CN115745536B - 用煅烧煤矸石粉制备的生态高延性水泥基快速修补材料及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及固废物在建筑材料中的资源化利用，具体涉及一种用煅烧煤矸石粉制备的生态高延性水泥基快速修补材料及方法；包括以下质量份配比的原料：硫铝酸盐水泥496~938份，煅烧煤矸石粉186~372份，粉煤灰134~372份，河砂372~471份，减水剂2.5~5.0份，早强剂12.4~37.2份，水335~397份，纤维18.2~26份；本发明制备的生态高延性水泥基快速修补材料，集高延性、快硬和早强于一体，显著改善了路桥面铺装层混凝土抗拉变形能力差等缺点，可高效率用于路桥面铺装层的快速修补，减少混凝土铺装层开裂风险，减少了交通阻断时间，尽早开放交通，提高路桥服役寿命；另一方面以煅烧煤矸石粉部分替换水泥，节约水泥，还可促进煤矸石高值化利用。
Description
技术领域
本发明涉及固废物在建筑材料中的资源化利用，具体涉及一种用煅烧煤矸石粉制备的生态高延性水泥基快速修补材料及方法。
背景技术
随着道路桥梁等基础业加速发展，交通车辆及重载车辆数量逐渐增加。我国路桥面铺装层主要采用沥青混凝土，抗拉变形能力差，在车辆荷载反复作用下，混凝土路桥面出现破损，一旦混凝土开裂后，裂缝迅速恶化，路桥面混凝土铺装层出现裂缝等病害。路桥面开裂后会使雨水中有害离子下渗到路桥钢筋混凝土主梁等下部结构，影响路桥服役寿命；而且会降低车辆行驶速度，影响舒适度，使交通运输效率降低。制备一种集高延性、快硬、满足混凝土铺装层强度等级要求的水泥基复合材料，对于减少路桥面铺装层开裂病害、及早开放交通、提高客货运输效益意义重大。
煤矸石是选煤和洗煤过程中产生的一种固体废弃物，是我国存量最大的工业废弃物之一。煤矸石的堆放，不仅占用土地资源，还可能带来坍塌、滑坡、自燃等次生灾害，严重威胁人类生命安全。煤矸石经过自燃或煅烧后氧化硅和氧化铝含量增加，具有活性，类似水泥胶凝材料。以煅烧煤矸石粉部分替换水泥，可以节约水泥，加强固废物煤矸石的高值化利用，助推“双碳”行动。
高延性水泥基复合材料是在水泥基材料基体中添加纤维，通过微观性能调控，使其在单轴拉伸性能下极限延伸率不低于0.5％，平均裂缝宽度不大于200μm。参考高延性水泥基复合材料的微观设计理论，以快硬性硫铝酸盐水泥和煅烧煤矸石粉为胶凝材料，制备生态高延性水泥基快速修补材料。
目前，混凝土铺装层快速修补的主要方式是采用快硬混凝土，但抗拉变形能力差，在温差、收缩、车辆荷载等综合作用下容易开裂，治标不治本。高延性水泥基复合材料养护龄期一般是28d，无法直接用于路桥混凝土铺装层的快速修补。关于煅烧煤矸石粉在混凝土中的应用，如表1所示。
表1对比现有发明专利研究现状
由表1可知，已有煤矸石粉制备混凝土的研究主要采用碱激发煤矸石粉活性，以此替换水泥，但未涉及高延性和快硬性，无法用于路桥工程领域中混凝土铺装层的快速修补。
发明内容
本发明克服现有技术的不足，提供一种用煅烧煤矸石粉制备的生态高延性水泥基快速修补材料。以煅烧煤矸石粉部分替换水泥，掺加粉煤灰、早强剂和河砂等制备基体，掺加一定量的纤维，通过微观、细观和宏观多尺度交互设计，使材料达到高延性、快硬、满足路桥面混凝土铺装层强度等级要求，为路桥面混凝土铺装层快速修补提供给一种技术方案。本发明生态高延性水泥基快速修补材料，不仅可以修补路桥面混凝土铺装层，构建绿色高效交通运输体系，而且可以对固废物高值化利用，助推交通运输绿色低碳行动。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案为：一种用煅烧煤矸石粉制备的生态高延性水泥基快速修补材料，包括以下质量份配比的原料：硫铝酸盐水泥496～938份，煅烧煤矸石粉186～372份，粉煤灰134～372份，河砂372～471份，减水剂2.5～5.0份，早强剂12.4～37.2份，水335～397份，纤维18.2～26份。
进一步的，煅烧煤矸石粉的粒径为600目～1250目，所述煅烧煤矸石粉中氧化铝与氧化硅质量含量总和不低于63.4％。
进一步的，所述河砂粒径为0.06～1.18mm，细度模数是1.22～1.71。
进一步的，所述早强剂为无水硫酸钠、碳酸锂中的一种或复合。
进一步的，所述纤维，直径为20～40μm，长度为6～12mm，弹性模量为30～35GPa，抗拉强度至少为1000MPa，极限伸长率为8～12％。
进一步的，所述纤维为聚乙烯醇纤维、玄武岩纤维和聚丙烯纤维中的一种或多种。
本发明还提供用煅烧煤矸石粉制备生态高延性水泥基快速修补材料的方法，若采用固体状减水剂，制备步骤如下：
1)将硫铝酸盐水泥、煅烧煤矸石粉、粉煤灰、减水剂、早强剂、河砂慢速，即自转转速为140转/分钟，公转转速为62转/分钟，搅拌1～2分钟；
2)加水快速，即自转转速为285转/分钟，公转转速为125转/分钟，搅拌3～4分钟；
3)加纤维快速，即自转转速为285转/分钟，公转转速为125转/分钟，搅拌2～3分钟；
4)装模，在标准养护箱中养护至6h后拆模。
本发明还提供用煅烧煤矸石粉制备生态高延性水泥基快速修补材料的方法，若采用液体状减水剂，制备步骤如下：
1)将硫铝酸盐水泥、煅烧煤矸石粉、粉煤灰、早强剂、河砂慢速，即自转转速为140转/分钟，公转转速为62转/分钟，搅拌1～2分钟；
2)将减水剂与水混合加入搅拌机中，快速，即自转转速为285转/分钟，公转转速为125转/分钟，搅拌3～4分钟；
3)加纤维快速，即自转转速为285转/分钟，公转转速为125转/分钟，搅拌2～3分钟；
4)装模，在标准养护箱中养护至6h后拆模。
进一步的，上述两种用煅烧煤矸石粉制备生态高延性水泥基快速修补材料的方法，材料制备的整个过程控制在7～9分钟。
与现有技术相比本发明具有以下有益效果：
1)本发明与现有技术相比，具有明显的高延性、快硬性特点，可以为路桥面混凝土铺装层提供一种有效方法。
2)经济效益方面，针对开裂的路桥面混凝土铺装层，采用生态高延性水泥基快速修补材料进行修补，从根本上解决沥青混凝土抗拉变形能力差引起的病害，减少混凝土脆性材料开裂风险，减少维修次数，保障路桥面混凝土服役寿命，从全寿命周期角度降碳减碳。
3)社会效益方面，采用生态高延性水泥基快速修补材料对开裂的路桥面混凝土铺装层进行修补，保证路桥面混凝土铺装层的正常使用，提高行车舒适度，提高人们的生活水平质量；传统开裂混凝土修补需要铣刨损坏混凝土，采用生态高延性水泥基快速修补材料可以减少路桥面维修次数，降低铣刨噪音，避免扰民。
4)生态效益方面，采用固废物煅烧煤矸石粉制备生态高延性水泥基快速修补材料，对固废物高值化利用，可减少固废物堆放，降低环境污染，助推“双碳”行动；节约水泥，降低水泥“两磨一烧”中的高碳排放量。
附图说明
图1是实施例1中生态高延性水泥基快速修补材料的单轴拉伸应力—应变曲线图；
图2是实施例2中生态高延性水泥基快速修补材料的单轴拉伸应力—应变曲线图；
图3是实施例3中生态高延性水泥基快速修补材料的单轴拉伸应力—应变曲线图；
图4是实施例4中生态高延性水泥基快速修补材料的单轴拉伸应力—应变曲线图。
图5是对比例中生态高延性水泥基快速修补材料的单轴拉伸应力—应变曲线图。
具体实施方式
以下结合具体实施例对本发明作进一步说明。
实施例1
本实施例生态高延性水泥基快速修补材料配合比如表2所示：
表2材料配合比(质量份比)
| 水泥 | 煅烧煤矸石粉 | 粉煤灰 | 河砂 | 减水剂 | 早强剂 | 水 | 纤维 |
| 496 | 372 | 372 | 372 | 5.0 | 37.2 | 335 | 26 |
上述煅烧煤矸石粉的粒径为1250目，氧化铝(Al2O3)+氧化硅(SiO2)质量含量为95.5％；河砂粒径为0.06～1.18mm，细度模数是1.22；早强剂是碳酸锂；纤维是聚乙烯醇纤维，长度是12mm，弹性模量是35GPa，抗拉强度1200MPa；减水剂是液体状聚羧酸减水剂。
制备步骤如下：
1)将硫铝酸盐水泥、煅烧煤矸石粉、粉煤灰、早强剂碳酸锂、河砂慢速(自转转速为140转/分钟，公转转速为62转/分钟)搅拌2分钟；
2)将减水剂与水混合加入搅拌机中，快速(自转转速为285转/分钟，公转转速为125转/分钟)搅拌3分钟；
3)加纤维快速(自转转速为285转/分钟，公转转速为125转/分钟)搅拌2分钟；
4)装模，在标准养护箱中养护至6h后拆模，测试力学性能。
制备步骤1)、2)、3)和4)的整个过程为7分钟。
实施例2
本实施例生态高延性水泥基快速修补材料配合比如表3所示：
表3材料配合比(质量份比)
| 水泥 | 煅烧煤矸石粉 | 粉煤灰 | 河砂 | 减水剂 | 早强剂 | 水 | 纤维 |
| 620 | 310 | 310 | 397 | 4.2 | 31 | 360 | 23.4 |
上述煅烧煤矸石粉的粒径为1250目，氧化铝(Al2O3)+氧化硅(SiO2)质量含量为89.2％；河砂粒径为0.06～1.18mm，细度模数是1.35；早强剂为无水硫酸钠；纤维是聚乙烯醇纤维，长度是8mm，弹性模量是32GPa，抗拉强度1100MPa；减水剂是固体状聚羧酸减水剂。
制备步骤如下：
1)将硫铝酸盐水泥、煅烧煤矸石粉、粉煤灰、减水剂、早强剂无水硫酸钠、河砂慢速(自转转速为140转/分钟，公转转速为62转/分钟)搅拌1分钟；
2)将水加入搅拌机中，快速(自转转速为285转/分钟，公转转速为125转/分钟)搅拌4分钟；
3)加纤维快速(自转转速为285转/分钟，公转转速为125转/分钟)搅拌3分钟；
4)装模，在标准养护箱中养护至6h后拆模，测试力学性能。
制备步骤1)、2)、3)和4)的整个过程为8分钟。
实施例3
本实施例生态高延性水泥基快速修补材料配合比如表4所示：
表4材料配合比(质量份比)
| 水泥 | 煅烧煤矸石粉 | 粉煤灰 | 河砂 | 减水剂 | 早强剂 | 水 | 纤维 |
| 868 | 186 | 186 | 415 | 3.7 | 24.8 | 384 | 20.8 |
上述煅烧煤矸石粉的粒径为800目，氧化铝(Al2O3)+氧化硅(SiO2)质量含量为63.4％；河砂粒径为0.06～1.18mm，细度模数是1.62；早强剂是碳酸锂和无水硫酸钠复合；纤维是玄武岩纤维，长度是6mm，弹性模量是30GPa，抗拉强度1100MPa；减水剂是液体状聚羧酸减水剂。
制备步骤如下：
1)将硫铝酸盐水泥、煅烧煤矸石粉、粉煤灰、早强剂(碳酸锂和无水硫酸钠)、河砂慢速(自转转速为140转/分钟，公转转速为62转/分钟)搅拌2分钟；
2)将减水剂与水混合加入搅拌机中，快速(自转转速为285转/分钟，公转转速为125转/分钟)搅拌3分钟；
3)加纤维快速(自转转速为285转/分钟，公转转速为125转/分钟)搅拌3分钟；
4)装模，在标准养护箱中养护至6h后拆模，测试力学性能。
制备步骤1)、2)、3)和4)的整个过程为8分钟。
实施例4
本实施例生态高延性水泥基快速修补材料配合比如表5所示：
表5材料配合比(质量份比)
| 水泥 | 煅烧煤矸石粉 | 粉煤灰 | 河砂 | 减水剂 | 早强剂 | 水 | 纤维 |
| 938 | 268 | 134 | 471 | 2.5 | 12.4 | 397 | 18.2 |
上述煅烧煤矸石粉的粒径为600目，氧化铝(Al2O3)+氧化硅(SiO2)质量含量为78.4％；河砂粒径为0.06～1.18mm，细度模数是1.71；早强剂是碳酸锂；纤维是聚乙烯醇纤维和聚丙烯纤维的复合，聚乙烯醇纤维长度是12mm，聚丙烯纤维长度为8mm，聚乙烯醇纤维弹性模量是35GPa，抗拉强度1200MPa，聚丙烯纤维弹性模量是32GPa，抗拉强度1000MPa；减水剂是固体状聚羧酸减水剂。
制备步骤如下：
1)将硫铝酸盐水泥、煅烧煤矸石粉、粉煤灰、减水剂、早强剂碳酸锂、河砂慢速(自转转速为140转/分钟，公转转速为62转/分钟)搅拌1分30秒；
2)将水加入搅拌机中，快速(自转转速为285转/分钟，公转转速为125转/分钟)搅拌3分钟；
3)加纤维快速(自转转速为285转/分钟，公转转速为125转/分钟)搅拌3分钟；
4)装模，在标准养护箱中养护至6h后拆模，测试力学性能。
制备步骤1)、2)、3)和4)的整个过程为7分30秒。
对比例：
本对比例生态高延性水泥基快速修补材料配合比如表6所示：
表6材料配合比(质量份比)
| 水泥 | 粉煤灰 | 河砂 | 减水剂 | 早强剂 | 水 | 纤维 |
| 868 | 372 | 372 | 5.0 | 37.2 | 335 | 26 |
上述河砂粒径为0.06～1.18mm，细度模数是1.22；早强剂是碳酸锂；纤维是聚乙烯醇纤维，长度是12mm，弹性模量是35GPa，抗拉强度1200MPa；减水剂是液体状聚羧酸减水剂。
制备步骤如下：
1)将硫铝酸盐水泥、粉煤灰、早强剂碳酸锂、河砂慢速(自转转速为140转/分钟，公转转速为62转/分钟)搅拌2分钟；
2)将减水剂与水混合加入搅拌机中，快速(自转转速为285转/分钟，公转转速为125转/分钟)搅拌3分钟；
3)加纤维快速(自转转速为285转/分钟，公转转速为125转/分钟)搅拌2分钟；
4)装模，在标准养护箱中养护至6h后拆模，测试力学性能。
制备步骤1)、2)、3)和4)的整个过程为7分钟。
表7生态高延性水泥基快速修补材料标准养护6h后的抗压强度
实施例1～4和对比例中生态高延性水泥基快速修补材料的标准养护6h后的抗压强度如表7所示，虽然采用煅烧煤矸石粉部分替换水泥降低了修补材料的抗压强度，但实施例1～4中抗压强度均大于40MPa，满足路桥面混凝土铺装层的强度要求。
表8生态高延性水泥基快速修补材料标准养护6h后的极限延伸率
| 实施例 | 实施例1 | 实施例2 | 实施例3 | 实施例4 | 对比例 |
| 极限延伸率(％) | 1.26 | 1.03 | 0.86 | 0.79 | 0.81 |
| 提升效果(％) | 55.5 | 27.2 | 6.2 | -2.5 | -- |
注：表8中极限延伸率的提升效果是以对比例中测试结果为基准进行比较
对比实施例1～4和对比例中生态高延性水泥基快速修补材料标准养护6h后的极限延伸率如表8所示，采用煅烧煤矸石粉部分替换水泥降低了修补材料强度，根据高延性水泥基复合材料的微观力学设计方法，当基体强度较低时，有助于纤维缓慢拔出，可以提高修补材料的极限延伸率。说明煅烧煤矸石粉可以替换水泥制备生态高延性水泥基快速修补材料，经过合理配合比优化设计，可以保证修补材料在满足强度等级要求下，具有高延性，而且可以提高煤矸石的高值化利用率，节约水泥。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本领域的技术人员在本发明所揭露的技术范围内，可不经过创造性劳动想到的变化或替换，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书所限定的保护范围为准。
Claims (3)
1.一种用煅烧煤矸石粉制备的生态高延性水泥基快速修补材料，其特征在于，包括以下质量份配比的原料：硫铝酸盐水泥496份，煅烧煤矸石粉372份，粉煤灰372份，河砂372份，减水剂5.0份，早强剂37.2份，水335份，纤维26份；煅烧煤矸石粉的粒径为1250目，煅烧煤矸石粉中氧化铝和氧化硅质量含量总和为95.5%；河砂粒径为0.06～1.18mm，细度模数是1.22；早强剂是碳酸锂；纤维是聚乙烯醇纤维，长度是12mm，弹性模量是35GPa，抗拉强度1200MPa；减水剂是液体状聚羧酸减水剂。
2.根据权利要求1所述的生态高延性水泥基快速修补材料的制备方法，其特征在于，采用液体状减水剂，制备步骤如下：
1) 将硫铝酸盐水泥、煅烧煤矸石粉、粉煤灰、早强剂、河砂慢速，即自转转速为140转/分钟，公转转速为62转/分钟，搅拌1~2分钟；
2) 将减水剂与水混合加入搅拌机中，快速，即自转转速为285转/分钟，公转转速为125转/分钟，搅拌3~4分钟；
3) 加纤维快速，即自转转速为285转/分钟，公转转速为125转/分钟，搅拌2~3分钟；
4) 装模，在标准养护箱中养护至6h后拆模。
3.根据权利要求2所述的生态高延性水泥基快速修补材料的制备方法，其特征在于，材料制备的整个过程控制在7~9分钟。
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