早强超高强碱激发煤矸石混凝土及其制备方法.pdf

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1、(19)国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 202310731709.8(22)申请日 2023.06.20(71)申请人 安徽建筑大学地址 230601 安徽省合肥市经济技术开发区紫云路292号(72)发明人 王爱国于乐乐郝发军刘开伟仲小凡马瑞孙道胜管艳梅潘耀辉徐志杰李政(74)专利代理机构 北京东方盛凡知识产权代理有限公司 11562专利代理师 李哲(51)Int.Cl.C04B 28/00(2006.01)C04B 12/00(2006.01)(54)发明名称一种早强超高强碱激发煤矸石混凝土及其制备方法(57)摘要本发明提供了一种早强。

2、超高强碱激发煤矸石混凝土及其制备方法,属于固废资源化利用和碱激发胶凝材料技术领域,混凝土由煅烧煤矸石细骨料或者煅烧煤矸石复合细骨料、矿渣、煅烧煤矸石粉、激发剂和钢纤维制成,本发明的早强超高强碱激发煤矸石混凝土抗压和抗折强度高、早期强度高、煤矸石骨料基体界面结合好、混凝土基体密实,有利于实现煤矸石高质化、资源化利用。煤矸石细骨料中碳粉的燃烧可充分释放热能,同发电和供暖系统形成产业链,促进煤矸石无害化、零污染利用,全面提升煤矸石利用率和附加值,解决了煤矸石处理难的问题,在一定程度上弥补了天然砂石骨料短缺的问题,克服了传统水泥基煤矸石砂浆及混凝土强度较低的问题。权利要求书1页 说明书6页CN 116。

3、606097 A2023.08.18CN 116606097 A1.一种早强超高强碱激发煤矸石混凝土,其特征在于,由以下重量份的原料制成:煅烧煤矸石细骨料或者煅烧煤矸石复合细骨料1240份、矿渣420份、煅烧煤矸石粉140份、激发剂590份以及钢纤维155.6份;所述煅烧煤矸石细骨料为粒径4.75mm的原状煤矸石于温度为600900的条件下煅烧而成;所述煅烧煤矸石复合细骨料由以下质量分数的原料组成:煅烧煤矸石细骨料a 44.58和煅烧煤矸石细骨料b 55.42;所述煅烧煤矸石细骨料a为1.18mm粒度d14.75mm的原状煤矸石于温度为600900的条件下煅烧而成;所述煅烧煤矸石细骨料b为0.。

4、075mm粒度d21.18mm的原状煤矸石于温度为600900的条件下煅烧而成。2.根据权利要求1所述早强超高强碱激发煤矸石混凝土,其特征在于,所述煅烧煤矸石粉均来自于750的条件下煅烧煤矸石细骨料所筛余细粉。3.根据权利要求1所述早强超高强碱激发煤矸石混凝土,其特征在于,煅烧制度均为:以5/min的升温速率升温至设定温度,保温4h后,自然冷却至室温。4.根据权利要求1所述早强超高强碱激发煤矸石混凝土,其特征在于,所述激发剂由工业水玻璃、氢氧化钠与水组成,每100.0g工业水玻璃含有18.2g NaOH和39.8g H2O,所述激发剂的模数为1.2。5.一种权利要求14任一项所述早强超高强碱激。

5、发煤矸石混凝土的制备方法,其特征在于,包括以下步骤:将矿渣与煅烧煤矸石粉混合搅拌均匀,加入激发剂,搅拌混合得到碱激发胶凝材料净浆,接着将煅烧煤矸石细骨料或者煅烧煤矸石复合细骨料加入至所述碱激发胶凝材料净浆中,将钢纤维分批次加入,搅拌、振捣成型、预养24h后拆模,在温度为202的条件下密封养护,得到早强超高强碱激发煤矸石混凝土。权利要求书1/1 页2CN 116606097 A2一种早强超高强碱激发煤矸石混凝土及其制备方法技术领域0001本发明属于固废资源化利用和碱激发胶凝材料技术领域,具体涉及一种早强超高强碱激发煤矸石混凝土及其制备方法。背景技术0002煤矸石是煤炭行业副产品之一,其年产量及储。

6、量巨大。目前,煤矸石主要利用在充填塌陷区、建材、发电及化工等领域。然而煤矸石产出量仍大于消耗量,导致煤矸石成为排放量最大的工业固体废弃物之一。煤矸石的堆积在占据了大量土地资源同时,也对周围生态环境造成了严重污染。煤矸石作为一种硅铝质材料,经粉磨、煅烧活化后可用作水泥混合材、混凝土掺合料等,然煤矸石组分复杂且波动大、性能不稳定及掺量小等因素限制了其大宗化和资源化利用。目前,随天然砂石骨料短缺、过渡开采自然资源导致的生态资源被破坏等问题出现,解决骨料供给不足已成为当前亟需解决的问题。以固废部分或完全替代砂石骨料制备砂浆及混凝土已成为当下研究热点。煤矸石作为硅铝质固废具有制备砂石骨料的潜力。然而煤矸。

7、石碳质及弱组分较多、组分波动较大导致煤矸石自身强度较低,未处理煤矸石骨料与基体界面粘结强度低等问题,决定了煤矸石制备的砂浆及混凝土力学性能较差。煤矸石经煅烧之后,表面矿物组分发生改变,使煤矸石具有活性,从而改善了煤矸石骨料浆体间粘结强度,提升了煤矸石砂浆及混凝土力学性能。煅烧煤矸石骨料表面活性硅铝质含量及碱性环境等因素均直接影响煤矸石砂浆及混凝土力学性能。对于普通水泥基材料而言,其浆体碱性环境较弱(与碱性激发剂而言),煤矸石骨料表面活性硅铝质物质未能被有效激发,故煤矸石砂浆及混凝土力学性能仍未超过70MPa。传统水泥基材料在生产过程中需要消耗大量非再生资源,排放大量温室气体,不利于双碳战略的实。

8、施。因此亟需寻求一种新型绿色胶凝材料,在代替传统水泥材料的同时又可使煤矸石骨料活性被有效激发。0003随着基建的快速发展,大跨度建筑与高层建筑与日俱增,普通砂浆与混凝土难以满足建筑所需要求。因此,早强、超高强等性能已成为建材行业发展的潮流。发明内容0004针对上述现有技术的不足,本发明提供了一种早强超高强碱激发煤矸石混凝土及其制备方法,该全煤矸石骨料碱激发混凝土抗压和抗折强度高、早期强度高、煤矸石骨料基体界面结合好、混凝土基体密实,有利于实现煤矸石高质化、资源化利用。本发明解决了煤矸石处理难的问题,在一定程度上弥补了天然砂石骨料短缺的问题,克服了传统水泥基煤矸石砂浆及混凝土强度较低的问题,推动。

9、了煤矸石高质化、资源化应用,具有实际应用及推广价值。0005为实现上述目的,本发明提供了一种早强超高强碱激发煤矸石混凝土,由以下重量份的原料制成:煅烧煤矸石细骨料或者煅烧煤矸石复合细骨料1240份、矿渣420份、煅烧煤矸石粉140份、激发剂590份以及钢纤维155.6份;0006所述煅烧煤矸石细骨料为粒径4.75mm的原状煤矸石于温度为600900的说明书1/6 页3CN 116606097 A3条件下煅烧而成;0007所述煅烧煤矸石复合细骨料由以下质量分数的原料组成:煅烧煤矸石细骨料a 44.58和煅烧煤矸石细骨料b 55.42;该原料组分下煅烧煤矸石复合细骨料空隙率最小,此组分能有效地提高。

10、混凝土致密程度,提高了早强超高强碱激发煤矸石混凝土力学性能。0008所述煅烧煤矸石细骨料a为1.18mm粒度d14.75mm的原状煤矸石于温度为600900的条件下煅烧而成;0009所述煅烧煤矸石细骨料b为0.075mm粒度d21.18mm的原状煤矸石于温度为600900的条件下煅烧而成。0010本发明早强超高强碱激发煤矸石混凝土3d抗压强度/28d抗压强度值大于0.7;28d的抗压强度需大于120MPa。0011基于紧密堆积理论,本发明引入级配合理的煅烧煤矸石细骨料或者煅烧煤矸石复合细骨料代替天然石英砂,并以新型绿色胶凝材料碱激发胶凝材料取代传统水泥基材料,制备出具有早期强度高、超高强度(2。

11、8d抗压强度120MPa)以及环保型的碱激发煤矸石混凝土,解决了传统水泥基材料消耗非再生自然资源、释放大量温室气体,水泥基材料不能有效激发煅烧煤矸石活性,水泥基煤矸石砂浆及混凝土力学性能较差的问题。0012优选地,所述煅烧煤矸石粉均来自于750的条件下煅烧煤矸石细骨料所筛余细粉。0013优选地,煅烧制度均为:以5/min的升温速率升温至设定温度,保温4h后,自然冷却至室温。0014优选地,所述激发剂由工业水玻璃、氢氧化钠与水组成,每100.0g工业水玻璃含有18.2g NaOH和39.8g H2O,所述激发剂的模数为1.2。0015一种所述早强超高强碱激发煤矸石混凝土的制备方法,包括以下步骤:。

12、0016将矿渣与煅烧煤矸石粉混合搅拌均匀,加入激发剂,搅拌混合得到碱激发胶凝材料净浆,接着将煅烧煤矸石细骨料或者煅烧煤矸石复合细骨料加入至所述碱激发胶凝材料净浆中,将钢纤维分批次加入,搅拌、振捣成型、预养24h后拆模,在温度为202的条件下密封养护,得到早强超高强碱激发煤矸石混凝土。0017与现有技术相比,本发明具有如下优点和技术效果:00181、本发明的早强超高强碱激发煤矸石混凝土抗压和抗折强度高、早期强度高、煤矸石骨料基体界面结合好、混凝土基体密实,有利于实现煤矸石高质化、资源化利用。煤矸石细骨料中碳粉的燃烧可充分释放热能,同发电和供暖系统形成产业链,促进煤矸石无害化、零污染利用,全面提升。

13、煤矸石利用率和附加值,解决了煤矸石处理难的问题,在一定程度上弥补了天然砂石骨料短缺的问题,克服了传统水泥基煤矸石砂浆及混凝土强度较低的问题。推动了煤矸石高质化、资源化应用,具有实际应用及推广价值。00192、本发明以工业固体废弃物煤矸石作为原料,经破碎、煅烧处理后制成的细骨料制备早强超高强碱激发煤矸石混凝土,改善了骨料品质,解决了原状煤矸石细骨料低强、碳等有机杂质多、骨料级配差、砂浆强度低及煤矸石基体界面结合差等问题。煅烧煤矸石细骨料碳质等弱组分被有效去除,骨料强度显著提升,骨料表面硅铝组分活化、煤矸石细骨料基体界面结构改善。说明书2/6 页4CN 116606097 A4具体实施方式0020。

14、现详细说明本发明的多种示例性实施方式,该详细说明不应认为是对本发明的限制,而应理解为是对本发明的某些方面、特性和实施方案的更详细的描述。0021应理解本发明中所述的术语仅仅是为描述特别的实施方式,并非用于限制本发明。另外,对于本发明中的数值范围,应理解为还具体公开了该范围的上限和下限之间的每个中间值。在任何陈述值或陈述范围内的中间值,以及任何其他陈述值或在所述范围内的中间值之间的每个较小的范围也包括在本发明内。这些较小范围的上限和下限可独立地包括或排除在范围内。0022除非另有说明,否则本文使用的所有技术和科学术语具有本发明所述领域的常规技术人员通常理解的相同含义。虽然本发明仅描述了优选的方法。

15、和材料,但是在本发明的实施或测试中也可以使用与本文所述相似或等同的任何方法和材料。本说明书中提到的所有文献通过引用并入,用以公开和描述与所述文献相关的方法和/或材料。在与任何并入的文献冲突时,以本说明书的内容为准。0023在不背离本发明的范围或精神的情况下,可对本发明说明书的具体实施方式做多种改进和变化,这对本领域技术人员而言是显而易见的。由本发明的说明书得到的其他实施方式对技术人员而言是显而易见得的。本发明说明书和实施例仅是示例性的。0024关于本文中所使用的“包含”、“包括”、“具有”、“含有”等等,均为开放性的用语,即意指包含但不限于。0025本发明的室温指的是252。0026本发明实施。

16、例中煅烧煤矸石粉均来自于750的条件下煅烧煤矸石细骨料所筛余细粉。0027本发明实施例中的激发剂由工业水玻璃、氢氧化钠与水组成,每100.0g工业水玻璃含有18.2g NaOH和39.8g H2O,所述激发剂的模数为1.2。0028实施例10029煤矸石骨料级配计算原理:良好的骨料级配可以减少骨料空隙率,有利于基体致密程度的提升。通过改善骨料级配减少骨料间空隙以提高混凝土力学性能。采用修正的Andreasen&Andersen理论计算煤矸石骨料级配,其表达式为:00300031式(1)中:P(D)为总固体中小于该粒径尺寸D的颗粒所占比重;D值粒径(m);Dmax指体系中最大粒径尺寸;Dmin指。

17、体系中最小粒径尺寸;q指分布模量,值不固定。本次试验中q取值分别为0.15、0.19、0.23、0.27、0.31,通过比较煤矸石骨料空隙率来确定q值。当q0.23时,煅烧煤矸石骨料空隙率最小。通过计算煅烧煤矸石复合细骨料六种粒径(0.075mm0.15mm、0.15mm0.3mm、0.3mm0.6mm、0.6mm1.18mm、1.18mm2.36mm、2.36mm4.75mm)质量比为11.9:11.6:14.9:17.0:20.4:24.2,此级配有效地提升了混凝土致密程度,提高了早强超高强碱激发煤矸石混凝土力学性能。0032实施例1中,不同q值下煅烧煤矸石细骨料物理性能如表1所示。实施例。

18、1中,所用骨料均为750煅烧煤矸石细骨料,为了确保水温、温度对实验结果的影响。实施例1中所用自来水均来自同一容器中(用较大容器装入实验所需水量,后置于室内24h后备用),实施例1说明书3/6 页5CN 116606097 A5中骨料性能测试在同一环境下进行。0033表1不同q值下煅烧煤矸石物理性能0034q值堆积密度/(kg/m3)表观密度/(kg/m3)空隙率/()0.151255260051.730.191240259052.120.231270257050.580.271255255050.780.311230256552.050035由表1可知,随q值增加,煅烧煤矸石细骨料堆积密度、表。

19、观密度无显著差异,这可能由煅烧煤矸石细骨料外观粒型所致,然煅烧煤矸石细骨料空隙率呈减小后增大趋势。当q值为0.23时,煅烧煤矸石细骨料空隙率最小。0036实施例20037本实施例的碱激发原状煤矸石混凝土由以下重量份原料组成:原状煤矸石细骨料1240份、矿渣420份、煅烧煤矸石粉140份、激发剂590份以及钢纤维155.6份。0038所述原状煤矸石细骨料由原状煤矸石经破碎、筛分处理后,取粒径4.75mm的煤矸石制备而成;0039制备方法为:将矿渣与煅烧煤矸石粉混合搅拌均匀,加入激发剂搅拌混合得到碱激发胶凝材料净浆,接着将原状煤矸石细骨料倒入至碱激发胶凝材料净浆中,后将钢纤维分批次加入,搅拌、振捣。

20、成型、预养24h后拆模,在温度为202的条件下密封养护,得到碱激发原状煤矸石混凝土。0040实施例30041本实施例的早强超高强碱激发煤矸石混凝土由以下重量份原料组成:煅烧煤矸石细骨料1240份、矿渣420份、煅烧煤矸石粉140份、激发剂590份以及钢纤维155.6份。0042所述煅烧煤矸石细骨料为粒径4.75mm的原状煤矸石于温度为600的条件下煅烧而成;0043煅烧制度为:以速率为5/min的升温速率升温至600,保温4h后,自然冷却至室温。0044本实施例还提供了制备上述早强超高强碱激发煤矸石混凝土的方法:0045将矿渣与煅烧煤矸石粉混合搅拌均匀,加入激发剂搅拌混合得到碱激发胶凝材料净浆。

21、,接着将煅烧煤矸石细骨料倒入至碱激发胶凝材料净浆中,后将钢纤维分批次加入,搅拌、振捣成型、预养24h后拆模,在温度为202的条件下密封养护,得到早强超高强碱激发煤矸石混凝土。0046实施例40047本实施例的早强超高强碱激发煤矸石混凝土由以下重量份原料组成:煅烧煤矸石细骨料1240份、矿渣420份、煅烧煤矸石粉140份、激发剂590份以及钢纤维155.6份。0048所述煅烧煤矸石细骨料为粒径4.75mm的原状煤矸石于温度为750的条件下煅烧而成;0049煅烧制度为:以5/min的升温速率升温至750,保温4h后,自然冷却至室温。0050本实施例还提供了制备上述早强、超高强碱激发煤矸石混凝土的方。

22、法:说明书4/6 页6CN 116606097 A60051将矿渣与煅烧煤矸石粉混合搅拌均匀,加入激发剂搅拌混合得到碱激发胶凝材料净浆,接着将煅烧煤矸石细骨料倒入至碱激发胶凝材料净浆中,后将钢纤维分批次加入,搅拌、振捣成型、预养24h后拆模,在温度为202的条件下密封养护,得到早强超高强碱激发煤矸石混凝土。0052实施例50053本实施例的早强超高强碱激发煤矸石混凝土由以下重量份原料组成:煅烧煤矸石细骨料1240份、矿渣420份、煅烧煤矸石粉140份、激发剂590份以及钢纤维155.6份。0054所述煅烧煤矸石细骨料为粒径4.75mm的原状煤矸石于温度为900的条件下煅烧而成;0055煅烧制度。

23、为:以5/min的升温速率升温至900,保温4h后,自然冷却至室温。0056本实施例还提供了制备上述早强超高强碱激发煤矸石混凝土的方法:0057将矿渣与煅烧煤矸石粉混合搅拌均匀,加入激发剂搅拌混合得到碱激发胶凝材料净浆,接着将煅烧煤矸石细骨料倒入至碱激发胶凝材料净浆中,后将钢纤维分批次加入,搅拌、振捣成型、预养24h后拆模,在温度为202的条件下密封养护,得到早强超高强碱激发煤矸石混凝土。0058实施例60059本实施例的早强超高强碱激发煤矸石混凝土由以下重量份原料组成:煅烧煤矸石复合细骨料1240份、矿渣420份、煅烧煤矸石粉140份、激发剂590份以及钢纤维155.6份;0060所述煅烧煤。

24、矸石复合细骨料由以下质量分数的原料组成:煅烧煤矸石细骨料a 44.58和煅烧煤矸石细骨料b 55.42;0061所述煅烧煤矸石细骨料a为1.18mm粒径d14.75mm的原状煤矸石于温度为900的条件下煅烧而成;0062所述煅烧煤矸石细骨料b为0.075mm粒径d21.18mm的原状煤矸石于温度为600的条件下煅烧而成;0063煅烧制度为:以5/min的升温速率升温至设定温度,保温4h后,自然冷却至室温。0064本实施例还提供了制备上述早强超高强碱激发煤矸石混凝土的方法:0065将矿渣与煅烧煤矸石粉混合搅拌均匀,加入激发剂搅拌混合得到碱激发胶凝材料净浆,接着将煅烧煤矸石复合细骨料倒入至碱激发胶。

25、凝材料净浆中,将钢纤维分批次加入,搅拌、振捣成型、预养24h后拆模,在温度为202的条件下密封养护,得到早强超高强碱激发煤矸石混凝土。0066实施例70067本实施例的早强超高强碱激发煤矸石混凝土由以下重量份原料组成:煅烧煤矸石复合细骨料1240份、矿渣420份、煅烧煤矸石粉140份、激发剂590份、钢纤维155.6份;0068所述煅烧煤矸石复合细骨料由以下质量分数的原料组成:煅烧煤矸石细骨料a 44.58和煅烧煤矸石细骨料b 55.42;0069所述煅烧煤矸石细骨料a为1.18mm粒径4.75mm的原状煤矸石于温度为900的条件下煅烧而成;0070所述煅烧煤矸石细骨料b为0.075mm粒径1。

26、.18mm的原状煤矸石于温度为750的条件下煅烧而成;说明书5/6 页7CN 116606097 A70071煅烧制度为:以5/min的升温速率升温至设定温度,保温4h后,自然冷却至室温。0072本实施例还提供了制备上述早强超高强碱激发煤矸石混凝土的方法为:0073将矿渣与煅烧煤矸石粉混合搅拌均匀,加入激发剂搅拌混合得到碱激发胶凝材料净浆,接着将煅烧煤矸石复合细骨料倒入至碱激发胶凝材料净浆中,将钢纤维分批次加入,搅拌、振捣成型、预养24h后拆模,在温度为202的条件下密封养护,得到早强超高强碱激发煤矸石混凝土。0074实施例27中的强度试验参考GB/T 500812019,实验结果如表2所示。。

27、0075表2混凝土抗压强度、抗折强度测试结果00760077由表2可知,本发明所制备的早强超高强碱激发煤矸石混凝土力学性能较为优异。实施例2为对照实验组。煅烧煤矸石细骨料中除实施例3外,其余实施例28天抗压强度均超过120MPa,这可能是由于实施例3煅烧煤矸石细骨料活性较低、杂质含量较高所导致的。实施例4中煅烧煤矸石细骨料活性较高,力学性能最为优越,其28d抗压强度达到了143.1MPa。通过对碱激发煤矸石混凝土3d抗压强度/28d抗压强度可知,其值均超过0.7,说明采用本发明方法制备的碱激发煤矸石混凝土具有早强特性。实施例5中抗压强度未能达到最高是由于900下煅烧会使煤矸石细骨料中非晶态的偏高岭土再结晶为莫来石,火山灰活性略有下降。0078以上,仅为本发明较佳的具体实施方式,但本发明的保护范围并不局限于此,任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内,可轻易想到的变化或替换,都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此,本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。说明书6/6 页8CN 116606097 A8。

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