CN102875107A - 一种以废弃混凝土制备超低水泥人工鱼礁混凝土的方法 - Google Patents

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伏程红
王中杰
吴辉
范敦城
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Abstract

本发明涉及一种以废弃混凝土制备超低水泥人工鱼礁混凝土的方法，属于固废综合利用领域。其特点在于：将烘干的海水湿排灰磨细至比表面积为500～700m2/kg，加入比表面积为350～410m2/kg的矿渣粉，与熟料、脱硫石膏一同混磨至比表面积450～550m2/kg，得到胶凝材料。将废弃混凝土进行破碎、自磨和筛分获得再生粗骨料和再生细骨料。按每立方米混凝土掺加量：胶凝材料300～350kg／m3，再生粗骨料800～1300kg／m3，再生细骨料500～800kg／m3，高效减水剂1～3.5kg／m3的配合比，水胶比为0.35～0.5配制低碱度的混凝土人工鱼礁。本发明不但实现了以废弃混凝土为主要原料制备超低水泥人工鱼礁混凝土，显著降低了鱼礁的制备成本；而且由于所制备的鱼礁混凝土溶液pH值与海水相近，从根本上改善了鱼礁周边水生物的生态环境。

Description

一种以废弃混凝土制备超低水泥人工鱼礁混凝土的方法
技术领域
本发明涉及废弃混凝土和海水湿排粉煤灰的处理技术领域，特别是提供了一种以废弃混凝土制备超低水泥人工鱼礁混凝土的方法。
背景技术
近年来，渔业资源衰退已成为世界性问题，世界各国普遍认识到渔业资源衰退的威胁，纷纷加大了对渔业资源的保护力度。日本最先提出了海洋牧场的设想，近20多年来已有很多沿海国家都投放了人工鱼礁以建造海洋牧场。采用具有良好海洋生态相容性的人工鱼礁材料以及科学的礁体与礁群设计，对于保护海洋生态环境、净化海水和海洋生物资源的增殖具有重要作用。
日本每年投入600亿日元用于鱼礁建设，建礁体积每年约600万空立方米。目前全日本的建礁材料主要有混凝土及钢铁两种。其中混凝土礁占80%，钢铁礁占20%，其沿海遍布的7000多处由人工鱼礁形成的渔场，不仅恢复了曾经被污染的海域生态环境，还促进了沿岸渔业的可持续发展。美国建设人工鱼礁与游钓渔业紧密结合，其沿海各地设置的人工鱼礁共有1200处，每年人工鱼礁建设面积每年以5%~10%的速度增长，全美因游钓渔业所带来的社会效益达500亿美元。我国大陆海岸线总长3.2万多千米，岛屿海岸线长1.4万多千米，较大海湾有150个，多港阔水深的天然港口，为了稳定渔业生产发展，我国具有巨大的人工鱼礁建设需求。
目前，我国沿海某些电厂的粉煤灰，还在采用海水湿排粉煤灰的方法进行粉煤灰排放。由于海水湿排粉煤灰中氯离子含量高，因此将其用于普通的水泥和混凝土受到了严格的限制。因此大量堆积的海水湿排粉煤灰一直没有得到有效利用，储存在海边灰池里污染着邻近海域。同时，随着工业化、城市化进程的加速，城市新建、扩建拆迁或维修施工中产生的建筑垃圾，成为城市垃圾的主要组成部分，每年建筑垃圾中预计废弃混凝土约18～34亿吨。并且随着建筑业和公路交通的迅猛发展，预计今后混凝土碎块的产生量将增多，并呈逐年上升趋势。绝大部分是未经任何处理便被运往填埋场。许多城市都出现了垃圾包围城市的现象。
虽然对废弃混凝土进行破碎和分选生产再生混凝土骨料已研究多年，但由于采用再生骨料所制备的混凝土，其强度性能和耐久性能均达不到由天然岩石破碎而形成的新鲜骨料所配制的混凝土的性能，再加上再生骨料生产成本在多数情况下不低于普通天然岩石骨料的生产成本，因此再生混凝土骨料在地表建筑结构中的应用一直未能取得突破。
由于人工鱼礁的原料消耗量极大，不适合从跟海岸线较远的地方取得，而沿海大城市又在每年产生大量的废弃混凝土，同时由于大部分人工鱼礁不需要太高的强度，也不需要像地标建筑结构那样高的抗冻融性和抗碳化性。因此选择城市垃圾中的废弃混凝土制备再生混凝土骨料和用来制备人工鱼礁，是大量消耗废弃混凝土和补充人工鱼礁巨量原料需求和避免再生骨料不足之处的因地制宜的方法。
利用废弃混凝土作再生骨料除了能避免其对混凝土的不利因素的影响外，还有额外的益处：
 (1) 其原始骨料一般为石灰质或花岗质、部分为片麻岩、混合片麻岩、玄武岩、辉绿岩；接近中性或弱碱性。
(2) 其中的水泥胶凝材料经过长期服役和再加工过程，大部分被碳化，碱性降低。
在目前的人工鱼礁建设中，混凝土及钢铁两种材料被视为较有前景的建礁材料。其中混凝土材料可以制备出形状多样、规格各异、结构复杂的人工鱼礁体。但是普通水泥混凝土人工鱼礁在投海早期阶段也存在不适宜一些海洋生物生长的因素。因为普通水泥混凝土的碱性强，pH值通常大于13，而海水的pH值约为 8.3。由于混凝土中Ca(OH)2在海水中的不断溶解，导致礁体表面及附近海水pH值大大升高，这种强碱性条件对普通海洋生物的育成具有危害作用。它破坏对水产资源有益的藻类及微生物的栖息环境，造成鱼类等幼仔缺乏饵料而难以生存。所以用普通混凝土不能直接用来建造鱼类增殖礁、在早期不能很好地发挥作用。
公开号为CN 1775010A的专利描述了一种人工鱼礁的生产方法，首先制作一个立体鱼礁骨架，并将充满可流动物质的软管模放入鱼礁骨架内，在混凝土凝固后将管模内物质倒出，并将管模抽出，从而形成多空鱼礁，其混凝土的水泥、砂、石比例为3～5：2～4：3～4，但所得鱼礁碱度较高，该专利没有涉及废弃混凝土和海水湿排粉煤灰的利用问题。
公开号为CN101439939的专利描述了一种用于制造混凝土人工鱼礁的低碱度胶凝材料的方法，其特征在于利用高炉水淬矿渣、粉煤灰、炉渣等原料，磨细到一定比表面积，便得到用于制造混凝土人工鱼礁的低碱度胶凝材料。这种胶凝材料水化后不会产生Ca(OH)2，碱度较低。但上述固体废弃物都是普通水泥混凝土常用的固体废弃物。虽然该专利在低碱度方面有所创新，也没有涉及废弃混凝土和海水湿排粉煤灰的利用问题。
发明内容
本发明目的是提供一种以废弃混凝土和海水湿排粉煤灰为主要原料的人工鱼礁混凝土制备方法，在降低人工鱼礁成本的基础上，改善了人工鱼礁的力学性能和海洋生态相容性能。
本发明利用矿渣粉、海水湿排粉煤灰、脱硫石膏以及水泥熟料用作胶凝材料、废弃混凝土作为骨料，并通过常温常压养护，制备一类低碱度的人工鱼礁混凝土。
本发明的具体步骤如下：
1. 采用梯级粉磨，先将海水湿排灰烘干至含水率≤1%，再磨细至比表面积为500～700m2/kg，加入比表面积为350～410m2/kg的矿渣粉，与熟料、烘干至含水率≤1%的脱硫石膏一同混磨至比表面积450～550m2/kg，得到胶凝材料。其中矿渣粉、海水湿排粉煤灰、水泥熟料、脱硫石膏按干基质量比40～80%：10～50%：5～10%：5～20%。
2.将废弃混凝土进行破碎、自磨和筛分获得不同比例的粒径5～31.5mm范围内的粗骨料、粒径在0.16～5mm范围内的细骨料。其中获得的再生粗骨料表观密度为2500～2600 kg/m3，堆积密度为1200～1400 kg/m3，吸水率为5.5～7%。再生细骨料的吸水率为9～12%。
3.将步骤1获得的比表面积为450～550m2/kg胶凝材料和步骤2获得的粒径5～31.5mm范围内的再生粗骨料、粒径在0.16～5mm范围内的再生细骨料，按每立方米混凝土掺加量：胶凝材料300～350 kg／m3，再生粗骨料800～1300 kg／m3，再生细骨料500～800 kg／m3，高效减水剂1～3.5 kg／m3的配合比，水胶比（即水与胶凝材料的比例）为0.35～0.5配制混凝土。将上述材料混合，拌匀后在模具内浇注、振动成型，静养8～24h，养护条件为5～40℃室温养护，并覆盖薄膜密封，或在相对湿度为90%以上和20℃的标准养护箱中养护后脱模，再进行室温湿养护或标准养护至龄期7～28天后可出厂投海。
本发明所述的海水湿排粉煤灰的主要化学成分为：SiO2 60%~70%、Al2O3 15%~25%、Fe2O3 5%~10%、FeO 1%~3%、MgO 0.5%~2%、CaO 2%~5%、K2O 0.8%~3%、烧失量0.1%~8%，氯离子含量0.3%~0.5%。
矿渣的主要化学成份为：CaO 38%～45%、SiO2 37%～42%、Al2O3 8%～15%、Fe2O3 0.1%～1%、FeO 0.1%~1%、MgO 3%～8%、K2O 0.01%~5%、Na2O 0.01%~3%。烧失量0.1%～1%。
水泥熟料的主要化学成分为：CaO 60%～70%、SiO2 15～25%、Al2O3 3～8%、Fe2O3 3%～10%、 MgO 1%～5%、f CaO 0.1%～1.5%。
脱硫石膏的主要化学成分为：CaO 30%～40%、SO3 40%~50%、SiO2 2～10%、Al2O3 1～5%、Fe2O3 0.2%～2%、 MgO 0.2%～1%。烧失量5%～20%。
本发明在超低熟料的基础上，以矿渣、海水湿排粉煤灰、脱硫石膏为主要原料用作胶凝材料，并与建筑废弃物加工处理获得的再生骨料制备的混凝土可使水化产物中不含游离的Ca(OH)2，pH值与海水接近，并能大量利用废弃混凝土、避免废弃混凝土的不利因素，充分发挥其有利因素。将矿渣和粉煤灰磨至适当的细度，与熟料颗粒组成紧密堆积，利用其原材料粒度的差异，可充分发挥“微磨球效应”，可以显著提高胶凝材料净浆的密实度，改善胶凝材料的孔结构，充分发挥“粒级与活性的双重协同优化效应”；将废弃混凝土通过破碎、筛分、自磨等手段强化处理，获得高品质的再生骨料。制备的人工鱼礁混凝土其工作性能和强度同时满足要求，足够支撑大空洞礁体。同时由于矿渣粉、海水湿排粉煤灰中含有一定量的Fe离子，还有利于藻类的繁殖。
本发明不但实现了以废弃混凝土为主要原料制备超低水泥人工鱼礁混凝土，显著降低了鱼礁的制备成本；而且由于所制备的鱼礁混凝土溶液pH值与海水相近，从根本上改善了鱼礁周边水生物的生态环境。
附图说明
图1为本发明以废弃混凝土和海水湿排粉煤灰、矿渣、熟料、脱硫石膏为主要原料的人工鱼礁混凝土的制备工艺流程图。
具体实施方式
下面结合附图用实例对本发明提供的方法做进一步详细描述。
实施例1
步骤1. 采用梯级粉磨，先将海水湿排灰烘干至含水率≤1%，再磨细至比表面积为604m2/kg，加入比表面积为408m2/kg的矿渣粉，与熟料、烘干至含水率≤1%的脱硫石膏一同混磨至比表面积520m2/kg，得到胶凝材料。其中矿渣粉、海水湿排粉煤灰、水泥熟料、脱硫石膏按干基质量比65%：15%：10%：10%。
步骤2. 将废弃混凝土进行破碎、自磨和筛分获得不同比例的粒径5～31.5mm范围内的粗骨料、粒径在0.16～5mm范围内的细骨料。
步骤3. 将步骤1获得的比表面积为408 m2/kg胶凝材料和步骤2获得的粒径5～31.5mm范围内的再生粗骨料、粒径在0.16～5mm范围内的再生细骨料，按每立方米混凝土掺加量：胶凝材料340kg／m3，再生粗骨料1251kg／m3，再生细骨料692 kg／m3， PC高效减水剂3.4 kg／m3的配合比，水胶比为0.38配制混凝土。
步骤4. 将上述材料混合，拌匀后在模具内浇注、振动成型，在相对湿度为90%以上和20℃的标准养护箱中养护24h后脱模，并覆盖薄膜密封，再进行标准养护，分别测试3d， 28d的抗压强度。经测定，3d抗压强度为18.42Mpa, 28d抗压强度为40.7Mpa。将拆模后的混凝土浸泡于海水中，20d后测其pH值，为7.8。
实施例2
步骤1. 采用梯级粉磨，先将海水湿排灰烘干至含水率≤1%，再磨细至比表面积为604m2/kg，加入比表面积为408m2/kg的矿渣粉，与熟料、烘干至含水率≤1%的脱硫石膏一同混磨至比表面积520m2/kg，得到胶凝材料。其中矿渣粉、海水湿排粉煤灰、水泥熟料、脱硫石膏按干基质量比65%：15%：10%：10%。
步骤2. 将废弃混凝土进行破碎、自磨和筛分获得不同比例的粒径5～31.5mm范围内的粗骨料、粒径在0.16～5mm范围内的细骨料。
步骤3. 将步骤1获得的比表面积为408 m2/kg胶凝材料和步骤2获得的粒径5～31.5mm范围内的再生粗骨料、粒径在0.16～5mm范围内的再生细骨料，按每立方米混凝土掺加量：胶凝材料340kg／m3，再生粗骨料1251kg／m3，再生细骨料692 kg／m3， PC高效减水剂3.4 kg／m3的配合比，水胶比为0.38配制混凝土。
步骤4. 将上述材料混合，拌匀后在模具内浇注、振动成型，养护条件为19℃～25℃的室温养护，并覆盖薄膜密封，静养24h拆模，再进行室温湿养护，分别测试3d， 28d的抗压强度。经测定，3d抗压强度为17.2Mpa, 28d抗压强度为38.2Mpa。将拆模后的混凝土浸泡于海水中，20d后测其pH值，为7.7。
实施例3
步骤1. 采用梯级粉磨，先将海水湿排灰烘干至含水率≤1%，再磨细至比表面积为604m2/kg，加入比表面积为408 m2/kg的矿渣粉，与熟料、烘干至含水率≤1%的脱硫石膏一同混磨至比表面积507m2/kg，得到胶凝材料。其中矿渣粉、海水湿排粉煤灰、水泥熟料、脱硫石膏按质量比40%：40%：10%：10%。
步骤2. 将废弃混凝土进行破碎、自磨和筛分获得不同比例的粒径5～31.5mm范围内的粗骨料、粒径在0.16～5mm范围内的细骨料。
步骤3. 将步骤1获得的比表面积为408 m2/kg胶凝材料和步骤2获得的粒径5～31.5mm范围内的再生粗骨料、粒径在0.16～5mm范围内的再生细骨料，按每立方米混凝土掺加量：胶凝材料340kg／m3，再生粗骨料1251kg／m3，再生细骨料692 kg／m3， TN-1高效减水剂3.4 kg／m3的配合比，水胶比为0.45配制混凝土。
步骤4. 将上述材料混合，拌匀后在模具内浇注、振动成型，养护条件为21℃的室温养护，并覆盖薄膜密封，静养24h拆模，分别测试3d， 28d的抗压强度。经测定，3d抗压强度为12.85Mpa, 28d抗压强度为29.1Mpa。将拆模后的混凝土浸泡于海水中，20d后测其pH值，为8.1。
实施例4
步骤1. 采用梯级粉磨，先将海水湿排灰烘干至含水率≤1%，再磨细至比表面积为504m2/kg，加入比表面积为408m2/kg的矿渣粉，与熟料、烘干至含水率≤1%的脱硫石膏一同混磨至比表面积501m2/kg，得到胶凝材料。其中矿渣粉、海水湿排粉煤灰、水泥熟料、脱硫石膏按质量比55%：25%：10%：10%。
步骤2. 将废弃混凝土进行破碎、自磨和筛分获得不同比例的粒径5～31.5mm范围内的粗骨料、粒径在0.16～5mm范围内的细骨料。
步骤3. 将步骤1获得的比表面积为501 m2/kg胶凝材料和步骤2获得的粒径5～31.5mm范围内的再生粗骨料、粒径在0.16～5mm范围内的再生细骨料，按每立方米混凝土掺加量：胶凝材料330 kg／m3，再生粗骨料1271kg／m3，再生细骨料722 kg／m3， TN-1高效减水剂3.4 kg／m3的配合比，水胶比为0.42配制混凝土。
步骤4. 将上述材料混合，拌匀后在模具内浇注、振动成型，养护条件为19℃～25℃的室温养护，并覆盖薄膜密封，静养24h拆模，再进行标准养护，分别测试3d， 28d的抗压强度。经测定，3d抗压强度为10.1Mpa, 28d抗压强度为27.5Mpa。将拆模后的混凝土浸泡于海水中，20d后测其pH值，为8.0。

Claims (5)

1.一种以废弃混凝土制备超低水泥人工鱼礁混凝土的方法，其特征步骤如下：
①采用梯级粉磨，先将海水湿排灰烘干至含水率≤1%，再磨细至比表面积为500～700m2/kg，加入比表面积为350～410m2/kg的矿渣粉，与熟料、烘干至含水率≤1%的脱硫石膏一同混磨至比表面积450～550m2/kg，得到胶凝材料；其中矿渣粉、海水湿排粉煤灰、水泥熟料、脱硫石膏按干基质量比40～80%：10～50%：5～10%：5～20%；
②将废弃混凝土进行破碎、自磨和筛分获得不同比例的粒径5～31.5mm范围内的粗骨料、粒径在0.16～5mm范围内的细骨料；其中获得的再生粗骨料表观密度为2500～2600 kg/m3，堆积密度为1200～1400 kg/m3，吸水率为5.5～7%；
再生细骨料的吸水率为9～12%；
③将步骤①获得的比表面积为450～550m2/kg胶凝材料和步骤②获得的粒径5～31.5mm范围内的再生粗骨料、粒径在0.16～5mm范围内的再生细骨料，按每立方米混凝土掺加量：胶凝材料300～350 kg／m3，再生粗骨料800～1300 kg／m3，再生细骨料500～800 kg／m3，高效减水剂1～3.5 kg／m3的配合比，水胶比为0.35～0.5配制混凝土；将上述材料混合，拌匀后在模具内浇注、振动成型，静养8～24h，养护条件为5～40℃室温养护，并覆盖薄膜密封，或在相对湿度为90%以上和20℃的标准养护箱中养护后脱模，再进行室温湿养护或标准养护至龄期7～28天后可出厂投海。
2.按照权利要求1所述的以废弃混凝土制备超低水泥人工鱼礁混凝土的方法，其特征在于：所用海水湿排粉煤灰的主要化学成分为：SiO2 60%~70%、Al2O3 15%~25%、Fe2O3 5%~10%、FeO 1%~3%、MgO 0.5%~2%、CaO 2%~5%、K2O 0.8%~3%、烧失量0.1%~8%，氯离子含量0.3%~0.5%。
3.按照权利要求1所述的以废弃混凝土制备超低水泥人工鱼礁混凝土的方法，其特征在于：所用矿渣的主要化学成份为：CaO 38%～45%、SiO2 37%～42%、Al2O3 8%～15%、Fe2O3 0.1%～1%、FeO 0.1%~1%、MgO 3%～8%、K2O 0.01%~5%、Na2O 0.01%~3%、烧失量0.1%～1%。
4.按照权利要求1所述的以废弃混凝土制备超低水泥人工鱼礁混凝土的方法，其特征在于：所用水泥熟料的主要化学成分为：CaO 60%～70%、SiO2 15～25%、Al2O3 3～8%、Fe2O3 3%～10%、 MgO 1%～5%、f CaO 0.1%～1.5%。
5.按照权利要求1所述的以废弃混凝土制备超低水泥人工鱼礁混凝土的方法，其特征在于：所用脱硫石膏的主要化学成分为：CaO 30%～40%、SO3 40%~50%、SiO2 2～10%、Al2O3 1～5%、Fe2O3 0.2%～2%、 MgO 0.2%～1%；烧失量5%～20%。
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