一种基于煤矸石的矿用喷射混凝土及其制备方法与流程

本发明涉及混凝土材料，尤其涉及一种基于煤矸石的矿用喷射混凝土及其制备方法。

背景技术：

1、矿用喷射混凝土是一种应用于矿山工程中的特种混凝土材料，主要是以水泥、矿物掺合料、添加剂和适量的骨料等原材料经过适当的配比后，采用喷射施工技术将混凝土喷射到矿山巷道、坡道、矿井支护等场所，形成一层坚硬、平滑并具有较高耐磨性和耐久性的保护层。矿用喷射混凝土具有良好的抗压、抗弯、抗冲击和耐磨性能，可以有效地提高巷道和坡道的承载能力和使用寿命，并且可以防止岩石和土壤的落石和塌方等地质灾害。此外，矿用喷射混凝土还具有防火、防爆、防水和隔音等特殊功能，可以提高矿山工程的安全性和环境保护能力。矿用喷射混凝土在矿山工程中有着广泛而重要的应用，是一种具有优异性能和特殊功能的特种混凝土材料。

2、煤矸石是指在煤矿开采和处理过程中产生的含煤的废弃物或副产品。它主要由煤炭岩层中的非经济性部分组成，包括煤炭岩层的碎炭、碳质顶板、岩屑、泥岩和石英等。煤矸石对环境具有一定的影响，因为它常常以大量的形式出现，并且含有一定比例的硫、灰等物质。在堆放或倾倒的过程中，煤矸石可能会引起土地资源的浪费，污染周围的土壤和水源。此外，当煤矸石遇到氧气和水时，可能会形成酸性溶液，导致酸性矿山排放，对水环境和生态系统造成负面影响。为了减少煤矸石对环境的影响，常采取一些措施进行处理。例如，利用煤矸石进行回填、填海造地或固体废弃物填埋；利用先进的煤矸石选煤技术，从煤矸石中回收煤炭资源；通过物理、化学等方法对煤矸石进行加工和处理，使其具有更好的环境友好性等。这些措施旨在最大限度地减少煤矸石对环境的危害，并实现资源的有效利用。

3、近年来开始有学者研究将煤矸石作为粗骨料制备煤矸石喷射混凝土，以达到利用固体废弃物、降低喷射混凝土生产成本的目的。但煤矸石喷射混凝土煤矸石作为一种弱骨料，掺加到混凝土中一般会大大弱化煤矸石混凝土的强度。因此，如何在利用煤矸石作为弱骨料加入混凝土中的同时，而不降低混凝土的力学性能，成为本领域技术人员亟待解决的问题。

技术实现思路

1、为了解决上述的问题，本技术的实施例中提供了一种基于煤矸石的矿用喷射混凝土及其制备方法，本技术实施例提供的喷射混凝土在使用煤矸石作为骨料的同时，依旧具有较佳的力学性能。

2、为此，本技术的实施例中采用如下技术方案：

3、第一方面，本技术提供一种基于煤矸石的矿用喷射混凝土，所述喷射混凝土包括重量比为100：(3-9)的组分a和组分b；其中，a组分包括以下重量份数的组分：水泥100-140份，煤矸石135-150份，水50-70份，掺合料15-20份，甲酸钙1-5份，减水剂4-5份，引气剂1-2份；b组分包括以下重量份数的组分：聚合硫酸铝4-10份，三异丙醇胺1-9份，十八水合硫酸铝1-4份，乙二醇1-4份，纳米氢氧化铝2-5份，辛酸三异丙醇胺酯3-5份。

4、在该实施方式中，煤矸石中的矿物成分主要由高岭土、石英、蒙脱石、长石、伊利石、石灰石、硫化铁、氧化铝组成；煤矸石中的化合物主要由sio2、al2o3、k2o、fe2o3、cao、mgo、so3、p205等氧化物组成，煤矸石中sio2的含量介于40％～70％之间，al2o3的含量介于15％～30％之间。本技术实施例中利用煤矸石作为骨料，实现了固体废弃物的有效利用，降低了喷射混凝土的生产成本。其中，组分a中的水泥、掺合料和添加剂能够提供混凝土的结合性和工作性，使煤矸石与其他材料充分结合；具体的，添加的甲酸钙能够提高喷射混凝土的早期强度，减水剂和引气剂等能够调节混凝土的流动性和密实性，提高喷射混凝土的工作性能和力学性能。组分b中的聚合硫酸铝、三异丙醇胺和纳米氢氧化铝等能够增强混凝土的力学性能和抗渗性能，提高煤矸石喷射混凝土的耐久性和稳定性。组分a和组分b能够在喷射施工时混合后迅速发生反应，形成坚硬的保护层，提高喷射混凝土的力学性能和抗渗性能。

5、作为一个可以实现的实施方式，所述喷射混凝土包括重量比为100：(3-9)的组分a和组分b；其中，a组分包括以下重量份数的组分：水泥100，煤矸石135-140份，水50-60份，甲酸钙2-4份，减水剂4-5份，引气剂1-2份；b组分包括以下重量份数的组分：聚合硫酸铝6-8份，三异丙醇胺4-6份，十八水合硫酸铝1-3份，乙二醇2-3份，纳米氢氧化铝3-4份，辛酸三异丙醇胺酯3-4份。

6、作为一个可以实现的实施方式，所述喷射混凝土包括重量比为100：(3-9)的组分a和组分b；其中，a组分包括以下重量份数的组分：水泥100份，煤矸石135份，水55份，甲酸钙3份，减水剂4份，引气剂1份；b组分包括以下重量份数的组分：聚合硫酸铝6份，三异丙醇胺6份，十八水合硫酸铝1份，乙二醇2份，纳米氢氧化铝4份，辛酸三异丙醇胺酯4份。

7、在该实施方式中，申请人经过探究，采用上述配比的喷射混凝土，能够充分发挥出各组分的优势，使得喷射混凝土在使用煤矸石作为骨料的同时，具有较佳的力学性能。

8、作为一个可以实现的实施方式，所述b组分采用以下步骤制备：将聚合硫酸铝在55-65℃的温度下加热溶解在水中，随后在相同的温度下加入三异丙醇胺和乙二醇搅拌30min，接着加入十八水合硫酸铝搅拌30min后，再加入纳米氢氧化铝搅拌30min，并边搅拌边滴加辛酸三异丙醇胺酯即得b组分。

9、在该实施方式中，该制备方法简单易行，操作便捷，制备出来的b组分品质稳定可靠，可以满足实际生产需要。其中，聚合硫酸铝和十八水合硫酸铝作为主要促凝组分，能够使得喷射混凝土产生速凝效果。三异丙醇胺能够提升喷射混凝土的早期强度性能和促凝效果，同时还起到络合铝离子形成稳定络合物的作用，配合辛酸三异丙醇胺酯，使得b组分更加稳定。乙二醇能够提升喷射混凝土的后期强度。而纳米氢氧化铝可以增强混凝土的收缩性能和抗渗性能，提高喷射混凝土的耐久性和稳定性。辛酸三异丙醇胺酯作为速凝剂，可以在混凝土喷射施工后迅速发生反应，并形成坚硬的保护层，提高混凝土的早期强度和耐久性，同时，辛酸三异丙醇胺酯还能起到稳定剂的作用，提升b组分的稳定性。

10、作为一个可以实现的实施方式，所述煤矸石分为0-2.5mm，2.5-5mm，5-10mm，10-15mm不同粒径范围的煤矸石骨料，且各粒径范围的煤矸石骨料的重量百分比分别为0-2.5mm：28.1-57.4％，2.5-5mm：13.8-17.6％，5-10mm：15.1-28.5％，10-15mm：13.7-25.8％。

11、在该实施方式中，本技术实施例采用煤矸石完全取代喷射混凝土中的粗、细骨料。经过验证，在上述级配的情况下，大颗粒之间通过相互嵌镶构成骨架，充足数量的细骨料对骨架间的空隙进行填充，从而形成连续级配，这种结构在加入胶凝材料后喷射混凝土内摩擦角较高，粘聚力也较高。因此，上述合理的连续级配的密实度较好，有较好的堆积密度，减少颗粒间的空隙，增强颗粒间的啮合效果，能够充分发挥水泥的粘结作用以及集料的骨架作用，对于混凝土强度的增加较为明显。同时，合适的级配能够提升喷射混凝土的泵送性，降低回弹率。

12、作为一个可以实现的实施方式，所述掺合料包括重量比为3-5:2-4:1-2的硅灰、纳米二氧化硅及纳米硅酸铝。

13、在该实施方式中，通过以硅灰、纳米二氧化硅及纳米硅酸铝复配作为掺合料，可以有效抑制由煤矸石引起的喷射混凝混凝土强度的降低，可以使得喷射混凝土的早期强度和后期强度得到有效保障。

14、作为一个可以实现的实施方式，引气剂包括烷基磺酸钠、烷基硫酸钠、烷基苯磺酸钠、脂肪醇聚氧乙烯醚中的任意一种。

15、在该实施方式中，引气剂是一种能在混凝土拌和过程中引入大量细小、均匀气泡的外加剂，通过引入适当大小及适量的气泡可显著改善混凝土拌合物的和易性及减小坍落度损失，提高混凝土的强度及抗冻、抗渗、抗碳化等耐久性。

16、作为一个可以实现的实施方式，所述水泥为p.o42.5普通硅酸盐水泥。

17、在该实施方式中，采用p.o42.5普通硅酸盐水泥作为喷射混凝土的主要胶凝材料，能够保证混凝土的力学性能、耐久性和施工质量，同时也具有较高的经济效益和实用价值。

18、作为一个可以实现的实施方式，所述减水剂为聚羧酸高性能减水剂。

19、在该实施方式中，由于本技术中的骨料为煤矸石，煤矸石的需水量较多，为了降低水灰比，故而加入聚羧酸高性能减水剂，以减少混凝土中的水用量，同时保持混凝土的流动性和可泵性，从而提高混凝土的施工性能、强度和耐久性。

20、第二方面，本技术提供一种基于煤矸石的矿用喷射混凝土的制备方法，包括以下步骤：

21、(1)、按照原料所需配比，将水泥100-140份，煤矸石135-150份，水50-70份，掺合料15-20份，甲酸钙1-5份，减水剂4-5份，引气剂1-2份搅拌均匀得到组分a；

22、(2)、将聚合硫酸铝4-10份在55-65℃的温度下加热溶解在10-20份水中，随后在相同的温度下加入三异丙醇胺1-9份和乙二醇1-4份搅拌30min，接着加入十八水合硫酸铝1-4份搅拌30min后，再加入纳米氢氧化铝2-5份搅拌30min，并边搅拌边滴加辛酸三异丙醇胺酯3-5份即得b组分；

23、(3)、按照重量比100：(3-9)将组分a和组分b混合均匀即可。

24、综上所述，本技术具有以下有益效果：

25、1、本技术实施例中利用煤矸石作为骨料，实现了固体废弃物的有效利用，降低了喷射混凝土的生产成本；

26、2、本技术实施例中通过掺加掺合料可以有效抑制由煤矸石引起的喷射混凝混凝土强度的降低，可以使得喷射混凝土的早期强度和后期强度得到有效保障；

27、3、本技术实施例b组分中的聚合硫酸铝，三异丙醇胺，十八水合硫酸铝，乙二醇，纳米氢氧化铝，辛酸三异丙醇胺酯能够和掺合料共同作用，使得喷射混凝土的早期强度和后期强度得到有效保障，使得喷射混凝土在使用煤矸石作为骨料的同时，具有较佳的力学性能。