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一种 煤矿废弃物地质聚合物基 混凝土及其制备方法

阅读：465发布：2020-05-08

专利汇可以提供一种煤矿废弃物地质聚合物基混凝土及其制备方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明公开了一种以煤矸石废料制备的地质聚合物混凝土的制备方法。为克服传统混凝土的高耗能、重污染的缺点，以煤炭废弃物煤矸石基地聚物作为胶凝材料，制备煤矸石基地聚物混凝土。本发明选用氢氧化钠溶液与碳酸钙粉末制备碱性干粉激发剂，采取正交设计法进行地质聚合物混凝土的配合比设计，其中煤矸石、粉煤灰、氢氧化钠、碳酸钙试剂、细骨料砂和粗骨料碎石的配比为煤矸石：粉煤灰：氢氧化钠：碳酸钙：砂：碎石＝1:1:0.37:1.01:3:6.37。制作时按照一定最优和顺序将原材料进行搅拌、浇筑、养护、成型。本发明为煤炭废弃物的资源化利用开辟了新的前景和方向，节约资源、减少污染、提高经济效益有重要的意义。，下面是一种煤矿废弃物地质聚合物基混凝土及其制备方法专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种煤矿废弃物地质聚合物基混凝土及其制备方法，其特征在于，所述煤矿废弃物地质聚合物基混凝土包括以下原料：煤矸石、粉煤灰、氢氧化钠、碳酸钙试剂、细骨料和粗骨料。
2.所述煤矿废弃物地质聚合物基混凝土制备中，煤矸石、粉煤灰、氢氧化钠、碳酸钙试剂、细骨料砂和粗骨料碎石的配比为煤矸石：粉煤灰：氢氧化钠：碳酸钙：砂：碎石＝1：1：
0.37：1.01：3：6.37。
3.根据权利要求2所述的一种煤矿废弃物地质聚合物基混凝土及其制备方法，其特征在于，所述的煤矿废弃物地质聚合物基混凝土及其制备方法步骤如下：
步骤1：将氢氧化钠溶液与碳酸钙粉末混合，生成成分为氢氧化钙、碳酸钠和钙水碱的溶液，在80度烘箱中干燥8小时，然后粉碎到固定粒径，最后取激发剂粉末中粒径小于
0.03mm的粉体；
步骤2：将(自燃)煤矸石块体先经过大锤破碎，然后放入破碎机中反复破碎至小颗粒，过筛取其粒径在0.01mm-0.09mm之间的粉体；
步骤3：制作时将砂子和石子倒入搅拌机中，搅拌140s左右，再将煤矸石粉末、粉煤灰倒入，搅拌20s左右，最后加入干粉激发剂粉末，搅拌120s，最后搅拌完成后，将地质聚合物混凝土倒进模具中，振捣密实，最后抹平，制成地质聚合物混凝土试块，并地质聚合物混凝土进行养护。
4.根据权利要求3所述的一种煤矿废弃物地质聚合物基混凝土及其制备方法，其特征在于，所述煤矿废弃物地质聚合物基混凝土制备中，煤矸石、粉煤灰、氢氧化钠、碳酸钙试剂、细骨料砂和粗骨料碎石的配比为煤矸石：粉煤灰：氢氧化钠：碳酸钙：砂：碎石＝1：1：
0.37：1.01：3：6.37。
5.根据权利要求3所述的一种煤矿废弃物地质聚合物基混凝土及其制备方法，其特征在于，所述的碱性干粉激发剂制备方法为：将氢氧化钠溶液与碳酸钙粉末混合，将生成的溶液在80度烘箱中干燥8小时，粉碎到固定粒径后取激发剂粉末中粒径小于0.03mm的粉体。
6.根据权利要求3所述的一种煤矿废弃物地质聚合物基混凝土及其制备方法，其特征在于，所述的煤矸石粉末的具体制备方法为：将(自燃)煤矸石块体先经过大锤破碎，然后放入破碎机中反复破碎至小颗粒，过筛取其粒径在0.01mm-0.09mm之间的粉体。
7.根据权利要求3所述的一种煤矿废弃物地质聚合物基混凝土及其制备方法，其特征在于，所述的地质聚合物基混凝土制备方法方法为：将砂子和石子倒入搅拌机中，搅拌140s左右，再将煤矸石粉末、粉煤灰倒入，搅拌20s左右，最后加入干粉激发剂粉末，搅拌120s，将搅拌完成的地质聚合物混凝土倒进模具中，振捣密实并抹平，制成地质聚合物混凝土试块。

说明书全文

一种煤矿废弃物地质聚合物基 混凝土及其制备方法

技术领域

[0001] 本发明具体涉及一种煤矿废弃物地质聚合物基混凝土及其制备方法，属于建筑材料技术领域。

背景技术

[0002] 随着人类社会科技迅速发展和环保意识提升，各行各业都加大节能环保方面的研究力度，以促进人与自然的和谐共生，经济与生态的协调发展。

[0003] 我国是混凝土消费大国，而目前传统混凝土大都采用硅酸盐水泥作为胶凝材料，硅酸盐水泥在生产过程中耗能高、污染严重，而以煤矸石废料制备的地质聚合物这一新型环保材料的出现，无疑为克服传统混凝土的高耗能、重污染的缺点开辟了新的前景和方向。因此，研究新型胶凝材料制备混凝土及其性能，对于节约资源、减少污染具有重要的理论意义和良好的社会效益。

发明内容

[0004] 本发明主要研究煤矿废弃物地质聚合物基混凝土制备配合比的优化，提高其抗压强度和抗折强度，提供一种煤矿废弃物地质聚合物基混凝土及其制备方法。

[0005] 为了解决上述技术问题，本发明提供了以下技术方案：

[0006] 首先，试验选用碱性干粉激发剂，采取正交设计法进行地质聚合物混凝土的配合比设计，以得到煤矿废弃物地质聚合物基混凝土最优配合比：煤矸石：粉煤灰：氢氧化钠：碳酸钙：砂：碎石＝1：1：0.37：1.01：3：6.37。

[0007] 其次，根据最优配合比制备煤矿废弃物地质聚合物基混凝土，步骤如下：

[0008] 步骤1：将氢氧化钠溶液与碳酸钙粉末混合，生成成分为氢氧化钙、碳酸钠和钙水碱的溶液，在80度烘箱中干燥8小时，然后粉碎到固定粒径，最后取激发剂粉末中粒径小于0.03mm的粉体；

[0009] 步骤2：将(自燃)煤矸石块体先经过大锤破碎，然后放入破碎机中反复破碎至小颗粒，过筛取其粒径在0.01mm-0.09mm之间的粉体；

[0010] 步骤3：制作时将砂子和石子倒入搅拌机中，搅拌140s左右，再将煤矸石粉末、粉煤灰倒入，搅拌20s左右，最后加入干粉激发剂粉末，搅拌120s，最后搅拌完成后，将地质聚合物混凝土倒进模具中，振捣密实，最后抹平，制成地质聚合物混凝土试块。

[0011] 然后，再对地质聚合物混凝土进行养护，不同养护温度不同时间后(3d、7d、28d)的抗压强度和抗折强度对比分析，并与普通混凝土试件的抗压强度和抗折强度进行对比，得到满足工程需要力学性能的混凝土，并将此时的混凝土配合比作为规模生产的配合比。

[0012] 本发明的有益效果是：

[0013] (1)本发明采用干粉激发剂的煤矸石基地质聚合物混凝土的抗压强度和抗折强度要大于NaOH溶液激发剂的煤矸石基地质聚合物混凝土的抗压强度和抗折强度，抗压强度平均大25.1％，抗折强度平均大21.4％。

[0014] (2)本发明制备的煤矸石基地质聚合物混凝土的抗压强度和抗折强度均大于普通混凝土的相应数值，其中抗压强度比普通混凝土平均大28.6％，抗折强度平均大24.2％[0015] (3)本发明地质聚合物混凝土提高养护温度可以较大幅度提高混凝土早期强度，且受养护温度影响更大。

具体实施方式

[0016] 下面对本发明具体实施方式加以详细的说明。

[0017] 本发明选用碱性干粉激发剂，采取正交设计法进行地质聚合物混凝土的配合比设计，旨在配制出工作性好，强度、变形和耐久性可以满足工程要求的煤矸石基地质聚合物混凝土。

[0018] (1)本发明根据干粉激发剂中氢氧化钠和碳酸钙含量的不同，以及单独采用氢氧化钠溶液作为激发剂的地质聚合物，共设计了7种配合比地质聚合物混凝土，配合比见表1。

[0019] 表1干粉激发煤矸石基地质聚合物混凝土配合比(Kg/m3)

[0020]

[0021] (2)制作普通混凝土试块和地质聚合物混凝土试块，以便于不同混凝土试块间性能的对比。其中普通混凝土试块制作3块，地质聚合物混凝土试块制作8块分别进行测试。首先将氢氧化钠溶液与碳酸粉末混合，生成成分为氢氧化钙、碳酸钠和钙水碱的溶液，在80度烘箱中干燥8小时，然后粉碎到固定粒径，最后取激发剂粉末中粒径小于0.03mm的粉体；再将(自燃)煤矸石块体先经过大锤破碎，然后放入破碎机中反复破碎至小颗粒，过筛取其粒径在0.01mm-0.09mm之间的粉体；制作时将砂子和石子倒入搅拌机中，搅拌140s左右，再将煤矸石粉末、粉煤灰倒入，搅拌20s左右，最后加入干粉激发剂粉末，搅拌120s，最后搅拌完成后，将地质聚合物混凝土倒进模具中，振捣密实，最后抹平，制成地质聚合物混凝土试块。

[0022] (3)由于地质聚合物混凝土的凝结硬化速度快，在较短的时间内就可达到较高的强度。同时为了研究养护温度对地质聚合物混凝土抗压强度的影响，这里将所制作试块中的4块作为一组在自然室温环境中(20-25℃)养护，另外4块试件表面贴上塑料薄膜，作为一组放入烘箱中进行养护，为后面对比不同养护温度对地质聚合物混凝土性能的影响，烘箱内采用了不同的养护温度。所有试件在养护不同期龄(3d、7d、28d)后，在室内静置1d后再进行抗压强度、抗折强度试验，最后的抗压强度和抗折强度取为同组试块的平均值。

[0023] (4)地质聚合物混凝土的抗压和抗折强度试验按《普通混凝土力学性能试验方法标准进行，其中抗折试验采用四点抗折。抗压强度试验在电液伺服万能试验机上进行，抗折强度试验在抗折试验机上进行。在抗压强度试验过程中，保持连续均匀加载，加载速度保持在0.6MPa/s，出现细小裂缝并开始破坏变形时，停止调整试验机进油阀，直至试件完全破坏，并记录破坏荷载。最终的抗压强度值为同组6个受压立方体试块抗压强度的平均值，计精确至0.1kN。抗折强度试验的加载速度取抗压强度试验的1/10。

[0024] 地质聚合物混凝土的力学性能试验结果见表2，其中轴心抗压强度设计值与轴心抗拉强度设计值的取值按《混凝土结构设计规范》取值规定。

[0025] 表2地质聚合物混凝土力学性能指标

[0026]

[0027] (5)抗压强度和抗折强度试验结果与分析

[0028] 混凝土立方体抗压强度应按式(1)计算

[0029]

[0030] 式中：fcu—混凝土立方体试件抗压强度(MPa)；F—试件破坏荷载(N)；A—试件承压面积(mm)。

[0031] 表3、4、5给出了地质聚合物混凝土各试件在室温条件下养护不同时间后(3d、7d、28d)的抗压强度和抗折强度，并与普通混凝土试件的抗压强度和抗折强度进行了对比。

[0032] 表3室温条件下养护3d各试件抗压强度和抗折强度

[0033]

[0034] 表4室温条件下养护7d各试件抗压强度和抗折强度

[0035]

[0036] 表5室温条件下养护28d各试件抗压强度和抗折强度

[0037]

[0038] 从表中可以看出，室温养护条件下，不同的养护时间下，无论采用干粉激发还是NaOH溶液激发方式，煤矸石基地质聚合物混凝土的抗压强度和抗折强度均大于普通混凝土的相应数值，其中抗压强度比普通混凝土平均大28.6％，抗折强度平均大24.2％。这主要是由于碱性激发剂中所含的NaOH加速了混凝土的硬化过程，加快了其中的硅、铝化合物的溶解而形成硅酸钠和偏硅酸纳，再与Ca(OH)2反应形成硅酸钙和铝酸钙矿物，使之硬化再重新生成NaOH而催化下一轮反应，因而地质聚合物混凝土的强度较高。

[0039] 从表中还可以看出，采用干粉激发剂的煤矸石基地质聚合物混凝土的抗压强度和抗折强度要大于NaOH溶液激发剂的煤矸石基地质聚合物混凝土的抗压强度和抗折强度，其中干粉激发剂的煤矸石基地质聚合物混凝土的抗压强度比NaOH溶液激发剂的煤矸石基地质聚合物混凝土的抗压强度平均大25.1％，抗折强度平均大21.4％。

[0040] 为了研究不同养护方式对煤矸石基地质聚合物混凝土力学性能的影响，表6、7、8给出了在烘箱养护温度为60℃时各试件的力学性能。

[0041] 表6 60℃时养护3d各试件抗压强度和抗折强度

[0042]

[0043] 表7 60℃时养护7d各试件抗压强度和抗折强度

[0044]

[0045] 表8 60℃时养护28d各试件抗压强度和抗折强度

[0046]

[0047] 分析表中的数据，并与室温养护时相应地质聚合物混凝土试块的抗压强度和抗折强度相对比，可以看出，地质聚合物混凝土试块和普通混凝土试块的抗压强度和抗折强度均有提高，且3d和7d的抗压强度和抗折强度提高幅度较大，其中地质聚合物混凝土3d抗压强度平均约提高20％，抗折强度平均提高约16％，均大于普通混凝土3d强度的增大幅度；地质聚合物混凝土7d抗压强度平均约提高17％，抗折强度平均提高约15％，均大于普通混凝土3d强度的增大幅度；地质聚合物混凝土28d抗压强度平均约提高11％，抗折强度平均提高约8％，均大于普通混凝土3d强度的增大幅度。说明提高养护温度可以较大幅度提高混凝土早期强度，且地质聚合物混凝土受养护温度影响更大。

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