一种煤矸石化学发泡混凝土及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种煤矸石化学发泡混凝土及其制备方法，属于建筑材料技术领域。
背景技术
煤矸石是在采煤和选煤过程中产生的固体废弃物，约占全国固体废弃物总量的10-15％，已成为我国最大宗的工业固体废弃物。据统计，我国煤矸石堆积量已超过50亿吨，且每年仍以1.5～2亿吨增长，其不仅堆积占地，还能自燃污染空气或引起火灾。目前煤矸石的利用虽然途径较多，但综合利用率仍不高，除环境因素和技术条件的影响外，关键因素是由于中国不同地区煤矸石的理化性能差异较大，给其资源化利用带来诸多困难。
河南煤业化工集团焦煤集团九里山矿地处巍峨雄伟的太行山南麓，是焦煤集团主力生产矿井之一，其每年会产生大量的煤矸石，且难以得到有效利用。因此针对九里山矿出产的煤矸石的矿物组分、化学成分及物理性能进行研究，能够为煤矸石的资源化利用提供可靠依据，也能够为九里山矿出产的煤矸石制定合适的、个性化的回收利用提供指导。目前，并没有针对该矿出产的煤矸石在化学发泡混凝土中的利用。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的是提供一种煤矸石化学发泡混凝土及其制备方法，本发明制备的煤矸石化学发泡混凝土与传统采用双氧水作为发泡剂的发泡混凝土相比，具有浆料水灰比小，发泡混凝土后期强度高，发泡速度慢等特点，在浆体浇注后才会慢慢起泡，全部完成发泡需要10～30min，适合大型生产线的生产，适合泵送，不影响发泡。且对环境温度的要求也不严苛，在温度较低的环境也可以生产，延长了生产周期，降低了生产条件。本发明制备的煤矸石化学发泡混凝土具有材质轻、强度高、保温效果好、施工成本低、安全系数高等优点。可用于建筑外墙保温、屋顶保温、沉降式卫生间回填、矿井采空区充填。
为了实现上述目的，本发明的技术方案之一是：
一种煤矸石化学发泡混凝土，包括以下质量比的原料：快硬硫铝酸盐水泥或普通硅酸盐水泥70：煤矸石和生石灰的混合物30：发泡水泥防水稳泡剂2：发泡水泥早强增强剂0.8-1：萘系减水剂0.35-0.5：二氧化锰0.8：水30-45：氯酸钾溶液12；其中，煤矸石和生石灰的混合物中煤矸石和生石灰的质量比为10:2。
煤矸石的粒径为0.63mm、0.315mm、0.16mm中至少一种。
优选的，煤矸石化学发泡混凝土，包括以下质量比的原料：快硬硫铝酸盐水泥70：0.16mm粒径的煤矸石和生石灰的混合物8：0.315mm粒径的煤矸石和生石灰的混合物12：0.63mm粒径的煤矸石和生石灰的混合物10：发泡水泥防水稳泡剂2：发泡水泥早强增强剂1：萘系减水剂0.38：二氧化锰0.8：水32：氯酸钾溶液12；其中，各粒径煤矸石和生石灰的混合物中煤矸石和生石灰的质量比均为10:2。
优选的，煤矸石化学发泡混凝土，包括以下质量比的原料：普通硅酸盐水泥70：0.16mm粒径的煤矸石和生石灰的混合物8：0.315mm粒径的煤矸石和生石灰的混合物12：0.63mm粒径的煤矸石和生石灰的混合物10：发泡水泥防水稳泡剂2：发泡水泥早强增强剂1：萘系减水剂0.4：二氧化锰0.8：水30：氯酸钾溶液12；其中，各粒径煤矸石和生石灰的混合物中煤矸石和生石灰的质量比均为10:2。
煤矸石的化学成分质量百分比为：SiO2%2048.76％、Fe2O3%206.26％、Al2O3%2037.64％、CaO%206.03％、Na2O%200.13％、MgO%200.21％、K2O%200.69％、TiO2%200.23％，其它0.05％。
氯酸钾溶液的制备方法为：将2kg氯酸钾溶于50℃的10kg水中。
萘系减水剂为β-萘磺酸钠甲醛缩合物。
煤矸石和生石灰的混合物的制备方法为：
①将煤矸石加水浸湿24h；
②在浸湿24h的煤矸石中加入生石灰，球磨1h，过筛，得到煤矸石和生石灰的混合物。
其中，煤矸石和水的固液比为5kg：1L。
本发明的技术方案之一是：
一种煤矸石化学发泡混凝土的制备方法，包括以下步骤：
(1)将煤矸石和生石灰的混合物放入回转窑中，加热至1200℃煅烧1h，停止加热，随窑冷却2h，取出备用；
(2)将二氧化锰进行球磨，过筛得到180目粉末，备用；
(3)将快硬硫铝酸盐水泥或普通硅酸盐水泥、煅烧后的煤矸石和生石灰的混合物、发泡水泥防水稳泡剂、发泡水泥早强增强剂、萘系减水剂、二氧化锰和水混合，搅拌均匀，制成第一次混合物；
(4)将氯酸钾溶液加入第一次混合物中，搅拌均匀，制成第二次混合物；
(5)将第二次混合物倒入模具中成型，脱模，自然养护后制备完成。
本发明的有益效果：
1、以固体废弃物煤矸石为主要原料之一，能够有效解决煤矸石对环境不友好的问题，并能够提高废物资源的回收再利用率，具有良好的经济和社会效益。同时本发明针对九里山矿出产的煤矸石的成分特点(高SiO2和Al2O3)以及较易破碎的优势，采用特定比例的原料与之组合，能够制备得到性能良好的化学发泡混凝土。本发明的方法也适用于其它相似理化特性的矿产煤矸石，可根据煤矸石理化性质的不同对配方进行调整，具有良好的推广应用价值。
2、利用机械球磨的方法增大煤矸石比表面积，破坏煤矸石的颗粒构造，使煤矸石中铝的浸出率由最初的6.64％增至83.15％，从而使煤矸石活性大大增高，有利于水泥水化反应。
3、在浸湿的煤矸石中掺入生石灰，一起球磨后在回转窑在1200℃锻烧，掺入的生石灰及煤矸石本身含有的生石灰与煤矸石中的SiO2反应生成硅酸二钙，分子式如下：2CaO+SiO2＝2CaO·SiO2，(2CaO·SiO2)能够发生水化反应，进一步有利于水泥水化反应。
4、采用氯酸钾作为发泡剂，氯酸钾虽然有毒，内服2-3g就可能引起中毒而死亡。但氯酸钾在二氧化锰作为催化剂的条件下，在较低温(如常温)下就能分解，释放出氧气及氯化钾，分子式如下：2KClO3＝2KCl+3O2。氯化钾无毒性且能加速混凝土凝结硬化，提高早期强度，增加混凝土抗冻能力的性能，有利于在负温下硬化。且2KClO3＝2KCl+3O2是放热反应，能提高早期混凝土强度。另一方面，氯酸钾作为发泡剂，二氧化锰作为催化剂，也能有效降低对生产条件的要求，传统双氧水作为发泡剂水温大多要40℃左右，对环境温度也要求大于25℃，在自然温度较低的月份就不能常温生产，每年的生产周期短(5～10月)，氯酸钾作为发泡剂，二氧化锰作为催化剂不需要热水，对环境温度的要求也不那么严苛，在温度较低的环境也可以生产，延长了生产周期，降低了生产条件。本发明将氯酸钾配制成溶液使用，是由于氯酸钾为强氧化剂，常温下稳定，但在日光照射下易发生自爆，因此将它溶于水中制成溶液可以避免自爆发生。
5、将二氧化锰在球磨机中球磨，通过砂石标准筛得到180目粉末，可以使二氧化锰与氯酸钾更好结合，均匀释放氧气，使发泡混凝土产生均匀气孔，空隙率高。
6、采用快硬硫铝酸盐水泥或普通硅酸盐水泥为胶凝材料，由于快硬硫铝酸盐水泥和普通硅酸盐水泥本身性质特点不同，制备的化学发泡混凝土的应用情况也不相同。快硬硫铝酸盐水泥凝结硬化快、碱度低，发泡速度慢、稳泡性能好，低温性能好，但抗碳化性差，容易风化，所以适合沉降式卫生间回填、矿井采空区充填。普通硅酸盐水泥水化热大、抗冻性好、干缩小、耐磨性较好、抗碳化性较好，可用于建筑外墙保温、屋顶保温。
7、本发明得到的新型煤矸石化学发泡混凝土具有材质轻、强度高、保温效果好、施工成本低、安全系数高等优点。检测结果表明，本发明制备的化学发泡混凝土的干密度154-182kg/m3，导热系数0.054-0.73W/(m.k)，抗压强度0.35-1.1MPa，抗拉强度0.09-0.14MPa，吸水率＜10％。
具体实施方式
以下结合实施例对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。
本发明所用的煤矸石产自河南煤业化工集团焦作煤业(集团)有限责任公司的九里山矿，对其进行XRD测试，其矿物成分为：石英、高岭石、钙长石、石灰石、白云石等。其化学成分的质量百分比如下表：
河南煤业化工集团焦作煤业(集团)有限责任公司的九里山矿出产的煤矸石压碎指标为19.3％。
本发明所用氯酸钾溶液的制备方法为：将2kg氯酸钾溶于50℃的10kg水中，使用时现配。
本发明所用发泡水泥防水稳泡剂和发泡水泥早强增强剂均购自廊坊帅腾化工有限公司。
实施例1
一种煤矸石化学发泡混凝土，包括以下质量比的原料：快硬硫铝酸盐水泥52.570：煤矸石(粒径0.16mm)和生石灰的混合物30：发泡水泥防水稳泡剂2：发泡水泥早强增强剂0.8：β-萘磺酸钠甲醛缩合物0.5：二氧化锰0.8：水45：氯酸钾溶液12。
其中，煤矸石和生石灰的混合物中煤矸石和生石灰的质量比为10:2。
煤矸石和生石灰的混合物的制备方法为：
①将煤矸石加水浸湿24h(煤矸石和水的固液比为5kg：1L)；
②在浸湿24h的煤矸石中加入生石灰，球磨1h，通过砂石标准筛得到0.16mm粒径的煤矸石和生石灰的混合物。
煤矸石化学发泡混凝土的制备方法，包括以下步骤：
(1)将煤矸石和生石灰的混合物放入回转窑中，加热至1200℃煅烧1h，停止加热，随窑冷却2h，取出备用；
(2)将二氧化锰进行球磨，通过砂石标准筛得到180目粉末，备用；
(3)将快硬硫铝酸盐水泥52.5、煅烧后的0.16mm粒径的煤矸石和生石灰的混合物、发泡水泥防水稳泡剂、发泡水泥早强增强剂、β-萘磺酸钠甲醛缩合物、二氧化锰和水混合，搅拌均匀，制成第一次混合物；
(4)将氯酸钾溶液加入第一次混合物中，搅拌均匀，制成第二次混合物；
(5)将第二次混合物倒入模具中成型，24h脱模，自然养护28d(保持表面湿润)，制备完成。
实施例2
一种煤矸石化学发泡混凝土，包括以下质量比的原料：快硬硫铝酸盐水泥52.570：煤矸石(粒径0.315mm)和生石灰的混合物30：发泡水泥防水稳泡剂2：发泡水泥早强增强剂0.8：β-萘磺酸钠甲醛缩合物0.45：二氧化锰0.8：水35：氯酸钾溶液12。
其中，煤矸石和生石灰的混合物中煤矸石和生石灰的质量比为10:2。
煤矸石和生石灰的混合物的制备方法为：
①将煤矸石加水浸湿24h(煤矸石和水的固液比为5kg：1L)；
②在浸湿24h的煤矸石中加入生石灰，球磨1h，通过砂石标准筛得到0.315mm粒径的煤矸石和生石灰的混合物。
煤矸石化学发泡混凝土的制备方法，包括以下步骤：
(1)将煤矸石和生石灰的混合物放入回转窑中，加热至1200℃煅烧1h，停止加热，随窑冷却2h，取出备用；
(2)将二氧化锰进行球磨，通过砂石标准筛得到180目粉末，备用；
(3)将快硬硫铝酸盐水泥52.5、煅烧后的0.315mm粒径的煤矸石和生石灰的混合物、发泡水泥防水稳泡剂、发泡水泥早强增强剂、β-萘磺酸钠甲醛缩合物、二氧化锰和水混合，搅拌均匀，制成第一次混合物；
(4)将氯酸钾溶液加入第一次混合物中，搅拌均匀，制成第二次混合物；
(5)将第二次混合物倒入模具中成型，24h脱模，自然养护28d(保持表面湿润)，制备完成。
实施例3
一种煤矸石化学发泡混凝土，包括以下质量比的原料：快硬硫铝酸盐水泥52.570：0.63mm粒径的煤矸石(粒径0.63mm)和生石灰的混合物30：发泡水泥防水稳泡剂2：发泡水泥早强增强剂0.8：β-萘磺酸钠甲醛缩合物0.35：二氧化锰0.8：水30：氯酸钾溶液12。
其中，煤矸石和生石灰的混合物中煤矸石和生石灰的质量比为10:2。
煤矸石和生石灰的混合物的制备方法为：
①将煤矸石加水浸湿24h(煤矸石和水的固液比为5kg：1L)；
②在浸湿24h的煤矸石中加入生石灰，球磨1h，通过砂石标准筛得到0.63mm粒径的煤矸石和生石灰的混合物。
煤矸石化学发泡混凝土的制备方法，包括以下步骤：
(1)将煤矸石和生石灰的混合物放入回转窑中，加热至1200℃煅烧1h，停止加热，随窑冷却2h，取出备用；
(2)将二氧化锰进行球磨，通过砂石标准筛得到180目粉末，备用；
(3)将快硬硫铝酸盐水泥52.5、煅烧后的0.63mm粒径的煤矸石和生石灰的混合物、发泡水泥防水稳泡剂、发泡水泥早强增强剂、β-萘磺酸钠甲醛缩合物、二氧化锰和水混合，搅拌均匀，制成第一次混合物；
(4)将氯酸钾溶液加入第一次混合物中，搅拌均匀，制成第二次混合物；
(5)将第二次混合物倒入模具中成型，24h脱模，自然养护28d(保持表面湿润)，制备完成。
实施例4
一种煤矸石化学发泡混凝土，包括以下质量比的原料：快硬硫铝酸盐水泥52.570：0.16mm粒径的煤矸石和生石灰的混合物8：0.315mm粒径的煤矸石和生石灰的混合物12：0.63mm粒径的煤矸石和生石灰的混合物10：发泡水泥防水稳泡剂2：发泡水泥早强增强剂1：β-萘磺酸钠甲醛缩合物0.38：二氧化锰0.8：水32：氯酸钾溶液12。
其中，各粒径煤矸石和生石灰的混合物中煤矸石和生石灰的质量比均为10:2。
各粒径煤矸石和生石灰的混合物的制备方法为：
①将煤矸石加水浸湿24h(煤矸石和水的固液比为5kg：1L)；
②在浸湿24h的煤矸石中加入生石灰，球磨1h，通过砂石标准筛，分别得到0.16mm粒径的煤矸石和生石灰的混合物、0.315mm粒径的煤矸石和生石灰的混合物、0.63mm粒径的煤矸石和生石灰的混合物。
煤矸石化学发泡混凝土的制备方法，包括以下步骤：
(1)将0.16mm粒径的煤矸石和生石灰的混合物、0.315mm粒径的煤矸石和生石灰的混合物、0.63mm粒径的煤矸石和生石灰的混合物放入回转窑中，加热至1200℃煅烧1h，停止加热，随窑冷却2h，取出备用；
(2)将二氧化锰进行球磨，通过砂石标准筛得到180目粉末，备用；
(3)将快硬硫铝酸盐水泥52.5、煅烧后的0.16mm粒径的煤矸石和生石灰的混合物、煅烧后的0.315mm粒径的煤矸石和生石灰的混合物、煅烧后的0.63mm粒径的煤矸石和生石灰的混合物、发泡水泥防水稳泡剂、发泡水泥早强增强剂、β-萘磺酸钠甲醛缩合物、二氧化锰和水混合，搅拌均匀，制成第一次混合物；
(4)将氯酸钾溶液加入第一次混合物中，搅拌均匀，制成第二次混合物；
(5)将第二次混合物倒入模具中成型，24h脱模，自然养护28d(保持表面湿润)，制备完成。
实施例5
一种煤矸石化学发泡混凝土，包括以下质量比的原料：普通硅酸盐水泥52.5%2070：0.16mm粒径的煤矸石和生石灰的混合物8：0.315mm粒径的煤矸石和生石灰的混合物12：0.63mm粒径的煤矸石和生石灰的混合物10：发泡水泥防水稳泡剂2：发泡水泥早强增强剂1：β-萘磺酸钠甲醛缩合物0.4：二氧化锰0.8：水30：氯酸钾溶液12。
其中，各粒径煤矸石和生石灰的混合物中煤矸石和生石灰的质量比均为10:2。
各粒径煤矸石和生石灰的混合物的制备方法为：
①将煤矸石加水浸湿24h(煤矸石和水的固液比为5kg：1L)；
②在浸湿24h的煤矸石中加入生石灰，球磨1h，通过砂石标准筛，分别得到0.16mm粒径的煤矸石和生石灰的混合物、0.315mm粒径的煤矸石和生石灰的混合物、0.63mm粒径的煤矸石和生石灰的混合物。
煤矸石化学发泡混凝土的制备方法，包括以下步骤：
(1)将0.16mm粒径的煤矸石和生石灰的混合物、0.315mm粒径的煤矸石和生石灰的混合物、0.63mm粒径的煤矸石和生石灰的混合物放入回转窑中，加热至1200℃煅烧1h，停止加热，随窑冷却2h，取出备用；
(2)将二氧化锰进行球磨，通过砂石标准筛得到180目粉末，备用；
(3)将普通硅酸盐水泥52.5、煅烧后的0.16mm粒径的煤矸石和生石灰的混合物、煅烧后的0.315mm粒径的煤矸石和生石灰的混合物、煅烧后的0.63mm粒径的煤矸石和生石灰的混合物、发泡水泥防水稳泡剂、发泡水泥早强增强剂、β-萘磺酸钠甲醛缩合物、二氧化锰和水混合，搅拌均匀，制成第一次混合物；
(4)将氯酸钾溶液加入第一次混合物中，搅拌均匀，制成第二次混合物；
(5)将第二次混合物倒入模具中成型，24h脱模，自然养护28d(保持表面湿润)，制备完成。
对本发明实施例1-5所制备得到的煤矸石化学发泡混凝土性能进行检测，结果见下表：
结果表明，本发明得到的新型煤矸石化学发泡混凝土具有材质轻、强度高、保温效果好、施工成本低、安全系数高等优点，其中实施例4和实施例5的效果最佳。
