CN113816689A - 一种固废轻型煤矸石喷射混凝土及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及混凝土技术领域,具体为一种固废轻型煤矸石喷射混凝土及其制备方法,旨在解决现有技术领域中喷射混凝土黏结强度低,力学性能差等问题。该喷射混凝土的原料中,水泥与标准砂的质量比为1:0.4~2.2,水灰比为0.5:1,煤矸石替换标准砂40%~80%,PVA纤维占水泥比为0.5%~1.5%。本发明使用工业固体废料煤矸石所制备的喷射混凝土材料,有效提高了喷射混凝土的黏结和抗压强度,降低了生产成本且减少了环境污染,具有良好的社会和经济双重效益。

Description

一种固废轻型煤矸石喷射混凝土及其制备方法
技术领域
本发明涉及混凝土技术领域,特别涉及一种固废轻型煤矸石喷射混凝土及其制备方法。
背景技术
喷射混凝土是借助喷浆机将搅拌均匀的混凝土拌合物直接喷射至工作面的技术,凭借原料来源广泛、施工便利、对施工现场适应性强、施工速度快等优良性能得到了广泛的应用。但喷射混凝土存在回弹率高、粉尘大、强度低等缺陷。因此,研制出性能优良的喷射混凝土对提高支护工程强度、保护施工人员身体健康和减少浪费具有重要意义。
煤矸石、尾矿矿渣等工业固体废料具有通过加工处理后代替部分混凝土集料制备绿色混凝土的巨大潜力,因此本发明采用煤矸石代替部分标准砂,同时利用PVA纤维作为改性材料,以制备优良喷射混凝土材料。
发明内容
针对上述问题,本发明的第一目的是提供一种固废轻型煤矸石喷射混凝土,该方法采用煤矸石替换部分标准砂,同时利用PVA纤维作为改性材料,并采用不同粒径的煤矸石配置的喷射混凝土。
本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的:
一种固废轻型煤矸石喷射混凝土,该喷射混凝土的原料中,水泥与标准砂的质量比为1:0.4~2.2,水灰比为0.5:1,煤矸石替换标准砂40%~80%,PVA纤维占水泥比为0.5%~1.5%。其中,所述的标准砂为中砂,粒径为0.5mm。
该煤矸石的特征类似于黏土,可以增强喷射混凝土的黏结性能。采用粒径0.5mm左右的中砂,能够提高喷射混凝土的抗压强度,其整体密实性较好。采用PVA纤维,其能够较好的分布在水泥浆体中,能够修补喷射混凝土材料,增强喷射混凝土抗拉强度。
进一步地,所述煤矸石需加入一定量的水,配成粘性物。
通过采用以上技术方案,可以有效解决掺入煤矸石后,配料过于干燥的问题,使水泥等胶凝材料可以有效的包裹砂、PVA纤维等材料。
进一步地,所述PVA纤维采用3mm左右的高强高模聚乙烯醇PVA纤维。
通过采用以上技术方案,可以增强混凝土抗拉强度,修补混凝土材料,改善其性能。
进一步地,所述中砂粒径为0.5mm左右。
通过采用以上技术方案可以调节配比,在少用砂的情况下尽可能更好的发挥各种材料的作用。
进一步地,所述的煤矸石来源于攀枝花煤矿,所述煤矸石的主要化学成分为铝和硅的氧化物,此外还含有微量元素和稀有元素,煤矸石粒径分别为100μm、200μm、500μm。
该煤矸石是煤炭开采和洗选过程中排放的固体废物,是一种在成煤过程中与煤层伴生的一种含碳量较低,比煤坚硬的黑灰色岩石,包括项道掘进过程中的掘进矸石,采掘过程中从顶板、地板及夹层里采出的矸石以及洗煤过程中的挑出的洗矸石。
通过采用以上技术方案,煤矸石的化学成分和黏土相似,其组成和性质是选择利用途径和指导生产的重要依据。煤矸石的主要化学成分属铝和硅的氧化物,此外还有微量元素和稀有元素Ca、Be等,利用其可以有效改善喷射混凝土的黏结强度、密度、透水系数等工作性能,同时改善喷射混凝土易脱落、强度低、密实性差等缺点。经测验,所配混凝土与其他基质的黏结强度明显提高,也能够提高混凝土的整体强度和硬度。
进一步地,所述煤矸石替换标准砂,可以减少天然材料的使用,具有良好的经济效益。
通过采用以上技术方案,可以减少不可再生资源的开发利用,既可充分利用社会资源,也可减少对河砂的需求量,减少过度采砂对河道的危害,具有很高的经济效益和社会效益。
进一步地,所述水泥选用P.O42.5普通硅酸盐水泥。
通过采用以上技术方案,P.O42.5普通硅酸盐水泥具有较高的早期和后期强度,在支护过程中具有良好的支护作用,并且具有良好的抗冻性能,避免喷射混凝土由于环境温度的变化使得喷射混凝土表层破裂的情况。
本发明的另一目的是提供一种固废轻型煤矸石喷射混凝土的制备方法,包括以下步骤:
S1、按照配合比称取一定量的水泥、砂、煤矸石、PVA纤维和水;
S2、将一定量的煤矸石浸泡在水中,所取水按照吸水率计算出掺水量,形成粘性物;
S3、将PVA纤维均匀分散到水泥和砂中,加入水搅拌,得到混合物;
S4、将S2所配粘性物均匀分散到混合物中,同时不断搅拌,直至颜色均匀;
S5、将S4中的混合物通过湿式喷射机压送到喷头,将所配混凝土喷射到表面粗糙的青石上,且喷射到50mm*50mm*50mm的模具里;
S6、贴上保鲜膜,标记组号,在清水中养护7d、14d、28d;
S7、通过规范测试其抗压强度、劈裂强度、密度和透水系数。
通过采用上述技术方案,利用水泥、中砂、PVA纤维相配合制得的固废轻型煤矸石喷射混凝土,使得喷射混凝土具有良好的黏结强度。同时煤矸石是一种吸水量大,和水配合具有较强粘性的材料,和水泥一起包裹在中砂和PVA纤维表面,可以有效改善喷射混凝土的黏结强度和密实度。
进一步地,所述煤矸石通过烘干法测其吸水率,并加水配成粘性物,替换部分中砂制作固废轻型煤矸石喷射混凝土材料。所述烘干法即将1单位质量的煤矸石浸泡在足量的水中,搅拌充分后在自然环境下静置1h,将未吸收的水分过滤出,形成粘性物,此时质量记M1,将粘性物放于45℃烘干机烘干24h,拿出烘干物,此时质量记M2,M1-M2即为吸收水分,从而得到吸水率。
通过采用上述技术方案,煤矸石与水作用配成粘性物,通过粘性物的黏结作用和胶凝材料沾附在一起,然后将PVA纤维与混凝土相配合,保证喷射混凝土的黏结强度和力学性能。
作为优选的方案,所述S3中,搅拌时间为2-3min;所述S4中,搅拌时间为3-5min。
作为优选的方案,所述的PVA纤维采用高强高模聚乙烯醇PVA纤维。
作为优选的方案,所述青石的尺寸为100mm*100mm*50mm,四周通过100mm*100mm*100mm的亚克力板相围。
综上所述,本发明具有以下有益效果:
1、本发明制备的固废轻型煤矸石喷射混凝土,利用水泥、中砂、煤矸石、PVA纤维使得喷射混凝土具体较好的力学强度;利用煤矸石所配的粘性物,使得各材料能够黏结在一起,改善喷射混凝土的黏结强度;同时利用中砂减少喷射混凝土表面的孔隙,提高其密实度。
2、采用3mm左右的高强高模聚乙烯醇PVA纤维,其能够较好的分布在水泥浆体中,能够修补混凝土材料,增强混凝土抗拉强度。
3、本发明采用工业固体废料煤矸石,能够减少不可再生资源砂石的利用,具有良好的社会效益和经济效益。
附图说明
图1:喷射混凝土配料框架图。
图2:喷射混凝土黏结强度检测试验。
图中:1:100mm*100mm*50mm青石板,2:100mm*100mm*100mm亚克力板,3:喷射混凝土。
图3:喷射混凝土黏结强度检测试验。
图中:1:100mm*100mm*50mm的青石板,4:喷射混凝土。
图4:透水系数测试试验。
图中:5:50mm*150mm的亚克力板,6:50mm*50mm*50mm喷射混凝土试块,7:底部石板(其目的为放置测量装置),8:烧杯。
具体实施方式
以下通过实施例的形式对本发明的上述内容再作进一步的详细说明,但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例,凡基于本发明上述内容所实现的技术均属于本发明的范围。
本发明提供了一种固废轻型煤矸石喷射混凝土,该喷射混凝土的原料中,水泥与标准砂的质量比为1:0.4~2.2,水灰比为0.5:1,煤矸石替换标准砂40%~80%,PVA纤维占水泥比为0.5%~1.5%,以下为具体实施例:
实施例1-3:
一种固废轻型煤矸石喷射混凝土,包括如下组分:
Figure BDA0003310232290000041
其制备方法如下:
S1、按照配合比称取1kg水泥、1.32kg中砂、880kg的100μm煤矸石、0.005kg(0.01kg、0.015kg)PVA纤维和500ml水。
S2、将0.88kg煤矸石浸泡在308ml水中,加水的同时不断搅拌使其混合充分。
S3、将0.005kg(0.01kg、0.015kg)的PVA纤维均匀分散到1kg水泥和1.32kg砂中,加入500ml水搅拌,得到混合物。
S4、将S2所配煤矸石均匀分散到混合物中,同时不断搅拌,直至颜色均匀。
S5、将S4中的混合物通过湿式喷射机压送到喷头,将所配混凝土喷射到板面上。
实施例4-6:
一种固废轻型煤矸石喷射混凝土,包括如下组分:
Figure BDA0003310232290000042
其制备方法如下:
S1、按照配合比称取1kg水泥、0.88kg中砂、1.32kg的100μm煤矸石、0.005kg(0.01kg、0.015kg)PVA纤维和500ml水。
S2、将1.32kg煤矸石浸泡在462ml水中,加水的同时不断搅拌使其混合充分。
S3、将0.005kg(0.01kg、0.015kg)的PVA纤维均匀分散到1kg水泥和0.88kg砂中,加入500ml水搅拌,得到混合物。
S4、将S2所配煤矸石均匀分散到混合物中,同时不断搅拌,直至颜色均匀。
S5、将S4中的混合物通过湿式喷射机压送到喷头,将所配混凝土喷射到表面粗糙的青石上和规格为50mm*50mm*50mm的模具里。
S6、贴上保鲜膜,标记组号,在清水中养护7d、14d、28d。
S7、通过规范测试其抗压强度、劈裂强度、密度和透水系数。
实施例7-9:
一种固废轻型煤矸石喷射混凝土,包括如下组分:
Figure BDA0003310232290000051
其制备方法如下:
S1、按照配合比称取1kg水泥、0.44kg中砂、1.76kg的100μm煤矸石、0.005kg(0.01kg、0.015kg)PVA纤维和500ml水。
S2、将1.76kg煤矸石浸泡在616ml水中,加水的同时不断搅拌使其混合充分。
S3、将0.005kg(0.01kg、0.015kg)的PVA纤维均匀分散到1kg水泥和0.44kg砂中,加入500ml水搅拌,得到混合物。
S4、将S2所配煤矸石均匀分散到混合物中,同时不断搅拌,直至颜色均匀。
S5、将S4中的混合物通过湿式喷射机压送到喷头,将所配混凝土喷射到表面粗糙的青石上和规格为50mm*50mm*50mm的模具里。
S6、贴上保鲜膜,标记组号,在清水中养护7d、14d、28d。
S7、通过规范测试其抗压强度、劈裂强度、密度和透水系数。
实施例10-12:
一种固废轻型煤矸石喷射混凝土,包括如下组分:
Figure BDA0003310232290000061
其制备方法如下:
S1、按照配合比称取1kg水泥、1.32kg中砂、880kg的200μm煤矸石、0.005kg(0.01kg、0.015kg)PVA纤维和500ml水。
S2、将0.88kg煤矸石浸泡在308ml水中,加水的同时不断搅拌使其混合充分。
S3、将0.005kg(0.01kg、0.015kg)的PVA纤维均匀分散到1kg水泥和1.32kg砂中,加入500ml水搅拌,得到混合物。
S4、将S2所配煤矸石均匀分散到混合物中,同时不断搅拌,直至颜色均匀。
S5、将S4中的混合物通过湿式喷射机压送到喷头,将所配混凝土喷射到表面粗糙的青石上和规格为50mm*50mm*50mm的模具里。
S6、贴上保鲜膜,标记组号,在清水中养护7d、14d、28d。
S7、通过规范测试其抗压强度、劈裂强度、密度和透水系数。
实施例13-15:
一种固废轻型煤矸石喷射混凝土,包括如下组分:
Figure BDA0003310232290000062
其制备方法如下:
S1、按照配合比称取1kg水泥、0.88kg中砂、1.32kg的200μm煤矸石、0.005kg(0.01kg、0.015kg)PVA纤维和500ml水。
S2、将1.32kg煤矸石浸泡在462ml水中,加水的同时不断搅拌使其混合充分。
S3、将0.005kg(0.01kg、0.015kg)的PVA纤维均匀分散到1kg水泥和0.88kg砂中,加入500ml水搅拌,得到混合物。
S4、将S2所配煤矸石均匀分散到混合物中,同时不断搅拌,直至颜色均匀。
S5、将S4中的混合物通过湿式喷射机压送到喷头,将所配混凝土喷射到表面粗糙的青石上和规格为50mm*50mm*50mm的模具里。
S6、贴上保鲜膜,标记组号,在清水中养护7d、14d、28d。
S7、通过规范测试其抗压强度、劈裂强度、密度和透水系数。
实施例16-18:
一种固废轻型煤矸石喷射混凝土,包括如下组分:
Figure BDA0003310232290000071
其制备方法如下:
S1、按照配合比称取1kg水泥、0.44kg中砂、1.76kg的200μm煤矸石、0.005kg(0.01kg、0.015kg)PVA纤维和500ml水。
S2、将1.76kg煤矸石浸泡在616ml水中,加水的同时不断搅拌使其混合充分。
S3、将0.005kg(0.01kg、0.015kg)的PVA纤维均匀分散到1kg水泥和0.44kg砂中,加入500ml水搅拌,得到混合物。
S4、将S2所配煤矸石均匀分散到混合物中,同时不断搅拌,直至颜色均匀。
S5、将S4中的混合物通过湿式喷射机压送到喷头,将所配混凝土喷射到表面粗糙的青石上和规格为50mm*50mm*50mm的模具里。
S6、贴上保鲜膜,标记组号,在清水中养护7d、14d、28d。
S7、通过规范测试其抗压强度、劈裂强度、密度和透水系数。
实施例19-21:
一种固废轻型煤矸石喷射混凝土,包括如下组分:
Figure BDA0003310232290000081
其制备方法如下:
S1、按照配合比称取1kg水泥、1.32kg中砂、880kg的500μm煤矸石、0.005kg(0.01kg、0.015kg)PVA纤维和500ml水。
S2、将0.88kg煤矸石浸泡在308ml水中,加水的同时不断搅拌使其混合充分。
S3、将0.005kg(0.01kg、0.015kg)的PVA纤维均匀分散到1kg水泥和1.32kg砂中,加入500ml水搅拌,得到混合物。
S4、将S2所配煤矸石均匀分散到混合物中,同时不断搅拌,直至颜色均匀。
S5、将S4中的混合物通过湿式喷射机压送到喷头,将所配混凝土喷射到表面粗糙的青石上和规格为50mm*50mm*50mm的模具里。
S6、贴上保鲜膜,标记组号,在清水中养护7d、14d、28d。
S7、通过规范测试其抗压强度、劈裂强度、密度和透水系数。
实施例22-24:
一种固废轻型煤矸石喷射混凝土,包括如下组分:
Figure BDA0003310232290000082
其制备方法如下:
S1、按照配合比称取1kg水泥、0.88kg中砂、1.32kg的500μm煤矸石、0.005kg(0.01kg、0.015kg)PVA纤维和500ml水。
S2、将1.32kg煤矸石浸泡在462ml水中,加水的同时不断搅拌使其混合充分。
S3、将0.005kg(0.01kg、0.015kg)的PVA纤维均匀分散到1kg水泥和0.88kg砂中,加入500ml水搅拌,得到混合物。
S4、将S2所配煤矸石均匀分散到混合物中,同时不断搅拌,直至颜色均匀。
S5、将S4中的混合物通过湿式喷射机压送到喷头,将所配混凝土喷射到表面粗糙的青石上和规格为50mm*50mm*50mm的模具里。
S6、贴上保鲜膜,标记组号,在清水中养护7d、14d、28d。
S7、通过规范测试其抗压强度、劈裂强度、密度和透水系数。
实施例25-27:
一种固废轻型煤矸石喷射混凝土,包括如下组分:
Figure BDA0003310232290000091
其制备方法如下:
S1、按照配合比称取1kg水泥、0.44kg中砂、1.76kg的500μm煤矸石、0.005kg(0.01kg、0.015kg)PVA纤维和500ml水。
S2、将1.76kg煤矸石浸泡在616ml水中,加水的同时不断搅拌使其混合充分。
S3、将0.005kg(0.01kg、0.015kg)的PVA纤维均匀分散到1kg水泥和0.44kg砂中,加入500ml水搅拌,得到混合物。
S4、将S2所配煤矸石均匀分散到混合物中,同时不断搅拌,直至颜色均匀。
S5、将S4中的混合物通过湿式喷射机压送到喷头,将所配混凝土喷射到表面粗糙的青石上和规格为50mm*50mm*50mm的模具里。
S6、贴上保鲜膜,标记组号,在清水中养护7d、14d、28d。
S7、通过规范测试其抗压强度、劈裂强度、密度和透水系数。
性能检测试验:
1.喷射混凝土抗压强度检测:
采用喷射混凝土技术规范中的混凝土抗压强度方法,检测实施例1-27和对比例C1的7d、14d、28d的抗压强度,单位Mpa。
编号 7d(平均) 14d(平均) 28d(平均)
C1 31.196 36.201 47.305
1 13.073 16.162 23.273
2 14.926 13.838 18.543
3 12.403 13.468 11.891
4 6.038 5.687 7.742
5 6.969 6.307 7.397
6 4.903 6.344 8.676
7 4.014 3.733 7.656
8 1.650 4.062 6.199
9 11.211 6.208 9.208
10 6.105 12.893 17.266
11 11.091 12.617 16.479
12 12.052 15.553 18.255
13 10.668 13.313 15.113
14 7.957 10.521 12.429
15 9.606 10.659 13.717
16 5.929 7.707 9.650
17 8.006 10.396 11.381
18 5.657 7.094 10.823
19 13.273 15.711 18.729
20 13.980 15.984 23.082
21 9.615 11.390 15.126
22 10.096 12.732 14.493
23 7.200 7.962 11.517
24 8.700 10.605 12.692
25 4.120 5.164 10.692
26 6.484 7.829 9.921
27 5.588 8.588 9.028
2.喷射混凝土黏结强度检测:
将所配喷射混凝土混合物通过湿式喷射机压送到喷头,将所配混凝土喷射到100mm*100mm*50mm的粗糙青石板面上,其青石板面四周用100mm*100cm*100mm的亚克力板围绕,起到阻挡维护作用,养护后形成100mm*100mm*100mm的青石与混凝土结合板(一半青石,一半混凝土),并且从两者粘结面劈开测其劈裂强度,单位Mpa。
Figure BDA0003310232290000101
Figure BDA0003310232290000111
3.喷射混凝土密度测量
将所喷射的50mm*50mm*50mm的混凝土试块放在电子秤上,称量混凝土重量,通过密度公式计算单位g/cm3
编号 7d(平均) 14d(平均) 28d(平均)
C1 2.213 2.212 2.212
1 2.107 2.120 2.117
2 2.064 2.075 2.083
3 2.029 2.037 2.037
4 1.989 1.995 1.989
5 1.920 1.920 1.923
6 1.941 1.955 1.949
7 1.875 1.888 1.877
8 1.928 1.949 1.947
9 1.925 1.933 1.931
10 2.029 2.035 2.037
11 2.056 2.061 2.059
12 2.069 2.077 2.080
13 1.984 1.989 2.000
14 1.909 1.915 1.920
15 1.976 1.995 1.995
16 1.899 1.915 1.912
17 1.885 1.893 1.888
18 1.936 1.933 1.939
19 2.080 2.085 2.093
20 2.101 2.104 2.109
21 2.040 2.043 2.048
22 1.989 1.987 1.979
23 1.947 1.949 1.944
24 1.947 1.939 1.949
25 1.891 1.877 1.877
26 1.909 1.915 1.904
27 1.848 1.856 1.856
4.喷射混凝土透水系数测量
根据《透水混凝土基本试验研究》2.26节透水混凝土透水系数测试方法,测量并计算喷射混凝土透水系数,单位mm/s。
Figure BDA0003310232290000112
Figure BDA0003310232290000121
以上所述仅是本发明的优选实施方式,本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例,凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出,对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰,这些改进和润饰也应属于本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种固废轻型煤矸石喷射混凝土,其特征在于:该喷射混凝土的原料中,水泥与标准砂的质量比为1:0.4~2.2,水灰比为0.5:1,煤矸石替换标准砂40%~80%,PVA纤维占水泥比为0.5%~1.5%。
2.根据权利要求1所述的一种固废轻型煤矸石喷射混凝土,其特征在于:所述的标准砂为中砂,粒径为0.5mm。
3.根据权利要求1所述的一种固废轻型煤矸石喷射混凝土,其特征在于:所述的PVA纤维采用直径为3mm的短切纤维,其形状为束状单丝。
4.根据权利要求1所述的一种固废轻型煤矸石喷射混凝土,其特征在于:所述的水泥为P.O42.5普通硅酸盐水泥。
5.根据权利要求1所述的一种固废轻型煤矸石喷射混凝土,其特征在于:所述的煤矸石来源于攀枝花煤矿,所述煤矸石的主要化学成分为铝和硅的氧化物,此外还含有微量元素和稀有元素,煤矸石粒径分别为100μm、200μm、500μm。
6.根据权利要求1所述的一种固废轻型煤矸石喷射混凝土,其特征在于:所述煤矸石采用烘干法测其吸水率,即将1单位质量的煤矸石浸泡在足量的水中,搅拌充分后在自然环境下静置1h,将未吸收的水分过滤出,形成粘性物,此时质量记M1,将粘性物放于45℃烘干机烘干24h,拿出烘干物,此时质量记M2,M1-M2即为吸收水分,从而得到吸水率。
7.根据权利要求1-6任一项所述的一种固废轻型煤矸石喷射混凝土的制备方法,其特征在于,包括以下步骤:
S1、按照配合比称取一定量的水泥、砂、煤矸石、PVA纤维和水;
S2、将一定量的煤矸石浸泡在水中,所取水按照吸水率计算出掺水量,形成粘性物;
S3、将PVA纤维均匀分散到水泥和砂中,加入水搅拌,得到混合物;
S4、将S2所配粘性物均匀分散到混合物中,同时不断搅拌,直至颜色均匀;
S5、将S4中的混合物通过湿式喷射机压送到喷头,将所配混凝土喷射到表面粗糙的青石上,且喷射到50mm*50mm*50mm的模具里;
S6、贴上保鲜膜,标记组号,在清水中养护7d、14d、28d;
S7、通过规范测试其抗压强度、劈裂强度、密度和透水系数。
8.根据权利要求7所述的一种固废轻型煤矸石喷射混凝土的制备方法,其特征在于:所述S3中,搅拌时间为2-3min;所述S4中,搅拌时间为3-5min。
9.根据权利要求7所述的一种固废轻型煤矸石喷射混凝土的制备方法,其特征在于:所述的PVA纤维采用高强高模聚乙烯醇PVA纤维。
10.根据权利要求7所述的一种固废轻型煤矸石喷射混凝土的制备方法,其特征在于:所述青石的尺寸为100mm*100mm*50mm,四周通过100mm*100mm*100mm的亚克力板相围。
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