一种煤基固废基胶凝材料、衍生高性能混凝土及制备方法技术

本发明专利技术涉及一种煤基固废基胶凝材料、衍生高性能混凝土及制备方法，属于环保建筑材料领域。本发明专利技术首先提供了一种以煤矸石、粉煤灰、炉渣、煤气化灰渣四种煤基固废与矿粉的混合料为前驱体，以改性硅酸钠溶液、向日葵秆灰与玉米秸秆灰的复合物为复合碱激发剂，以减缩剂与水为拌合水溶液所制的煤基固废基胶凝材料。改材料为全固废体系，符合新时代建材绿色环保要求。进一步的，本发明专利技术还提供了基于上述胶凝材料的衍生高性能混凝土，有助于经济效益与生态效益协同发展。效益协同发展。效益协同发展。

【技术实现步骤摘要】
一种煤基固废基胶凝材料、衍生高性能混凝土及制备方法


[0001]本专利技术属于环保建筑材料
，具体涉及一种煤基固废基胶凝材料、衍生高性能混凝土、制备方法及其在建筑领域的应用。

技术介绍

[0002]公开该
技术介绍
部分的信息仅仅旨在增加对本专利技术的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
[0003]我国多源固废的消纳与处治压力巨大，据统计我国固废堆积总量已超700亿吨，且每年新增大宗固废超40亿吨，其中煤基固废的年排放量已达15亿吨。煤基固废产生之后，多通过填埋或堆放处置，或用于制备低值产品，煤基固废的利用率与附加值均极低。因此，在煤基固废处治重大需求与高值利用困难的矛盾下，亟需攻克煤基固废利用难题，开展资源化、高值化利用，助力资源利用与环境保护。
[0004]水泥是最常用的胶凝材料，水泥及其衍生品材料已经被广泛用于世界各地。据估计2022年全球水泥产量约为44亿吨，而水泥生产带来的高额碳足迹逐渐受到了人们的关注，建筑行业对全球各国提出了更高的绿色要求，现有的建筑材料方向正在加快推进新一轮结构调整，原料多元化进程加快，发展重点向工业固体废弃物的利用领域转移，绿色低碳已成为发展趋势，利用大宗固废制备高性能胶凝材料替代水泥已成为重要课题。

技术实现思路

[0005]本专利技术的主要目的就是解决上述
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的不足，进一步提高煤基固废利用率和附加值，提供一种煤基固废基胶凝材料、衍生高性能混凝土及其制备方法，对煤矸石、粉煤灰、炉渣、煤气化灰渣等煤基固废进行资源化利用，促进循环经济发展。
[0006]本专利技术第一方面，提供一种煤基固废基胶凝材料，通过前驱体与复合碱激发剂、水配制形成。本专利技术优化后的胶凝材料在常温和标准养护下该材料体系具有接近水泥的性能，在一定程度上可以替代硅酸盐水泥使用，获得良好的成效。该胶凝材料中主要的硅
‑
铝来源为煤矸石，本专利技术选择的煤矸石是原状煤矸石，其主要化学成分为SiO2和Al2O3，SiO2和Al2O3总质量分数＞80％，其硅铝比为3.39，将煤矸石破碎粉磨至比表面积＞300m2/kg，用高温炉恒温进行煅烧，在650℃下煅烧2小时后与其它固废混合使用组成了前驱体材料。
[0007]煤矸石的主要矿物组成为蒙脱石、高岭石等粘土矿物与石英等。常温下几乎没有水化活性，需要依靠机械活化和高温煅烧弥补其活性不足。通过与粉煤灰、炉渣、煤气化灰渣等固废复掺，发挥多源固废的协同互补作用，提高煤矸石的利用效率。此外，通过搭配多种碱激发剂，进一步提高煤矸石和激发效率，促进更多水化产物的形成。此外，通过与高钙矿物掺合料矿粉搭配，可以促进C
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S
‑
H、C
‑
(A)
‑
S
‑
H等水化产物的形成，从而保障了制备的煤基固废基胶凝材料结构密实、工作性能优异。
[0008]粉煤灰是一种用途广泛的工业副产品，具有较好的潜在水化活性。其含有丰富的
总质量分数＞35％。
[0028]上述方案中所述复合碱激发剂，本专利技术还具有如下优选的方案：
[0029]改性硅酸钠溶液为NaOH与硅酸钠溶液混合制备而成，NaOH为市售粒状NaOH，纯度≥99％，硅酸钠溶液为市售工业级液体状水玻璃，模数(二氧化硅与氧化钠摩尔数的比值)为3.3，固含量为34.9％，波美度为39.5。配置改性硅酸钠溶液的目的是获得不同模数的硅酸钠溶液，硅酸钠溶液的模数过高或过低，都将对碱激发反应的胶凝过程产生非常不利的影响。在配置复合碱激发剂时，将适量的NaOH添加至硅酸钠溶液中以获得模数范围为1.0
‑
2.0的改性硅酸钠溶液，封口放置24h后备用，以进一步提高复合碱激发剂的激发效果。
[0030]所述向日葵秆灰经过粉磨后的粒径为5～8μm，K2O质量分数＞30％，CaO与SiO2总质量分数＞30％。
[0031]所述玉米秸秆灰经过粉磨后的粒径为17～20μm，K2O质量分数＞10％，CaO、SiO2与Al2O3总质量分数＞50％。
[0032]上述方案中，所述拌合水溶液使用的减缩剂为市售工业级白色粉末，有效成分≥99％。
[0033]本专利技术第二方面，提供上述煤基固废基胶凝材料的制备方法，包括如下步骤：
[0034]分别制备前驱体、复合碱激发剂及拌合水溶液，将前驱体以30～60rpm/min搅拌，搅拌均匀后加入复合碱激发剂和拌合水溶液以30～60rpm/min搅拌50～70s，再以100
‑
200rpm/min搅拌不少于3分钟至混合均匀，即得试样；将制备得到的试样浇筑在对应模具中，放置于恒温恒湿标准养护箱中养护3天至28天，即得；
[0035]其中，所述前驱体制备方式如下：
[0036](1)将原状煤矸石破碎、筛分、粉磨，机械活化至比表面积＞300m2/kg，以640～660℃的温度持续煅烧1～3小时，得到煅烧煤矸石粉备用；
[0037](2)将所述煅烧煤矸石粉、粉煤灰和炉渣、煤气化灰渣和矿粉按照质量百分比混合，制得煤基固废基胶凝材料的前驱体备用；
[0038]所述复合碱激发剂配置方式如下：
[0039](1)配制所述模数范围为1.0
‑
2.0改性硅酸钠溶液，封口放置20～26h后备用；
[0040](2)将所述改性硅酸钠溶液、向日葵秆灰和玉米秸秆灰按照质量百分比混合，制得煤基固废基胶凝材料的复合碱激发剂备用；
[0041]进一步地，步骤(1)复合碱激发剂中改性硅酸钠溶液的放置时间为24h，这样可以进一步提高复合碱激发剂的激发效果。
[0042]所述拌合水溶液的配置方式如下：将所述减缩剂与水搅拌均匀，得到拌合水溶液备用；
[0043]优选的，所述前驱体、复合碱激发剂和拌合水溶液组成的材料体系液固比为0.6。
[0044]另外，上述恒温恒湿标准养护箱中的养护参数采用本领域常规方式，如20℃
±
0.5℃，RH≥95％。
[0045]经测定，上述煤基固废基胶凝材料流动度＞215mm，收缩率为0.04％
‑
0.15％，初凝时间85min
‑
215min，终凝时间165min
‑
345min，3d抗压强度可达7.09MPa
‑
16.18MPa，28d抗压强度可达12.75MPa
‑
25.33MPa，折压比范围为0.24
‑
0.31，孔隙率范围为23.6％
‑
27.4％。
[0046]本专利技术煤基固废基胶凝材料的前驱体为全固废体系，全部由煤矸石、粉煤灰等固
废组成，不掺加水泥；复合碱激发剂中使用了向日葵秆灰和玉米秸秆灰提供部分碱性，同时提高材料体系中的钙、硅、铝元素含量和后期强度，因此降低了商业碱性试剂的使用量；煤基固废基胶凝材料的造价和环境负荷主要本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种煤基固废基胶凝材料，其特征在于，所述胶凝材料的原料由前驱体、复合碱激发剂和拌合水溶液组成，所述前驱体由以下相应质量分数的原料组成：煅烧煤矸石粉：30％粉煤灰和炉渣：30％
‑
40％煤气化灰渣：20％矿粉：10％
‑
20％所述复合碱激发剂包括改性硅酸钠溶液、向日葵秆灰和玉米秸秆灰，其掺量占所述前驱体的质量百分比为：改性硅酸钠溶液：4％
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12％向日葵秆灰：8％
‑
16％玉米秸秆灰：5％
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11％所述拌合水溶液包括水和减缩剂，其掺量占所述前驱体的质量百分比为：水：60％减缩剂：0.05％
‑
0.2％。2.如权利要求1所述煤基固废基胶凝材料，其特征在于，所述煅烧煤矸石粉为为原状煤矸石机械活化而成，活化方式如下：将原状煤矸石经破碎和粉磨后经高温煅烧，所述煅烧煤矸石粉比表面积＞300m2/kg，SiO2和Al2O3总质量分数＞80％。3.如权利要求1所述煤基固废基胶凝材料，其特征在于，所述粉煤灰为二级粉煤灰，45μm方孔筛余量不高于25％，SiO2和Al2O3总质量分数＞75％；或，所述炉渣经过粉磨后的粒径为42～48μm，SiO2与Al2O3总质量分数＞85％；或，所述煤气化灰渣经过粉磨后的粒径为32～40μm，SiO2、Al2O3与CaO总质量分数＞60％；或，所述矿粉的活性为S105级，均粒径为10～16μm，CaO质量分数＞40％，SiO2与Al2O3总质量分数＞35％。4.如权利要求1所述煤基固废基胶凝材料，其特征在于，所述改性硅酸钠溶液为NaOH与硅酸钠溶液混合制备而成，模数范围为1.0
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2.0；或，所述向日葵秆灰经过粉磨后的粒径为5～8μm，K2O质量分数＞30％，CaO与SiO2总质量分数＞30％；或，所述玉米秸秆灰经过粉磨后的粒径为17～20μm，K2O质量分数＞10％，CaO、SiO2与Al2O3总质量分数＞50％。5.如权利要求1所述煤基固废基胶凝材料，其特征在于，所述拌合水溶液使用的减缩剂为市售工业级白色粉末，有效成分≥99％。6.权利要求1
‑
5任一项所述煤基固废基胶凝材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：分别制备前驱体、复合碱激发剂及拌合水溶液，将前驱体以30～60rpm/min搅拌，搅拌均匀后加入复合碱激发剂和拌合水溶液以30～60rpm/min搅拌50～70s，再以100
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200rpm/min搅拌不少于3分钟至混合均匀，即得试样；将制备得到的试样...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱志敬，刘人太，卫冰，李术才，闫佳，李修浩，李为豪，刘鹏，陈孟军，白继文，汪志恒，张春雨，金涛，
申请(专利权)人：山东大学，
类型：发明
国别省市：