CN109265037B - 一种基于原位生成c-s-h强化再生集料的装置与方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于原位生成C‑S‑H强化再生集料的装置及方法，装置包括第一仓室、第二仓室、第三仓室和鼓风干燥装置，所述第一仓室、第二仓室和第三仓室均为密封腔室；所述第三仓室的顶部设置有喷淋结构，第一仓室和第二仓室均通过泵与所述喷淋结构连接，喷淋结构的下端设置有装载箱体，所述装载箱体的壁的四周均为镂空设置，装载箱体的底部与第三仓室的底部之间留有一定间隙，第三仓室的底部设置有至少一个排液口；所述鼓风干燥装置与所述第三仓室的下端连接，第三仓室的上端设置有盖体。第一仓室中用于盛装氢氧化钙溶液，第二仓室中用于盛装TEOS、水及无水乙醇的溶液，第三仓室中设置装载箱体，装载箱体中用于盛装待再生集料。

Description

一种基于原位生成C-S-H强化再生集料的装置与方法

技术领域

本发明涉及混凝土集料再生技术领域，尤其涉及一种基于原位生成C-S-H强化再生集料的装置与方法。

背景技术

近年来我国社会不断进步，科技和经济快速发展，国家大力发展基础建设，公路的等级和质量要求不断的提升，因此桥隧比例大幅增长。此外，城市化的快速推进，原有的建筑结构物已经不能够满足新的需求，从而开始了大规模的拆迁重建以及新建。而混凝土作为一种抗压强度高，性能优异的建筑材料广泛的应用于土木建筑行业，据统计我国2017年消耗的商品砼接近20亿立方。这些新建的结构物在为我们带来巨大的社会效益的同时，同样带给我们的还有严重的资源枯竭和环境污染。天然砂石作为一种不可再生资源，是制备混凝土的重要原材料。此前由于其来源广泛，价格低廉从而被肆意开采，随意浪费。现今质量较优的天然砂石日益快速减少。但大型结构物的建造对于混凝土的强度和性能要求极为严苛并且用量同比增长，所以社会的发展对于混凝土的需求量以及对于优质天然砂石的消耗仍然十分巨大，这使得我们需要寻求一些新的材料替代天然砂石，以节约保护资源。而城市化进程中，我国大约平均每年拆除的废旧建筑物有2亿平方米，产生4亿吨左右的建筑垃圾，占城市建筑垃圾总量的30％-40％，这其中50％-60％是废弃混凝土。这建筑垃圾绝大部分未经处理，直接运往郊外或乡村采用露天堆放或填埋的方式进行处理，耗用大量的土地资源并产生较高的费用。而且各种粉尘飞扬等问题又造成了严重的环境污染，破坏了生态环境。考虑废旧砖石、混凝土具有较高的强度，如若经过适当的方式处理后加以利用不但解决了建筑垃圾处理的难题，同时也可以节约资源，符合可持续发展战略。

资源枯竭、建筑垃圾难以处理同样是世界各国都面临的难题，因此国内外许多学者对于再生集料进行了深入的试验研究。尤其是以建筑废料生产再生骨料制备再生混凝土技术，具有巨大的社会效益、环境效益和经济效益，是世界各国共同关心的课题。上世纪50年代，前苏联和德国就相继开展了再生混凝土技术的研究。1976年，国际材料与结构研究及测试试验联合会RILEM成立了“混凝土拆除和再生利用委员会”TC-37-DRC，开始研究废料的处理和再利用，并且于1982年在哥本哈根召开了以再生集料生产再生混凝土为主题的会议。日本是世界上最早开始再生循环利用废旧混凝土的国家，制定了很多法律法规，并建立处理建筑垃圾的工厂，用以确保建筑垃圾的回收利用，对建筑垃圾的再生利用率已达到70％左右。美国、荷兰、丹麦等国家对于再生混凝土的研究同样十分重视，颁布了相关的法律法规。相对于很多发达国家来说，我国由于天然砂资源充足，所以对再生混凝土的研究起步较晚，但是也取得了很多成就，有很多研究机构完成了各种各样的研究工作，国内很多专家学者也对改善再生混凝土的物理性能、力学性能、结构性能等做了很多工作。

目前，国内的研究主要集中在对再生集料混凝土的相关性能研究上，而针对再生集料研究较少。但是再生集料的性能密切影响再生混凝土的性能，由于再生集料来源广泛，质量差异较大，直接使用导致再生混凝土的离散性较大。其次，用旧混凝土或砖混建筑废弃物来生产再生集料时，常规采用大型机械破碎的方法，在这过程中机械的外力作用使再生集料的粒径逐渐减小，天然集料与包裹的水泥砂浆逐渐分离。但是再生集料经过多层处理工序后造成了损伤积累，集料内部存在大量的微细裂缝，原有的集料与胶凝材料之间的粘结力下降，界面过渡区的强度降低。此外，破碎后的再生集料中仍然含有较高的水泥砂浆以及破碎过程中形成的微裂纹不但降低了集料的强度，而且使再生集料具有孔隙率高、吸水率大、吸水速度快等特点。这些对于再生混凝土的工作性能，力学性能和耐久性能都有着很大的不利影响。

发明内容

针对再生集料差异大、强度较低以及吸水率大的问题，本发明提供一种基于原位生成C-S-H强化再生集料的装置及方法。

为了解决以上技术问题，本发明的技术方案为：

一种基于原位生成C-S-H强化再生集料的装置，包括第一仓室、第二仓室、第三仓室和鼓风干燥装置，所述第一仓室、第二仓室和第三仓室均为密封腔室；

所述第三仓室的顶部设置有喷淋结构，第一仓室和第二仓室均通过泵与所述喷淋结构连接，喷淋结构的下端设置有装载箱体，所述装载箱体的壁的四周均为镂空设置，镂空的孔径小于再生集料的粒径，装载箱体的底部与第三仓室的底部之间留有一定间隙，第三仓室的底部设置有至少一个排液口；

所述鼓风干燥装置与所述第三仓室的下端连接，第三仓室的上端设置有盖体。

第一仓室中用于盛装氢氧化钙溶液，第二仓室中用于盛装TEOS、水和无水乙醇的混合溶液，第三仓室中设置装载箱体，装载箱体中用于盛装待处理再生集料。氢氧化钙溶液和混合溶(TEOS、水和无水乙醇的混合液)分别用泵泵入第三仓室顶部的喷淋结构进行喷淋，对待再生集料进行喷淋浸泡处理。TEOS、水和无水乙醇的混合溶液被再生集料吸收后，在再生集料的内部空隙中，TEOS遇水水解成具有火山灰活性的二氧化硅溶胶，能够与氢氧化钙反应可以在一定深度范围的空隙中生成具有胶凝性的水化硅酸钙(C-S-H)，填充再生集料的内部空隙，修补各种微裂缝。装载箱体的壁四周镂空，一方面方便喷淋液对再生集料喷淋浸泡，另一方面，浸泡完成后，使装载箱体内的溶液容易排放干净。装载箱体的底部与第三仓室的底部之间留有一定间隙，便于将装载箱体内的液体完全放出，此时再开启鼓风干燥装置对集料进行干燥时，容易提高干燥的程度。

优选的，所述喷淋结构上设置有若干个喷淋头，喷淋头的喷淋区域均匀覆盖装载箱体的横截面。

优选的，所述鼓风干燥装置与第三仓室之间设置有两个气体分布器，两个气体分布器对称设置于第三仓室的两侧。鼓风干燥装置对称地向第三仓室中通入干燥风，更有利于实现再生集料的均匀干燥。

优选的，所述基于原位生成C-S-H强化再生集料的装置还包括真空负压装置，真空负压装置与所述第三仓室连通。

进一步优选的，所述第三仓室与真空负压装置之间设置有两个连接点，两个连接点相对于第三仓室对称设置。连接点的对称布置可以使第三仓室更容易实现真空负压状态，加速溶液渗透至再生集料内部，提高再生集料的强化效果，缩短再生集料的处理时间。

优选的，所述排液口的数量为2个，分别与所述第一仓室和第二仓室连接。用于将喷淋浸泡后的溶液进行回收再利用。

一种基于原位生成C-S-H强化再生集料的方法，包括如下步骤：

1)对再生集料进行筛分，剔除再生集料中的废弃颗粒物，并清除再生集料表面的污泥和剥落不完全的砂浆；

2)将清理后的再生集料装于装载箱体中，并将装载箱体放置于第三仓室中；

3)开启鼓风干燥装置，将第三仓室中的再生集料烘干后关闭鼓风干燥装置，然后开启真空负压装置，将第三仓室抽真空；

4)将无水乙醇、水和正硅酸乙酯的混合液输送至第三仓室的喷淋装置，并通过喷淋装置均匀喷洒在再生集料上，喷淋、浸泡设定时间后，将混合液排出，并开启鼓风干燥装置，将再生集料烘干；

5)开启真空负压装置，将第三仓室抽真空；

6)将氢氧化钙溶液输送至第三仓室的喷淋装置，并通过喷淋装置均匀喷洒在再生集料上，喷淋、浸泡设定时间后，将溶液排出，并开启鼓风干燥装置，将再生集料烘干。

优选的，步骤4)中，无水乙醇、水和正硅酸乙酯的摩尔比为3.5-4.5:1:2.5-3.5，进一步优选的，无水乙醇、水和正硅酸乙酯的摩尔比为4:1:3。

优选的，步骤4)中，浸泡时间为10-20h。

优选的，步骤6)中，所述氢氧化钙溶液为饱和氢氧化钙溶液，其制备方法为：配制饱和氢氧化钙溶液，并使氢氧化钙略有析出。

进一步优选的，再生集料在氢氧化钙溶液中浸泡的时间为10-20h，具体的为12h。

本发明的有益效果为：

由于纳米硅前驱体正硅酸乙酯(TEOS)具有较小的单体结构，并且稠度较低，在真空驱动下，可以轻松渗入再生集料内部，遇水水解成具有火山灰活性的二氧化硅溶胶，能够与氢氧化钙反应可以在一定深度范围的空隙中生成具有胶凝性的水化硅酸钙(C-S-H)，填充再生集料的内部空隙，修补各种微裂缝，提高再生集料外部表面的密实度，提高再生集料的强度，降低再生集料的吸水率，提高建筑垃圾的利用率，并且改善再生混凝土的性能。不同于其他如砂浆包裹法对再生集料进行外部处理，避免了外部处理可能出现的粘结较差或空鼓脱落等缺陷。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1为本发明的再生集料装置的结构示意图；

图2为本发明处理后的再生集料的照片；

图3为再生集料的压碎值试验；

图4为再生集料的吸水率图表；

图5为再生集料的压碎值图表；

图6为再生集料压碎后照片。

其中，1、真空负压装置，2、阀门A，3、第三仓室，4、溶液喷洒装置，5、阀门B，6、第二仓室，7、鼓风干燥装置，8、阀门D，9、再生集料装载箱，10、阀门C，11、第一仓室。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

实施例1

本实施例具备工厂化用新型基于原位生成C-S-H大批量强化再生集料，如图1工厂化基于原位生成C-S-H大批量强化再生集料装置图所示，本发明能够集再生集料的清洗、再生集料强化以及再生集料的干燥等多种功能于一体，再生集料经过处理后便可以直接使用，并且可以长时间保持强度以及吸水率稳定。再生集料处理装置主要由第一仓室11、第二仓室6、第三仓室3、真空负压装置1、溶液喷洒装置4、再生集料装载箱9以及鼓风干燥装置7组成。

其中第一仓室11、第二仓室6、第三仓室3之间相互连通，仓室之间设有如图1所示的多个阀门，包括阀门A2、阀门B5、阀门D8和阀门C10，每个仓室的尺寸及体积均不受限制，但均需满足具有很高的密封性能，可以用来储藏溶液。第一仓室11为氢氧化钙溶液储藏室，与第三仓室3连接，连通管道上设有阀门A2与阀门C10，可以将氢氧化钙溶液运送至第三仓室3，也可以将在第三仓室3中的溶液回收进行循环利用，第一仓室11也可以实现氢氧化钙溶液的配制或者更换；第二仓室6为混合液储藏室，用于储藏无水乙醇、水和正硅酸乙酯的混合液，第二仓室6与第三仓室3连接，连通管道上设有阀门B5和阀门D8，可以将混合液运送至第三仓室3中，也可以对第三仓室3中的溶液进行回收循环利用，第二仓室6也可以实现混合液(无水乙醇、水和正硅酸乙酯的混合液)的配制或者更换。第三仓室3是再生集料的主要强化处理场所，待处理的再生集料在第三仓室3内依次完成混合液(无水乙醇、水和正硅酸乙酯的混合液)的浸泡、氢氧化钙溶液的浸泡以及烘干。

真空负压装置：设置在第三仓室3外，在第三仓室3的两侧侧壁上对称设置抽真空口，真空负压装置与抽真空口连接，对第三仓室3内部抽真空。抽真空口对称设置，可以使第三仓室3更容易实现真空负压状态，加速溶液渗透至再生集料内部，提高再生集料的强化效果，缩减再生集料的处理时间。

溶液喷洒装置：位于第三仓室3上方位置，高于并且喷洒面积完全覆盖再生集料装载箱，可以将第一仓室11或者第二仓室6中的溶液均匀的喷洒，使集料充分地、完全地得到浸泡。

再生集料装载箱9：为无盖长方体，具有可以盛装待处理再生集料的功能，再生集料装载箱9四周均采用镂空的设计，但镂空的尺寸要小于再生集料的粒径。再生集料装载箱9的底部略高于第三仓室3的底面，保证溶液喷洒使再生集料得到充分浸泡后多余的溶液可以汇集通过阀门C10(或阀门D8)流回第一仓室11(或第二仓室6)。

鼓风干燥装置：设置在第三仓室3下部位置处，它通过两个连接点与第三仓室3的侧壁连接，两个连接点在第三仓室3的侧壁上对称设置。更容易实现将第三仓室3内的再生集料烘干。

具体步骤是：

1)筛分再生集料：

将已经由机器破碎后的再生集料用不同粒径的方孔筛进行筛分实验，剔除再生集料中混有的其他建筑垃圾，选取9.5-13.2档集料进行后续实验。

2)清洗集料：

将步骤1)中筛分后的再生集料用干净的水进行清洗处理，除去集料表面附着的污泥或者剥落不完全的砂浆，清洗结束后将其装入再生集料装载箱9中，然后将再生集料装载箱9放入第三仓室3中，关闭所有阀门。

3)打开第三仓室3中的鼓风干燥装置7，将第三仓室3中的再生集料烘干。

4)关闭鼓风干燥装置7，保证第三仓室3密封，打开真空负压装置1，将第三仓室3处理为真空负压状态后关闭该装置。

5)配制饱和氢氧化钙溶液：

向第一仓室11内加入适量干净的水，然后缓慢的向水中加入氧化钙粉末并不断的搅拌，直至溶液浑浊并有沉淀产生时再过量加一部分氧化钙粉末即可。

6)配制无水乙醇、水和硅酸乙酯的混合液：

按照表1基于原位溶胶-凝胶法合成纳米二氧化硅的混合液配合比中的材料比例称取各种材料，依次将各种材料加入第二仓室6中，轻轻搅拌混合均匀，将第二仓室6密封，防止乙醇挥发。

7)打开阀门B5，将第二仓室6中的无水乙醇、水和硅酸乙酯的混合液输送至第三仓室3中的溶液喷洒装置4，然后将其均匀定速地喷洒到集料上，让集料经过充分吸收后，多余的混合液汇聚在第三仓室3底部。打开阀门D8，利用阀门D8流回第二仓室6之间的水泵，将汇聚的混合液泵回第二仓室6，继续循环再利用。无水乙醇、水和硅酸乙酯的混合液喷洒过程持续12h。

做好容器密封工作，防止有乙醇大量挥发，影响试验效果。

8)基于原位溶胶-凝胶法合成纳米二氧化硅的混合液最后一次喷洒结束后，将混合液回收到第二仓室6中，然后关闭阀门B5和阀门D8。打开第三仓室3中的鼓风干燥装置7，将步骤8)中处理后的再生集料烘干。

9)关闭鼓风干燥装置7，保证第三仓室3密封，打开真空负压装置1，将第三仓室3处理为真空负压状态后关闭该装置。

10)打开阀门A2，将第一仓室11中的氢氧化钙溶液输送至第三仓室3中的溶液喷洒装置4，然后将氢氧化钙溶液均匀的定速的喷洒到集料上，让集料充分吸收氢氧化钙溶液，多余的氢氧化钙溶液汇聚在第三仓室3底部。打开阀门C10，通过阀门C10与第一仓室11之间的泵，将汇聚的氢氧化钙溶液泵回第一仓室11继续循环再利用。氢氧化钙溶液喷洒过程持续12h。

11)氢氧化钙溶液最后一次喷洒结束后，让氢氧化钙溶液全部流回第一仓室11中，然后关闭阀门A2和阀门C10。打开第三仓室3中的鼓风干燥装置7，将步骤11)中处理的再生集料烘干。

12)根据需求可以重复上述7)-11)试验步骤。

13)将第三仓室3中的经过处理过的再生集料运出，按照《公路工程集料试验规程JTG E42-2005》中试验规程测试集料的吸水率及压碎值。

经本实验处理过后的再生集料的照片见图2、压碎值试验见图3、吸水率及压碎值试验结果分别见图4及图5，集料压碎后见图6。

表1基于原位溶胶-凝胶法合成纳米二氧化硅的混合液配合比

以上照片以及试验数据表明，本发明提供的再生集料处理方法对于降低再生集料的吸水率以及提高再生集料的强度，降低其压碎值有显著的效果。由图4可得，再生集料的吸水率由17％下降至10％，较未处理的再生集料吸水率下降了41％。由图5可得，再生集料的压碎值由未处理前的41％下降至经过本发明提供的方法处理过后的33％，再生集料的压碎值下降了20％。由上述结果可见，本发明提供的新型再生集料强化方法，溶液可以有效的渗透至集料内部，反应生成的C-S-H可以填充再生集料内部的微裂缝以及空隙，从而提高再生集料表面的密实度，降低再生集料的孔隙率，从而达到了降低再生集料的吸水率以及提高再生集料强度的目的。

本发明提供的基于原位生成C-S-H强化再生集料的工艺及装置技术进步是显著的，通过简单容易实现的工艺，能够以较低的经济投入可以十分有效的改善再生集料的性能，从而改善再生骨料混凝土的工作性能、力学以及耐久性能，并提高再生集料的利用率。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种原位生成C-S-H强化再生集料的方法，其特征在于：

该方法使用一种基于原位生成C-S-H强化再生集料的装置，包括第一仓室、第二仓室、第三仓室和鼓风干燥装置，所述第一仓室、第二仓室和第三仓室均为密封腔室；

所述第三仓室的顶部设置有喷淋结构，第一仓室和第二仓室均通过泵与所述喷淋结构连接，喷淋结构的下端设置有装载箱体，所述装载箱体的壁的四周均为镂空设置，镂空的孔径小于再生集料的粒径，装载箱体的底部与第三仓室的底部之间留有一定间隙，第三仓室的底部设置有至少一个排液口；

所述鼓风干燥装置与所述第三仓室的下端连接，第三仓室的上端设置有盖体；

包括如下步骤：

1)对再生集料进行筛分，剔除再生集料中的废弃颗粒物，并清除再生集料表面的污泥和剥落不完全的砂浆；

2)将清理后的再生集料装于装载箱体中，并将装载箱体放置于第三仓室中；

3)开启鼓风干燥装置，将第三仓室中的再生集料烘干后关闭鼓风干燥装置，然后开启真空负压装置，将第三仓室抽真空；

4)将无水乙醇、水和正硅酸乙酯的混合液输送至第三仓室的喷淋装置，并通过喷淋装置均匀喷洒在再生集料上，喷淋、浸泡设定时间后，将混合液排出，并开启鼓风干燥装置，将再生集料烘干；

5)开启真空负压装置，将第三仓室抽真空；

6)将氢氧化钙溶液输送至第三仓室的喷淋装置，并通过喷淋装置均匀喷洒在再生集料上，喷淋、浸泡设定时间后，将溶液排出，并开启鼓风干燥装置，将再生集料烘干；

其中，步骤4)中，无水乙醇、水和正硅酸乙酯的摩尔比为3.5-4.5:1:2.5-3.5，浸泡时间为10-20h；

步骤6)中，所述氢氧化钙溶液为饱和氢氧化钙溶液，浸泡设定时间为10-20h。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述喷淋结构上设置有若干个喷淋头，喷淋头的喷淋区域均匀覆盖装载箱体的横截面。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述鼓风干燥装置与第三仓室之间设置有两个气体分布器，两个气体分布器对称设置于第三仓室的两侧。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述基于原位生成C-S-H强化再生集料的装置还包括真空负压装置，真空负压装置与所述第三仓室连通。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述第三仓室与真空负压装置之间设置有两个连接点，两个连接点相对于第三仓室对称设置。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述排液口的数量为2个，分别与所述第一仓室和第二仓室连接。