化工固废合成混凝土材料的制备方法,按以下步骤实现:
1)按照上述配比,称取各原料;将煤矸石通过2~6目筛筛分为粗粒径煤矸石和细粒径煤矸石,再将细粒径煤矸石通过80~120目筛去除细粒径煤矸石中的粉状煤矸石;将碱激发剂溶入水中,然后再加入硅酸钠溶液,得到激发剂溶液;
2)将所述两种粒径的煤矸石倒入搅拌机中,加入添加剂B,使用15~40r/min的搅拌速度搅拌20-40秒后,再依次将粉煤灰、矿渣、石膏、水泥、硅灰、硫酸镁、石灰、氯化钙、六偏磷酸钠和添加剂A加入,将混合料搅拌均匀,然后将激发剂溶液分多次加入,得到混合均匀的流动态混凝土,搅拌时间不超过2min;
3)将搅拌完的流动态混凝土注入模具中,放在振捣台振捣30秒,在混凝土表面覆盖一层保鲜膜,养护24h后将混凝土块从模具中取出,并放入湿度大于95%、温度20±2℃的养护箱中养护。
实施例1~6
表1为实施例1~6的原料配比
实施例1-6分别按表1所述配比将称取原料,将碱激发剂溶入水中,然后再加入硅酸钠溶液,得到激发剂溶液;先将两种粒径的煤矸石倒入搅拌机中,加入添加剂B,使用15r/min的搅拌速度搅拌30秒后,再依次将粉煤灰、矿渣、石膏、水泥、硅灰、硫酸镁、石灰、氯化钙、六偏磷酸钠和添加剂A加入,将混合料搅拌均匀,然后将激发剂溶液分2次加入,得到混合均匀的流动态混凝土,搅拌时间不超过2min;
充分搅拌后测试坍落度,然后将混合物倒入100*100*100mm的塑料三联模具中成型,等24h后将混凝土块从模具中取出,并放入湿度95%、温度20℃的养护箱中养护,等到3、7、28天取出来测试抗压强度。抗压强度的测量按照GB/T17671-1999进行,测试结果如表1所示。
表1 实施例1-6制备得到的混凝土的抗压强度
从表1可知,实施例1-6制备的混凝土的28d抗压强度均大于38MPa,满足框架结构的基础和其它所有工业与民用建筑使用的强度要求。对实施例1-6制备的混凝土的微观形貌及试块图片进行观察,从图1可知,实施例2制备的混凝土非常致密,拥有良好的胶凝性能。从图2-7能够明显的看到,实施例1-6制备的混凝土空隙均很少,成分分布均匀,能够满足实际应用的要求。
实施例7-11
实施例7-11为以实施例2的原料及配比,以表2中的参数制备的混凝土并进行抗压强度检测,结果如表2所示。
表2 实施例7-11制备的混凝土的抗压强度
通过实施例7-11可知搅拌速率和搅拌时间对坍落度和抗压强度有明显的影响,但是坍落度和抗压强度又是两种相对立的参数,可以根据实际的施工要求对方案进行调整。
Claims (8)
1.一种煤矿/煤化工固废合成混凝土材料,其特征在于,由以下重量份的原料组成:粗粒径煤矸石100~120份、细粒径煤矸石40~60份、水泥15~20份、粉煤灰10~15份、矿渣12~16份、碱性激发剂2~3份、水玻璃1~2份、添加剂A 1~2份、硅灰1.2~1.5份、硫酸镁0.8~1.0份、石灰0.8~1.0份、石膏0.8~1.0份、添加剂B 0.5~0.8份、工业氯化钙0.5~0.6份、六偏磷酸钠0.1~0.2份及水15~20份。
2.根据权利要求1所述一种煤矿/煤化工固废合成混凝土材料,其特征在于,所述粉煤灰为一级或二级粉煤灰,比表面积不低于370m2/kg,细度小于12%,比重为2.0~3.0;所述矿渣粉为S95级矿粉,比表面积不低于450m2/kg,密度为2.7~3.5g/cm3。
3.根据权利要求1所述一种煤矿/煤化工固废合成混凝土材料,其特征在于,所述石膏为磷石膏,氟石膏,脱硫石膏中的一种,所述石膏中CaSO4·2H2O含量超过80%。
4.根据权利要求1所述一种煤矿/煤化工固废合成混凝土材料,其特征在于,所述碱性激发剂为Ca(OH)2、NaOH或KOH;所述水玻璃的模数为1.2~1.5;所述硫酸镁烧灼后中MgSO4含量不低于93%,水中不溶物含量不超过0.7%。
5.根据权利要求1所述一种煤矿/煤化工固废合成混凝土材料,其特征在于,所述工业氯化钙中氯化钙含量≥92%,镁及碱金属氯化物含量不超过4%,其它不溶物含量不超过4%;所述六偏铝酸钠为工业级六偏铝酸钠,其中六偏铝酸钠的含量不低于68%。
6.根据权利要求1所述一种煤矿/煤化工固废合成混凝土材料,其特征在于,所述添加剂A为芒硝、三乙醇胺、β-萘磺酸钠甲醛缩合物、氯化钠、氧化镁、亚硝酸钠的组合物,质量比为1:0.1:0.2:0.5:0.5:0.2,通过在行星球磨机中球磨3h将上述组合物混合均匀,球磨机转速为300r/min。
7.根据权利要求1所述一种煤矿/煤化工固废合成混凝土材料,其特征在于,所述添加剂B为糊精、二甲基硅油、聚丙烯酰胺及聚乙烯吡咯烷酮的组合物,质量比为1:2:2:4,通过在行星球磨机中球磨3h将上述组合物混合均匀,球磨机转速为300r/min。
8.权利要求1所述一种煤矿/煤化工固废合成混凝土材料的制备方法,其特征在于,按以下步骤实现:
1)按照权利要求1所述配比,称取各原料;将煤矸石通过2~6目筛筛分为粗粒径煤矸石和细粒径煤矸石,再将细粒径煤矸石通过80~120目筛去除细粒径煤矸石中的粉状煤矸石;将碱激发剂溶入水中,然后再加入硅酸钠溶液,得到激发剂溶液;
2)将所述两种粒径的的煤矸石倒入搅拌机中,加入添加剂B,使用15~40r/min的搅拌速度搅拌20-40秒后,再依次将粉煤灰、矿渣、石膏、水泥、硅灰、硫酸镁、石灰、氯化钙、六偏磷酸钠和添加剂A加入,将混合料搅拌均匀,然后将激发剂溶液分多次加入,得到混合均匀的流动态混凝土,搅拌时间不超过2min;
3)将搅拌完的流动态混凝土注入模具中,放在振捣台振捣30秒,在混凝土表面覆盖一层保鲜膜,养护24h后将混凝土块从模具中取出,并放入湿度大于95%、温度20±2℃的养护箱中养护。
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