CN115286348B - 一种煤矿/煤化工固废合成混凝土材料及其制备方法 - Google Patents

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

一种煤矿/煤化工固废合成混凝土材料及其制备方法

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、雾霾治理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；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，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。

2.根据权利要求1所述煤矿/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中芒硝、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中糊精、二甲基硅油、聚丙烯酰胺及聚乙烯吡咯烷酮的质量比为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。

8.一种权利要求1所述煤矿/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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