CN115991591B - 用煤矸石固废物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，具体涉及一种用煤矸石固废物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436~655份，粉煤灰436~655份，河砂0~316份，煤矸石细骨料66~382份，减水剂2~6份，早强剂20~35份，水284~350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，显著改善了沥青混凝土抗拉变形能力差等缺点，用于路桥面铺装层的快速修补，可减少混凝土开裂风险，减少了交通阻断时间，方便尽早开放交通，提高路桥服役寿命；另一方面以煤矸石替换河砂，减少天然资源河砂的开采，同时为煤矸石规模化、高值化利用提供了一种有效利用办法。
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，具体涉及一种用煤矸石固废物制备的生态高延性水泥基快速修补材料及方法。
背景技术
随着道路桥梁基础业迅速发展，进而对路桥面混凝土铺装层服役性能提出了更高的需求。我国路桥面铺装层大多采用沥青混凝土，此类混凝土抗拉变形能力差，在温差、车辆荷载、收缩和徐变等因素作用下，混凝土铺装层发生开裂等病害。开裂病害的出现，一方面导致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；另一方面会严重影响行车舒适度及路桥面外观。因此，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风险、尽早开放交通、提高路桥服役寿命至关重要。
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。煤矸石的大量堆放，不仅占用土地资源，污染环境、河流和农田等，而且煤矸石会自燃，危害人类生命安全。因此，急需对煤矸石资源化利用，变废为宝。煤矸石可用作骨料替换混凝土中的砂石骨料，减少我国对现有天然资源的开采，同时又能对煤矸石固废物资源化利用，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为胶凝材料，采用煤矸石细骨料部分替换河砂，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、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。关于煤矸石在骨料方面的应用，如表1所示。
表1对比现有发明专利研究现状
由表1可知，关于煤矸石骨料制备混凝土的研究较多，但未涉及制备集高延性和快硬性于一体的修补材料，无法用于路桥工程领域中混凝土铺装层的快速修补，无法从根本上解决混凝土铺装层开裂问题。
发明内容
本发明克服现有技术的不足，提供一种用煤矸石固废物制备的生态高延性水泥基快速修补材料。煤矸石细骨料压碎指标大于普通河砂，采用煤矸石细骨料替换河砂导致水泥基复合材料强度较低；根据高延性水泥基复合材料的微观力学设计理论，材料的极限延伸率与基体、纤维、纤维与基体粘结性能有关，当水泥复合材料基体强度较低时，纤维与基体粘结强度降低，导致纤维逐渐从基体中缓慢拔出，有助于发挥纤维桥联能力，提高极限延伸率。因此，可采用低强度的煤矸石细骨料制备水泥基体，提高修补材料的高延性。如何平衡煤矸石制备水泥基复合材料的早强和高延性是技术难点。本申请专利以煤矸石细骨料部分替换河砂，掺加硫铝酸盐水泥、粉煤灰、减水剂和早强剂等制备基体，再掺加适量纤维，通过微观性能调控以及微、细和宏观多尺度交互设计，使材料达到高延性、快硬且满足路桥面混凝土铺装层强度等级要求。
本发明制备生态高延性水泥基快速修补材料，用于路桥面混凝土铺装层的快速修补，实现对固废物的高效率资源化利用，构建绿色高效交通运输体系，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：一种用煤矸石固废物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436～655份，粉煤灰436～655份，河砂0～316份，煤矸石细骨料66～382份，减水剂2～6份，早强剂20～35份，水284～350份，纤维18.2～26份。
进一步的，所述煤矸石细骨料和河砂粒径为0.06～1.18mm，细度模数是1.20～1.65。
进一步的，所述煤矸石为低硫煤矸石、中硫煤矸石或高硫煤矸石，煤矸石细骨料质量最大占总细骨料用量的100％。
进一步的，所述早强剂为甲酸钙、无水硫酸钠和碳酸锂中的一种；或为无水硫酸钠和碳酸锂的复合。
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。
另外，本发明还提供用煤矸石固废物制备生态高延性水泥基快速修补材料的方法，采用固体状减水剂，制备步骤如下：
1)将硫铝酸盐水泥、粉煤灰、减水剂、早强剂、河砂和煤矸石细骨料慢速，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。
本发明还提供用煤矸石固废物制备生态高延性水泥基快速修补材料的方法，采用液体状减水剂，制备步骤如下：
1)将硫铝酸盐水泥、粉煤灰、早强剂、河砂和煤矸石细骨料慢速，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，上述两种用煤矸石固废物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，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，可以减少混凝土因抗拉变形能力差再次引发的开裂风险，减少修补次数，从全寿命周期角度保障路桥面混凝土铺装层的服役寿命，打造绿色低碳交通运输桥面，促进经济发展。
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；而且可减少路桥面混凝土铺装层的修补次数，降低开裂混凝土的铣刨噪音，减少扰民次数。
4)生态效益方面，采用煤矸石制备生态高延性水泥基快速修补材料，对固废物资源化利用，减少固废物堆放，降低环境污染；减少开裂混凝土铣刨带来的环境污染。
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 | 粉煤灰 | 河砂 | 煤矸石 | 减水剂 | 早强剂 | 水 | 纤维 |
| 436 | 655 | 316 | 66 | 2 | 35 | 300 | 26 |
上述煤矸石细骨料和河砂粒径为0.06～1.18mm，细度模数是1.20；所用煤矸石含硫量为0.8％，属于低硫煤矸石；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；减水剂是固体状聚羧酸减水剂。
制备步骤如下：
1)将硫铝酸盐水泥、粉煤灰、减水剂、早强剂碳酸锂、河砂和煤矸石细骨料慢速(自转转速为140转/分钟，公转转速为62转/分钟)搅拌2分钟；
2)加水快速(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 | 粉煤灰 | 河砂 | 煤矸石 | 减水剂 | 早强剂 | 水 | 纤维 |
| 655 | 436 | 0 | 382 | 4 | 20 | 350 | 26 |
上述煤矸石细骨料粒径为0.06～1.18mm，细度模数是1.32，细骨料100％是煤矸石；所用煤矸石含硫量为0.8％，属于低硫煤矸石；早强剂是无水硫酸钠和碳酸锂的复合；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(无水硫酸钠和碳酸锂的复合)、煤矸石细骨料慢速(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 | 粉煤灰 | 河砂 | 煤矸石 | 减水剂 | 早强剂 | 水 | 纤维 |
| 496 | 595 | 66 | 262 | 3 | 26 | 305 | 23.4 |
上述煤矸石细骨料和河砂粒径为0.06～1.18mm，细度模数是1.52；所用煤矸石含硫量为1.16％，属于中硫煤矸石；早强剂是甲酸钙；纤维是玄武岩纤维，长度是6mm，弹性模量是30GPa，抗拉强度1100MPa；减水剂是固体状聚羧酸减水剂。
制备步骤如下：
1)将硫铝酸盐水泥、粉煤灰、减水剂、早强剂甲酸钙、河砂和煤矸石细骨料慢速(自转转速为140转/分钟，公转转速为62转/分钟)搅拌2分钟；
2)加水快速(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9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 | 粉煤灰 | 河砂 | 煤矸石 | 减水剂 | 早强剂 | 水 | 纤维 |
| 583 | 508 | 131 | 196 | 6 | 30 | 284 | 18.2 |
上述煤矸石细骨料和河砂粒径为0.06～1.18mm，细度模数是1.65；所用煤矸石含硫量为6.02％，属于高硫煤矸石；早强剂是无水硫酸钠；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(无水硫酸钠)、河砂和煤矸石细骨料慢速(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 | 煤矸石 | 减水剂 | 早强剂 | 水 | 纤维 |
| 436 | 655 | 382 | 0 | 2 | 35 | 300 | 26 |
上述河砂粒径为0.06～1.18mm，细度模数是1.20；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；减水剂是固体状聚羧酸减水剂。
制备步骤如下：
1)将硫铝酸盐水泥、粉煤灰、减水剂、早强剂碳酸锂和河砂慢速(自转转速为140转/分钟，公转转速为62转/分钟)搅拌2分钟；
2)加水快速(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 | 实施例1 | 实施例2 | 实施例3 | 实施例4 | 对比例 |
| 抗压强度(MPa) | 45.2 | 42.3 | 41.1 | 43.5 | 47.6 |
对比实例1～4和对比例中生态高延性水泥基快速修补材料的的标准养护6h后的抗压强度如表7，虽然采用煤矸石部分替换河砂可以降低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等级要求。
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(％) | 1.02 | 0.93 | 0.88 | 0.83 | 0.78 |
| 提升效果(％) | 30.8 | 19.2 | 12.8 | 6.4 | -- |
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，采用煤矸石部分替换河砂可以提高修补材料的极限延伸率，100％煤矸石细骨料替代率对于修补材料极限延伸率的改善效果可以达到30.8％，说明煤矸石固废物提高生态高延性水泥基快速修补材料极限延伸率的可行性。
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 (8)
1.一种用煤矸石固废物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436~655份，粉煤灰436~655份，河砂0~316份，煤矸石细骨料66~382份，减水剂2~6份，早强剂20~35份，水284~350份，纤维18.2~26份。
2.根据权利要求1所述的用煤矸石固废物制备的生态高延性水泥基快速修补材料，其特征在于，所述煤矸石细骨料和河砂粒径为0.06～1.18mm，细度模数是1.20~1.65。
3.根据权利要求1所述的用煤矸石固废物制备的生态高延性水泥基快速修补材料，其特征在于，所述煤矸石为低硫煤矸石、中硫煤矸石或高硫煤矸石，煤矸石细骨料质量最大占总细骨料用量的100%。
4.根据权利要求1所述的用煤矸石固废物制备的生态高延性水泥基快速修补材料，其特征在于，所述早强剂为甲酸钙、无水硫酸钠和碳酸锂中的一种；或为无水硫酸钠和碳酸锂的复合。
5.根据权利要求1所述的用煤矸石固废物制备的生态高延性水泥基快速修补材料，其特征在于，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%。
6.根据权利要求5所述的用煤矸石固废物制备的生态高延性水泥基快速修补材料，其特征在于，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。
7.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，采用固体状减水剂，制备步骤如下：
1) 将硫铝酸盐水泥、粉煤灰、减水剂、早强剂、河砂和煤矸石细骨料慢速，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。
8.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、粉煤灰、早强剂、河砂和煤矸石细骨料慢速，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。
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