一种以煤矸石为主要原料制备碱激发煤矸石混凝土的方法
背景技术：
煤矸石是一种在煤形成过程中与煤伴生、共生的岩石，是在煤炭开采、清洗加工过程中所产生的固体废弃物，煤矿的排矸量约占煤炭开采总量的10％—25％，煤矸石已成为我国累积堆积量和占用场地最多的工业固体废弃物。目前，全国煤矸石的总积存量约45亿吨，而且仍在逐年增长。煤矸石中含有残煤、碳质泥岩、等可燃物质，在长期露天堆积后，往往会发生自燃现象，并排放出大量的co，co2，so2，h2s，以及其他有机有害气体，造成大气、土壤、水资源的污染，更容易造成地质灾害。同时煤矸石中含有较低浓度的重金属，例如：cd，cu，ni，hg，pb，sn等，有些重金属的含量还远超土壤背景值，使其在堆积或回填处置过程中仍存在一定的环境风险。然而煤矸石兼有煤、岩石、化工原料的性质，是一种可利用资源，若能对其综合利用，不但能改善矿区环境，还能节约资源、减少占地，从而促进矿区的可持续发展。因此，煤矸石的多渠道、大规模资源化安全消纳已迫在眉睫。
碱激发材料是近年来新发展起来的一类新型无机非金属材料，这类材料多以天然铝硅酸盐矿物或工业固体废物为主要原料，与其他矿物掺合料和适量碱硅酸盐溶液充分混合，在常温或蒸压条件下养护成型，是一类由铝硅酸盐胶凝成分粘结的胶凝材料。与传统硅酸盐水泥相比，碱激发材料在性能和功能上，具有高强(抗压强度可达15-74mpa)、耐高温(耐火度>1000℃)、耐酸碱盐的腐蚀、渗透率低等优点；在生产工艺上，不需要高温煅烧或烧结，聚合反应在常温就可以完成。相对于硅酸盐水泥，碱激发材料能耗低，几乎无污染，而且不消耗石灰石资源，可循环利用，是一种环保型绿色建筑材料，因此碱激发方法为煤矸石的大规模安全消纳与资源化利用提供了有力途径。
本专利首先对煤矸石块体进行破碎，充分利用破碎后不同粒径范围的煤矸石颗粒，分别作为制备碱激发煤矸石混凝土的胶凝材料、细骨料与粗骨料，同时辅以适量的高炉粒化矿渣与磨细熟石灰粉，制备一种以煤矸石为主要原料的碱激发煤矸石混凝土，消除对水泥、砂子与石子等不可再生资源的消耗。碱激发煤矸石混凝土具备早强与高强的特点，能够代替水泥混凝土使用，既可消除工业固体废弃物大量堆积所造成的环境污染问题，又可缓解对水泥的过度依赖，减少对不可再生资源的过度消耗，对于我国这样一个能源紧缺和环境污染比较严重的国家具有重要意义。
技术实现要素：
技术问题：本发明的目的是克服煤矸石利用率低的不足之处，以破碎后煤矸石分别作为制备碱激发煤矸石混凝土的胶凝材料、细骨料以及粗骨料，提供一种以煤矸石为主要原料制备碱激发混凝土的方法，提高废弃煤矸石的利用率、保护环境、代替混凝土拌制过程中所需的水泥、砂子与石子，提高经济效益和环保效益。
技术方案：一种以煤矸石为主要原料制备碱激发煤矸石混凝土的方法，其特征是：首先将煤矸石块体进行破碎，然后进行筛分。将破碎后粒径小于0.15mm的煤矸石颗粒进一步球磨，制成煤矸石微粉，使其比表面积≥350m2/kg，同时粒径小于50μm的超细煤矸石微粉占总质量的90％以上，用以制备碱激发煤矸石混凝土的胶凝材料。将粒径大于0.15mm并小于0.5mm的煤矸石颗粒进一步筛分，配置成连续级配，用以制备碱激发煤矸石混凝土的细骨料。将粒径大于0.5mm并小于30mm的煤矸石块体进一步筛分，配置成连续级配，用以制备碱激发煤矸石混凝土的粗骨料。
原料组成及其质量百分比如下：胶凝材料为磨细煤矸石微粉75％—35％(掺量247.5—115.5kg/m3)；高炉粒化矿渣微粉20％—60％(掺量66—198kg/m3)；磨细熟石灰粉5％(掺量16.5kg/m3)；细骨料为煤矸石砂(掺量651kg/m3)；粗骨料为煤矸石碎石(掺量1056kg/m3)；模数1-3的液态硅酸钠(掺量88kg/m3)；片碱(naoh掺量17.6kg/m3)；水(掺量92.4kg/m3)；
使用上述一种以煤矸石为主要原料制备碱激发煤矸石混凝土的方法：包括称量配料及混合工艺、制备工艺，具体方法如下：
(1)称量配料及混合工艺：首先按照配合比将称量好的naoh加入到试验用水中，进行搅拌并静置冷却；同时将煤矸石微粉、矿渣微粉与熟石灰粉进行称量配料，然后将三种胶凝材料放入混料机中混合5分钟，形成均匀的混合料。
(2)制备工艺：将冷却至室温的naoh溶液加入搅拌锅，并加入混合料，先慢搅10秒然后快搅20秒。然后加入液态硅酸钠与煤矸石砂并快搅30秒，最后加入煤矸石碎石并快搅30秒即可准备成型。
所述矿粉为符合gb/t18046-2008标准规定的s95级粒化高炉矿渣微粉，为高炉粒化矿渣经磁选除铁处理，并球磨使其达到比表面积≥400m2/kg，其中粒径小于30μm的超细粒化高炉矿渣微粉占总质量的90％以上。
所述熟石灰是生石灰粉经充分消解、烘干后的熟石灰粉，0.08mm的方孔筛的筛余量为0。
所述液态硅酸钠激发剂为模数在1.0-3.0之间、波美度在37°-41°之间的激发剂。
所述的naoh为片碱，工业级，纯度95％。
有益效果：本发明以煤矸石微粉为胶凝材料，掺加活性钙(矿渣微粉与磨细熟石灰粉)作为聚合反应催化剂，以煤矸石砂为细骨料，煤矸石碎石为粗骨料，充分发挥煤矸石原料的聚合反应活性，制备出早强、高强的碱激发煤矸石混凝土。碱激发煤矸石混凝土可代替水泥混凝土，能够减缓水泥制造对石灰石原材料的过快消耗，变废为宝，逐步消除煤矸石积存所带来的种种环境污染问题，提高废弃煤矸石的利用率、保护环境，具有显著的环境效益和社会效益，对于我国这样一个能源紧缺和环境污染比较严重的国家具有重要的意义。与现有技术相比具有如下优点：
1)碱激发煤矸石混凝土具有早强、高强的特点
本发明以煤矸石为主要原料制备的碱激发煤矸石混凝土具有明显的早强与高强特点，矿渣微粉与磨细熟石灰粉的掺入，进一步激发了煤矸石原料的聚合反应活性，促进了聚合反应的进行与聚合产物的形成，提高了聚合反应效率，从而显著增强碱激发煤矸石混凝土的抗压与抗折强度，具体见表1。
表1碱激发煤矸石混凝土性能
2)消除对水泥、砂子与碎石等不可再生资源的消耗
水泥混凝土的制备需要消耗大量的水泥、砂子与碎石等不可再生资源。同时水泥的生产带来了严重的高能耗、高污染问题，而砂子与碎石的大量采集，必然会消耗大量的不可再生资源并对自然环境造成严重的破坏。碱激发煤矸石混凝土的制备充分利用了破碎后不同粒径范围的煤矸石颗粒，分别作为制备混凝土的胶凝材料、细骨料与粗骨料，彻底消除对水泥、砂子与碎石等不可再生资源的消耗，减轻对环境的破坏。
3)缩短养护时间、加快施工进度
与碱激发煤矸石混凝土相比，由于水泥的水化反应速率明显低于碱激发材料的聚合反应速率，这导致水泥混凝土的强度发展速度明显低于碱激发煤矸石混凝土，因此水泥混凝土在浇筑完成后需要养护7d才能拆模继续施工。而碱激发煤矸石混凝土具有明显的早强与高强特性，养护1d的抗压强度达到40.2mpa，超过c30水泥混凝土养护28d的抗压强度强度，养护3d的抗压强度上升到60.4mpa，甚至超过c50水泥混凝土养护28d的抗压强度强度。因此，碱激发煤矸石混凝土的应用可以大幅缩短养护时间，提高施工模板的周转率，明显加快施工进度，显著减少施工工期并降低施工成本。
4)显著的环境效益和社会效益
采用工业废弃物煤矸石为主要原料制备碱激发煤矸石混凝土，可以逐步实现对水泥材料的替代，减少对水泥材料的需求，不仅可以缓解水泥生产对石灰石、黏土以及能源的过快消耗，减轻水泥生产所带来的高能耗、高污染问题，而且可以变废为宝，逐步消除工业固体废弃物大量堆积所带来的种种环境污染问题。同时煤矸石砂与煤矸石碎石的应用可以明显缓解砂子与碎石等不可再生资源的消耗，降低大量采砂与采石对自然环境的破坏，所产生的环境效益和社会效益将无法估量。
优点：本发明通过以煤矸石为主要原料制备碱激发煤矸石混凝土，逐步消除对水泥、砂子以及碎石等不可再生资源的消耗，缓解水泥生产带来的高能耗、高污染问题，消除采砂与采石对自然环境造成的破坏。同时碱激发煤矸石混凝土具有早强与高强的特性，可以缩短养护时间、加快施工进度，显著降低施工工期与成本。碱激发煤矸石混凝土的应用，还能够减缓水泥制造对石灰石原材料的过快消耗，变废为宝，提高工业废弃物的利用率、保护环境、具有显著的环境效益和社会效益。
具体实施方式
实施例1：一种以煤矸石为主要原料制备碱激发煤矸石混凝土的方法，其特征是：首先将煤矸石块体进行破碎，然后进行筛分。将破碎后粒径小于0.15mm的煤矸石颗粒进一步球磨处理，并制成煤矸石微粉，使其比表面积≥350m2/kg，同时粒径小于50μm的超细煤矸石微粉占总质量的90％以上，用以制备碱激发煤矸石混凝土的胶凝材料。将粒径大于0.15mm并小于0.5mm的煤矸石颗粒进一步筛分并配置成连续级配，用以制备碱激发煤矸石混凝土的细骨料。将粒径大于0.5mm并小于30mm的煤矸石块体进一步筛分并配置成连续级配，用以制备碱激发煤矸石混凝土的粗骨料。原料组成及其质量百分比如下：胶凝材料为磨细煤矸石微粉75％(掺量247.5kg/m3)；高炉粒化矿渣微粉20％(掺量66kg/m3)；磨细熟石灰粉5％(掺量16.5kg/m3)；细骨料为煤矸石砂(掺量651kg/m3)；粗骨料为煤矸石碎石(掺量1056kg/m3)；模数为2.75的液态硅酸钠(掺量88kg/m3)；片碱(naoh掺量17.6kg/m3)；水(掺量92.4kg/m3)；
表2试验配合比kg/m3
使用上述一种以煤矸石为主要原料制备碱激发煤矸石混凝土的方法：包括称量配料及混合工艺、制备工艺以及试件的养护和强度检测，具体方法如下：
(1)称量配料及混合工艺：首先按照配合比将称量好的naoh加入到试验用水中，进行搅拌并静置冷却；同时将煤矸石微粉、矿渣微粉与熟石灰粉进行称量配料，然后将三种胶凝材料放入混料机中混合5分钟，形成均匀的混合料。
(2)制备工艺：将冷却至室温的naoh溶液加入搅拌锅，并加入混合料，先慢搅10秒然后快搅20秒。然后加入液态硅酸钠与煤矸石砂并快搅30秒，最后加入煤矸石碎石并快搅30秒即可准备成型。
(3)养护和强度检测：试件浇筑成型后先用塑料薄膜覆盖，24小时后拆模，并立即用塑料薄膜将试件密封，置于湿度95％，温度20±2℃的环境中养护至设计龄期。按照gb/t17671-1999测得其抗压强度如表5所示。
实施例2：制备方法与实施例1相同，略。不同之处在于：所述的碱激发煤矸石混凝土材料组成及其质量百分比如下：胶凝材料为磨细煤矸石微粉55％(掺量181.5kg/m3)；高炉粒化矿渣微粉40％(掺量132kg/m3)；磨细熟石灰粉5％(掺量16.5kg/m3)；细骨料为煤矸石砂(掺量651kg/m3)；粗骨料为煤矸石碎石(掺量1056kg/m3)；模数2.75的液态硅酸钠(掺量88kg/m3)；片碱(naoh掺量17.6kg/m3)；水(掺量92.4kg/m3)；
表3试验配合比kg/m3
实施例3：制备方法与实施例1相同，略。不同之处在于：所述的碱激发煤矸石混凝土材料组成及其质量百分比如下：胶凝材料为磨细煤矸石微粉35％(掺量115.5kg/m3)；高炉粒化矿渣微粉60％(掺量198kg/m3)；磨细熟石灰粉5％(掺量16.5kg/m3)；细骨料为煤矸石砂(掺量651kg/m3)；粗骨料为煤矸石碎石(掺量1056kg/m3)；模数为2.75的液态硅酸钠(掺量88kg/m3)；片碱(naoh掺量17.6kg/m3)；水(掺量92.4kg/m3)；
表4试验配合比kg/m3
表5不同配合比碱激发煤矸石混凝土性能