CN105801029B - 一种混凝土新生产方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种混凝土新生产方法，其通过将如下组分混制来生产混凝土：40‑70重量份的道路铣刨废料，10‑20重量份由建筑垃圾制得的骨料，5‑15重量份的粉煤灰，15‑30重量份的水泥，0.02‑0.2重量份的外加剂，和10‑50份的水；所述铣刨废料为由沥青混凝土路面铣刨废料制得的级配骨料。该方法能够使路面铣刨料、建筑垃圾和废钢渣得到充分再利用，以较低的生产成本获得满足需要的混凝土。

Description

一种混凝土新生产方法
技术领域
本发明涉及一种混凝土的新生产方法，更特别地涉及一种由钢渣、建筑垃圾和路面铣刨料生产低成本混凝土的工艺。
背景技术
随着市场商品混凝土的日益增多，商品混凝土市场竞争日趋激烈，商品混凝土企业的高利润时代早已成为过去。面对这种形势，降低商品混凝土的生产成本，才能够增加商品混凝土在市场上的竞争力。如何合理有效的成本控制，是商品混凝土厂家生存和发展的关键。
建筑垃圾主要指建设、施工单位或个人对各类构筑物、建筑物等进行建设、修缮、拆除及进行房屋装饰过程中产生的泥土、废渣、砂浆等各类废弃物。不同类型的建筑结构产生的建筑垃圾的基本组成一致，主要成分包括泥土、散落的砂浆、废渣，沥青混凝土碎块、打桩截断剩下的钢筋混凝土桩头，水泥混凝土、剔凿产生的砖石，各种废金属、木材、各类建材产品的包装材料，墙体保温板，装修过程产生的废料和其它废弃物。
粉煤灰是电厂的燃料废渣，大量的粉煤灰需要占用大面积的土地进行堆放，粉煤灰的粉尘造成周边环境严重污染，如果将粉煤灰加以合理利用，不但使工程造价大大降低，而在节约土地、环境保护方面具有深远意义。
粉煤灰属于CaO、Al2O3-SiO2系材料，由于煤粉高温燃烧，其中主要成分铝、硅形成了活性成分，同时由于粉煤灰的比表面积很大，具有很大的表面能，且粉煤灰的密度小，这为本发明将其用在道路例如公路中提供了基础。粉煤灰具有多孔结构、球形粒径的特性，在松散状态下具有良好的渗透性，其渗透系数比粘性土的渗透系数大数百倍。粉煤灰在外荷载作用下具有一定的压缩性，同比粘性土其压缩变形要小的多，粉煤灰的毛细作用比较强。
CN1133269A开了一种用于道路工程及其它土建工程的胶凝材料及生产方法，其产品主要用于要求耐磨、耐腐蚀的工程及抗干缩要求较高、水化热较低的其它工程，其特征在于该产品(水泥)是由经预消解处理并磁选后的钢渣与矿渣、粉煤灰、硅酸盐熟料、含铝硫酸盐及硅酸盐矿物多种物质粉磨混合而成的。
CN101343852A公开了一种利用废钢渣制造公路用混凝土的方法，其步骤是：(1)采用废钢渣填筑路基；(2)需控制钢渣填筑路基的填筑速率，保证路基的稳定性；(3)钢渣填筑路堤应采用振动压路机分层碾压，碾压时钢渣应处于最佳含水量范围内，采用试验路段试验的方法确定合适的碾压机具，采用最大干密度和最佳含水量作为钢渣填筑路基的压实度计算标准；(4)钢渣路堤的横断面设计，包括路堤高度、路堤边坡坡率、填筑层厚，顶封层、底封层、夹层，护坡及排水系统。
CN103467014A公开了一种混凝土，包括以下组分，各组分按照重量份分别为：水泥180～280重量份；矿粉50～70重量份；粉煤灰50～80重量份；石子920～980重量份；碎屑700～750重量份；砂100～200重量份；水170～200重量份；减水剂5～9重量份；CTF混凝土增效剂1.8～2.5重量份。
CN105152566A公开了一种混凝土添加剂，包括如下重量份数的原料：粉煤灰4～16份、二氧化硅粉4～10份、聚丙烯纤维4～16份、钙粉1～9份、木质素磺酸钙粉1～9份、丙烯酸乳液4～10份。
CN103524096A公开了一种纤维混凝土，所述纤维混凝土组分及重量份如下：骨料：2.5-30％；混凝土：20-90％；钢纤维或碳纤维：1-20％；外加剂：1-10％；聚丙乙烯纤维：0-10％。
CN105060752A公开了一种活性更高，制作成本更低的混凝土掺合料，混凝土掺合料的原材料包括卵石粉、粉煤灰、石灰石粉，所述卵石粉、粉煤灰、石灰石粉混合均匀。
CN103819148A公开了一种钢渣混凝土，由以下组分组成：水泥、水、重晶砂、石子、烧结球、奈系高效减水剂、膨胀剂、粉煤灰。
CN103482938A公开了一种抗裂混凝土，抗裂混凝土的组分和含量如下：1m3混凝土中含有水泥220-480kg、细骨料680-740kg、粗骨料650-800kg、橡胶颗粒220-415kg、粉煤灰12-45kg、废旧聚苯乙烯泡沫颗粒10-35kg、水160-190kg、外加剂4.5-8.0kg、矿粉3.5-6.5kg。
“中低强度混凝土低成本高性能化的研究”，马保国等，混凝土，2004(8)：45-46，公开了一种中低强度混凝土C20-C50，指出高性能化和生产成本是目前混凝土行业急需解决的关键问题，通过研究，进一步指出粉煤灰、矿粉复掺代替普通硅酸盐水泥40％～60％，能够有效改善混凝土工作、耐久性能，同时生产成本降低6～7元/m3。
随着我国公路事业的迅猛发展，高速公路的里程越来越长。一些早期修建的高速公路面临着大修或扩建，如何利用已损坏的路面面层、特别是沥青面层逐渐受到人们的重视。
将钢渣作为废物遗弃，不仅占用大量的土地资源，还对环境造成了污染。为了适应钢铁工业的快速发展，近年来，各产钢国都已经将如何利用钢渣的问题提到了重要日程上来，并已经取得了一些成果。到目前为止，钢渣综合利用主要涉及以下领域：返回冶金再用，作水泥，作筑路工程材料，作农肥和酸性土壤改良剂，用于废水处理等，在用于混凝土制造中的研究较少。
如果能够将所述各种废料加以利用，则能够合理降低混凝土的成本。然而，如何利用所述废料生产出满足标准要求的混凝土，则存在诸多技术障碍，一直给低成本混凝土的质量带来困难。本领域需要一种低成本混凝土生产新工艺。
发明内容
为克服现有技术中存在的上述技术问题，本发明人经过深入研究和大量试验，分析了各组分的特点和相互作用关系，提供了以下技术方案。
在本发明的一方面，提供了一种混凝土生产方法，其通过将如下组分混制来生产混凝土：40-70重量份的道路铣刨废料，10-20重量份由建筑垃圾制得的骨料，5-15重量份的粉煤灰，15-30重量份的水泥，0.02-0.2重量份的外加剂，和10-50份的水；所述铣刨废料为由沥青混凝土路面铣刨废料制得的级配骨料。
本发明人发现，道路铣刨废料、尤其是路面铣刨废料中含有较多的沥青，因此能够将粉煤灰实现较好的包覆，从而增强混凝土强度。
任选地，该混凝土的制备原料中还包含0.1-2.0重量份的增强碳纤维。所述碳纤维的表面优选用改性环氧树脂进行涂覆来进行增强。
在一个优选实施方式中，所述由建筑垃圾制得的骨料通过将建筑垃圾中的红砖、青砖、瓦和/或碎玻璃破碎至粒径为1-20mm，优选5-18mm的颗粒而获得。
优选地，所述由沥青混凝土路面铣刨废料制得的级配骨料通过包括以下步骤的方法获得：
(1)对沥青混凝土路面进行铣刨，第一层铣刨厚度为2-6cm，第二层铣刨厚度为7-10cm；
(2)对第一层铣刨料进行筛分，收集10-30mm的颗粒，将大于30mm的颗粒破碎后再次进行筛分，获得10-30mm的颗粒，记作颗粒A；将小于10mm的颗粒收集备用，该颗粒记作颗粒B；
(3)对第二层铣刨料进行破碎，筛分收集10-20mm的颗粒，记作颗粒C，将颗粒A、颗粒B和颗粒C以(40-50):(5-10):(20-30)的重量份比例进行级配混合，获得级配骨料。
在本发明中，充分考虑到第一层铣刨料和第二层铣刨料的组成和性质，将其以所述特定的粒径和比例进行级配，使各种粒径的铣刨料能够实现充分的性能互补，例如在混凝土中能够实现骨料密实填充，使制得的混凝土具有较高的强度。又如，第一层铣刨料具有较高的沥青含量，不易破碎，具有较强的韧性，可以采用较大粒径，第二层铣刨料含有较多的砂石，具有较高的强度。与现有技术中将路面铣刨料简单粉碎相比，本发明的该级配方法能够使混凝土的强度提高1倍以上。
特别优选地，在步骤(3)的级配混合中，还加入0.5-1.5重量份的慢裂快凝阳离子型乳化沥青。
所述乳化沥青优选是通过使用N-[2-羟基-3-壬基酚聚氧乙烯醚]丙基三甲基氯化铵作为乳化剂对沥青进行乳化制得。本发明人发现，当使用该乳化剂来制备乳化沥青时，能够以最低的用量实现较大的乳化效果，使沥青具有较好的再生效果。
优选地，所述粉煤灰为经过钙盐进行掺混而固化处理的粉煤灰
在进一步优选的实施方案中，所述粉煤灰为经过固化处理的粉煤灰，该经过处理固化的粉煤灰通过如下方法制得：向粉煤灰加入基于粉煤灰重量计1.0-2.0％Ca(OH)2、0.5-1.0％CaCl2和0.5-1.0％CaSO4，搅拌均匀后加入基于粉煤灰重量计5.0-10.0％的水，再次搅拌均匀，然后在室温环境下放置1-5天。由于粉煤灰自身遇水不能固化，但掺入所述固化剂后的含粉煤灰的混合料能够更易于固化，可增加地基的荷载，致使实际工后沉降拌和振捣后能快速固化，并且还具有很好的抗压性、抗剪性、耐水性。
粉煤灰是一类高硅、高铝、低钙的玻璃体，聚合度大，网络严密，要充分激发其活性，必须破坏其Si-O、Al-O键，Si-O键的断裂主要受碱度的影响，Al-O键的断裂除了受OH-离子的影响外，还与SO4 2-有关，因此在本发明中选择硫酸钙可以同时激发粉煤灰和建筑垃圾骨料、路面铣刨料。硫酸钙可以来自于火力发电厂石膏法废气处理后产生的硫酸钙废弃物，易于获得且价格便宜。
在本发明中，所述混凝土外加剂特别优选包含或者是通过使如下单体(I)和单体(II)共聚获得的共聚物：
(I)
其中R1为C1-C6的烷基，例如乙基，R2为C2-C8的烷基，例如丙基，n为3-6的整数；和
(II)α,β-芳族不饱和羧酸；
其中单体(I)和(II)的重量比为60-90:10-40，所述共聚物的重均分子量为600-1800。
在所述单体(I)的结构中，重复的乙氧基单元的存在进一步增强了混凝土的减水性能，从而克服了由再生料(特别是道路铣刨料)制得的混凝土减水性不足的缺陷。
最优选地，所述α,β-芳族不饱和羧酸具有如下化学结构式：
发现通过在苯环两个间位用F取代，由于电子效应，与单取代或非取代形式相比，可以进一步增强共聚物的减水性能，从而可以在混凝土配制中加入低至0.01重量％的所述外加剂就可以实现所需减水性能。
本发明的这种具有优异减水性能的外加剂聚合物尚未有报导。
聚合方法可以采用本领域常规的聚合方法来进行，例如本体聚合、溶液聚合、乳液聚合法或悬浮聚合。
本发明人经过研究发现，通过加入这样的外加剂，可以提供优异的减水性能，防止混凝土的流动性随着时间降低，非常有利于在混凝土填筑中进行施工，并且使得能够有效减少水泥的使用，克服再生料的减水性能和强度不足的缺陷，使得混凝土构筑件强度高，满足所需要求。
所述改性环氧树脂化合物优选为硅氧烷化合物改性的环氧树脂化合物。
特别优选地，所述硅氧烷化合物优选为下式(III)所示的化合物：
其中，Me代表甲基，R为乙基或丙基，优选为乙基，n为5-20，优选为8。
当采用该硅氧烷化合物进行改性时，能够使环氧树脂由松散线性结构形成牢固的紧密网状结构，该网状结构进而可以有效包覆和固定碳纤维，并且使碳纤维之间可以形成交联，从而极大地增强混凝土的强度。经测试，用本发明方法的改性环氧树脂涂覆的碳纤维，其拉伸强度是普通环氧树脂涂覆的碳纤维约2.3倍。
具体实施方式
通过以下具体实施例和对比例，进一步描述本发明，但是实施例仅用于说明，并不能限制本发明的范围。
在本发明中，各项性能测试可以参照下列标准进行：1、GB/T 1346《水泥标准稠度用水量、凝结时间、安定性检验方法》；2、混凝土减水剂质量标准和试验方法JGJ 56-84；和3、JTGE51-2009公路无机结合料稳定材料试验规程。
实施例1
混凝土外加剂的制备
单体(I)的化学结构式为：
其中R1为甲基，R2为乙基，n为5，该单体可以通过将聚乙二醇和甲基基丙烯酸按照常规酯化方法进行酯化、然后将酯化产物与乙氧基氯按照常规消除反应制得，或者可以直接商购自Sigma-Aldrich公司；
单体(II)的化学结构式为：
该单体同样可商购自Sigma-Aldrich公司；
采用乳液聚合法，向500mL带有机械搅拌装置的圆底烧瓶中加入80g单体(I)和13g单体(II)以及200mL去离子水，搅拌下通氮气，然后加入0.1g过硫酸铵作为引发剂，升温至聚合温度，聚合温度为80℃，保持反应4小时，结束反应后回收聚合产物，经测量所得共聚物的重均分子量为约1600。
实施例2
由如下组分混合来制备混凝土：50重量份的道路铣刨废料，15重量份由建筑垃圾中的砖石破碎制得的骨料，其平均粒径为约15mm，10重量份的粉煤灰(来自平顶山煤矿集团)，20重量份的水泥，0.03重量份的实施例1制备的外加剂，和30份的水；所述铣刨废料为由沥青混凝土路面铣刨废料制得的级配骨料；所述由沥青混凝土路面铣刨废料制得的级配骨料通过以下步骤获得：(1)对107国道的待翻新沥青混凝土路面进行铣刨，第一层铣刨厚度为5cm，第二层铣刨厚度为10cm；(2)对第一层铣刨料进行筛分，收集10-30mm的颗粒，将大于30mm的颗粒破碎后再次进行筛分，获得10-30mm的颗粒，记作颗粒A；将小于10mm的颗粒收集备用，该颗粒记作颗粒B；(3)对第二层铣刨料进行破碎，筛分收集10-20mm的颗粒，记作颗粒C，将颗粒A、颗粒B和颗粒C以50:10:25的重量份比例进行级配混合，获得级配骨料。
按照标准公路设计规范，将所述混凝土材料作为公路上基层进行铺筑，测试其7d抗压强度。经测量，其7d抗压强度为3.55MPa，完全符合高速公路对基层7d抗压强度的要求；同时，测得其减水剂收缩率比(％)为84％。
对比例1
重复实施例2的操作，不同之处在于使用常规市售聚羧酸系高性能减水剂混凝土外加剂，测得其减水剂收缩率比(％)为99％。。
对比例2
重复实施例2的操作，不同之处仅在于混凝土生产中不加入粉煤灰。测试其7d抗压强度为2.37MPa，不符合高速公路对上基层的7d抗压强度的要求，仅仅符合普通公路例如一级公路对交通基层材料的要求。
由上述实施例和对比例明显可知，通过采用本发明工艺，能够使路面铣刨料、建筑垃圾和粉煤灰得到充分再利用，并且以较低的生产成本获得完全满足需要的混凝土，例如其强度提高，收缩率明显降低，使得能够减少混凝土中水的用量和水泥的用量。这样的技术效果是先前所未预料到的。
本书面描述使用实例来公开本发明，包括最佳模式，且还使本领域技术人员能够制造和使用本发明。本发明的可授予专利的范围由权利要求书限定，且可以包括本领域技术人员想到的其它实例。如果这种其它实例具有不异于权利要求书的字面语言的结构元素，或者如果这种其它实例包括与权利要求书的字面语言无实质性差异的等效结构元素，则这种其它实例意图处于权利要求书的范围之内。在不会造成不一致的程度下，通过参考将本文中参考的所有引用之处并入本文中。

Claims (4)

1.一种混凝土生产方法，其通过将如下组分混制来生产混凝土：40-70重量份的道路铣刨废料，10-20重量份由建筑垃圾制得的骨料，5-15重量份的粉煤灰，15-30重量份的水泥，0.02-0.2重量份的外加剂，和10-50份的水；所述铣刨废料为由沥青混凝土路面铣刨废料制得的级配骨料；
其中所述由沥青混凝土路面铣刨废料制得的级配骨料通过包括以下步骤的方法获得：
(1)对沥青混凝土路面进行铣刨，第一层铣刨厚度为2-6cm，第二层铣刨厚度为7-10cm；
(2)对第一层铣刨料进行筛分，收集10-30mm的颗粒，将大于30mm的颗粒破碎后再次进行筛分，获得10-30mm的颗粒，记作颗粒A；将小于10mm的颗粒收集备用，该颗粒记作颗粒B；
(3)对第二层铣刨料进行破碎，筛分收集10-20mm的颗粒，记作颗粒C，将颗粒A、颗粒B和颗粒C以(40-50):(5-10):(20-30)的重量份比例进行级配混合，获得级配骨料；
所述粉煤灰为经过固化处理的粉煤灰，该经过处理固化的粉煤灰通过如下方法制得：向粉煤灰加入基于粉煤灰重量计1.0-2.0％Ca(OH)2、0.5-1.0％CaCl2和0.5-1.0％CaSO4，搅拌均匀后加入基于粉煤灰重量计5.0-10.0％的水，再次搅拌均匀，然后在室温环境下放置1-5天；
所述混凝土的制备原料中还包含0.1-2.0重量份的增强碳纤维，所述碳纤维的表面用改性环氧树脂进行涂覆来进行增强，所述改性环氧树脂化合物为硅氧烷化合物改性的环氧树脂化合物。
2.根据权利要求1所述的混凝土生产方法，其中在步骤(3)的级配混合中，还加入0.5-1.5重量份的慢裂快凝阳离子型乳化沥青。
3.根据权利要求2所述的混凝土生产方法，其中所述乳化沥青通过使用N-[2-羟基-3-壬基酚聚氧乙烯醚]丙基三甲基氯化铵作为乳化剂对沥青进行乳化制得。
4.根据前述权利要求中任一项所述的混凝土生产方法，其中所述由建筑垃圾制得的骨料通过将建筑垃圾中的红砖、青砖、瓦和/或碎玻璃破碎至粒径为1-20mm的颗粒而获得。
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