CN117447163A - 一种可植生煤矸石透水混凝土材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种可植生煤矸石透水混凝土材料及其制备方法，属于水工材料技术领域，可植生煤矸石透水混凝土材料包括下述质量百分比的原料：煤矸石骨料71～71.5％，水泥19.4％，硅灰2.5～3.2％，粉煤灰1.3～1.9％，减水剂0.4％，水4.3～4.5％，水溶性聚氨酯0.2～1.1％。将水泥、硅灰、粉煤灰、减水剂、水和水溶性聚氨酯掺入煤矸石骨料中，通过搅拌、成型、养护后形成煤矸石透水混凝土。通过以煤矸石为集料100％替代天然砂、石开发煤矸石透水混凝土水工新材料，广泛用于水利工程中，实现煤矸石无害化处理与资源化利用，解决现有大量排放煤矸石这一工业固体废弃物造成的占用耕地、侵占河道及环境污染等一系列问题。
Description
技术领域
本发明属于水工材料技术领域，涉及一种可植生煤矸石透水混凝土材料及其制备方法。
背景技术
煤矸石是我国排放量、堆存量最多的工业固体废弃物之一，危害严重。全国煤矸石堆存量超过50亿吨，年排放量数亿吨。煤矸石的大量堆放带来非常严重的社会、环境和经济问题，其中包括大量占用土地，造成耕地、林地等面积的减少，产生的有毒有害元素污染地下水体和土壤，对生态环境造成严重危害。
近年来，采用普通砂、石集料制备的透水混凝土主要用来预制加工铰接块护坡结构，已在我国寒区渠道、水库、江河等水利工程的岸坡防护中广泛应用。然而，透水混凝土在水利工程中应用需要消耗大量的砂、石材料，在天然砂、石资源短缺条件下，如果利用煤矸石代替天然砂、石制备煤矸石透水混凝土，用于堤坝防洪护坡工程、灌区输水渠道衬砌工程、江河生态岸坡防护及滨水景观工程等，既能实现原生煤矸石大规模资源化利用与无害化处理，又能解决工程材料资源短缺问题，对废弃资源充分利用、环境保护、实现经济社会可持续发展具有重要意义。
因此，如何研发一种以煤矸石为集料100％替代天然砂、石的可植生煤矸石透水混凝土材料及其制备方法是本领域技术人员亟待解决的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种可植生煤矸石透水混凝土材料及其制备方法。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种可植生煤矸石透水混凝土材料，包括下述质量百分比的原料：煤矸石骨料71～71.5％，水泥19.4％，硅灰2.5～3.2％，粉煤灰1.3～1.9％，减水剂0.4％，水4.3～4.5％，水溶性聚氨酯0.2～1.1％。
进一步，上述煤矸石骨料粒径分布为：粒径为10～5mm的含量为92.34～92.59wt％，粒径为5～2.5mm的含量为6.86～7.09wt％，粒径为2.5～1.25mm的含量为0.02～0.04wt％，粒径为1.25～0.63mm的含量为0.02wt％，粒径<0.16mm的含量为0.49～0.50wt％。
进一步，上述减水剂为聚羧酸高效减水剂。
进一步，上述的水泥符合GB175-2007中P·O42.5普通硅酸盐水泥的技术要求；
上述的硅灰符合GB/T51003-2014中硅灰的技术要求；
上述粉煤灰符合GB/T51003-2014中F类粉煤灰的技术要求。
本发明还提供一种可植生煤矸石透水混凝土材料的制备方法，包括如下步骤：
(1)按照上述质量百分比称取各原料；
(2)将煤矸石骨料、水泥、硅灰、粉煤灰、减水剂、水和水溶性聚氨酯投放搅拌机中混合搅拌，得到煤矸石透水混凝土拌合物；
(3)将搅拌均匀的煤矸石透水混凝土拌合物装入模具中，并用捣棒进行插捣，得到装有煤矸石透水混凝土试模；
(4)将装有煤矸石透水混凝土试模固定到振动台上，放上承压板和压重块振动成型，振动过程中由人工扶正试模和压重块；
(5)将成型后的煤矸石透水混凝土在室温环境下静置拆模，然后将其放入养护箱进行标准养护至要求的龄期，得到上述可植生煤矸石透水混凝土材料。
进一步，步骤(2)中，上述搅拌时间为3～5min，搅拌转速为200rpm。
进一步，步骤(4)中，上述放上承压板和压重块控制压强为10～15kPa，振动成型时间2min。
进一步，步骤(5)中，上述将成型后的煤矸石透水混凝土在室温环境下静置12h以上拆模。
进一步，步骤(6)中，上述标准养护的条件为：20～25℃温度范围内覆膜保湿，养护7天。
进一步，上述煤矸石骨料的制备方法为将原状煤矸石破碎、整形、筛分后得到煤矸石骨料。
本发明的有益效果是：煤矸石透水混凝土是以煤矸石为粗骨料、水泥基胶凝材料和水拌合而成，通过化学胶结、物理填充和裂缝阻滞技术，对原状煤矸石多种有害离子进行化学固结和物理封存，实现煤矸石的低能耗无害化处置和长期稳定。煤矸石表面包裹一层水泥浆相互粘结，形成多孔、轻质的透水混凝土结构，具有孔隙率高、体积密度轻、透水能力强等特点。煤矸石透水混凝土表面多孔粗糙，利于生物附着，植物根系可在混凝土孔隙内生长，宜生性较好，解决现有大量排放煤矸石这一工业固体废弃物造成的占用耕地、侵占河道及环境污染等一系列问题。
通过对原状煤矸石破碎、整形和筛分成煤矸石骨料，用其100％代替普通天然砂石制备可植生煤矸石透水混凝土材料，广泛用于水利工程中，通过研究水泥浆体流变性与煤矸石骨料几何特征之间的匹配关系，分析骨料表面的浆体分布及骨料-浆体界面粘结性能，合理调配和优化材料的配合比设计掺量，提高浆体裹附率和裹浆厚度，实现煤矸石中多种有害离子的化学固结和物理封存，消除煤矸石污染的危害，不产生新的危害，实现煤矸石无害化处理与资源化利用。
经过试验验证，煤矸石透水混凝土具有高强、高抗冻性，并且透水系数较大，煤矸石透水混凝土材料在水中浸泡pH值接近中性，多孔连通的孔隙结构适宜植物根系生长，可广泛应用于寒区水利岸坡防护工程中。
由于煤矸石为固体废弃物，方便就地取材，可实现快速、高效地利用煤矸石制备煤矸石透水混凝土，大幅降低工程原材料成本，节省工程建设投资。
具体实施方式
下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明以下实施例中，水泥符合GB175-2007中P·O42.5普通硅酸盐水泥的技术要求；
硅灰符合GB/T51003-2014中硅灰的技术要求；
粉煤灰符合GB/T51003-2014中F类粉煤灰的技术要求；
标准养护的条件为20～25℃温度范围内覆膜保湿，养护7天。
水溶性聚氨酯为2-乙基-2-(羟甲基)-1,3-丙二醇与双(异氰酸根合甲基)苯的聚合物，成产厂家为深圳市瑞吉特生物科技有限公司。
聚羧酸高效减水剂厂家型号为：FDN-C、山东万山集团有限公司。
实施例1
可植生煤矸石透水混凝土材料的制备方法，包括如下步骤：
(1)将原状煤矸石破碎、整形、筛分后得到煤矸石骨料，称取各原料，各原料的质量百分比：煤矸石骨料71.2％，水泥19.4％，硅灰2.6％，粉煤灰1.6％，聚羧酸高效减水剂0.4％，水4.4％，水溶性聚氨酯0.4％；
其中，煤矸石骨料粒径分布为：粒径为10～5mm的含量为92.59wt％，粒径为5～2.5mm的含量为6.86wt％，粒径为2.5～1.25mm的含量为0.04wt％，粒径为1.25～0.63mm的含量为0.02wt％，粒径<0.16mm的含量为0.49wt％；
(2)将煤矸石骨料、水泥、硅灰、粉煤灰、减水剂、水和水溶性聚氨酯投放搅拌机中混合搅拌，搅拌时间为3.5min，搅拌转速为200rpm，得到煤矸石透水混凝土拌合物；
(3)将搅拌均匀的煤矸石透水混凝土拌合物装入模具中，并用捣棒进行插捣，得到装有煤矸石透水混凝土试模；
(4)将装有煤矸石透水混凝土试模固定到振动台上，放上承压板和压重块振动成型，控制压强为14kPa，振动成型时间2min，振动过程中由人工扶正试模和压重块；
(5)将成型后的煤矸石透水混凝土在室温环境下静置12h拆模，然后将其放入养护箱进行标准养护，分别养护至3d和7d龄期，得到可植生煤矸石透水混凝土材料。然后对煤矸石透水混凝土试块进行表观密度、抗压强度测试及抗冻性测试。其中，煤矸石透水混凝土的表观密度和抗压强度试验参照SL352-2020《水工混凝土试验规程》测试得到的，煤矸石透水混凝土抗冻性试验参照GB/T50082-2009《普通混凝土长期性能和耐久性试验方法标准》中快冻法测试得到的。可植生煤矸石透水混凝土的性能指标如下表1所示：
表1实施例1可植生煤矸石透水混凝土性能指标
实施例2
可植生煤矸石透水混凝土材料的制备方法，包括如下步骤：
(1)将原状煤矸石破碎、整形、筛分后得到煤矸石骨料，称取各原料，各原料的质量百分比：煤矸石骨料71.0％，水泥19.4％，硅灰2.6％，粉煤灰1.3％，聚羧酸高效减水剂0.4％，水4.4％，水溶性聚氨酯0.9％；
其中，煤矸石骨料粒径分布为：粒径为10～5mm的含量为92.59wt％，粒径为5～2.5mm的含量为6.86wt％，粒径为2.5～1.25mm的含量为0.04wt％，粒径为1.25～0.63mm的含量为0.02wt％，粒径<0.16mm的含量为0.49wt％；
(2)将煤矸石骨料、水泥、硅灰、粉煤灰、减水剂、水和水溶性聚氨酯投放搅拌机中混合搅拌，搅拌时间为5min，搅拌转速为200rpm，得到煤矸石透水混凝土拌合物；
(3)将搅拌均匀的煤矸石透水混凝土拌合物装入模具中，并用捣棒进行插捣，得到装有煤矸石透水混凝土试模；
(4)将装有煤矸石透水混凝土试模固定到振动台上，放上承压板和压重块振动成型，控制压强为15kPa，振动成型时间2min，振动过程中由人工扶正试模和压重块；
(5)将成型后的煤矸石透水混凝土在室温环境下静置12h拆模，然后将其放入养护箱进行标准养护，分别养护至3d和7d龄期，得到可植生煤矸石透水混凝土材料。然后对煤矸石透水混凝土试块进行表观密度、抗压强度测试及抗冻性测试。其中，煤矸石透水混凝土的表观密度和抗压强度试验参照SL352-2020《水工混凝土试验规程》测试得到的，煤矸石透水混凝土抗冻性试验参照GB/T50082-2009《普通混凝土长期性能和耐久性试验方法标准》中快冻法测试得到的。可植生煤矸石透水混凝土的性能指标如下表2所示：
表2可植生煤矸石透水混凝土性能指标
对所公开的实施例的说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (10)
1.一种可植生煤矸石透水混凝土材料，其特征在于，包括下述质量百分比的原料：煤矸石骨料71～71.5％，水泥19.4％，硅灰2.5～3.2％，粉煤灰1.3～1.9％，减水剂0.4％，水4.3～4.5％，水溶性聚氨酯0.2～1.1％。
2.根据权利要求1所述一种可植生煤矸石透水混凝土材料，其特征在于，所述煤矸石骨料粒径分布为：粒径为10～5mm的含量为92.34～92.59wt％，粒径为5～2.5mm的含量为6.86～7.09wt％，粒径为2.5～1.25mm的含量为0.02～0.04wt％，粒径为1.25～0.63mm的含量为0.02wt％，粒径<0.16mm的含量为0.49～0.50wt％。
3.根据权利要求1所述一种可植生煤矸石透水混凝土材料，其特征在于，所述减水剂为聚羧酸高效减水剂。
4.根据权利要求1所述一种可植生煤矸石透水混凝土材料，其特征在于，所述的水泥符合GB175-2007中P·O42.5普通硅酸盐水泥的技术要求；
所述的硅灰符合GB/T51003-2014中硅灰的技术要求；
所述粉煤灰符合GB/T51003-2014中F类粉煤灰的技术要求。
5.一种可植生煤矸石透水混凝土材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)按照权利要求1-4任一项所述质量百分比称取各原料；
(2)将煤矸石骨料、水泥、硅灰、粉煤灰、减水剂、水和水溶性聚氨酯投放搅拌机中混合搅拌，得到煤矸石透水混凝土拌合物；
(3)将搅拌均匀的煤矸石透水混凝土拌合物装入模具中，并用捣棒进行插捣，得到装有煤矸石透水混凝土试模；
(4)将装有煤矸石透水混凝土试模固定到振动台上，放上承压板和压重块振动成型，振动过程中由人工扶正试模和压重块；
(5)将成型后的煤矸石透水混凝土在室温环境下静置拆模，然后将其放入养护箱进行标准养护至要求的龄期，得到所述可植生煤矸石透水混凝土材料。
6.根据权利要求1所述一种可植生煤矸石透水混凝土材料的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，所述搅拌时间为3～5min，搅拌转速为200rpm。
7.根据权利要求1所述一种可植生煤矸石透水混凝土材料的制备方法，其特征在于，步骤(4)中，所述放上承压板和压重块控制压强为10～15kPa，振动成型时间2min。
8.根据权利要求1所述一种可植生煤矸石透水混凝土材料的制备方法，其特征在于，步骤(5)中，所述将成型后的煤矸石透水混凝土在室温环境下静置12h以上拆模。
9.根据权利要求1所述一种可植生煤矸石透水混凝土材料的制备方法，其特征在于，步骤(6)中，所述标准养护的条件为：20～25℃温度范围内覆膜保湿，养护7天。
10.根据权利要求1所述一种可植生煤矸石透水混凝土材料的制备方法，其特征在于，所述煤矸石骨料的制备方法为将原状煤矸石破碎、整形、筛分后得到煤矸石骨料。
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