CN109584973B - 一种建筑废弃物粉基生态型超高性能混凝土的设计和制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种建筑废弃物粉基生态型超高性能混凝土的设计和制备方法。包括如下步骤：(1)确定建筑废弃物粉料的组成成分和堆积密度；(2)确定水泥、矿物掺和料、砂的堆积密度；(3)建立建筑废弃物粉料、水泥、矿物掺和料、砂的最紧密堆积模型；(4)确定活性激发剂类型；(5)确定混凝土的水胶比；(6)确定不同减水剂的饱和掺量；(7)确定减水剂掺量，并确定混凝土配方；(8)根据步骤(7)中确定的混凝土配方称取各原材料，并将原材料进行混合搅拌。本发明可避免通过经验手段来制备混凝土，减少混凝土因设计不当而造成废弃、浪费，且可减少水泥用量，制备出性能优异的超高性能混凝土，实现节能减排和建筑材料的可持续发展。
Description
技术领域
本发明属于建筑材料技术领域，具体涉及一种建筑废弃物粉基生态型超高性能混凝土的设计和制备方法。
背景技术
超高性能混凝土不同于传统的高强混凝土和钢纤维混凝土，也不是传统意义“高性能混凝土”的高强化，而是性能指标明确的新品种水泥基结构工程材料。其真正的价值体现在实现混凝土结构的轻质高强、低孔隙率的超高强水泥基材。在无裂缝状态，超高性能混凝土的气体、液体渗透性非常低；在高应变和微裂缝状态下，超高性能混凝土的渗透性也能够保持在较低水平，而微裂缝还具备良好的自愈合能力，因此超高性能混凝土结构拥有高耐久性的潜力，已得到迄今15年恶劣环境暴露试验的证实，还在进行更长期的深入考察和研究。实践表明，超高性能混凝土对水泥利用效率高，属于节能、节材、低碳的工程材料。经过35年的研究与发展，超高性能混凝土已经在许多制品、结构物维修加固和新建工程结构上得到应用，效果良好。预期随着超高性能混凝土本构关系的建立、设计方法和规范的发展、完善，生产施工技术进步和规模化应用而逐步降低施工与材料成本，超高性能混凝土的价值会在某些应用上凸显出来，有着较大的发展潜力和进步空间。
尽管超高性能混凝土拥有很多显著的优点，但也存在缺陷。制备超高性能混凝土的原材料通常为普通硅酸盐水泥、硅灰、天然砂、石英粉、钢纤维和减水剂等，生产成本是普通混凝土的数倍。在大多数工程中，传统混凝土可满足性能要求，而超高性能混凝土价格昂贵，难以取代传统混凝土，致使它的推广受到限制。采用建筑垃圾以及废弃混凝土生产的再生骨料，既可以减少建筑废弃物排放对环境造成的污染，节省大量的处理费用，又可以弥补天然砂石的不足，减少因建筑业需要对天然砂石的开采，保护自然环境，保障社会的和谐发展，产生良好的经济效益、社会效益和环保效益。因此，建筑废弃物最有价值的处理方法，就是把它生产成再生骨料，应用于建筑行业当中，实现变废为宝的目的。对废弃混凝土的加工处理，形成高质量再生骨料或掺和料，既能使有限的资源得以再利用，又解决了部分环保问题。这是发展绿色环保型混凝土，实现资源环境可持续发展的主要措施之一。所以，采用建筑废弃物粉料制备的超高性能混凝土是经济且环保的，具有广泛的应用前景。
然而，目前对于超高性能混凝土，特别超高强(100兆帕以上)水泥基材料的配合比设计和制备研究并不多。大多数研究者都是直接给出超高强水泥基材料的配合比，混凝土配合比设计还是以试验和经验为主，而没有对水泥基材料设计和制备方法进行系统研究，这可能导致在超高水泥基材料体系下各种材料没有得到高效利用，同时由于建筑废弃物粉料基材料组成复杂，粒径分布不均匀，在超高强水泥基材料低水胶比体系下，浆体的粘稠度高，流动性、泵送性能差，影响工程施工，同时，如何最大程度用建筑废弃物替代水泥，砂石，矿物掺和料，达到超高性能混凝土性能需要，实现绿色环保和可持续发展。
因此，使用建筑废弃物制备超高性能混凝土过程中配合比设计和制备方法的系统优化将深刻影响建筑废弃物粉基生态型超高性能混凝土的推广应用。本发明涉及一种用于建筑废弃物粉基生态型超高性能混凝土的配方设计和制备方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种建筑废弃物粉基生态型超高性能混凝土的设计和制备方法。
本发明采用的技术方案为：
一种建筑废弃物粉基生态型超高性能混凝土的设计和制备方法，包括如下步骤：
(1)确定建筑废弃物粉料的组成成分和堆积密度，并测试粉料的粒径分布，确定体积分布为10％、50％、90％所对应粒径和粒径分布曲线；
(2)确定水泥、矿物掺和料、砂的堆积密度和体积分布为10％、50％、90％所对应粒径以及粒径分布曲线；
(3)根据CPM模型和Dinger-Funk模型，建立建筑废弃物粉料、水泥、矿物掺和料、砂的最紧密堆积模型，确定建筑废弃物粉料掺量范围和最大掺量，同时确定水泥、矿物掺和料、砂各自的掺量范围，根据建筑废弃物粉料、水泥、矿物掺和料、砂各自堆积密度确定每单位体积混凝土中建筑废弃物粉料、水泥、矿物掺和料、砂的质量，确定建筑废弃物粉料、水泥、矿物掺和料、砂的体积浓度、最大堆积填充；
(4)根据建筑废弃物粉料的组成成分确定活性激发剂类型和在单位体积混凝土中掺量；
(5)确定混凝土的水胶比，并使混凝土的水胶比处于0.14-0.3之间；
(6)确定不同减水剂的饱和掺量；
(7)根据宾汉流变模型的最小二乘法线性拟合方程和粘度材料配比模型，根据工程中浆体粘度和屈服应力的需要，确定减水剂掺量，并确定混凝土配方；
(8)根据步骤(7)中确定的混凝土配方称取各原材料，并将原材料进行混合搅拌。
本发明的有益效果为：
(1)本发明提出设计和制备方法，避免通过经验手段来制备混凝土，方法根据材料的粒径分布，组成成分等基本性能数据，通过计算机模拟最紧密堆积模型和流变、粘度材料配比模型，科学地准确地确定混凝土各个原材料组分掺量，克服在配合比设计中材料的复杂性对混凝土预期性能的影响，减少混凝土因设计不当而造成废弃、浪费。
(2)本发明提出设计和制备方法，根据流变性能和强度性能的要求，最大限度的提高建筑废弃物粉料的掺量，减少水泥用量，制备出性能优异的(抗压强度和流变性能)超高性能混凝土，实现节能减排和建筑材料的可持续发展。
上述技术方案可通过如下措施作进一步改进。
步骤(8)中将原材料进行混合搅拌的方法如下，先将建筑物废弃物粉料和活性激发剂混合均匀，再将全部粉料加入搅拌机，搅拌混合均匀后再加入水和减水剂，再把全部材料搅拌均匀。
步骤(1)中通过X射线能谱或X射线衍射或X射线荧光光谱确定建筑废弃物粉料的组成成分。
步骤(1)和(2)中通过激光粒径分析确定体积分布中10％，50％，90％所对应粒径和粒径分布曲线。
步骤(3)中所述的最紧密堆积模型的方程表达式如下：
其中：p(Di)为累计筛下颗粒百分含量；Di为当前平均粒径；对应体积分布为50％所对应粒径；Dmin为最小粒径；Dmax为最大粒径；q为分布系数，取值范围为0.23～0.24；RSS为最密集堆积模型目标；pmix(Di)为基体累计筛下颗粒百分含量；ptar(Di)为目标需要达到的最紧密堆积下的累计筛下颗粒百分含量。
步骤(7)中所述的流变模型的方程表达式如下：
ζ＝ζ0+ηpγ
其中ζ为不同剪切速率γ下的浆体的剪切应力，ζ0为浆体屈服应力，ηp为浆体的塑性粘度。
步骤(7)中所述的粘度材料配比模型的方程表达式如下：
其中：ηp为浆体粘度；η0为水室温的粘度；ks为外加剂相关系数，取值在0.92-0.94之间；ps为外加剂掺量和其饱和掺量的比值；ΘF为矿物掺和料的体积浓度；ΘC为水泥的体积浓度；ΘG为砂的体积浓度；ΘH为建筑废弃物粉料的体积浓度；Vo为水的体积；VF为矿物掺和料的体积；VC为水泥的体积；VG为砂的体积；VH为建筑废弃物粉料的体积；αF为矿物掺和料的最大堆积填充；αC为水泥的最大堆积填充；αG为砂的最大堆积填充；αH为矿物掺和料的最大堆积填充；K0为矿物掺和料体积相关系数，取值在23-25之间；K1为矿物掺和料体积相关系数，取值在10-11之间；K2为矿物掺和料体积相关系数，取值在5-6之间；K3为矿物掺和料体积相关系数，取值在1-2之间，αχ为最大堆积填充；dχ体积分布为10％所对应粒径；Dχ体积分布为90％所对应粒径；j为填充相关系数，取值在0.19-0.21之间。
步骤(6)中所述的减水剂为聚羧酸类减水剂或萘系减水剂或磺酸基类减水剂。
步骤(2)中所述的矿物掺和料为硅灰、矿粉、粉煤灰、粉煤灰沉珠、偏高岭土、钢渣粉的一种或多种混合。
附图说明
图1示出了各组分的粒径分布和最密集堆积目标粒径分布曲线；
图2示出了混凝土配方1、混凝土配方2和对比实施例不同龄期(天数)的抗压强度。
具体实施方式
为了更好地理解本发明，下面结合实施例进一步阐明本发明内容，但是本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。
实施例1
一种建筑废弃物粉基生态型超高性能混凝土的设计和制备方法，包括如下步骤：
选取52.5P.O.水泥(Cement)，硅灰(Silica Fume)和粉煤灰(Fly Ash)(其中，硅灰和粉煤灰作为矿物掺和料)，建筑废弃物粉料(construction and demolition wastes)、河砂(river sand)、活性激发剂、水(water)，聚羧酸减水剂(superplasticizer)作为原材料。
步骤(1)，确定建筑废弃物粉料的组成成分和堆积密度，并测试粉料的粒径分布，如图1所示，确定体积分布为10％、50％、90％所对应粒径和粒径分布曲线；
步骤(1)的具体实施过程如下：
1.1、收集建筑废弃物粉料；
1.2、确定建筑废弃物粉料的组成成分，具体确定方法如下：例如可通过X射线能谱或X射线衍射或X射线荧光光谱确定所收集的建筑废弃物粉料的组成成分和相对含量。本实施例中，通过x射线能谱确定所收集的建筑废弃物粉料的主要成分为二氧化硅，碳酸钙、硅酸钙、氧化铝。
1.3、确定建筑废弃物粉料的堆积密度，具体确定方法如下：从一定的高度让试料(即建筑废弃物粉料)通过一漏斗定量自由落下到容量桶中，运用容量桶法测定建筑废弃物粉料的堆积密度。
1.4、测试建筑废弃物粉料的粒径分布，具体测试方法如下：通过激光粒度仪，以乙醇为分散剂，用湿法测定，依据测试结果绘制的粒径分布曲线如图1所示。
1.5、根据激光粒度仪确定建筑废弃物粉料的体积分布为10％、50％、90％所对应粒径和粒径分布曲线，如图1所示。
本步骤可为最密集堆积模型提供相关堆积密度和粒径分布数据。
步骤(2)，确定水泥、矿物掺和料、砂的堆积密度和体积分布为10％、50％、90％所对应粒径以及粒径分布曲线，如图1所示；
步骤(2)的具体实施过程如下：
2.1、选取水泥、矿物掺和料、砂，本实施例中，选取的水泥为52.5P.O.水泥，选取的矿物掺和料为混合有硅灰和粉煤灰的混合料，选取的砂为河砂；
2.2、确定水泥、矿物掺和料、砂的堆积密度，具体确定方法如下：从一定的高度让砂通过一漏斗定量自由落下到容量桶中，运用容量桶法测定。水泥、矿物掺和料通过李氏瓶法来测定。
2.3、通过激光粒度仪确定水泥、矿物掺和料、砂的体积分布为10％、50％、90％所对应粒径以及粒径分布曲线。
本步骤可为最密集堆积模型提供相关堆积密度和粒径分布数据。
步骤(3)，根据CPM模型和Dinger-Funk模型，建立建筑废弃物粉料、水泥、矿物掺和料、砂的最紧密堆积模型，确定建筑废弃物粉料掺量范围和最大掺量，同时确定水泥、矿物掺和料、砂各自的掺量范围，根据建筑废弃物粉料、水泥、矿物掺和料、砂各自堆积密度确定每单位体积混凝土中建筑废弃物粉料、水泥、矿物掺和料、砂的质量，确定建筑废弃物粉料、水泥、矿物掺和料、砂的体积浓度、最大堆积填充；
步骤(3)的具体实施过程如下：
3.1、根据CPM模型和Dinger-Funk模型，建立由建筑废弃物粉料、水泥、矿物掺和料、砂所组成基体的最紧密堆积模型具体的最紧密堆积模型建立方法如下：将各种材料粒径数据输入通过MATLAB软件建立的基体最紧密堆积数学模型，就得到单位体积内全部材料最紧密堆积的结果，并提供各材料最佳的配比。
3.2、确定建筑废弃物粉料掺量范围和最大掺量，具体确定方法如下：根据上述3.1中单位体积内全部材料最紧密堆积各材料质量及各材料最佳的配比掺量，密集堆积模型不止一个，有几个，几个模型下可以确定建筑废弃物粉料掺量范围和最大掺量。
3.3、确定水泥、矿物掺和料、砂各自的掺量范围，具体确定方法如下：根据上述3.1中单位体积内全部材料最紧密堆积的结果及各材料最佳的配比，确定水泥、矿物掺和料、砂各自的掺量范围。
3.4、根据建筑废弃物粉料、水泥、矿物掺和料、砂各自堆积最佳掺量确定每单位体积混凝土中建筑废弃物粉料、水泥、矿物掺和料、砂的质量，各质量具体确定方法如下：根据上述3.1中单位体积内全部材料最紧密堆积各材料质量确定。
3.5、确定建筑废弃物粉料、水泥、矿物掺和料、砂的体积浓度、最大堆积填充，其中，体积浓度的具体确定方法如下：根据上述3.1中单位体积内全部材料最紧密堆积各材料质量除以材料堆积密度可以计算单位体积内各材料的体积，用各材料体积除以总体积得到体积浓度；最大堆积填充的具体确定方法如下，最大堆积填充通过MATLAB软件建立的基体最紧密堆积数学模型得到相关数据。
步骤(4)，根据建筑废弃物粉料的组成成分确定活性激发剂类型和在单位体积混凝土中掺量；
步骤(4)的具体实施过程如下：
4.1、确定活性激发剂类型的具体确定方法如下：根据建筑废弃物粉料的组成成分分析结果和含量，选取与之能发生化学反应并生成有强度的物质，本实施例中选取氢氧化钠为活性激发剂。
4.2、根据建筑废弃物粉料掺量确定活性激发剂在单位体积混凝土中掺量。
步骤(5)，确定混凝土的水胶比，并使混凝土的水胶比处于0.14-0.3之间。水泥水化硬化反应必须加入水，水胶比指的是水和水泥的比例，水灰比越低，水泥硬化强度越高，但是低到一定比例，水量不足，水泥反应不完全，超高性能水泥基材料水胶控制在0.14-0.3之间。
步骤(6)，确定不同减水剂的饱和掺量；确定不同减水剂的饱和掺量的具体确定方法如下：通过加入不同掺量的减水剂对于基体浆体的流动度，确定减水剂饱和掺量，即当减水剂量继续增长，而流动度不变或减少的所对应的减水剂掺量为饱和掺量。
根据粘度材料配比模型，通过MATLAB软件建立，将ηp为浆体粘度；η0为水室温的粘度；ks为外加剂相关系数，取值在0.92-0.94之间；ΘF为矿物掺和料的体积浓度；ΘC为水泥的体积浓度；ΘG为砂的体积浓度；ΘH为建筑废弃物细粉的体积浓度；Vo为水的体积；VF为矿物掺和料的体积；VC为水泥的体积；VG为砂的体积；VH为建筑废弃物细粉的体积；αF为矿物掺和料的最大堆积填充；αC为水泥的最大堆积填充；αG为砂的最大堆积填充；αH为矿物掺和料的最大堆积填充；K0为矿物掺和料体积相关系数，取值在23-25之间，K1为矿物掺和料体积相关系数，取值在10-11之间；K2为矿物掺和料体积相关系数，取值在5-6之间；K3为矿物掺和料体积相关系数，取值在1-2之间，αχ为最大堆积填充；dχ体积分布为10％所对应粒径；Dχ体积分布为90％所对应粒径；j填充相关系数，取值在0.19-0.21之间，输入模型后得到外加剂最佳掺量。
步骤(7)，根据宾汉流变模型的最小二乘法线性拟合方程和粘度材料配比模型，根据工程中浆体粘度和屈服应力的需要，确定减水剂掺量，并确定混凝土配方；
根据宾汉流变模型的最小二乘法线性拟合方程和粘度材料配比模型，并结合根据工程中浆体粘度和屈服应力的需要，通过MATLAB软件建立模型，将矿物掺和料的体积浓度；水泥的体积浓度；砂的体积浓度；建筑废弃物细粉建筑废弃物粉料的体积浓度；水的体积；矿物掺和料的体积；水泥的体积；砂的体积；建筑废弃物细粉建筑废弃物粉料的体积；矿物掺和料的最大堆积填充；水泥的最大堆积填充；砂的最大堆积填充；矿物掺和料的最大堆积填充；矿物掺和料体积相关系数，取值在23-25之间，矿物掺和料体积相关系数，取值在10-11之间；矿物掺和料体积相关系数，取值在5-6之间；矿物掺和料体积相关系数，取值在1-2之间，j填充相关系数，取值在0.19-0.21之间，输入模型后得到外加剂最佳掺量，最终确定各个组分含量。
步骤(8)：根据步骤(7)中确定的混凝土配方称取各原材料，并将原材料进行混合搅拌以获得本实施所述的建筑废弃物粉基生态型超高性能混凝土。
通过本实施例所述的建筑废弃物粉基生态型超高性能混凝土的设计和制备方法，可获得如下表1所示的4组混凝土配方，其中，表1所示的各组混凝土配方中的各个组分含量按重量份数计。
表1(单位：份)
| C&D | C | SF | FA | S | Water | Sp | R1 | R2 | I | |
| 混凝土配方1 | 215 | 536 | 188 | 200 | 904 | 210 | 30 | 25 | 8.7 | 15 |
| 混凝土配方2 | 432 | 401 | 186 | 202 | 814 | 212 | 31 | 48 | 17.2 | 31 |
| 混凝土配方3 | 430 | 402 | 188 | 200 | 818 | 210 | 30 | 50 | 17.4 | 30 |
| 混凝土配方4 | 213 | 531 | 189 | 201 | 902 | 211 | 30 | 25 | 8.6 | 14 |
表1中，C:52.5P.O.水泥；FA:粉煤灰；SF:硅灰；C&D:建筑废弃物粉料；R1:建筑废弃物粉料替代水泥的比例；R2:建筑废弃物粉料替代砂的比例；S:0-0.6mm粒径河砂；Sp:聚羧酸减水剂；water：水；I：活性激发剂。
根据《GB/T17671-1999水泥胶砂强度检验方法》，将成型后材料测定其1天，7天，28天抗压强度。
其中，混凝土配方1和混凝土配方2成型后材料测定的1天、7天及28天抗压强度可参见图2所示。
对比实施例
已有的超高性能混凝土配方(如下表2所示，表2中各组分按重量份数计)，配方中不掺入建筑废弃物粉料。
表2(单位：份)
| C&D | C | SF | FA | S | Water | Sp | R1 | R2 | |
| 对比实施例 | 0 | 670 | 188 | 200 | 990 | 210 | 30 | 0 | 0 |
表3中，C:52.5P.O.水泥；FA:粉煤灰；SF:硅灰；C&D:建筑废弃物粉料；R1:建筑废弃物粉料替代水泥的比例；R2:建筑废弃物粉料替代砂的比例；S:0-0.6mm粒径河砂；Sp:聚羧酸减水剂；water：水。
根据《GB/T17671-1999水泥胶砂强度检验方法》，将对比实施例成型后材料测定其1天，7天，28天抗压强度，结果如图2所示。
根据《GB/T17671-1999水泥胶砂强度检验方法》、《GB-T2419-2005水泥胶砂流动度测定方法》，测定实施例1中表1所示的4组混凝土配方及对比实施例的水泥基材料的每立方的原材料成本、流动度和28天抗压、抗折强度，结果如下表3所示：
表3
由表3可知，实施例1中表1所示的4组混凝土配方及对比实施例的水泥基材料于28天抗压强度均已超过110Mpa。
实施例2
本实施例的目的在于还提供一种用于制备建筑废弃物粉基生态型超高性能混凝土的原材料组成成分的确定方法，包括如下步骤：
步骤(1)，确定建筑废弃物粉料的组成成分和堆积密度，并测试粉料的粒径分布，如图1所示，确定体积分布为10％、50％、90％所对应粒径和粒径分布曲线；
步骤(1)的具体实施过程如下：
1.1、收集建筑废弃物粉料；
1.2、确定建筑废弃物粉料的组成成分，具体确定方法如下：例如可通过X射线能谱或X射线衍射或X射线荧光光谱确定所收集的建筑废弃物粉料的组成成分。本实施例中，通过x射线能谱确定所收集的建筑废弃物粉料的主要成分为二氧化硅，碳酸钙、硫酸钙、氢氧化钙。
1.3、确定建筑废弃物粉料的堆积密度，具体确定方法如下：从一定的高度让试料(即建筑废弃物粉料)通过一漏斗定量自由落下到容量桶中，运用容量桶法测定建筑废弃物粉料的堆积密度。
1.4、测试建筑废弃物粉料的粒径分布，具体测试方法如下：通过激光粒度仪，以乙醇为分散剂，用湿法测定，依据测试结果绘制的粒径分布曲线如图1所示。
1.5、根据激光粒度仪确定建筑废弃物粉料的体积分布为10％、50％、90％所对应粒径和粒径分布曲线，如图1所示。
本步骤可为最密集堆积模型提供相关堆积密度和粒径分布数据。
步骤(2)，确定水泥、矿物掺和料、砂的堆积密度和体积分布为10％、50％、90％所对应粒径以及粒径分布曲线，如图1所示；
步骤(2)的具体实施过程如下：
2.1、选取水泥、矿物掺和料、砂，本实施例中，选取的水泥为52.5P.O.水泥，选取的矿物掺和料为混合有硅灰和粉煤灰的混合料，选取的砂为河砂；
2.2、确定水泥、矿物掺和料、砂的堆积密度，具体确定方法如下：从一定的高度让砂通过一漏斗定量自由落下到容量桶中，运用容量桶法测定。水泥、矿物掺和料通过李氏瓶法来测定。
2.3、通过激光粒度仪确定水泥、矿物掺和料、砂的体积分布为10％、50％、90％所对应粒径以及粒径分布曲线。
本步骤可为最密集堆积模型提供相关堆积密度和粒径分布数据。
步骤(3)，根据CPM模型和Dinger-Funk模型，建立建筑废弃物粉料、水泥、矿物掺和料、砂的最紧密堆积模型，确定建筑废弃物粉料掺量范围和最大掺量，同时确定水泥、矿物掺和料、砂各自的掺量范围，根据建筑废弃物粉料、水泥、矿物掺和料、砂各自堆积密度确定每单位体积混凝土中建筑废弃物粉料、水泥、矿物掺和料、砂的质量，确定建筑废弃物粉料、水泥、矿物掺和料、砂的体积浓度、最大堆积填充；
步骤(3)的具体实施过程如下：
3.1、根据CPM模型和Dinger-Funk模型，建立由建筑废弃物粉料、水泥、矿物掺和料、砂所组成基体的最紧密堆积模型具体的最紧密堆积模型建立方法如下：将各种材料粒径数据输入通过MATLAB软件建立的基体最紧密堆积数学模型，就得到单位体积内全部材料最紧密堆积的结果，并提供各材料最佳的配比。
3.2、确定建筑废弃物粉料掺量范围和最大掺量，具体确定方法如下：根据上述3.1中单位体积内全部材料最紧密堆积各材料质量及各材料最佳的配比掺量，密集堆积模型不止一个，有几个，几个模型下可以确定建筑废弃物粉料掺量范围和最大掺量。
3.3、确定水泥、矿物掺和料、砂各自的掺量范围，具体确定方法如下：根据上述3.1中单位体积内全部材料最紧密堆积的结果及各材料最佳的配比，确定水泥、矿物掺和料、砂各自的掺量范围。
3.4、根据建筑废弃物粉料、水泥、矿物掺和料、砂各自堆积最佳掺量确定每单位体积混凝土中建筑废弃物粉料、水泥、矿物掺和料、砂的质量，各质量具体确定方法如下：根据上述3.1中单位体积内全部材料最紧密堆积各材料质量确定。
3.5、确定建筑废弃物粉料、水泥、矿物掺和料、砂的体积浓度、最大堆积填充，其中，体积浓度的具体确定方法如下：根据上述3.1中单位体积内全部材料最紧密堆积各材料质量除以材料堆积密度可以计算单位体积内各材料的体积，用各材料体积除以总体积得到体积浓度；最大堆积填充的具体确定方法如下，最大堆积填充通过MATLAB软件建立的基体最紧密堆积数学模型得到相关数据。
步骤(4)，根据建筑废弃物粉料的组成成分确定活性激发剂类型和在单位体积混凝土中掺量；
步骤(4)的具体实施过程如下：
4.1、确定活性激发剂类型的具体确定方法如下：根据建筑废弃物粉料的组成成分分析结果和含量，选取与之能发生化学反应并生成有强度的物质。本实施例中选取氢氧化钠和碳酸钠为活性激发剂。
4.2、确定活性激发剂在单位体积混凝土中掺量根据建筑废弃物粉料掺量确定。
步骤(5)，确定混凝土的水胶比，并使混凝土的水胶比处于0.14-0.3之间。水泥水化硬化反应必须加入水，水胶比指的是水和水泥的比例，水灰比越低，水泥硬化强度越高，但是低到一定比例，水量不足，水泥反应不完全，超高性能水泥基材料水胶控制在0.14-0.3之间。
步骤(6)，确定不同减水剂的饱和掺量；确定不同减水剂的饱和掺量的具体确定方法如下：通过加入不同掺量的减水剂对于基体浆体的流动度，确定减水剂饱和掺量，即当减水剂量继续增长，而流动度不变或减少的所对应的减水剂掺量为饱和掺量。
根据粘度材料配比模型，通过MATLAB软件建立，将ηp为浆体粘度；η0为水室温的粘度；ks为外加剂相关系数，取值在0.92-0.94之间；ΘF为矿物掺和料的体积浓度；ΘC为水泥的体积浓度；ΘG为砂的体积浓度；ΘH为建筑废弃物细粉的体积浓度；Vo为水的体积；VF为矿物掺和料的体积；VC为水泥的体积；VG为砂的体积；VH为建筑废弃物细粉的体积；αF为矿物掺和料的最大堆积填充；αC为水泥的最大堆积填充；αG为砂的最大堆积填充；αH为矿物掺和料的最大堆积填充；K0为矿物掺和料体积相关系数，取值在23-25之间，K1为矿物掺和料体积相关系数，取值在10-11之间；K2为矿物掺和料体积相关系数，取值在5-6之间；K3为矿物掺和料体积相关系数，取值在1-2之间，αχ为最大堆积填充；dχ体积分布为10％所对应粒径；Dχ体积分布为90％所对应粒径；j填充相关系数，取值在0.19-0.21之间，输入模型后得到外加剂最佳掺量。
步骤(7)，根据宾汉流变模型的最小二乘法线性拟合方程和粘度材料配比模型，根据工程中浆体粘度和屈服应力的需要，确定减水剂掺量，并确定混凝土配方；
根据宾汉流变模型的最小二乘法线性拟合方程和粘度材料配比模型，并结合根据工程中浆体粘度和屈服应力的需要，通过MATLAB软件建立模型，将矿物掺和料的体积浓度；水泥的体积浓度；砂的体积浓度；建筑废弃物细粉建筑废弃物粉料的体积浓度；水的体积；矿物掺和料的体积；水泥的体积；砂的体积；建筑废弃物细粉建筑废弃物粉料的体积；矿物掺和料的最大堆积填充；水泥的最大堆积填充；砂的最大堆积填充；矿物掺和料的最大堆积填充；矿物掺和料体积相关系数，取值在23-25之间，矿物掺和料体积相关系数，取值在10-11之间；矿物掺和料体积相关系数，取值在5-6之间；矿物掺和料体积相关系数，取值在1-2之间，j填充相关系数，取值在0.19-0.21之间，输入模型后得到外加剂最佳掺量，最终确定各个组分含量。
本实施例中，选取52.5P.O.水泥(Cement)、硅灰(Silica Fume)、粉煤灰(Fly Ash)(其中，硅灰和粉煤灰作为矿物掺和料)、建筑废弃物粉料(construction and demolitionwastes)、河砂(river sand)、活性激发剂、水(water)，聚羧酸减水剂(superplasticizer)作为原材料。此外，本实施例还列举了见实施例1的表1中所示的4组配方。
本实施例的确定方法，避免通过经验手段来制备混凝土，方法根据材料的粒径分布，组成成分等基本性能数据，通过计算机模拟最紧密堆积模型和流变、粘度材料配比模型，科学地准确地确定混凝土各个原材料组分掺量，克服在配合比设计中材料的复杂性对混凝土预期性能的影响，减少混凝土因设计不当而造成废弃、浪费。
本实施例根据流变性能和强度性能的要求，最大限度的提高建筑废弃物粉料的掺量，减少水泥用量，制备出性能优异的(抗压强度和流变性能)超高性能混凝土，实现节能减排和建筑材料的可持续发展。
步骤(1)中通过X射线能谱或X射线衍射或X射线荧光光谱确定建筑废弃物粉料的组成成分。
步骤(1)和(2)中通过激光粒径分析确定体积分布中10％，50％，90％所对应粒径和粒径分布曲线。
步骤(3)中所述的最紧密堆积模型的方程表达式如下：
其中：p(Di)为累计筛下颗粒百分含量；Di为当前平均粒径；对应体积分布为50％所对应粒径；Dmin为最小粒径；Dmax为最大粒径；q为分布系数，取值范围为0.23～0.24；RSS为最密集堆积模型目标；pmix(Di)为基体累计筛下颗粒百分含量；ptar(Di)为目标需要达到的最紧密堆积下的累计筛下颗粒百分含量。
步骤(7)中所述的流变模型的方程表达式如下：
ζ＝ζ0+ηpγ
其中ζ为不同剪切速率γ下的浆体的剪切应力，ζ0为浆体屈服应力，ηp为浆体的塑性粘度。
步骤(7)中所述的粘度材料配比模型的方程表达式如下：
其中：ηp为浆体粘度；η0为水室温的粘度；ks为外加剂相关系数，取值在0.92-0.94之间；ps为外加剂掺量和其饱和掺量的比值；ΘF为矿物掺和料的体积浓度；ΘC为水泥的体积浓度；ΘG为砂的体积浓度；ΘH为建筑废弃物粉料的体积浓度；Vo为水的体积；VF为矿物掺和料的体积；VC为水泥的体积；VG为砂的体积；VH为建筑废弃物粉料的体积；αF为矿物掺和料的最大堆积填充；αC为水泥的最大堆积填充；αG为砂的最大堆积填充；αH为矿物掺和料的最大堆积填充；K0为矿物掺和料体积相关系数，取值在23-25之间；K1为矿物掺和料体积相关系数，取值在10-11之间；K2为矿物掺和料体积相关系数，取值在5-6之间；K3为矿物掺和料体积相关系数，取值在1-2之间，αχ为最大堆积填充；dχ体积分布为10％所对应粒径；Dχ体积分布为90％所对应粒径；j为填充相关系数，取值在0.19-0.21之间。
步骤(6)中所述的减水剂为聚羧酸类减水剂或萘系减水剂或磺酸基类减水剂。
步骤(2)中所述的矿物掺和料为硅灰、矿粉、粉煤灰、粉煤灰沉珠、偏高岭土、钢渣粉的一种或多种混合。
实施例3
本实施例的目的在于还提供一种建筑废弃物粉基生态型超高性能混凝土，以重量份数计，组成成分包括水泥401-536份、粉煤灰200-202份、硅灰186-189份、建筑废弃物粉料213-432份、河砂818-904份、活性激发剂14-31份、聚羧酸减水剂30-31份以及水210-212份。
本实施例公开的建筑废弃物粉基生态型超高性能混凝土利用建筑废弃物粉料替换水泥，可减少水泥用量，可制备出性能优异的(抗压强度和流变性能)超高性能混凝土，实现节能减排和建筑材料的可持续发展。
其中，建筑废弃物粉料可以选取为粒径范围在1-8mm的建筑废弃物；水泥为52.5P.O.水泥；河砂的粒径为0-0.6mm。
本实施例中还具体地公开了如下4组本实施例所公开的建筑废弃物粉基生态型超高性能混凝土的配方。
混凝土配方1：水泥536份、粉煤灰200份、硅灰188份、建筑废弃物粉料215份、河砂904份、活性激发剂15份、聚羧酸减水剂30份以及水210份。
混凝土配方2：水泥401份、粉煤灰202份、硅灰186份、建筑废弃物粉料432份、河砂814份、活性激发剂31份、聚羧酸减水剂31份以及水212份。
混凝土配方3：水泥402份、粉煤灰200份、硅灰188份、建筑废弃物粉料430份、河砂818份、活性激发剂30份、聚羧酸减水剂30份以及水210份。
混凝土配方4：水泥531份、粉煤灰201份、硅灰189份、建筑废弃物粉料213份、河砂902份、活性激发剂14份、聚羧酸减水剂30份以及水211份。
上述4组混凝土配方根据《GB/T17671-1999水泥胶砂强度检验方法》、《GB-T2419-2005水泥胶砂流动度测定方法》，测定的每个立方的原材料成本、流动度和28天抗压、抗折强度，结果如上述对比实施例中的表3所示。
从表3中可知，本实施例的建筑废弃物粉基生态型超高性能混凝土具有优异的性能(抗压强度和流变性能)，且可降低成本。
本实施例公开的建筑废弃物粉基生态型超高性能混凝土的原材料组成成分的可通过实施例2所述的用于制备建筑废弃物粉基生态型超高性能混凝土的原材料组成成分的确定方法来确定。
实施例4
本实施例的目的在于还提供一种混凝土的制备方法，该混凝土为实施例3所公开的建筑废弃物粉基生态型超高性能混凝土；该混凝土的制备方法包括如下步骤：
步骤(1)，获取如下原材料：水泥、粉煤灰份、硅灰份、建筑废弃物粉料、河砂、活性激发剂、聚羧酸减水剂以及水；其中，以重量份数计，水泥401-536份、粉煤灰200-202份、硅灰186-189份、建筑废弃物粉料213-432份、河砂818-904份、活性激发剂14-31份、聚羧酸减水剂30-31份以及水210-212份；
步骤(2)，将原材料进行混合搅拌。
在步骤(2)中，将原材料进行混合搅拌的方法如下，先将建筑物废弃物粉料和活性激发剂混合均匀，再将全部粉料加入搅拌机，搅拌混合均匀后再加入水和聚羧酸减水剂，再把全部材料搅拌均匀。
Claims (7)
1.一种建筑废弃物粉基生态型超高性能混凝土的设计和制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)确定建筑废弃物粉料的组成成分和堆积密度，并测试粉料的粒径分布，确定体积分布为10％、50％、90％所对应粒径和粒径分布曲线；
(2)确定水泥、矿物掺和料、砂的堆积密度和体积分布为10％、50％、90％所对应粒径以及粒径分布曲线；
(3)根据CPM模型和Dinger-Funk模型，建立建筑废弃物粉料、水泥、矿物掺和料、砂的最紧密堆积模型，确定建筑废弃物粉料掺量范围和最大掺量，同时确定水泥、矿物掺和料、砂各自的掺量范围，根据建筑废弃物粉料、水泥、矿物掺和料、砂各自堆积密度确定每单位体积混凝土中建筑废弃物粉料、水泥、矿物掺和料、砂的质量，确定建筑废弃物粉料、水泥、矿物掺和料、砂的体积浓度、最大堆积填充；
(4)根据建筑废弃物粉料的组成成分确定活性激发剂类型和在单位体积混凝土中掺量；
(5)确定混凝土的水胶比，并使混凝土的水胶比处于0.14-0.3之间；
(6)确定不同减水剂的饱和掺量；
(7)根据宾汉流变模型的最小二乘法线性拟合方程和粘度材料配比模型，根据工程中浆体粘度和屈服应力的需要，确定减水剂掺量，并确定混凝土配方；
(8)根据步骤(7)中确定的混凝土配方称取各原材料，并将原材料进行混合搅拌；
步骤(3)中所述的最紧密堆积模型的方程表达式如下：
其中：p(Di)为累计筛下颗粒百分含量；Di为当前平均粒径；对应体积分布为50％所对应粒径；Dmin为最小粒径；Dmax为最大粒径；q为分布系数，取值范围为0.23～0.24；RSS为最密集堆积模型目标；pmix(Di)为基体累计筛下颗粒百分含量；ptar(Di)为目标需要达到的最紧密堆积下的累计筛下颗粒百分含量；
步骤(7)中所述的粘度材料配比模型的方程表达式如下：
其中：ηp为浆体粘度；η0为水室温的粘度；ks为外加剂相关系数，取值在0.92-0.94之间；ps为外加剂掺量和其饱和掺量的比值；ΘF为矿物掺和料的体积浓度；ΘC为水泥的体积浓度；ΘG为砂的体积浓度；ΘH为建筑废弃物粉料的体积浓度；Vo为水的体积；VF为矿物掺和料的体积；VC为水泥的体积；VG为砂的体积；VH为建筑废弃物粉料的体积；αF为矿物掺和料的最大堆积填充；αC为水泥的最大堆积填充；αG为砂的最大堆积填充；αH为矿物掺和料的最大堆积填充；K0为矿物掺和料体积相关系数，取值在23-25之间；K1为矿物掺和料体积相关系数，取值在10-11之间；K2为矿物掺和料体积相关系数，取值在5-6之间；K3为矿物掺和料体积相关系数，取值在1-2之间，αχ为最大堆积填充；dχ体积分布为10％所对应粒径；Dχ体积分布为90％所对应粒径；j为填充相关系数，取值在0.19-0.21之间。
2.根据权利要求1所述的一种建筑废弃物粉基生态型超高性能混凝土的设计和制备方法，其特征在于，步骤(8)中将原材料进行混合搅拌的方法如下，先将建筑物废弃物粉料和激发剂混合均匀，再将全部粉料加入搅拌机，搅拌混合均匀后再加入水和减水剂，再把全部材料搅拌均匀。
3.根据权利要求1所述的一种建筑废弃物粉基生态型超高性能混凝土的设计和制备方法，其特征在于，步骤(1)中通过X射线能谱或X射线衍射或X射线荧光光谱确定建筑废弃物粉料的组分成分。
4.根据权利要求1所述的一种建筑废弃物粉基生态型超高性能混凝土的设计和制备方法，其特征在于，步骤(1)和(2)中通过激光粒径分析确定体积分布中10％，50％，90％所对应粒径和粒径分布曲线。
5.根据权利要求1所述的一种建筑废弃物粉基生态型超高性能混凝土的设计和制备方法，其特征在于，步骤(7)中所述的流变模型的方程表达式如下：
ζ＝ζ0+ηpγ
其中ζ为不同剪切速率γ下的浆体的剪切应力，ζ0为浆体屈服应力，ηp为浆体的塑性粘度。
6.根据权利要求1所述的一种建筑废弃物粉基生态型超高性能混凝土的设计和制备方法，其特征在于，步骤(6)中所述的减水剂为聚羧酸类减水剂或萘系减水剂或磺酸基类减水剂。
7.根据权利要求1所述的一种建筑废弃物粉基生态型超高性能混凝土的设计和制备方法，其特征在于，步骤(2)中所述的矿物掺和料为硅灰、矿粉、粉煤灰、粉煤灰沉珠、偏高岭土、钢渣粉的一种或多种混合。
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