一种提升煤矸石混凝土力学性能的预包覆处理方法

本发明涉及建筑材料，具体为一种提升煤矸石混凝土力学性能的预包覆处理方法。

背景技术：

1、煤矸石作为采煤和洗煤过程中排放的固体废弃物，将其作为粗骨料应用于混凝土制备中是实现固废资源化利用的有效途径，然而，相较于天然碎石，煤矸石骨料在物理结构和力学性能上存在显著不足，限制了其在混凝土结构中的广泛应用。

2、目前，在煤矸石混凝土的制备与骨料预处理过程中，主要存在以下技术缺陷：

3、煤矸石骨料内部孔隙率高且吸水性强，在常规的拌合过程中，干燥或半干燥状态的煤矸石骨料会快速吸收周围浆体中的水分，导致附着在其表面的包裹层浆体因局部失水而产生收缩开裂，同时，常规的表面涂层处理仅停留在骨料外表面，无法克服流体阻力将浆体压入深层孔隙，难以从内部修补煤矸石骨料自带的微裂纹和孔隙等先天结构缺陷。

4、煤矸石骨料与后期混凝土基体之间的界面过渡区是整体结构的受力薄弱点，现有的骨料包覆工艺多采用单一转速下的均匀搅拌方式，包覆浆体在骨料表面的分布是均质的，这种常规工艺无法根据物料流变状态的变化进行动态调整，更无法在骨料外围形成具有针对性的高活性材料强化层，导致骨料与外部基体之间的界面过渡区粘结强度无法得到实质性提升。

5、在包覆浆体未凝结前的处理以及后续的养护工序中，缺乏有效的状态控制，由于新拌浆体具有较高的粘度，骨料在常规的散装堆积状态下易发生粘连和聚团现象，待其硬化后需要二次破碎才能使用，这会严重破坏已形成的包覆层，此外，现有的处理方法在骨料养护阶段往往采用敞开式自然堆放，无法提供严格的温湿度环境，导致骨料外侧包覆的胶凝材料水化反应不充分，最终产出的骨料力学性能存在较大的波动和不稳定性。

技术实现思路

1、针对现有技术的不足，本发明提供了一种提升煤矸石混凝土力学性能的预包覆处理方法，解决了现有煤矸石骨料因高孔隙率导致包裹浆体失水开裂且无法深层修补先天缺陷的问题，解决了常规搅拌无法在骨料外表面形成特定高活性强化层，造成界面过渡区粘结强度偏低的问题，解决了包覆骨料在静置养护阶段易粘连聚团，以及因环境控制缺失导致水化反应不充分、最终力学性能不稳定的问题。

2、为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：一种提升煤矸石混凝土力学性能的预包覆处理方法，所述预包覆处理方法由预包覆处理系统协同运行实现，所述预包覆处理系统包括前处理模块、数字孪生中央控制模块、变频调控裹浆模块以及标准化养护模块，所述预包覆处理方法包括以下步骤：

3、通过所述前处理模块对外部提供的原状煤矸石进行破碎筛分处理，得到连续级配粗骨料，并通过所述前处理模块对连续级配粗骨料执行水饱和浸泡处理与表面干燥处理，得到饱和面干煤矸石骨料；

4、通过所述数字孪生中央控制模块中的配方参数录入终端获取外部输入的包含水胶比、物料配比信息、骨料粒径分布数据以及浆体初始流变参数的配方参数数据，并通过所述数字孪生中央控制模块中的动态仿真计算单元结合所述配方参数数据与用于模拟浆体流变状态的内置仿真模型计算生成变频控制指令，由所述数字孪生中央控制模块将所述变频控制指令发送至所述变频调控裹浆模块；

5、通过所述变频调控裹浆模块中的主变频搅拌机接收所述饱和面干煤矸石骨料与外部配制输入的底层混合浆体，并根据所述变频控制指令执行低频高扭矩运转动作，通过所述变频调控裹浆模块中的扭矩监测传感器采集主变频搅拌机的主轴扭矩状态以生成扭矩反馈数据，并将所述扭矩反馈数据发送至所述数字孪生中央控制模块；

6、所述数字孪生中央控制模块根据所述扭矩反馈数据生成更新后的变频控制指令以及频率切换信号，所述主变频搅拌机根据更新后的变频控制指令切换至高频运转状态，所述变频调控裹浆模块中的雾化喷射装置接收并响应所述频率切换信号，向所述主变频搅拌机内部注入外部供应的硅灰悬浊液，所述主变频搅拌机完成混合搅拌动作后排出梯度包裹煤矸石骨料；

7、通过所述标准化养护模块中的透气筛网托盘承载所述梯度包裹煤矸石骨料在自然通风环境中执行静置操作，静置操作完成后，将所述透气筛网托盘连同所述梯度包裹煤矸石骨料转移至所述标准化养护模块中的恒温恒湿养护箱内部，通过所述恒温恒湿养护箱对所述梯度包裹煤矸石骨料执行恒温恒湿养护操作，完成恒温恒湿养护操作后得到最终的预处理煤矸石骨料。

8、优选的，所述前处理模块包括颚式破碎筛分设备、恒温浸水池以及表面水分吹干装置；

9、通过所述前处理模块对外部提供的原状煤矸石进行破碎筛分处理，得到连续级配粗骨料，并通过所述前处理模块对连续级配粗骨料执行水饱和浸泡处理与表面干燥处理，得到饱和面干煤矸石骨料；

10、得到饱和面干煤矸石骨料的具体步骤为：

11、通过所述颚式破碎筛分设备接收外部提供的原状煤矸石并进行破碎加工，随后对破碎后的物料进行筛分，截取粒径分布在5～20mm区间的颗粒，得到连续级配粗骨料；

12、将所述连续级配粗骨料送入所述恒温浸水池中，置于水面下方并保持完全浸没状态，通过所述恒温浸水池对连续级配粗骨料进行时长为48小时的水饱和浸泡处理，使连续级配粗骨料内部孔隙吸收水分达到饱和状态；

13、通过所述表面水分吹干装置接收完成水饱和浸泡处理的连续级配粗骨料，并通过气流脱除连续级配粗骨料颗粒表面附着的明水，经过脱水处理后得到所述饱和面干煤矸石骨料。

14、优选的，所述配方参数数据中的物料配比信息包括普通硅酸盐水泥与矿粉的质量比例、硅灰质量占胶凝材料总质量的百分比；

15、其中，所述普通硅酸盐水泥与矿粉的质量比例设定为1:9，所述硅灰质量占胶凝材料总质量的百分比限定为5%，所述水胶比设定为0.50。

16、优选的，通过所述数字孪生中央控制模块中的动态仿真计算单元结合所述配方参数数据与用于模拟浆体流变状态的内置仿真模型计算生成变频控制指令的具体步骤为：

17、所述动态仿真计算单元接收由所述配方参数录入终端获取的配方参数数据，并根据所述物料配比信息构建总胶凝材料质量分配关系，所述总胶凝材料质量分配关系定义改性浆体中胶凝材料总质量等于普通硅酸盐水泥与矿粉混合物的总质量与硅灰质量的算术叠加值；

18、所述动态仿真计算单元根据所述水胶比构建液相注入控制模型，所述液相注入控制模型限定液相质量为胶凝材料总质量的零点五倍；

19、所述动态仿真计算单元解析所述配方参数数据并从中获取骨料粒径分布数据与浆体初始流变参数，结合所述用于模拟浆体流变状态的内置仿真模型、所述总胶凝材料质量分配关系与所述液相注入控制模型，计算所述主变频搅拌机的运行轨迹参数与扭矩控制曲线，并将所述运行轨迹参数与扭矩控制曲线转化为所述变频控制指令。

20、优选的，所述主变频搅拌机内部配备有搅拌叶片；

21、通过所述变频调控裹浆模块中的主变频搅拌机接收所述饱和面干煤矸石骨料与外部配制输入的底层混合浆体，并根据所述变频控制指令执行低频高扭矩运转动作；

22、具体步骤为：

23、所述主变频搅拌机接收所述饱和面干煤矸石骨料与外部配制输入的底层混合浆体，所述底层混合浆体包括前述确定的普通硅酸盐水泥、矿粉以及水；

24、所述主变频搅拌机根据所述变频控制指令启动运行并维持低频高扭矩运转动作，通过所述搅拌叶片对所述底层混合浆体施加剪切应力，使所述底层混合浆体在剪切应力作用下发生流动并填充进入所述饱和面干煤矸石骨料表面的孔隙内部。

25、优选的，所述主变频搅拌机通过所述搅拌叶片对所述底层混合浆体施加的剪切应力符合流变学控制模型，所述剪切应力为所述底层混合浆体的动力粘度与所述变频控制指令设定的剪切速率的乘积，其中，所述动力粘度由所述用于模拟浆体流变状态的内置仿真模型根据所述浆体初始流变参数计算得出。

26、优选的，所述数字孪生中央控制模块根据所述扭矩反馈数据生成更新后的变频控制指令以及频率切换信号，所述主变频搅拌机根据更新后的变频控制指令切换至高频运转状态，所述变频调控裹浆模块中的雾化喷射装置接收并响应所述频率切换信号，向所述主变频搅拌机内部注入外部供应的硅灰悬浊液，所述主变频搅拌机完成混合搅拌动作后排出梯度包裹煤矸石骨料；

27、具体步骤为：

28、通过所述数字孪生中央控制模块中的动态仿真计算单元将所述扭矩反馈数据与所述用于模拟浆体流变状态的内置仿真模型预设的扭矩阈值进行比对，当所述扭矩反馈数据达到预设的扭矩阈值时，生成更新后的变频控制指令以及频率切换信号，并将更新后的变频控制指令与频率切换信号发送至所述变频调控裹浆模块；

29、所述主变频搅拌机接收更新后的变频控制指令后，执行频率切换动作并进入高频运转状态，以产生离心作用力；

30、所述雾化喷射装置接收并响应所述频率切换信号，开启雾化喷射动作，向所述主变频搅拌机内部注入由前述设定的硅灰配制而成的硅灰悬浊液，促使所述硅灰悬浊液中的硅灰颗粒向外侧迁移并富集在所述饱和面干煤矸石骨料的包裹层表面，完成混合搅拌动作后输出所述梯度包裹煤矸石骨料。

31、优选的，通过所述标准化养护模块中的透气筛网托盘承载所述梯度包裹煤矸石骨料在自然通风环境中执行静置操作的具体步骤为：

32、所述透气筛网托盘接收所述主变频搅拌机输出的梯度包裹煤矸石骨料，并使所述梯度包裹煤矸石骨料在所述透气筛网托盘上呈单层平铺状态分布，以使所述梯度包裹煤矸石骨料颗粒之间保持空间隔离；

33、所述透气筛网托盘承载所述梯度包裹煤矸石骨料在自然通风环境中执行静置操作，且静置操作的时间参数设定为2小时，使所述梯度包裹煤矸石骨料的外层包裹浆体在静置操作期间发生初凝反应，以完成表面初凝定型状态转换。

34、优选的，将所述透气筛网托盘连同所述梯度包裹煤矸石骨料转移至所述标准化养护模块中的恒温恒湿养护箱内部，通过所述恒温恒湿养护箱对所述梯度包裹煤矸石骨料执行恒温恒湿养护操作，完成恒温恒湿养护操作后得到最终的预处理煤矸石骨料；

35、具体步骤为：

36、搭载所述梯度包裹煤矸石骨料的透气筛网托盘整体转移至所述恒温恒湿养护箱内部并进行密封；

37、通过所述恒温恒湿养护箱对所述梯度包裹煤矸石骨料执行恒温恒湿养护操作，其间，所述恒温恒湿养护箱维持内部温度参数在20℃±1℃的范围内，并控制内部相对湿度参数不低于95%；

38、将所述恒温恒湿养护操作的时间参数设定为连续28天，以使所述梯度包裹煤矸石骨料外层包裹的胶凝材料在恒温恒湿养护操作期间充分发生水化反应，恒温恒湿养护操作结束后由所述恒温恒湿养护箱输出所述预处理煤矸石骨料。

39、一种用于实施提升煤矸石混凝土力学性能的预包覆处理方法的预包覆处理系统，包括：

40、前处理模块，配置有颚式破碎筛分设备、恒温浸水池以及表面水分吹干装置，用于将外部提供的原状煤矸石加工为饱和面干煤矸石骨料；

41、数字孪生中央控制模块，与所述前处理模块连接，所述数字孪生中央控制模块配置有配方参数录入终端和动态仿真计算单元，用于接收配方参数数据并计算生成变频控制指令；

42、变频调控裹浆模块，与所述数字孪生中央控制模块连接，所述变频调控裹浆模块配置有主变频搅拌机、扭矩监测传感器以及雾化喷射装置，用于根据变频控制指令对饱和面干煤矸石骨料进行分阶变频搅拌，以输出梯度包裹煤矸石骨料；

43、标准化养护模块，与所述变频调控裹浆模块衔接，所述标准化养护模块配置有透气筛网托盘和恒温恒湿养护箱，用于对梯度包裹煤矸石骨料进行静置与密封恒温恒湿标准养护，以输出预处理煤矸石骨料。

44、本发明提供了一种提升煤矸石混凝土力学性能的预包覆处理方法。具备以下有益效果：

45、1.本发明通过恒温浸水池对连续级配粗骨料进行时长为48小时的水饱和浸泡处理，使连续级配粗骨料内部孔隙吸收水分达到饱和状态，并经脱水处理得到饱和面干煤矸石骨料，在此基础上，主变频搅拌机根据变频控制指令启动运行并维持低频高扭矩运转动作，使底层混合浆体在剪切应力作用下发生流动并填充进入饱和面干煤矸石骨料表面的孔隙内部，这种处理方式预先满足了煤矸石的高吸水需求，避免了其在后续拌合中吸收包裹层水分而导致浆体开裂，同时通过底层浆体的深层渗入有效封堵了孔隙，从内部弥补了煤矸石骨料的先天结构缺陷。

46、2.本发明利用动态仿真计算单元将扭矩反馈数据与内置仿真模型预设的扭矩阈值进行比对，当扭矩反馈数据达到预设的扭矩阈值时，主变频搅拌机根据更新后的变频控制指令切换至高频运转状态，并结合雾化喷射装置注入的硅灰悬浊液，使主变频搅拌机在高频运转状态下产生离心作用力，促使硅灰悬浊液中的硅灰颗粒向外侧迁移，并富集在饱和面干煤矸石骨料的包裹层表面，通过特定扭矩触发的分阶变频与离心力的协同作用，在骨料外围精准形成了高强度的硅灰富集层，直接提升了预处理煤矸石骨料与后期混凝土基体之间的界面过渡区粘结强度。

47、3.本发明使梯度包裹煤矸石骨料在透气筛网托盘上呈单层平铺状态分布，以使梯度包裹煤矸石骨料颗粒之间保持空间隔离，并在自然通风环境中执行静置操作以完成表面初凝定型状态转换，随后将透气筛网托盘整体转移至恒温恒湿养护箱内部进行密封，由恒温恒湿养护箱维持内部温度参数在20℃±1℃的范围内，并控制内部相对湿度参数不低于95%，前期的单层平铺静置有效防止了骨料在浆体未凝结前发生粘连聚团，后期的密封恒温恒湿环境则保证了外层包裹的胶凝材料充分发生水化反应，确保了最终成型的预处理煤矸石骨料具备稳定的力学性能。