一种煤基固废基胶凝材料配合比设计方法及系统

本发明属于混凝土建筑材料，具体涉及一种煤基固废基胶凝材料配合比设计方法及系统。

背景技术：

1、公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，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。

2、煤在我国能源生产和消费构成中占据了主要地位，在煤炭开采和消费的同时产生了大量煤基固废，包括煤矸石、煤泥、尾矿、粉煤灰、炉渣、气化灰渣、脱硫石膏等。据统计煤基固废的年排放量超过15亿吨，上述煤基固废的大量产生与堆积严重阻碍了我国的生态环境保护与深层次发展。针对煤基固废开展规模化、高值化利用是缓解上述问题的最有效方式，制备煤基固废基胶凝材料具有广阔的需求与应用前景。

3、煤基固废基胶凝材料的基体材料包括煤矸石、煤泥、尾矿、粉煤灰、炉渣、气化灰渣、脱硫石膏等煤基固废的一种或几种，此外还包括碱激发剂、水、外加剂等，上述原材料的种类与配合比变化显著影响了煤基固废基胶凝材料的操作性能和工程性能。因此，在实际工程中需要根据原材料的变化及时调整材料配合比，使得煤基固废基胶凝材料的性能满足工程需求与经济性要求。然而，目前尚无针对煤基固废基胶凝材料的配合比设计方法，这已成为限制煤基固废基胶凝材料工程应用与大规模推广的瓶颈问题。

技术实现思路

1、基于上述技术背景，本发明目的在于提供一种适用于煤基固废胶凝材料配合比的设计方法及系统。

2、本发明所称的煤基固废胶凝材料，其原材料包括基体材料、激发剂、水和外加剂，其中，基体材料为煤基固废，如粉煤灰、煤矸石和炉渣等，考虑到煤基固废种类的多样性，结合国内外研究现状，以煤基固废体系的ca/si和si/al表征基体材料的潜在水化活性。以下设计方法的说明中，以常用的激发剂——硅酸钠溶液为例进行说明，如有其他可行激发剂也同样适用本发明提供的设计方法。通过改变胶凝材料中各原料的配比、水固比-养护温度-养护龄期并测试其工作性能，得到对应的试配数据库，所述工作性能指标为流动度和抗压强度。

3、进一步的，本发明通过计算煤基固废体系玻璃体的总含量，将玻璃体含量与个原材料的活性指数差异联合对试配数据库筛选出的配合比进行修正，最终实现满足工程所需性能的同时兼顾经济效益。

4、本发明提供的煤基固废基胶凝材料配合比设计方法，能够实现工作性能优选、原料变化修正、施工需求调整和经济性优选，预测满足特定抗压强度、流动度的配合比，根据不同施工需求与原材料特性，对配合比进行针对性调整，最终通过经济性分析实现“优中选优”。

5、所述煤基固废胶凝材料配合比的设计方法，步骤如下：

6、(1)改变煤基固废基胶凝材料中的原材料配比、水固比、养护龄期、激发剂含量，得到相应的煤基固废基胶凝材料并测试其工作性能，所述工作性能包括流动度和抗压强度，得到煤基固废ca/si-si/al-激发剂含量-水固比-养护温度-养护龄期-工作性能对应的试配数据库；

7、(2)根据目标工作性能，匹配试配数据库以得到ca/si-si/al-激发剂含量-水固比-养护温度-养护龄期对应的数个试配配合比；

8、(3)计算煤基固废体系玻璃体的总含量，根据玻璃体含量与各原材料活性指数差异联合修正各试配配合比中相应原材料的用量，得到相应的修正配合比；

9、(4)根据符合条件的修正配合比及其对应的养护条件进行样品制备和养护，得到试配煤基固废基胶凝材料并进行工作性能测试，包括流动度和抗压强度；

10、(5)筛选出满足目标工作性能对应的修正配合比，再通过原材料配置与经济性分析获取最合适的修正配合比作为最终配合比。

11、上述步骤(1)中，还具有如下的优选的技术方案：

12、养护温度包括20℃和40℃，养护天数包括3d和28d；

13、在20℃下，养护时间为3d的抗压强度与养护时间为28d的抗压强度的关系为：

14、f28＝af3+b

15、在40℃下，养护时间为3d的抗压强度与养护时间为28d的抗压强度的关系为：

16、f28＝cf3+d

17、其中，a、b、c、d为相应的回归系数。

18、所述基体材料为煤矸石、粉煤灰和炉渣；其中，煤矸石在基体材料中的含量为20％，40％，60％，80％和100％，粉煤灰和炉渣的掺量比为1:1。

19、所述激发剂为硅酸钠溶液，占基体材料的8％-12％(质量比)。

20、所述水固比为0.5到0.8。

21、所述煤基固废基胶凝材料的28d抗压强度为3-10mpa，或，流动度为160-280mm。

22、上述步骤(2)中，所述配合比的筛选方式如下：在目标工作性能上下10％范围内，基于步骤(1)确定的试配数据库筛选相应的配合比。

23、上述步骤(3)中，根据胶凝材料的活性指数，计算相应的变化系数：

24、煤矸石的差异系数：ac为新的煤矸石的活性指数，ac0为试配数据库中的煤矸石的活性指数；

25、粉煤灰的差异系数：af为新的粉煤灰的活性指数，af0为试配数据库中的粉煤灰的活性指数；

26、炉渣的差异系数：as为新的炉渣的活性指数，as0为试配数据库中的炉渣的活性指数；

27、玻璃体含量的差异系数：cv为新的基体材料的总玻璃体含量，cv0为试配数据库中的基体材料的总玻璃体含量；

28、胶凝材料的修正抗压强度为：fr＝fλ，f为试配数据库中的胶凝材料的抗压强度，λ为原材料考虑玻璃体含量与各原材料活性指数差异的变异系数。

29、建立胶凝材料的水固比与抗压强度的关系：

30、

31、建立胶凝材料的水固比与流动度的关系：

32、f＝c(w/s)+d

33、其中，a、b、c、d为相应的回归系数。

34、根据上述等式计算得到胶凝材料的水固比：

35、其中，

36、胶凝材料变化后的水固比为：

37、f’为新的胶凝材料的28d抗压强度，f’为新的胶凝材料的流动度；

38、得到胶凝材料变化后的修正需水量w’；

39、根据胶凝材料的修正抗压强度与修正需水量调整试配配合比，得到修正配合比。

40、上述步骤(5)中，若修正后所有试配煤基固废基胶凝材料均未达到目标工作性能，则返回步骤(3)对修正配合比进行微调，直至试配煤基固废基胶凝材料达到目标工作性能。

41、上述设计方法所能够实现的有益效果，具体如下：

42、工作性能优选：通过调整水固比、养护龄期、激发剂含量、原材料配比获得满足要求的抗压强度与流动度配合比。若抗压强度满足而流动度不满足，通过调整外加剂用量改变材料的流动度，再通过原料配比微调使抗压强度保持稳定，最终获得两种性能均满足的配合比；若流动度满足而抗压强度不满足，通过调整原料配比和激发剂含量改变材料的抗压强度，再通过外加剂用量微调使流动度保持稳定，最终获得两种性能均满足的配合比。

43、原料变化修正：通过配合比试验预设材料变化对煤基固废基胶凝材料抗压强度、流动度的影响。以衡量固废潜在水化活性的两个重要指标对原料变化进行修正，包括玻璃体含量与原材料活性指数。通过上述两个指标联合量化调整原材料配比使其达到原配合比试验的要求，将原材料变化导致的工作性能变化降到最低。

44、施工需求调整：从以下两方面对煤基固废基胶凝材料进行施工需求调整。(1)针对施工现场附近易获取的煤基固废原料，分析其物理化学特性和潜在水化活性，对试配配比进行调整；(2)根据工程所需性能，进行煤基固废基胶凝材料的配合比筛选。

45、经济性优选：在煤基固废基胶凝材料满足工程所需抗压强度、流动度的基础上，通过经济性分析对比不同的胶凝材料组合选择最优配合比，在材料工作性能满足工程需求的前提下兼顾经济效益。

46、本发明还提供一种煤基固废基胶凝材料配合比设计系统，应用上述设计方法实现所述配合比的筛选，所述系统包括：

47、数据库模块，用于储存煤基固废基胶凝材料的试配数据库；

48、输入模块，用于输入基体材料变化之后所需达到的目标抗压强度、流动度及试配煤基固废基胶凝材料的抗压强度与流动度；

49、筛选模块，包括匹配功能，修正功能与筛选功能；

50、匹配功能，用于根据胶凝材料变化之后所需达到的目标工作性能，匹配试配数据库以得到ca/si-si/al-激发剂含量-水固比-养护温度-养护龄期-工作性能对应的试配配合比与养护情况；

51、修正模块，根据玻璃体含量与各原材料活性指数差异联合修正各试配配合比中相应原材料的用量，得到相应的修正配合比；

52、筛选模块，筛选出试配煤基固废基胶凝材料的工作性能满足目标工作性能对应的修正配合比，再通过原材料配置与经济性分析获取最合适的修正配合比作为最终配合比；

53、输出模块，用于输出基体材料变化之后所需达到的目标抗压强度、流动度的煤基固废基胶凝材料的配合比。