本发明涉及水泥基建筑材料，尤其是涉及一种超高延性耐高温煤矸石混凝土及其制备方法。
背景技术：
1、煤炭是重要的化石能源之一，随着煤炭的大规模开发利用，煤炭开采和洗煤过程中排放的固体废弃物煤矸石越来越多。煤矸石的大量堆积严重污染大气、土地和水源，对堆放区域周边的安全及环境产生了隐患，其资源化利用已迫在眉睫。煤矸石是一种由砂岩和页岩等组成的复杂混合物，较碎石孔隙率大，且针片状颗粒含量高，棱角多，内部结构复杂，直接利用原状煤矸石制备混凝土易发生脆性断裂，易受高温损伤，在延性、抗压强度等方面往往无法满足多要求的工程需求，这限制了其在某些工程中的应用。
2、超高延性混凝土(ultra-high ductile concrete，uhdc)作为一种新兴的建筑材料，具有广泛的应用前景。其基于微观力学的设计原理，通常采用水泥、石英砂等为基体，以纤维作为增强材料来制备，在荷载作用下具有应变硬化和微裂缝开裂的特征，是一种具有优异变形能力的新型高性能混凝土材料。uhdc的制备过程中利用了纤维的高效桥联作用，煤矸石的微观及宏观形貌均呈现不规则状态，这有助于纤维的分散以及增强纤维与基体的界面粘结作用，但单纯将普通煤矸石和水泥基复合材料相结合制备混凝土，对其性能又会产生较大负面影响。
3、专利1(褚凤明,赵连地,褚天舒，一种全煤矸石高性能混凝土及其制备方法，cn115710115a，2023.02.24)公布了一种全煤矸石高性能混凝土制备方法，该发明采用复合粉状增强剂，地质聚合物掺合料，煤矸石物料制备了界面结合强度高，抗压强度性能优异的混凝土，该发明中专注于提升混凝土抗压强度，未能改善混凝土的韧性和抗拉能力，其脆性仍较高。专利2(秦卿，一种粉煤灰基地聚物改性煤矸石混凝土砌块及其制备方法，cn113845350a，2021.12.28)公布了一种粉煤灰基地聚物改性煤矸石混凝土砌块制备方法，该发明采用煤矸石、粉煤灰等固体废弃物制备了低成本、具有较好的力学性能的混凝土砌块，但其抗压性能最高只能达到22.3mpa，抗折性能最高只能达到2.3mpa，未改善混凝土的拉伸变形能力和耐高温性能，在煤矸石的高效利用上仍有所欠缺。本课题组前期对耐高温高延性混凝土进行了研究，并申请专利cn116217182a，其主要是通过采用特殊的混杂纤维和橡胶颗粒提高混凝土耐高温性能和高延性，然而，该混凝土没有添加粗骨料，也没有添加机制砂，实验过程发现此专利中的混杂纤维不再适合本发明添加煤矸石和机制砂作为骨料的超高延性混凝土，需要另外探究其他种类混杂纤维和外加剂来满足本发明材料体系的需要。
技术实现思路
1、为解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种超高延性耐高温煤矸石混凝土及其制备方法，通过热活化技术处理回收的煤矸石，混掺入纤维，再利用改性碳酸钙晶须增强其耐高温性能，制备一种绿色低碳、耐高温的高延性煤矸石混凝土，有利于煤矸石混凝土在建筑结构中的推广使用。
2、具体的，本发明超高延性耐高温煤矸石混凝土，由以下重量份原料组成：水泥300-450份，粉煤灰190-260份，硅灰170-220份，改性煤矸石580-800份，机制砂280-520份，水160-230份，聚乙烯纤维10-20份，聚丙烯纤维1-10份，改性碳酸钙晶须30-65份，减水剂3-8份，聚乙二醇甲基丙烯酸酯1-2份，增稠剂0.5-2份。
3、优选的，所述改性煤矸石制备工艺为：将煤矸石在700-800℃煅烧，冷却，粗碎，初筛，细磨，二筛，即得5-15mm改性煤矸石。更优选的，煅烧采用热风炉，冷却采用置于篦冷机或单筒冷却机，初筛、二筛均采用5mm和15mm网筛。
4、本发明研究表明，利用原状煤矸石粗骨料所制备的混凝土，易发生脆性断裂，抗压强度低，界面过渡区更厚、更疏松，形状不规则且疏松多孔的颗粒数量增加，主要是因为附着在原状煤矸石骨料表面的煤等杂质对水泥基体间黏结性能产生负面影响。本发明通过热活化技术对煤矸石进行改性，改性后煤矸石内部的碳质及有机物被有效去除，骨料中产生大量非晶态sio2和al2o3。混凝土养护过程中，骨料表面的非晶态物质与水泥水化过程的ca(oh)2在界面过渡区处发生火山灰反应，达到改善水泥基材料的孔结构，可有效提升混凝土的力学性能。
5、改性煤矸石的粒径越大，其相应的比表面积减小，则所需的水泥浆量减少，在一定的和易性和水泥用量条件下，则能减少用水量而提高混凝土强度，从这方面来看，粒径应选略大一些的，但并不是粒径越大越好，粒径越大则内部出现裂缝的概率越大，颗粒在混凝土拌合下沉速度越快，造成混凝土内颗粒分布不均匀，降低强度，本发明中对粒径进行了限制，粉碎至最大粒径15mm以下且去除小于5mm的细粉。并且，本发明采用改性煤矸石作为粗集料，采用机制砂作为细集料，加之添加大量纤维和晶须，制备得到的混凝土和易性较差，为此，本发明添加聚乙二醇甲基丙烯酸酯和增稠剂协同改善混凝土和易性，起到很好的效果。
6、优选的，所述改性碳酸钙晶须制备工艺为：将碳酸钙晶须加入氢氧化钠溶液中，恒温搅拌，洗涤，烘干后，与乙醇、去离子水、氨水混合搅拌，加入正硅酸乙酯继续搅拌，去离子水洗涤、抽滤、烘干，即得。更优选的，氢氧化钠溶液质量浓度为5％，恒温搅拌温度为45℃，烘干温度为80℃。
7、优选的，所述水泥为硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥，强度等级≥42.5，更优选的，水泥初凝时间为35min，终凝时间为3.5h。
8、优选的，所述粉煤灰为一级粉煤灰，粒径范围45-300μm，比表面积≥400m2/kg。
9、优选的，所述硅灰比表面积≥20000m2/kg，更优选的，所述硅灰平均粒径为0.1μm，实测密度为2.216g·cm-3，比表面积为20000m2/kg。
10、优选的，所述机制砂含水率≤0.2％，最大粒径≤2mm，含泥含粉量≤0.1％。
11、优选的，所述聚乙烯纤维长度为12-36mm，直径为20-40μm，长径比≥600，弹性模量≥100gpa，抗拉强度≥2800mpa，所述聚丙烯纤维长度10-22mm，直径为20-30μm，长径比≥600，弹性模量≥100gpa，抗拉强度≥800mpa。
12、本发明混掺聚乙烯纤维、聚丙烯纤维作为增强增韧材料，并利用改性碳酸钙晶须提升其耐高温性能。改性碳酸钙晶须属于微米尺度的纤维，混掺纤维和晶须之间的高效桥联作用，从宏观和微观角度均抑制煤矸石混凝土微裂缝的产生与扩展，减少了超高延性耐高温煤矸石混凝土中的有害孔数量，细化了孔隙结构。其次混掺纤维、晶须和混凝土之间通过粘结力和机械咬合力共同承受拉应力，提高混凝土的承载力，在一定程度上可以减小结构截面尺寸，并且通过阻裂防止外界水分侵入，提高了水泥基体的密实性，使所制备的混凝土相比传统煤矸石混凝土具有更高的抗压强度和抗拉强度。
13、聚乙烯纤维熔点为108℃-126℃，聚丙烯纤维熔点为165℃-173℃，混掺纤维在高温下会熔解，为超高延性耐高温煤矸石混凝土结构内部水蒸气提供迁移通道，使构件中蒸汽压得到释放，有效抑制了高温爆裂现象，提高煤矸石混凝土的耐高温性能。聚丙烯纤维耗能低，抗拉强度略差，但同时具备较低的弹性模量，聚乙烯纤维具有较高的抗拉强度和拉伸弹性模量，两种纤维混掺利于提高纤维的裂缝容忍度，对于实现煤矸石混凝土的超高延性、高耐久性和良好的裂缝控制行为至关重要。而且，聚乙烯纤维和聚丙烯纤维的憎水特性可显著提高纤维拔出过程中的补充余能，有助于实现超高延性耐高温煤矸石混凝土的应变硬化和多缝开裂。
14、对碳酸钙晶须进行改性处理，使其表面附着更多的sio2，在后期sio2参与水化反应，生成更多的c-s-h凝胶，改性碳酸钙晶须被水化产物紧密包裹，增加了其与水泥基体的界面粘结作用，抑制混凝土水化硬化过程中微裂缝的产生与扩展。本发明中改性碳酸钙晶须的加入不仅优化了水泥基体的孔径分布，还减少了超高延性耐高温煤矸石混凝土中的有害孔数量，提高了水泥基复合材料基体的致密性。此外，改性碳酸钙晶须高温稳定，可有效降低超高延性耐高温煤矸石混凝土在高温下由于混合纤维熔解产生水蒸气逸出通道而导致的高温力学性能降低和强度失效的现象，两者共同作用，提升了超高延性耐高温煤矸石混凝土的耐高温性能。
15、优选的，所述减水剂为聚羧酸高效减水剂，减水率大于19％。
16、优选的，所述增稠剂为聚丙烯酰胺。
17、本发明还涉及上述超高延性耐高温煤矸石混凝土的制备方法，具体的，包括如下步骤：
18、1)按重量份称取各原料；
19、2)将水泥、改性煤矸石采用搅拌机慢速搅拌均匀；
20、3)向搅拌机加入机制砂、粉煤灰、硅灰、改性碳酸钙晶须、水，搅拌均匀，加入减水剂和聚乙二醇甲基丙烯酸酯慢速搅拌；
21、4)加入增稠剂慢速搅拌；
22、5)缓慢将聚乙烯纤维、聚丙烯纤维加入搅拌机，先慢速搅拌再快速搅拌，使纤维分散均匀，得混凝土浆料；
23、6)将混凝土浆料成型、脱模、养护，即得。
24、优选的，慢速搅拌的转速为95-115r/min，快速搅拌的转速为195-215r/min。
25、优选的，慢速搅拌时间为1-3min，快速搅拌时间为2-4min。
26、优选的，成型采用振捣成型，更优选的，振捣过程中采用双向振捣方式，确保混凝土在振捣过程中获得均匀的力学性能。振捣过程中的振捣频率通常为50-70hz，振捣时间通常为2-3min，并在成型后和脱模前采取适当的保湿措施，如湿养护和覆盖保护，确保混凝土的早期强度和耐久性。
27、优选的，养护采用标准养护至7-14d。
28、本发明具有以下技术优势：
29、1)本发明中混合纤维、晶须之间的相互桥接，从宏观和微观角度均抑制超高延性耐高温煤矸石混凝土的开裂，相比传统煤矸石混凝土具有更高的抗压强度和抗拉强度，常温下的抗压强度通常达50mpa以上，抗拉强度达6mpa以上，较普通煤矸石表现出良好的性能，能够满足高强度和高延性的工程需求。
30、2)本发明中改性碳酸钙晶须的加入可有效降低煤矸石混凝土在高温下由于混合纤维熔解产生水蒸气逸出通道而导致的高温力学性能降低和强度失效的现象，在经历高温时，当裂纹扩展至晶须表面，需要消耗更多能量来克服晶须与水泥基体界面的摩擦，使煤矸石混凝土表现出较好耐高温性能。
31、3)本发明利用固体废物煤矸石，解决煤矸石堆放周边环境问题和安全隐患，采用机制砂作为细骨料，并利用聚乙二醇甲基丙烯酸酯和增稠剂改善混凝土和易性，制备高性能混凝土，降低成本，绿色低碳、节能环保。