一种高性能煤矸石轻骨料混凝土及其制备方法与流程

专利2025-10-08  13


本技术涉及混凝土,更具体地说,它涉及一种高性能煤矸石轻骨料混凝土及其制备方法。


背景技术:

1、轻骨料混凝土指的是所含的骨料包括级配陶砂、且表观密度不大于1950kg/m3的混凝土,轻骨料混凝土应用于工业与民用建筑及其他工程时,可减轻结构自重,有助于提高构件运输和吊装效率,而且还能减少地基荷载,适用于高层及大跨度建筑。同时,轻骨料混凝土的使用也能够改善建筑结构的热工效果。

2、相关技术中有一种轻骨料混凝土,包括如下组分:水120kg,水泥290kg,石膏粉20kg,减水剂16kg,粉煤灰80kg,砂120kg,改性陶粒270kg,粉煤灰的粒径为1200目,砂的细度模数为2.2。改性陶粒的制备方法包括以下步骤:对玻璃进行研磨,得到玻璃粉;将玻璃粉与粉煤灰混合,并加入造孔剂、粘结剂和水搅拌混合,经成球工序形成内球;将玻璃粉、粉煤灰、水镁石纤维、粘结剂和水搅拌混合,经成球工序形成包裹于内球外部的外球,然后进行烘干,接着对内球和外球进行焙烧,然后冷却至常温,得到改性陶粒。

3、针对上述中的相关技术,发明人认为,相关技术中的轻骨料混凝土以陶粒作为粗骨料,而按照相关技术中的方法制备的陶粒力学性能较差,具有较多孔隙,容易导致轻骨料混凝土出现收缩裂缝等内部缺陷,因此相关技术中的轻骨料混凝土的在冻融循环条件下容易出现较严重的质量损失,不利于轻骨料混凝土的推广应用。


技术实现思路

1、相关技术中的轻骨料混凝土的在冻融循环条件下容易出现较严重的质量损失,不利于轻骨料混凝土的推广应用。为了改善这一缺陷,本技术提供一种高性能煤矸石轻骨料混凝土及其制备方法。

2、第一方面,本技术提供一种高性能煤矸石轻骨料混凝土,采用如下的技术方案:一种高性能煤矸石轻骨料混凝土,所述轻骨料混凝土的原料包括如下重量份的组分:硅酸盐水泥20-42份,矿物掺合料4-10份,填充晶须1.2-3.6份,级配陶砂30-85份,碱渣20-28份,水10-22份,外加剂0.22-0.52份;所述矿物掺合料包括铝酸三钙单矿,所述填充晶须包括硫酸钙晶须,所述级配陶砂包括陶粒和陶砂,所述级配陶砂的原料包括煤矸石,所述外加剂包括减水剂。

3、通过采用上述技术方案,本技术在配方体系中加入了填充晶须和碱渣,还将矿物掺合料优选为铝酸三钙单矿。碱渣和级配陶砂均具有储存和释放水分的能力,在本技术的轻骨料混凝土中,吸水之后的级配陶砂和碱渣能够随着混凝土内部湿度的下降而释放水分,有助于延缓混凝土内部湿度的下降,实现内养护效果,进而减少混凝土的收缩。碱渣中含有硫酸钙以及一定量的可溶性氯离子,硅酸盐水泥水化后能够产生氢氧化钙,而碱渣中的可溶性氯离子主要以氯化钙的形式存在,氯化钙能够与氢氧化钙反应形成不溶性的氧氯化钙。硅酸盐水泥和矿物掺合料中的铝酸三钙一方面能够与氯化钙反应产生不溶性的水化氯铝酸钙,另一方面还能够与碱渣中的硫酸钙以及混凝土组分中的硫酸钙晶须反应产生钙矾石。水化氯铝酸钙、氧氯化钙、钙矾石能够共同起到骨架支撑作用,有利于水泥石结构的形成,而且实现了可溶性氯离子的固化,克服了氯离子容易加剧冻融破坏的缺陷。钙矾石形成时产生的膨胀能够对混凝土的收缩进行补偿,再加上碱渣的孔隙结构中也有水化氯铝酸钙、氧氯化钙产生,因此有助于克服碱渣对混凝土力学性能发展造成的影响,并且也能够使硫酸钙晶须更加充分地与水泥石结合。通过采用本技术的方案进行轻骨料混凝土的制备,一方面能够实现对废弃物的再生利用,另一方面还能够起到减少收缩的作用,降低了级配陶砂的使用对抗冻融性能造成的负面影响,克服了相关技术中的陶粒轻骨料混凝土抗冻融性能差的缺陷,有利于轻骨料混凝土的推广应用。

4、作为优选,所述陶粒按照如下方法制备:

5、(1)将固硫灰渣和煤矸石按照(1.7-2.8):1的重量比混合,加入助熔剂后进行粉磨,得到粉料,对粉料进行加水陈化,得到陈化料,备用;

6、(2)对陈化料进行造粒加工,得到生料球,对生料球进行烘干,然后在400-420℃预烧20-25min,再升温至1150-1200℃,焙烧5-7min后随炉冷却至680-700℃,然后取出并等待自然降温,得到陶粒。

7、通过采用上述技术方案,本技术以固硫灰渣和煤矸石作为主要成分,采用烧结法制备了陶粒。固硫灰渣中含有硫酸钙和游离氧化钙,硫酸钙在煅烧过程中能够与煤矸石反应产生硫硅钙石、无水硫铝酸钙等中间矿物,增加了煤矸石的活性。在硫酸钙的活化作用下,游离氧化钙能够作为钙源与煤矸石反应形成一定量的水硬性胶凝矿物。水硬性胶凝矿物的形成使得陶粒在浸水和混凝土养护的过程中提供一定的强度,有助于减少陶粒对轻骨料混凝土的耐久性能造成的负面影响,改善了轻骨料混凝土的抗冻融性能。

8、本技术的陶粒将煤矸石作为主要成分之一,陶粒成品具有储释水性能,可在混凝土内部相对湿度下降时释放水分促进周围胶凝材料的水化,降低混凝土内部湿度的下降梯度,与陶砂、碱渣共同发挥内养护效应,能够有效减少混凝土的自收缩。

9、作为优选,所述固硫灰渣中的硫酸钙质量分数为4.3-5.2%,游离氧化钙质量分数为2.2-2.6%。

10、通过采用上述技术方案,本技术优选了固硫灰渣中的硫酸钙和游离氧化钙的质量分数,有助于充分提高陶粒的力学性能,并改善轻骨料混凝土的抗冻融性能。

11、作为优选,所述助熔剂为碳酸钾,所述助熔剂的用量为固硫灰渣、煤矸石重量之和的1.2-1.7%。

12、通过采用上述技术方案,本技术优选了碳酸钾作为助熔剂,并优选了碳酸钾的用量。碳酸钾的加入一方面能够增加煅烧过程中产生的液相总量,使得陶粒具备更好的力学性能,另一方面还使得陶粒中产生少量气孔。在本技术的助熔剂用量条件下,气孔的产生能够起到防止应力集中的作用,有助于提高陶粒的力学性能,并改善轻骨料混凝土的抗冻融性能。

13、作为优选,所述陶砂按照如下方法制备:

14、(1)将霞石尾矿、硅酸盐水泥和粉煤灰按照(3.8-4.2):(3-4):(1-1.2)的重量比混合,再掺入保水剂后得到基料,备用;以基料浓度为参照,分别按照基料总重量的4-8%、17-22%、7-12%的比例称取双氧水、水玻璃和拌合用水,备用;

15、(2)将拌合用水加入成球机中,经过搅拌后再将基料加入成球机,然后向基料表面喷洒双氧水,并继续进行搅拌,等待双氧水喷洒量达到双氧水总体积的30-35%时开始向基料中喷洒水玻璃,直到将水玻璃和双氧水用尽,继续搅拌一段时间后得到料球;

16、(3)对得到的料球进行筛分,然后对筛分得到的料球进行养护,养护结束后对料球进行破碎和干燥,经过重新筛分并按照不同粒径档级复配后得到陶砂。

17、通过采用上述技术方案,本技术以霞石尾矿、硅酸盐水泥和粉煤灰为主要原料,以双氧水作为发泡剂,以水玻璃作为激发剂制备了免烧陶粒,然后通过粉碎、筛分和复配得到了陶砂。在本技术的方法中,为了便于基料成球,因此先使用拌和用水对成球机进行了预湿处理,之后再通过喷洒的方式加入双氧水,使双氧水被成球过程中的基料吸收。之后,水玻璃的加入一方面起到了粘合作用,促进了成球的进行,另一方面也提供了碱性环境,使双氧水开始发泡,最终得到了具备一定吸水性能的料球,并进一步加工成了陶砂。

18、作为优选,所述保水剂包括改性聚丙烯腈纤维粉,所述改性聚丙烯腈纤维粉的用量为基料重量的1-5%,所述改性聚丙烯腈纤维粉按照如下方法制备:

19、(1)对聚丙烯腈纤维进行结扎和开松,得到纤维球,备用;配制质量浓度8-10%的氢氧化钠溶液和质量浓度3-4%的盐酸,备用;

20、(2)将纤维球按照1:(20-28)的重量比浸入氢氧化钠溶液中,在95-98℃的条件下加热60-70min,在加热过程中持续进行搅拌并进行冷凝回流;

21、(3)加热结束后,对纤维球进行水洗,将水洗后的纤维球浸入盐酸中进行中和,然后取出纤维球并再次水洗,对纤维球进行烘干,然后对纤维球进行粉碎,得到改性聚丙烯腈纤维粉。

22、通过采用上述技术方案,本技术以聚丙烯腈纤维为原料,通过碱溶液处理使得腈基转化为羧酸盐基团,再通过酸洗和水洗使羧酸盐基团转化为羧基,完成了腈基的水解。通过将水解之后的聚丙烯腈纤维分散,能够得到具备一定吸水保水性能的纤维粉,即可作为保水剂使用。

23、作为优选,所述外加剂由减水剂和三乙醇胺按照(20-50):1的重量比混合而成。

24、通过采用上述技术方案,本技术将三乙醇胺选作外加剂的组分,将三乙醇胺和减水剂混合使用。三乙醇胺能够促进钙矾石的生成,为铝酸三钙与硫酸钙反应产生钙矾石创造了有利条件,有助于改善轻骨料混凝土的抗冻融性能。

25、作为优选,所述铝酸三钙单矿按照如下方法制备:

26、将碳酸钙和氧化铝按照3:1的摩尔比混合,经过研磨粉碎后在1400-1450℃煅烧至游离氧化钙含量低于1%,经过球磨后得到铝酸三钙单矿。

27、通过采用上述技术方案,本技术以碳酸钙和氧化铝为原料,在煅烧条件下使二者反应,得到了铝酸三钙单矿。

28、作为优选,所述矿物掺合料由铝酸三钙单矿和改性钢渣按照(3.2-3.6):1的重量比混合而成,所述改性钢渣按照如下方法制备:

29、将钢渣、铝矾土和石灰石按照2.7-2.8的钙硅比混合,经过球磨后得到原粉,将重量相当于原粉总重量1-2%的二氧化锰加入原粉中,得到复合粉料,在1.2-1.7mpa的压力下将复合粉料压制成块状,再升温至1280-1360℃,保温40-45min后在空气中进行淬冷,经过破碎和研磨后得到改性钢渣。

30、通过采用上述技术方案,本技术在有二氧化锰参与的高温条件下,使用石灰石调节了钢渣的钙硅比,并加入一定量的铝矾土作为辅助成分,得到了改性钢渣。改性钢渣中含有一定量的铁铝酸四钙,而铁铝酸四钙的水化产物能够与氯盐反应形成水化氯铝酸钙,因此在代替普通钢渣作为矿物掺合料时能够提高不溶性矿物成分的骨架支撑作用,进而改善轻骨料混凝土的抗冻融性能。

31、第二方面,本技术提供一种高性能煤矸石轻骨料混凝土的制备方法,采用如下的技术方案。

32、一种高性能煤矸石轻骨料混凝土的制备方法,包括以下步骤:

33、(1)将陶粒和陶砂混合,并将所得混合物与一部分水混合并搅拌,得到级配陶砂,备用,将外加剂和剩余的水混合,得到外加剂溶液,备用;将硅酸盐水泥、填充晶须、矿物掺合料和碱渣混合,得到干料,备用;

34、(2)将干料和级配陶砂混合并搅拌,在搅拌过程中加入外加剂溶液,然后继续搅拌,得到混凝土拌和物,对混凝土拌和物进行入模养护,养护至指定龄期后得到高性能煤矸石轻骨料混凝土。

35、通过采用上述技术方案,本技术先分别准备了级配陶砂、干料和外加剂溶液,然后分两步进行搅拌加工,得到了混凝土拌和物,混凝土拌和物经过养护后即可得到高性能煤矸石轻骨料混凝土。

36、综上所述,本技术具有以下有益效果:

37、1.再生资源利用:煤矸石是我国占地和累计存量最多的工业废弃物,包含有害物质,如重金属、硫化物等,通常需要进行处理和处置,而将其用作混凝土的骨料,可以减少对传统骨料的需求,降低对天然资源的开采和消耗。

38、2.轻质化:煤矸石陶粒的表观密度(约1600kg/m3)约为普通骨料的3/5,制作成的再生轻骨料混凝土密度(约1800kg/m3)与普通混凝土(密度约2400kg/m3)相比可降低25%左右,可有效降低混凝土的自重,节省钢筋用量。

39、3.保温性能好:由于煤矸石陶粒内部具有无毛细现象的蜂窝状多孔结构,因此煤矸石轻骨料混凝土相对于普通混凝土导热系数大幅度降低,可以大幅度提高楼面自保温的功能,本实施例中,煤矸石轻骨料混凝土的导热系数为0.35w/(m·k),远低于普通混凝土的导热系数1.40w/(m·k),具有更低的导热性能。

40、4.防收缩:煤矸石陶粒具有“海绵体”核体和“微细连通孔”壳层结构,吸水性高、储释水性优异,可在混凝土内部相对湿度下降时释放水分促进周围胶凝材料的水化,降低混凝土内部湿度的下降梯度,产生内养护效应,有效减少混凝土的自收缩。

41、5.自流平:陶砂陶粒颗粒形貌类似圆形,能显著提高混凝土的流动性能,在不施加外力的情况下可以自然流动、自平整和自充实,为施工提供便利,让施工简洁化、轻松化。

42、6.隔音性能好:煤矸石轻骨料混凝土保温隔声楼面系统计权标准化撞击声压级约为65db,能够很好地符合gb 50118《民用建筑隔声规范》对高要求住宅卧室、起居室(厅)的分户楼板的撞击声隔声性能要求。


技术特征:

1.一种高性能煤矸石轻骨料混凝土,其特征在于,所述轻骨料混凝土的原料包括如下重量份的组分:硅酸盐水泥20-42份,矿物掺合料4-10份,填充晶须1.2-3.6份,级配陶砂30-85份,碱渣20-28份,水10-22份,外加剂0.22-0.52份;所述矿物掺合料包括铝酸三钙单矿,所述填充晶须包括硫酸钙晶须,所述级配陶砂包括陶粒和陶砂,所述级配陶砂的原料包括煤矸石,所述外加剂包括减水剂。

2.根据权利要求1所述的高性能煤矸石轻骨料混凝土,其特征在于,所述陶粒按照如下方法制备:

3.根据权利要求2所述的高性能煤矸石轻骨料混凝土,其特征在于,所述固硫灰渣中的硫酸钙质量分数为4.3-5.2%,游离氧化钙质量分数为2.2-2.6%。

4.根据权利要求2所述的高性能煤矸石轻骨料混凝土,其特征在于,所述助熔剂为碳酸钾,所述助熔剂的用量为固硫灰渣、煤矸石重量之和的1.2-1.7%。

5.根据权利要求1所述的高性能煤矸石轻骨料混凝土,其特征在于,所述陶砂按照如下方法制备:

6.根据权利要求5所述的高性能煤矸石轻骨料混凝土,其特征在于,所述保水剂包括改性聚丙烯腈纤维粉,所述改性聚丙烯腈纤维粉的用量为基料重量的1-5%,所述改性聚丙烯腈纤维粉按照如下方法制备:

7.根据权利要求1所述的高性能煤矸石轻骨料混凝土,其特征在于,所述外加剂由减水剂和三乙醇胺按照(20-50):1的重量比混合而成。

8.根据权利要求1所述的高性能煤矸石轻骨料混凝土,其特征在于,所述铝酸三钙单矿按照如下方法制备:

9.根据权利要求8所述的高性能煤矸石轻骨料混凝土,其特征在于,所述矿物掺合料由铝酸三钙单矿和改性钢渣按照(3.2-3.6):1的重量比混合而成,所述改性钢渣按照如下方法制备:

10.根据权利要求1-9任一所述的高性能煤矸石轻骨料混凝土的制备方法,其特征在于,包括以下步骤:


技术总结
本申请涉及混凝土技术领域,具体公开了一种高性能煤矸石轻骨料混凝土及其制备方法。本申请制备的高性能煤矸石轻骨料混凝土具有自保温特性,隔音及楼面撞击声隔声效果优异,有利于节约建筑材料,而且减少了表面的收缩开裂。本申请的混凝土适合采用全螺旋输送和自动配料工艺,工业化制备的级配陶砂有助于实现自流平效果,降低了施工难度,克服了相关技术中的陶粒轻骨料混凝土抗冻融性能差的缺陷,实现了施工的高品质保障。本申请的混凝土成功地使用工业固废代替了天然砂石并具备高性能特点,从而实现绿色、低碳与节材。

技术研发人员:郭建好,宫海,吴培培,陈晨,储海军,陈熙静
受保护的技术使用者:江苏智聚智慧建筑科技有限公司
技术研发日:
技术公布日:2024/6/26
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