本發(fā)明屬于新型建筑材料及固廢資源化利用，具體涉及一種煤基多元固廢人造輕集料及其制備方法和應(yīng)用。
背景技術(shù)：
1、建設(shè)工程更新建造的速度和規(guī)?？涨埃瑢?duì)砂石集料的需求量逐年增大，采石挖砂嚴(yán)重破壞了生態(tài)環(huán)境，為解決大規(guī)模建設(shè)與環(huán)境保護(hù)這一突出矛盾，迫切需要研發(fā)相應(yīng)可替代的“人造集料”。煤矸石作為排放量最大的固體廢棄物之一，綜合利用率不足60%，大量堆存不僅占用土地資源，而且污染環(huán)境，破壞植被，引發(fā)崩塌、滑坡、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害。面對(duì)高產(chǎn)量、高風(fēng)險(xiǎn)煤矸石堆存現(xiàn)狀，如何變廢為寶，減輕環(huán)境污染，實(shí)現(xiàn)從“以堆存為主”轉(zhuǎn)向“以利用為主”，成為科學(xué)工作者亟待解決的社會(huì)問(wèn)題之一。
2、目前，煤矸石主要作為建筑材料：（1）將煤矸石破碎直接作為粗集料用于制備混凝土，可有效解決煤矸石的堆放問(wèn)題，減少環(huán)境污染，緩解天然砂石資源短缺的問(wèn)題。然而，不同區(qū)域、不同巖層、不同構(gòu)造煤矸石強(qiáng)度離散性大，破碎后的煤矸石呈現(xiàn)出高裂隙、高吸水率、高粉塵特性，煤矸石混凝土強(qiáng)度具有較強(qiáng)的隨機(jī)性、離散性，而且脆性較大，容易產(chǎn)生開(kāi)裂，限制了其在工程中的應(yīng)用。（2）將煤矸石代替黏土以高溫焙燒制備燒結(jié)陶粒，可消耗大量堆存的煤矸石，降低建筑材料的成本。然而，生產(chǎn)過(guò)程具有高能耗、高成本、焙燒過(guò)程繁雜等弊端，不利于向節(jié)能減排的綠色產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型，更有悖于全球低碳循環(huán)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展理念。因此，亟須一種可以消除煤矸石離散性并具有低碳環(huán)保等特點(diǎn)的方法制備混凝土與水泥相關(guān)制品。
3、冷粘結(jié)造粒技術(shù)制備人造集料首先是將粉末狀或泥狀廢料凝聚成所需尺寸的球團(tuán)，再通過(guò)養(yǎng)護(hù)（如燒結(jié)、水養(yǎng)護(hù)、濕養(yǎng)護(hù)和碳化等）工藝使得人造輕集料球團(tuán)產(chǎn)生一定的強(qiáng)度。冷粘結(jié)的造粒工藝主要分為兩類(lèi)，為擠壓成型加工法和攪拌成粒法，主要是將粉狀物料通過(guò)特定的設(shè)備和方法，處理為滿(mǎn)足特定形狀、成分和密度等的團(tuán)塊物料。現(xiàn)有的冷粘結(jié)造粒技術(shù)大部分集料形狀均為圓形或近球形，圓球形集料在混凝土強(qiáng)度和耐久性方面存在若干問(wèn)題。例如：圓球形集料在受力時(shí)容易出現(xiàn)應(yīng)力集中，導(dǎo)致局部破裂，抗壓強(qiáng)度較低；圓球形集料在承受沖擊和擠壓時(shí)更容易破碎，且磨損性較高，穩(wěn)定性較差；圓球形集料抗凍性和抗疲勞能力較弱，容易在反復(fù)加載條件下出現(xiàn)微裂紋累積，導(dǎo)致材料失效；圓球形集料與砂漿的界面過(guò)渡區(qū)較為薄弱?；诶湔辰Y(jié)技術(shù)制備人造粗集料具有一定可行性，但其顆粒形狀較為單一、級(jí)配較差、與砂漿界面結(jié)合能力較弱，制備工藝較復(fù)雜，而且采用冷粘結(jié)技術(shù)制備煤基固廢人造集料尚未見(jiàn)報(bào)道。因此，尚需對(duì)冷粘結(jié)造粒技術(shù)進(jìn)行相關(guān)改進(jìn)用于制備煤基固廢輕質(zhì)人造集料。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
1、為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，本發(fā)明的目的在于提供一種煤基多元固廢人造輕集料及其制備方法和應(yīng)用，通過(guò)高效利用煤矸石，制備得到粒徑和形狀可控、表面附著界面過(guò)渡區(qū)拉結(jié)玄武巖纖維絲的人造輕集料，從而降低原料成本、節(jié)約能源并減少碳排放，綜合提高煤矸石資源化利用效率。
2、為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn)：
3、第一方面，本發(fā)明提供一種煤基多元固廢人造輕集料的制備方法，包括以下步驟：
4、選擇天然碎石粗集料顆粒，并進(jìn)行級(jí)配形成粗集料集；
5、將粗集料集進(jìn)行清洗后，浸沒(méi)在硅膠混合液中，待硅膠混合液固化后，取出天然碎石粗集料顆粒，得到用于制備集料的翻模模具；
6、向破碎后的煤矸石中加入粉煤灰、水泥、玄武巖纖維；再加入減水劑與水的混合物，混合攪拌均勻，得到預(yù)處理料；所述煤矸石、粉煤灰、水泥、玄武巖纖維、減水劑和水的質(zhì)量比為（3.3~4.2）：（4.6~6.2）：（1.0~5.2）：（0.1~0.2）：（0.01~0.02）：（3.6~3.8）；
7、將所述預(yù)處理料倒入所述翻模模具中，經(jīng)一次自然養(yǎng)護(hù)，待所述預(yù)處理料凝固后脫模得到人造輕集料；所述人造輕集料經(jīng)二次自然養(yǎng)護(hù)后，得到煤基多元固廢人造輕集料成品。
8、作為本發(fā)明進(jìn)一步改進(jìn)，所述粗集料集是由粒徑為10~15mm、15~20mm和20~30mm的天然碎石粗集料顆?；旌隙?。
9、作為本發(fā)明進(jìn)一步改進(jìn)，所述天然碎石粗集料顆粒的形狀粒形系數(shù)為0.65~0.95。
10、作為本發(fā)明進(jìn)一步改進(jìn)，所述硅膠混合液固化的條件為15~25℃自然晾干3~5h。
11、作為本發(fā)明進(jìn)一步改進(jìn)，所述煤矸石的粒徑為0.9mm以下。
12、作為本發(fā)明進(jìn)一步改進(jìn)，還包括礦渣和廢玻璃；
13、所述煤矸石與礦渣、廢玻璃的質(zhì)量比為（3.3~4.2）：（4.0~5.7）：（0.42~4.2）。
14、作為本發(fā)明進(jìn)一步改進(jìn)，所述一次自然養(yǎng)護(hù)的時(shí)間為3天；所述二次自然養(yǎng)護(hù)的時(shí)間為28天。
15、第二方面，本發(fā)明提供一種煤基多元固廢人造輕集料，采用所述的煤基多元固廢人造輕集料的制備方法制得。
16、優(yōu)選地，所述煤基多元固廢人造輕集料的吸水率為7.19%~11.56%；表觀密度為1789.37~2047.23kg/cm3；堆積密度為793.11~848.36?kg/cm3；壓碎值指標(biāo)為9.27%~15.18%。
17、第三方面，本發(fā)明提供一種所述的煤基多元固廢人造輕集料的制備方法制得的煤基多元固廢人造輕集料在制備建筑材料中的應(yīng)用。
18、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果：
19、本發(fā)明公開(kāi)了一種煤基多元固廢人造輕集料的制備方法，將煤矸石顆粒、粉煤灰等多元固廢用于制備粒徑和形狀可控的人造輕集料，并加入玄武巖纖維使其集料表面附著界面過(guò)渡區(qū)拉結(jié)玄武巖纖維絲。具體體現(xiàn)在：第一：經(jīng)破碎后的煤矸石顆粒消除了原狀煤矸石多部分孔隙和裂隙等缺陷，有效實(shí)現(xiàn)了多元煤基固廢的協(xié)同作用，消除不同顆粒間的間隙，增強(qiáng)了人造集料的致密性，有效提升了集料的物理、力學(xué)性能指標(biāo)及成型效果。第二：制備的硅膠材質(zhì)可以有效地人為干預(yù)和優(yōu)化粗集料粒徑和形狀，能夠精確調(diào)整粗集料的級(jí)配分布，提高粗集料的堆積密度，進(jìn)而增強(qiáng)粗集料的壓實(shí)值指標(biāo)，有效改善混凝土的物理力學(xué)性能。第三：玄武巖纖維具有高彈性模量、良好的硅酸鹽相容性和與混凝土相似的熱膨脹系數(shù)，人造集料中添加玄武巖纖維不僅可以有效改善自身的集料韌性，而且其表面附著的玄武巖纖維拉絲可以在砂漿界面過(guò)渡區(qū)形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)了混凝土的力學(xué)性能和耐久性能。
20、本發(fā)明是煤矸石資源化利用的新途徑，在減碳和利碳方面具有絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。這些優(yōu)點(diǎn)使其在建筑和基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中具有廣泛的應(yīng)用前景。該方法有效減少了傳統(tǒng)配方中水泥的大量使用，從而降低了原料成本，并避免了因水泥使用而產(chǎn)生的間接碳排放。通過(guò)自制翻模模具，能夠精確控制多元煤基固廢人造輕集料的粒徑和形狀。此外，所需設(shè)備簡(jiǎn)單，制備工藝無(wú)需高溫煅燒，節(jié)約了能源，且所需材料易于獲取，實(shí)現(xiàn)了原料成本、運(yùn)行成本和建造成本的三低目標(biāo)。
1.一種煤基多元固廢人造輕集料的制備方法，其特征在于，包括以下步驟：
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的煤基多元固廢人造輕集料的制備方法，其特征在于，所述粗集料集是由粒徑為10~15mm、15~20mm和20~30mm的天然碎石粗集料顆?；旌隙?。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的煤基多元固廢人造輕集料的制備方法，其特征在于，所述天然碎石粗集料顆粒的形狀粒形系數(shù)為0.65~0.95。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的煤基多元固廢人造輕集料的制備方法，其特征在于，所述硅膠混合液固化的條件為15~25℃自然晾干3~5h。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的煤基多元固廢人造輕集料的制備方法，其特征在于，所述煤矸石的粒徑為0.9mm以下。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的煤基多元固廢人造輕集料的制備方法，其特征在于，還包括礦渣和廢玻璃；
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的煤基多元固廢人造輕集料的制備方法，其特征在于，所述一次自然養(yǎng)護(hù)的時(shí)間為3天；所述二次自然養(yǎng)護(hù)的時(shí)間為28天。
8.一種煤基多元固廢人造輕集料，其特征在于，采用權(quán)利要求1~7任意一項(xiàng)所述的煤基多元固廢人造輕集料的制備方法制得。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的煤基多元固廢人造輕集料，其特征在于，所述煤基多元固廢人造輕集料的吸水率為7.19%~11.56%；表觀密度為1789.37~2047.23kg/cm3；堆積密度為793.11~848.36?kg/cm3；壓碎值指標(biāo)為9.27%~15.18%。
10.一種權(quán)利要求8所述的煤基多元固廢人造輕集料在制備建筑材料中的應(yīng)用。