CN115215597B - 一种盾构渣浆碱激发再生砂浆及其制备方法和应用 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种盾构渣浆碱激发再生砂浆的制备方法，该再生砂浆的原材料包括盾构渣浆、再生砂、再生粉、矿渣、粉煤灰和碱激发剂；所述的碱激发剂包括脱硫石膏和/或生石灰和/或氢氧化钠。与现有技术相比，本发明采用碱激发原理制备地聚合物砂浆，相对于传统的水泥砂浆，没有了煅烧石灰石所产生的额外二氧化碳，无需高温煅烧，更加节能和低碳，符合绿色经济。同时，本发明制备的砂浆为专用于由碱激发砖砌筑的砌体结构的砂浆，具有与碱激发砌块更好的适应性，使砌体结构整体性更强，且碱激发砂浆具有早强、粘结性强、无需湿养护、耐久性更高等优势。

Description

一种盾构渣浆碱激发再生砂浆及其制备方法和应用

技术领域

本发明涉及建筑材料技术领域，具体涉及一种盾构渣浆碱激发再生砂浆及其制备方法和应用。

背景技术

随着我国城市化推进，地铁隧道的建设工程在各省市广泛出现。地铁建设过程中会产生大量的盾构渣浆，这些盾构渣浆包含土壤和碎石，其中通过洗筛可回收碎石，成为建设用的骨料，而土壤由于含水量巨大，排水干化困难，一般经过压滤减水后，向弃土临时堆放场运输，并没有很好的被利用起来。另一方面，随着城市更新的推进，产生了大量的拆除改造建筑垃圾，这些建筑垃圾包含废弃的混凝土、废弃砂浆、粘土砖等材料，对于此类建筑垃圾的回收利用方法主要为破碎成再生粗细骨料和再生粉，可以取代天然砂石骨料，可制备再生骨料混凝土，而再生粉具有一定的活性，可以取代部分水泥，然而再生粉的再生利用率不高。

高炉矿渣、粉煤灰和脱硫石膏是常见的工业固废，其中矿渣和粉煤灰具有较高的火山灰活性，可以作为碱激发的前体物质，在碱激发剂的催化作用下生成地聚合物。地聚合物具有优质的力学性能和耐久性，是一种非常有潜力的建筑材料。一般常用的碱激发剂主要为硅酸钠和氢氧化钠，也可以采用生石灰作为碱激发剂，与脱硫石膏一起可以水化反应生成二水石膏，后期则生成钙钒石，进一步提升强度。

专利CN108046669A、专利CN111393117A和专利CN110510966A公开了不同的制备地聚合物砖的方法，都采用了盾构渣土为主要原料，采用粉煤灰、矿渣为胶凝材料，硅酸钠和氢氧化钠为碱激发剂，其中专利CN111393117A直接使用了含水原状盾构渣土作为原料，三个专利所公开的地聚合物砖的强度可完全满足规范要求，未来的应用市场潜力巨大。因此，与地聚合物砖相适应的碱激发砂浆的未来应用潜力也非常巨大。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷中的至少一种而提供一种盾构渣浆碱激发再生砂浆及其制备方法和应用。该再生砂浆具有早强、粘结性高、耐久性高的优点，同时相对于传统的水泥砂浆，碱激发砂浆的原材料在生产过程中的能耗和碳排放更低。而本发明不仅采用了碱激发原理，还掺入了再生材料，高质量回收利用了建筑固废，减少对天然资源的压力，符合循环经济的思想。

本发明的构思为利用碱激发原理制得的再生砂浆与渣土经碱激发所制备的地聚合物砖的粘结效果更好，且碱激发的碳排放比水泥更低。与此同时，本发明还充分循环利用了盾构渣浆、再生砂、再生粉、矿渣、粉煤灰和脱硫石膏等建筑和工业固废。使用盾构渣浆可以免去复杂的渣浆脱水步骤，减少了废水的排放和电力的使用，节约了时间，也是节能、环保和高效的另一种体现。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

本发明目的之一在于一种盾构渣浆碱激发再生砂浆，该再生砂浆的原材料包括盾构渣浆、再生砂、再生粉、矿渣、粉煤灰和碱激发剂；所述的碱激发剂包括脱硫石膏和/或生石灰和/或氢氧化钠。

再生砂和再生粉均来源于建筑固废，区别主要在于粒径不同，建筑固废的成分主要包括废弃混凝土、废弃砂浆或废弃粘土砖。

进一步地，该再生砂浆包括以下质量份的组分：盾构渣浆100-120份、再生砂10-40份、再生粉0-30份，优选5-25份、矿渣0-80份和粉煤灰0-80份，其中矿渣和粉煤灰不同时为0。

进一步地，该再生砂浆包括以下质量份的组分：盾构渣浆100-110份、再生砂10-30份、再生粉5-25份、矿渣0-70份、粉煤灰0-70份，其中矿渣和粉煤灰不同时为0。

进一步地，所述盾构渣浆的质量m₀和含水率w₀、再生砂的质量m_RFA与再生粉的质量m_RP、矿渣的质量m_Slag和粉煤灰的质量m_FA，即骨胶比，满足以下关系：

0.94<(m₀*(1-w₀)+m_RFA)/(m_RP+m_Slag+m_FA)<1.44。

优选地，0.94<(m₀*(1-w₀)+m_RFA)/(m_RP+m_Slag+m_FA)<1.34。

进一步地，所述盾构渣浆中颗粒粒径小于2.36mm，含水率小于75wt％。

进一步地，所述的再生砂的粒径小于2.36mm，大于0.075mm；所述的再生粉、粉煤灰和矿渣的粒径小于0.075mm；所述脱硫石膏和生石灰的粒径小于0.075mm。

进一步地，将该盾构渣浆洗砂和脱水后，得到的盾构渣土的塑性指数为 7～19。这里用到盾构渣土，是因为液塑限是直接针对土壤的性质，和土的含水率无关，所以用词为盾构渣土而非渣浆。盾构渣土含水率一般为30-40wt％，一般情况下含水率高于陆地上的干土。

本发明目的之二在于一种上所述的盾构渣浆碱激发再生砂浆的制备方法，具体步骤如下：

将盾构渣浆充分破碎后，得到粒径小于2.36mm的盾构渣浆原料，将建筑垃圾依次经破碎、筛分后，得到再生砂和再生粉原料；

对盾构渣浆进行含水率测试，若大于75wt％，则静置沉淀，去除上部澄清浆液，再次测试含水率，直至小于等于75wt％，最终的盾构渣浆的含水率为w₀，并依据含水率计算盾构渣浆中的渣土含量和水含量，依据骨胶比和液固比确定其他原料质量份和额外加水量。

将确定质量的盾构渣浆、再生砂、再生粉、粉煤灰、矿渣、脱硫石膏和生石灰混合并搅拌15min以上，使其混合均匀；

若无需额外加水，则将固体氢氧化钠放入盾构渣浆、再生砂、再生粉、粉煤灰、矿渣、脱硫石膏和生石灰中一起搅拌，若需额外加水，则将固体氢氧化钠和额外的水混合成氢氧化钠溶液，并掺入盾构渣浆、再生砂、再生粉、粉煤灰、矿渣、脱硫石膏和生石灰中，继续搅拌5min，最终得到一种盾构渣浆碱激发再生砂浆。

所述碱激发剂包括脱硫石膏10-20份、生石灰10-20份和氢氧化钠固体4-8 份；氢氧化钠纯度为工业级以上。优选地，脱硫石膏10-15份、生石灰10-15 份、氢氧化钠固体5-7份。

所述盾构渣浆的质量m₀和含水率w₀、外加水的质量m_W，以及再生砂、再生粉、矿渣、粉煤灰、脱硫石膏、生石灰和氢氧化钠的质量m_S，即液固比，满足以下关系：

0.30<(m₀*w₀+m_W)/(m₀*(1-w₀)+m_S)<0.52。

优选地，0.35<(m₀*w₀+m_W)/(m₀*(1-w₀)+m_S)<0.45。

本发明目的之三在于一种如上所述的盾构渣浆碱激发再生砂浆的应用，应用于砌体结构的砌筑砂浆，该砌体结构的砖或砌块为地聚合物砖。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1)本发明采用了盾构渣浆为原料，相比于干燥渣土，在应用过程中根据含水率采取相应处置方式，一方面直接利用了原状盾构渣土中的部分或者全部的水，另一方面省略了盾构渣土压滤脱水的步骤，，效率更高，且更加节能、节水，排放废水更少。

2)本发明所用的原材料基本全部来自建筑业和工业的废弃物，包括盾构渣浆、再生砂、再生粉、矿渣、粉煤灰和脱硫石膏，消纳废物种类多，数量大，减少了对天然资源的依赖。

3)本发明采用了碱激发原理制备地聚合物砂浆，相对于传统的水泥砂浆，没有了煅烧石灰石所产生的额外二氧化碳，无需高温煅烧，更加节能和低碳，符合绿色经济。

4)本发明是专用于由碱激发砖砌筑的砌体结构的专用砂浆，具有与碱激发砌块更好的适应性，使砌体结构整体性更强，且碱激发砂浆具有早强、粘结性强、无需湿养护、耐久性更高等优势。

附图说明

图1一种盾构渣浆碱激发再生砂浆制备方法的流程图。

图2不同骨胶比下的再生砂浆的抗压强度变化趋势图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例所用的材料和试剂均购自商业途径。

一种盾构渣浆碱激发再生砂浆的制备方法，具体流程见图1，包括以下步骤：

取盾构渣浆原料，破碎后得到2.36mm以下的盾构渣浆，测试盾构渣浆的初始含水率，若含水率大于75wt％，需先将盾构渣浆静置沉淀，然后抽离盾构渣浆上部的部分澄清液，再次将盾构渣浆搅拌均匀，再次测试含水率，若仍大于75wt％。重复上述步骤，直至含水率合格。若小于75wt％，按照0.94<骨胶比<1.44，0.35<液固比<0.45进行配合比的计算后，开始制备混合料。

向盾构渣浆中逐步掺入计算好份数的再生砂、再生粉、矿渣、脱硫石膏和生石灰，以及氢氧化钠固体或氢氧化钠固体与外加水的混合溶液，搅拌至均匀，即得盾构渣浆碱激发再生砂浆。

将获得的盾构渣浆碱激发再生砂浆用于碱激发地聚合物砖的砌筑工作，砌筑工艺与传统粘土砖和水泥砂浆的砌筑工艺类似，多余砂浆制成70.7mm*70.7 mm*70.7mm的小型立方体试块检测抗压强度。

实施例1

1)取盾构渣浆原料，破碎后得到2.36mm以下的盾构渣浆，测试盾构渣浆的初始含水率为30wt％，符合要求，按照骨胶比1.13和液固比0.30计算配合比后，则开始制备混合料。

2)取100质量份的盾构渣浆，逐步掺入40质量份的再生砂，继续掺入 17质量份的再生粉与80质量份的矿渣，10质量份的脱硫石膏，10质量份的生石灰，以及6质量份的氢氧化钠固体和40质量份的水配置的氢氧化钠溶液，搅拌15min，使其混合均匀。

3)保持搅拌，同时检查混合砂浆的流动性，流动性达到70mm，停止搅拌；

4)将步骤3)获得的砂浆用于碱激发地聚合物砖的砌筑工作，砌筑工艺与传统粘土砖和水泥砂浆的砌筑工艺类似，对多余砂浆制成70.7mm*70.7mm *70.7mm的小型立方体试块检测抗压强度，结果为14.8MPa，符合国家标准 M10的砂浆强度要求。

实施例2

1)取盾构渣浆原料，破碎后得到2.36mm以下的盾构渣浆，测试盾构渣浆的初始含水率，超出最低要求的75wt％含水率，故需先将盾构渣浆静置沉淀，然后抽离渣浆上部的部分澄清液，再次将盾构渣浆搅拌均匀，再次测试含水率，为50wt％，符合要求，按照骨胶比0.94和液固比0.35计算配方，然后则开始制备混合料。

2)取110质量份的盾构渣浆，逐步掺入25质量份的再生砂，继续掺入5 质量份的再生粉与80质量份的粉煤灰，20质量份的脱硫石膏，20质量份的生石灰，以及8质量份的氢氧化钠固体和20质量份的水配置的溶液，搅拌15min，使其混合均匀。

3)保持搅拌，同时检查混合砂浆的流动性，流动性达到75mm，停止搅拌；

4)将步骤3)获得的砂浆用于碱激发地聚合物砖的砌筑工作，砌筑工艺与传统粘土砖和水泥砂浆的砌筑工艺类似，对多余砂浆制成70.7mm*70.7mm *70.7mm的小型立方体试块检测抗压强度，结果为17.5MPa，符合国家标准 M15的砂浆强度要求。

实施例3

1)取盾构渣浆原料，破碎筛分后得到2.36mm以下的盾构渣浆，测试盾构渣浆的初始含水率超过75wt％，故需先将原状盾构渣浆静置沉淀，然后抽离渣浆上部的部分澄清液，再次将盾构渣浆搅拌均匀，再次测试含水率为 75wt％，符合要求，按照骨胶比1.00和液固比0.52计算配合比后，开始制备混合料。

2)取120质量份的盾构渣浆，逐步掺入40质量份的再生砂，继续掺入 10质量份的再生粉与60质量份的粉煤灰，15质量份的脱硫石膏，15质量份的生石灰，以及4质量份的氢氧化钠固体，搅拌15min，使其混合均匀。

3)保持搅拌，同时检查混合砂浆的流动性，流动性达到90mm，停止搅拌；

4)将步骤3)获得的砂浆用于碱激发地聚合物砖的砌筑工作，砌筑工艺与传统粘土砖和水泥砂浆的砌筑工艺类似，对多余砂浆制成70.7mm*70.7mm *70.7mm的小型立方体试块检测抗压强度，结果为16.9MPa，符合国家标准 M15的砂浆强度要求。

实施例4

1)取盾构渣浆原料，破碎后得到2.36mm以下的盾构渣浆，测试盾构渣浆的初始含水率为40wt％，符合要求，按照骨胶比0.94和液固比0.30计算配合比后，开始制备混合料。

2)取120质量份的盾构渣浆，逐步掺入30质量份的再生砂，继续掺入 30质量份的再生粉与40质量份的粉煤灰和40质量份的矿渣，20质量份的脱硫石膏，20质量份的生石灰，以及8质量份的固体氢氧化钠和30质量份的水配置的溶液，搅拌15min，使其混合均匀。

3)保持搅拌，同时检查混合砂浆的流动性，直至流动性达到71mm，停止搅拌；

4)将步骤3)获得的砂浆用于碱激发地聚合物砖的砌筑工作，砌筑工艺与传统粘土砖和水泥砂浆的砌筑工艺类似，对多余砂浆制成70.7mm*70.7mm *70.7mm的小型立方体试块检测抗压强度，结果为17.7MPa，符合国家标准 M15的砂浆强度要求。

实施例5

1)取盾构渣浆原料，破碎后得到2.36mm以下的盾构渣浆，测试盾构渣浆的初始含水率为45wt％，符合要求，按照骨胶比1.44和液固比0.34计算配合比后，开始制备混合料。

2)取100质量份的盾构渣浆，逐步掺入10质量份的再生砂，继续掺入5 质量份的再生粉与40质量份的矿渣，10质量份的脱硫石膏，10质量份的生石灰，以及4质量份的氢氧化钠固体，搅拌15min，使其混合均匀。

3)保持搅拌，同时检查混合砂浆的流动性，直至流动性达到72mm，停止搅拌；

4)将步骤3)获得的砂浆用于碱激发地聚合物砖的砌筑工作，砌筑工艺与传统粘土砖和水泥砂浆的砌筑工艺类似，对多余砂浆制成70.7mm*70.7mm *70.7mm的小型立方体试块检测抗压强度，结果为10.1MPa，符合国家标准 M10的砂浆强度要求。

实施例6

1)取盾构渣浆原料，破碎后得到2.36mm以下的盾构渣浆，测试盾构渣浆的初始含水率为60wt％，符合要求，按照骨胶比1.17和液固比0.41计算配合比后，开始制备混合料。

2)取105质量份的盾构渣浆，逐步掺入40质量份的再生砂，继续掺入 10质量份的再生粉与60质量份的矿渣，10质量份的脱硫石膏，10质量份的生石灰，以及5质量份的氢氧化钠固体和10质量份的水配置的溶液，搅拌15 min，使其混合均匀。

3)保持搅拌，同时检查混合砂浆的流动性，直至流动性达到80mm，停止搅拌；

4)将步骤3)获得的砂浆用于碱激发地聚合物砖的砌筑工作，砌筑工艺与传统粘土砖和水泥砂浆的砌筑工艺类似，对多余砂浆制成70.7mm*70.7mm *70.7mm的小型立方体试块检测抗压强度，结果为14.3MPa，符合国家标准 M10的砂浆强度要求。

图2为不同骨胶比下的再生砂浆的抗压强度变化趋势图，可知骨胶比约小，砂浆的抗压强度越好，这是因为胶凝材料比例的增大，有利于胶凝材料在碱激发剂的催化作用下可以发生解聚-聚合反应，阳离子交换反应，形成由硅氧四面体和铝氧四面体、铝氧八面体等组成的骨架网络，C-S-H凝胶，水化硅铝酸钙凝胶，从而提高混凝土的后期强度与耐久性。此外，本发明通过合理控制骨胶比，使得砂浆的生产成本降低，实现了建筑固废的再生利用。

实施例7

1)按照专利CN111393117A的方法制备含水盾构渣土免烧砖，称取含水原状盾构渣土70份(以干重计)，高炉矿渣30份，氢氧化钠固体4份，固体硅酸钠粉8份，水16份，其中含水原状盾构渣土的含水率为31wt％；高炉矿渣的颗粒大小为200目以上；氢氧化钠为工业级固体片状分析纯，纯度99％；硅酸钠粉模数为3，细度为100目。将30份高炉矿渣和8份固体硅酸钠粉在搅拌机中混合均匀；取70份原状盾构渣土，加入16份水，并加入搅拌均匀的高炉矿渣和固体硅酸钠粉混合物，对其进行破碎、混合，控制渣土中4.75mm 或5mm以上的粗颗粒含量不超过10％为止；最后，往混合物中掺入4份氢氧化钠固体，并在搅拌机中搅拌至均匀状，最终得到混合物料，测得混合物料的流动度为180mm。将混合物料浇筑入240*115*53mm的标准塑料模具中，浇筑的同时边震捣模具，排除物料中的空气，确保成型质量。覆膜自然养护1天后脱模，再覆膜自然养护至28天，得到含水原状盾构渣土免烧砖。

2)经测试，经所制备的含水原状盾构渣土免烧砖的平均抗压强度为17.9 MPa；平均抗折强度为2.7MPa，外观完整。

3)按照本专利实施例6中的方法制备盾构渣土碱激发砂浆混合物料，将该混合物料用于砌体结构的砌筑，砌筑砖块采用步骤1)中的碱激发免烧砖。按照规范GB/T 50129-2011《砌体基本力学性能试验方法标准》的规定设计砌体结构抗压试件。每个试件共12层砖，每层3块砖，碱激发砂浆的涂抹厚度为10mm，试件总高度约720mm，高厚比为3，共计6个试件。

4)采用与步骤3)同样的方法再砌筑6个水泥砂浆砌体结构试件，砖块仍为步骤1)的碱激发免烧砖，砂浆则采用普通硅酸盐水泥砂浆，其中水泥砂浆设计强度M10，试验测得其70.7mm*70.7mm*70.7mm立方体试件的抗压强度为13.2MPa，与碱激发砂浆强度相近。

5)按照GB/T 50129-2011的方法进行砌体结构试件的抗压强度测试，记录试件的开裂荷载，极限荷载与破坏模式，结果如表1所示。从中可以看到采用碱激发砂浆后，砌体结构的强度明显提升，比采用水泥砂浆砌筑的砌体结构强度高24.8％(本案例中碱激发砂浆本身比水泥砂浆强度高8.3％)。对比两种砌体结构破坏后的外观，发现采用水泥砂浆时，砌体结构的破坏形式多为纵向裂缝发展并最终出现从上至下贯通的长裂缝，而碱激发砂浆的裂纹发展多为斜裂缝，这表明碱激发砂浆与碱激发免烧砖的契合度更高，粘结效果更好。

表1碱激发砂浆与水泥砂浆砌筑碱激发免烧砖砌体结构抗压强度

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (7)

1.一种盾构渣浆碱激发再生砂浆的应用，其特征在于，该再生砂浆为专门应用于砌体结构的砌筑砂浆，且该砌体结构的砖或砌块为地聚合物砖；

所述的再生砂浆的原材料包括盾构渣浆、再生砂、再生粉、矿渣、粉煤灰和碱激发剂；所述的碱激发剂包括脱硫石膏和/或生石灰和/或氢氧化钠；

所述的再生砂浆包括以下质量份的组分：盾构渣浆100-120份、再生砂10-40份、再生粉0-30份、矿渣0-80份和粉煤灰0-80份，其中矿渣和粉煤灰不同时为0；

所述盾构渣浆的质量m₀和含水率w₀、再生砂的质量m_RFA与再生粉的质量m_RP、矿渣的质量m_Slag和粉煤灰的质量m_FA，即骨胶比，满足以下关系：

0.94<(m₀*(1-w₀)+m_RFA)/(m_RP+m_Slag+m_FA)<1.44；

所述的含水率w₀≤75wt％；所述的再生砂的粒径小于2.36mm，大于0.075mm；所述的再生粉、粉煤灰和矿渣的粒径小于0.075mm。

2.根据权利要求1所述的一种盾构渣浆碱激发再生砂浆的应用，其特征在于，该再生砂浆包括以下质量份的组分：盾构渣浆100-110份、再生砂10-30份、再生粉5-25份、矿渣0-70份、粉煤灰0-70份，其中矿渣和粉煤灰不同时为0。

3.根据权利要求1所述的一种盾构渣浆碱激发再生砂浆的应用，其特征在于，所述盾构渣浆的质量m₀和含水率w₀、再生砂的质量m_RFA与再生粉的质量m_RP、矿渣的质量m_Slag和粉煤灰的质量m_FA，即骨胶比，满足以下关系：

0.94<(m₀*(1-w₀)+m_RFA)/(m_RP+m_Slag+m_FA)<1.34。

4.根据权利要求1所述的一种盾构渣浆碱激发再生砂浆的应用，其特征在于，所述盾构渣浆中颗粒粒径小于2.36mm。

5.根据权利要求1所述的一种盾构渣浆碱激发再生砂浆的应用，其特征在于，所述脱硫石膏和生石灰的粒径小于0.075mm。

6.根据权利要求1所述的一种盾构渣浆碱激发再生砂浆的应用，其特征在于，将该盾构渣浆洗砂和脱水后，得到的盾构渣土的塑性指数为7～19。

7.根据权利要求1所述的一种盾构渣浆碱激发再生砂浆的应用，其特征在于，该再生砂浆制备方法的具体步骤如下：

按质量份，在盾构渣浆中加入再生砂、再生粉、粉煤灰、矿渣、碱激发剂和水，搅拌至均匀，即得盾构渣浆碱激发再生砂浆；

所述碱激发剂包括脱硫石膏10-20份、生石灰10-20份和氢氧化钠4-8份；

所述盾构渣浆的质量m₀和含水率w₀、外加水的质量m_W，以及再生砂、再生粉、矿渣、粉煤灰、脱硫石膏、生石灰和氢氧化钠的质量m_S，即液固比，满足以下关系：

0.30<(m₀*w₀+m_W)/(m₀*(1-w₀)+m_S)<0.52。

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