CN114772997A - 一种强化矿用固废混凝土及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种强化矿用固废混凝土及其制备方法，该混凝土中加入了骨料增强剂、聚丙烯纤维、干冰。制备方法为：将煤矸石作为粗骨料；将气化渣作为细骨料；将粗骨料与骨料增强剂按照质量比为10：1的比例搅拌均匀形成强化煤矸石，同时将细骨料与粉煤灰也按照质量比为10：1的比例搅拌均匀形成强化气化渣；配置混凝土；先将水、P.0 42.5水泥、强化煤矸石、强化气化渣、聚丙烯纤维按照9：17：22：13：2的质量比搅拌均匀，再加入粒径为0.50.5‑4.75mm的干冰粒迅速拌匀，干冰粒的质量为强化煤矸石、强化气化渣质量之和的4.5％；对配置好的混凝土进行养护。制备过程中，干冰粒缓释CO2用来持续强化矿用固废骨料，提升了性能，保证矿用固体废弃物的全利用。
Description
技术领域
本发明涉及一种混凝土及其制备方法，具体是一种强化矿用固废混凝土及其制备方法。属于矿业工程领域。
背景技术
矿山固体废弃物是指矿山开采过程中所产生的废石及矿石经选冶生产后产生的尾矿或废渣，其以量大、处理工艺比较复杂而成为环境保护的一大难题。在我国主要以煤炭为主要能源，在煤炭的生产过程中会产生很多固体废弃物，如煤矸石、气化渣和粉煤灰等。矿山固体废弃物的大量堆积对社会的发展和人民的生活带来诸多不利影响，工业固废的自然堆积不仅会占用大量的土地，而且对周边水资源空气环境植被生长动物生存都会造成危害，工业废弃物总量已经达到很高的水平，所以能让这些有用的废物尽可能利用起来迫在眉睫。
针对上述问题，学者提出将矿山固体废弃物替代石子作为混凝土骨料，添加至混凝土中，不仅有效解决矿山固体废弃物污染问题，还能提升经济效益。但矿山固体废弃物的强度及性能弱于石子，为提高混凝土整体强度，可利用CO2进行养护。
常规的利用CO2养护矿山固废骨料需将煤矸石与粉煤灰的拌合物放置于CO2浓度为20％、温度为21℃、湿度为60％、压强为0.4MPa、的密闭条件下养护24小时，该过程不仅耗时长，对养护条件的要求也较高，且通过养护也仅仅停留在骨料的表面，到了后期强化效果会逐渐减弱。
发明内容
本发明的目的是提供一种强化矿用固废混凝土及其制备方法，将干冰作为原料混合至混凝土中，通过干冰缓慢释放CO2，从而持续养护含有矿用固废的混凝土，强化混凝土性能。
为实现上述目的，本发明采用的一种强化矿用固废混凝土，包括如下成分：水、P.042.5水泥、强化煤矸石、强化气化渣、聚丙烯纤维、干冰；
所述强化煤矸石为煤矸石与骨料增强剂按照质量比为10：1的比例均匀混合；
所述强化气化渣为气化渣与骨料增强剂按照质量比为10：1的比例均匀混合；
所述骨料增强剂为氧化钙含量大于10％的粉煤灰。
进一步的，水、P.0 42.5水泥、强化煤矸石、强化气化渣、聚丙烯纤维质量比为9：17：22：13：2，干冰粒的质量为强化煤矸石、强化气化渣质量之和的4.5％。
进一步的，所述煤矸石粒径为5-25mm，气化渣粒径为0.5-4.75mm，干冰粒的粒径为0.50.5-4.75mm。
本发明还公开了一种强化矿用固废混凝土制备方法，包括如下步骤：
步骤1：筛选骨料；将煤矸石经破碎、筛分、清洗和干燥步骤后得到粗骨料；
步骤2：将气化渣经清洗、干燥和筛分后得到细骨料；
步骤3：选取氧化钙含量大于10％粉煤灰作为骨料增强剂，将粗骨料与骨料增强剂按照质量比为10：1的比例搅拌均匀形成强化煤矸石，同时将细骨料与粉煤灰也按照质量比为10：1的比例搅拌均匀形成强化气化渣；
步骤4：配置混凝土；先将水、P.0 42.5水泥、强化煤矸石、强化气化渣、聚丙烯纤维按照9：17：22：13：2的质量比搅拌均匀，再加入粒径为0.50.5-4.75mm的干冰粒迅速拌匀，干冰粒的质量为强化煤矸石、强化气化渣质量之和的4.5％；
步骤5：对配置好的混凝土进行养护14-28天，即可制成。
进一步的，所述步骤1中，粗骨料粒径为5-25mm；步骤2中，细骨料粒径为0.5-4.75mm。
进一步的，步骤5中，养护条件为常温常压、湿度为60％。
优选的，步骤5中，养护天数为28天。
利用CO2分别强化粗骨料(煤矸石与粉煤灰的水拌合物)主要是粗骨料表面水化的粉煤灰和煤矸石中的氢氧化钙(Ca(OH)2)和水化硅酸钙(C-S-H)凝胶发生反应生成热稳定的碳酸钙与硅凝胶，同时，细骨料(气化渣和粉煤灰的水拌合物)中也含有丰富的氢氧化钙(Ca(OH)2)和水化硅酸钙(C-S-H)凝胶，因此CO2对气化渣也有明显的强化效果，具体反应如下：
1二氧化碳与氢氧化钙反应
CO2+H2O→H2CO3，Ca(OH)2+H2CO3→CaCO3+2H2O
2二氧化碳与水化硅酸钙反应
CaO·2SiO2·3H2O+3CO2+(X-3)H2O→3CaCO3+2SiO2·XH2O
高钙粉煤灰的作用是通过与水和二氧化碳反应生成碳酸钙并附着在煤矸石、气化渣表面，从而降低煤矸石的孔隙度，从而减少粗、细骨料的吸水率，提高骨料表观密度，降低其压碎值，进而提升骨料强度。气化渣钙含量比煤矸石更多，粒径也小，与粉煤灰混合后接触面积比粗骨料与粉煤灰接触面积更大，与缓释CO2接触面积也更大，发生上述反应也更加充分，因此CO2对气化渣的强化效果比煤矸石更明显。聚丙烯纤维的作用是提高混凝土的抗折强度和耐磨性，随着掺量的增加还可显著提高混凝土的抗渗性和抗冻性。
本发明将干冰粒作为原料与水、水泥、矿用固体废弃物为原料的粗细骨料和外加剂一起搅拌，混凝土成型后，干冰粒在混凝土内部形成小孔隙，并通过孔隙中的二氧化碳持续与骨料进行反应，能有效降低其吸水率、孔隙率，提升表观密度，改善界面过渡区的物理性状，从而提高再生混凝土抗压强度，持续强化骨料性能，最终达到矿用路面的生产要求。
采用煤矸石、气化渣分别作为矿井路用混凝土的粗、细骨料，通过加入聚丙烯纤维提高混凝土的抗折强度和耐磨性，随着掺量的增加还可显著提高混凝土的抗渗性和抗冻性。
利用本发明，可以制备新型矿用地坪混凝土，实现了将矿山固体废弃物的变废为宝，缓解了矿山固体废弃物废对土地资源的占用和对环境的污染，实现了资源的最大化利用；同时CO2作为强化地坪混凝土的材料，不仅提升了骨料的强度，在这一过程中煤矸石的碳化反应，消纳了大量的温室气体CO2，满足低碳环保的绿色理念，为实现“碳达峰、碳中和”的目标提供了新的思路。
具体实施方式
本发明提出的一种强化矿用固废混凝土制备方法，包括如下步骤：
步骤1：筛选骨料；将煤矸石经破碎、筛分、清洗和干燥等步骤后得到粗骨料；粗骨料粒径为5-25mm；
步骤2：将气化渣经清洗、干燥和筛分后得到细骨料；细骨料粒径为0.5-4.75mm；
步骤3：选取氧化钙含量大于10％粉煤灰作为骨料增强剂，将粗骨料与骨料增强剂按照质量比为10：1的比例搅拌均匀形成强化煤矸石，同时将细骨料与粉煤灰也按照质量比为10：1的比例搅拌均匀形成强化气化渣；
步骤4：配置混凝土；先将水、P.0 42.5水泥、强化煤矸石、强化气化渣、聚丙烯纤维按照9：17：22：13：2的质量比搅拌均匀，再加入粒径为0.50.5-4.75mm的干冰粒迅速拌匀，干冰粒的质量为强化煤矸石、强化气化渣质量之和的4.5％；
步骤5：对配置好的混凝土进行养护14-28天，即可制成。养护条件为常温常压、湿度为60％。
下面，结合实验，选取对照组1、2、3，对本发明的效果进行进一步阐述。
实施例：通过上述步骤1-4，制成尺寸为70.7mm×70.7mm×70.7mm的立方体混凝土试块。
对照组1：按照上述步骤1-4制作尺寸为70.7mm×70.7mm×70.7mm的立方体混凝土试块，但与实施例不同在于，不加入干冰。
对照组2：按照上述步骤1-4制作尺寸为70.7mm×70.7mm×70.7mm的立方体混凝土试块，但与实施例不同在于，步骤4中，，干冰粒的质量为强化煤矸石、强化气化渣质量之和的2％。
对照组3：按照上述步骤1-4制作尺寸为70.7mm×70.7mm×70.7mm的立方体混凝土试块，但与实施例不同在于，步骤4中，干冰粒的质量为强化煤矸石、强化气化渣质量之和的6％。
分别进行养护3、7、14、28天后，进行抗压强度测试，实验结果如下：
养护3天测试结果：
| 实验组 | 干冰与骨料质量比(％) | 试块3天单轴抗压强度/(MPa) |
| 实施例 | 4.5 | 25.25 |
| 对照组1 | 0 | 20.72 |
| 对照组2 | 2 | 24.31 |
| 对照组3 | 6 | 24.45 |
试块7天强度测试结果：
| 实验组 | 干冰与骨料质量比(％) | 试块7天单轴抗压强度/(MPa) |
| 实施例 | 4.5 | 29.41 |
| 对照组1 | 0 | 23.19 |
| 对照组2 | 2 | 27.52 |
| 对照组3 | 6 | 27.81 |
试块14天强度测试结果：
| 实验组 | 干冰与骨料质量比(％) | 试块14天单轴抗压强度/(MPa) |
| 实施例 | 4.5 | 31.07 |
| 对照组1 | 0 | 24.18 |
| 对照组2 | 2 | 28.80 |
| 对照组3 | 6 | 29.15 |
试块28天强度测试结果：
| 实验组 | 干冰与骨料质量比/(％) | 试块28天单轴抗压强度/(MPa) |
| 实施例 | 4.5 | 33.56 |
| 对照组1 | 0 | 25.67 |
| 对照组2 | 2 | 30.73 |
| 对照组3 | 6 | 31.16 |
根据实施例的结果，以矿山固废材料作为骨料制作的地坪混凝土在正常养护28天抗压强度均大于25MPa，达到了C25混凝土的抗压强度，利用干冰粒强化后，确定了干冰质量的最佳配比为混凝土骨料质量的4.5％，且在该条件下养护28天后试块抗压强度能达到33.56Mpa。
Claims (7)
1.一种强化矿用固废混凝土，其特征在于，包括如下步骤：包括如下成分：水、P.0 42.5水泥、强化煤矸石、强化气化渣、聚丙烯纤维、干冰；
所述强化煤矸石为煤矸石与骨料增强剂按照质量比为10：1的比例均匀混合；
所述强化气化渣为气化渣与骨料增强剂按照质量比为10：1的比例均匀混合；
所述骨料增强剂为氧化钙含量大于10％的粉煤灰。
2.根据权利要求1所述的一种强化矿用固废混凝土制备方法，其特征在于，水、P.042.5水泥、强化煤矸石、强化气化渣、聚丙烯纤维质量比为9：17：22：13：2，干冰粒的质量为强化煤矸石、强化气化渣质量之和的4.5％。
3.根据权利要求2所述的一种强化矿用固废混凝土制备方法，其特征在于，所述煤矸石粒径为5-25mm，气化渣粒径为0.5-4.75mm，干冰粒的粒径为0.50.5-4.75mm。
4.一种强化矿用固废混凝土制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：筛选骨料；将煤矸石经破碎、筛分、清洗和干燥步骤后得到粗骨料；
步骤2：将气化渣经清洗、干燥和筛分后得到细骨料；
步骤3：选取氧化钙含量大于10％粉煤灰作为骨料增强剂，将粗骨料与骨料增强剂按照质量比为10：1的比例搅拌均匀形成强化煤矸石，同时将细骨料与粉煤灰也按照质量比为10：1的比例搅拌均匀形成强化气化渣；
步骤4：配置混凝土；先将水、P.0 42.5水泥、强化煤矸石、强化气化渣、聚丙烯纤维按照9：17：22：13：2的质量比搅拌均匀，再加入粒径为0.50.5-4.75mm的干冰粒迅速拌匀，干冰粒的质量为强化煤矸石、强化气化渣质量之和的4.5％；
步骤5：对配置好的混凝土进行养护14-28天，即可制成。
5.根据权利要求4所述的一种强化矿用固废混凝土制备方法，其特征在于，所述步骤1中，粗骨料粒径为5-25mm；步骤2中，细骨料粒径为0.5-4.75mm。
6.根据权利要求5所述的一种强化矿用固废混凝土制备方法，其特征在于，步骤5中，养护条件为常温常压、湿度为60％。
7.根据权利要求4至6任意一条所述的一种强化矿用固废混凝土制备方法，其特征在于，步骤5中，养护天数为28天。
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| CN114014687A (zh) * | 2021-11-11 | 2022-02-08 | 河南心连心化学工业集团股份有限公司 | 一种利用气化灰渣制备的加气混凝土砌块以及制备方法 |
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