一种硅灰改性全煤矸石粗骨料混凝土及其制备方法

本发明涉及混凝土材料，具体涉及一种硅灰改性全煤矸石粗骨料混凝土及其制备方法。

背景技术：

1、混凝土是公路行业中使用较广泛、消耗量较大的建筑材料之一。天然砂石是混凝土的重要组成部分，公路建设每年消耗的砂石超100亿吨。天然砂石是不可再生资源，过度开采将导致砂石资源匮乏、生态环境退化。煤矸石堆积过程中会释放大量重金属元素，危害周边环境及生态平衡。采用煤矸石代替天然粗骨料制备混凝土不仅能够解决环境问题，而且可以有效降低天然砂石的开采率。

2、然而，制备的煤矸石粗骨料混凝土存在以下问题：一是由于煤矸石粗骨料自身多孔，致密性远不如天然粗骨料，煤矸石自身强度差、品质参差不齐，制备全取代煤矸石粗骨料混凝土时，力学性能和耐久性能往往无法达到工程设计要求；二是在保证混凝土性能的情况下，煤矸石取代率一般保持在20％～40％，故不能高效地解决环境及煤矸石的堆积问题。因此，开发一种以全煤矸石替代天然粗骨料且实现较佳的力学性能和耐久性的混凝土具有非常重要的意义。

技术实现思路

1、本发明提供了一种硅灰改性全煤矸石粗骨料混凝土及其制备方法，有效解决了现有的以煤矸石取代粗骨料取代率不高导致煤矸石堆积及危害环境以及制备得到的混凝土力学性能和耐久性均较差的技术问题，同时提供了一种以煤矸石全取代天然粗骨料且具有良好的力学性能和耐久性的混凝土。

2、本发明的第一个目的是提供一种硅灰改性全煤矸石粗骨料混凝土，由以下质量份的原料组成：水泥303～608份、硅灰18～96份、细骨料594～711份、煤矸石856～1023份、减水剂1.8～6.4份、水160份。

3、作为一种优选的实施方式，所述水与水泥和硅灰总和的质量比(w/c值)为0.25～0.45：1。

4、作为一种优选的实施方式，所述硅灰由以下质量百分比的原料组成：92.2％sio2、0.81％al2o3、1.72％cao、0.82％fe2o3、1.19％mgo，余量为杂质。

5、作为一种优选的实施方式，所述细骨料的细度模数为2.4，表观密度为2620kg/m3，堆积密度为1360kg/m3，含泥量为1.3％，吸水率为2.1％。

6、作为一种优选的实施方式，所述煤矸石的粒径为5～20mm，5～10mm的碎石的质量百分比为20％，10～20mm的碎石的质量百分比为80％。

7、作为一种优选的实施方式，所述煤矸石的压碎值为18.7％，堆积密度为1350kg/m3，表观密度为2570kg/m3，针片状含量为32.8％，含水率为6.7％。

8、作为一种优选的实施方式，所述减水剂为聚羧酸系减水剂。

9、本发明的第二个目的是提供一种上述硅灰改性全煤矸石粗骨料混凝土的制备方法，包括以下步骤：

10、称取以下质量份的原料：水泥303～608份、硅灰18～96份、细骨料594～711份、煤矸石856～1023份、减水剂1.8～6.4份、水160份；

11、将减水剂加入水中，搅拌均匀，得到减水剂溶液；将水泥、硅灰和细骨料混合，并加入部分所述减水剂溶液，搅拌均匀，再加入煤矸石，混匀，最后加入剩余的所述减水剂溶液，混匀，得到硅灰改性全煤矸石粗骨料混凝土。

12、作为一种优选的实施方式，部分所述减水剂溶液的质量为所述减水剂溶液质量的50％。

13、与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

14、本发明提供了一种硅灰改性全煤矸石粗骨料混凝土及其制备方法，以水泥、硅灰、细骨料、煤矸石、减水剂和水为原料制备得到硅灰改性全煤矸石粗骨料混凝土；由于水泥中cao的含量为sio2含量的2～4倍，所以sio2并不能完全消耗ca+，导致煤矸石混凝土界面过渡区存在大量ca(oh)2，影响混凝土的力学性能。引入硅灰后，由于硅灰具有更大的比表面积，能更好地发挥填充效应和微集料效应，填充了煤矸石骨料的部分孔洞与微裂缝，另外硅灰含有大量sio2，煤矸石混凝土界面过渡区内富集的ca(oh)2发生水化反应，生成大量三维网状结构的c-s-h凝胶。再者，由于投入煤矸石骨料时，骨料周围吸附大量含有硅铝氧化物的煤矸石粉，将煤矸石混凝土界面过渡区周围产生部分钙矾石(aft)。生成的三维c-s-h凝胶和钙矾石作为骨架结构桥连了煤矸石粗骨料与砂浆基体，细化并减少了混凝土内部孔隙与微裂缝，故有效提高了全煤矸石粗骨料混凝土的力学性能，本发明发生的化学反应如下：

15、(1)硅灰+水泥+水

16、3cao·sio2+nh2o→xcao·sio2·(n-3+x)h2o+(3-x)ca(oh)2

17、2cao·sio2+nh2o→xcao·sio2·(n-2+x)h2o+(2-x)ca(oh)2

18、(2)煤矸石粉+水

19、c3a+3(caso4·2h2o)+2ca(oh)2+24h2o→3cao·al2o3·3caso4·32h2o

20、本发明提供的硅灰改性全煤矸石粗骨料混凝土中煤矸石的含量较高，在保证混凝土性能的前途下，以煤矸石取代粗骨料，大大解决了煤矸石堆积及危害环境的问题，且制备得到的混凝土力学性能和耐久性均较佳；当w/c＝0.45时，硅灰为5％、10％、15％相较于未加入硅灰的混凝土抗压强度分别提高了3.21％、4.81％、5.45％；当w/c＝0.35、0.25时，硅灰为5％～15％相较于未加入硅灰的混凝土抗压强度分别提高了3.56％～6.23、3.91％～10.68％，劈裂抗拉强度的变化规律与抗拉强度基本一致。

技术特征：

1.一种硅灰改性全煤矸石粗骨料混凝土，其特征在于，由以下质量份的原料组成：水泥303～608份、硅灰18～96份、细骨料594～711份、煤矸石856～1023份、减水剂1.8～6.4份、水160份。

2.根据权利要求1所述的硅灰改性全煤矸石粗骨料混凝土，其特征在于，所述水与水泥和硅灰总和的质量比为0.25～0.45：1。

3.根据权利要求1所述的硅灰改性全煤矸石粗骨料混凝土，其特征在于，所述硅灰由以下质量百分比的原料组成：92.2％sio2、0.81％al2o3、1.72％cao、0.82％fe2o3、1.19％mgo，余量为杂质。

4.根据权利要求1所述的硅灰改性全煤矸石粗骨料混凝土，其特征在于，所述细骨料的细度模数为2.4，表观密度为2620kg/m3，堆积密度为1360kg/m3，含泥量为1.3％，吸水率为2.1％。

5.根据权利要求1所述的硅灰改性全煤矸石粗骨料混凝土，其特征在于，所述煤矸石的粒径为5～20mm，5～10mm的碎石的质量百分比为20％，10～20mm的碎石的质量百分比为80％。

6.根据权利要求1所述的硅灰改性全煤矸石粗骨料混凝土，其特征在于，所述煤矸石的压碎值为18.7％，堆积密度为1350kg/m3，表观密度为2570kg/m3，针片状含量为32.8％，含水率为6.7％。

7.根据权利要求1所述的硅灰改性全煤矸石粗骨料混凝土，其特征在于，所述减水剂为聚羧酸系减水剂。

8.一种权利要求1～7任一项所述的硅灰改性全煤矸石粗骨料混凝土的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，部分所述减水剂溶液的质量为所述减水剂溶液质量的50％。

技术总结本发明公开了一种硅灰改性全煤矸石粗骨料混凝土及其制备方法，属于混凝土材料技术领域，本发明在混凝土中引入硅灰后，由于硅灰具有更大的比表面积，能更好地发挥填充效应和微集料效应，填充了煤矸石骨料的部分孔洞与微裂缝，另外硅灰含有大量SiO<subgt;2</subgt;，煤矸石混凝土界面过渡区内富集的Ca(OH)<subgt;2</subgt;发生水化反应，生成大量三维网状结构的C‑S‑H凝胶；由于投入煤矸石骨料时，骨料周围吸附大量含有硅铝氧化物的煤矸石粉，将煤矸石混凝土界面过渡区周围产生部分钙矾石，生成的三维C‑S‑H凝胶和钙矾石作为骨架结构桥连了煤矸石粗骨料与砂浆基体，细化并减少了混凝土内部孔隙与微裂缝，有效提高了全煤矸石粗骨料混凝土的力学性能。技术研发人员：景宏君,单俊伟,郭美蓉,高萌,崔源泉受保护的技术使用者：西安科技大学技术研发日：技术公布日：2024/6/5