CN109721310A - 工程渣土替代天然砂制备的水泥砂土浆及制备方法与应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种工程渣土替代天然砂制备的水泥砂土浆及其制备方法与应用。所述制备方法包括如下步骤：首先将施工现场取来的废弃工程渣土烘干磨细，筛分混合形成再生工程渣土，按一定比例与天然砂投入砂浆搅拌机中，形成砂土混合物；然后将水和水泥倒入砂浆搅拌机，投入部分砂土混合物和部分减水剂，搅拌均匀；最后投入剩余的砂土混合物和减水剂，搅拌均匀，制备所述工程渣土替代天然砂制备的水泥砂土浆。本发明提供的制备方法通过合理的材料配合比，充分利用了数量庞大的工程渣土，节约河砂资源，保护生态环境，在保证砂土浆优良工作性能和力学性能的前提下，降低了生产成本和工程渣土的处理成本，有很好的经济效益和社会效益。

Description

工程渣土替代天然砂制备的水泥砂土浆及制备方法与应用
技术领域
本发明涉及建筑材料技术和建筑垃圾资源化利用领域，具体涉及一种工程渣土替代天然砂制备的水泥砂土浆及制备方法与应用。
背景技术
随着我国建筑产业和基础设施建设的快速发展，在基础工程、地下工程和地铁道桥等建造工程中产生了大量工程渣土。调查显示，2008至2018这10年间我国平均每年就有约2.36亿吨的工程渣土得不到合理处理而累积下来，并且以10％的速度逐年增长，其中最普遍的为花岗岩风化土。我国建筑渣土主要的处理方式是填埋、制砖和铺路基，但这些简单无序的处理方法均存在能耗污染大、经济效益低等问题，甚至会造成工程灾害，如2015年“12·20”深圳光明受纳场渣土滑动发生特别重大滑坡事故。截至2018年我国建筑渣土资源化利用率仅为5％左右，与欧美、日韩等国的90％相差甚远。如何处理与日俱增的渣土，已成为生态环境保护与社会可持续发展的重要问题。
为提高工程渣土利用率与经济效益，将其应用于建筑材料领域，国内外学者提出将工程渣土烘干磨细至微米数量级，替代部分胶凝材料掺入水泥基材料和混凝土中。但是由于磨细后的工程渣土比表面积大，易吸水膨胀，且化学成份与水泥差别较大，故存在坍落度明显损失、强度大幅下降等问题。虽然后期研究加入泡沫、膨润土和高分子聚合物等改良剂和固化剂来改善工程渣土工作性能和力学性能，但效果有限且成本较高。因此需要一种新的方法来解决现有方法利用率低、效果欠佳等问题。
发明内容
为了克服现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种工程渣土替代天然砂制备的水泥砂土浆及其制备方法与应用。
本发明提供一种工程渣土替代天然砂制备水泥砂土浆的配方及方法，能用于解决现有工程渣土资源利用方法的替代率低、工艺复杂、耗能大和力学性能、工作性能欠佳等问题。
本发明的目的通过如下技术方案实现。
本发明提供的一种工程渣土替代天然砂制备水泥砂土浆的方法，包括以下步骤：
(1)在温度为105±5℃的电热鼓风干燥箱中将工程渣土烘干至恒重；
(2)将烘干后的工程渣土按粒径大小筛分成A、B、C三组，筛分后A组的工程渣土粒径为0-0.25mm，B组的工程渣土粒径为0.25mm-2.0mm，C组的工程渣土粒径大于2.0mm；
(3)将步骤(2)得到的C组工程渣土放入研磨仪中，旋转混合均匀后，长短叠合刀片研磨2-3次，每次研磨的时间为3-8秒；研磨过程中不停摇晃，每次研磨后需振动均匀；
(4)将研磨仪中的工程渣土倒出，分别采用筛孔边长为0.25mm与4.75mm的方孔筛对研磨后的C组工程渣土进行筛分处理，得到筛分后的工程渣土；
(5)将步骤(4)得到的筛分后的工程渣土与B组工程渣土充分混合，形成再生工程渣土；
(6)将步骤(5)得到的再生工程渣土与筛分后的天然砂混合，投入砂浆搅拌机中，搅拌，形成砂土混合物，取出按照不同取代率分别装盒备用；所述取代率为被再生工程渣土取代的天然砂质量占原先需要的天然砂总质量的百分比。
(7)称取水、水泥、砂土混合物以及减水剂；将砂土混合物与减水剂分别均匀分为两份，将水和水泥投入干净的砂浆搅拌机中，搅拌，形成水泥浆；然后加入一份砂土混合物与一份减水剂，搅拌；再加入另一份砂土混合物与另一份减水剂，搅拌，制备所述工程渣土替代天然砂制备的水泥砂土浆。所述水泥砂土浆为工程渣土部分替代天然砂制备的水泥砂土浆。
进一步地，步骤(1)中所述工程渣土为花岗岩风化土，所述花岗岩风化土为基础工程、地下工程和地铁建设等过程中所产生最为普遍的工程渣土。
进一步地，步骤(2)中所述按粒径大小筛分成A、B、C三组，筛分后A组的工程渣土粒径为0-0.25mm，B组的工程渣土粒径为0.25mm-2.0mm，C组的工程渣土粒径大于2.0mm。
进一步地，步骤(3)中所述研磨仪的电机转速为35000-40000r/min。
进一步地，步骤(4)中所述筛分后的工程渣土的粒径为0.25mm-4.75mm。本发明中所述粒径均为颗粒的直径，用于描述颗粒的大小。
进一步地，步骤(6)中所述砂土混合物，按照质量份数计，包括如下的原料：
再生工程渣土 30-70份；
筛分后的天然砂 30-70份；
所述筛分后的天然砂符合《GB/T 14684-2011建筑用砂》的要求，粒径为0.25mm-4.75mm。
进一步地，步骤(6)中所述搅拌处理的搅拌速率为60±10r/min，搅拌的时间为1-3分钟；
进一步地，步骤(7)中所述搅拌的速率均为60±10r/min，搅拌的时间均为1-2分钟。
进一步地，步骤(7)中所述工程渣土替代天然砂制备的水泥砂土浆，按照质量份数计(份)，包括如下的原料：
进一步地，步骤(7)中所述水泥为普通硅酸盐水泥；步骤(7)中所述减水剂为聚羧酸减水剂的水溶液，质量分数百分比浓度为8％-12％。
由上述的制备方法制备一种工程渣土替代天然砂制备的水泥砂土浆
本发明所述的一种工程渣土替代天然砂制备的水泥砂土浆，应用于土木工程领域。
与现有技术相比，本发明具有如下优点和有益效果：
(1)本发明提供的方法采用量大面广的工程渣土替代部分的天然砂，可降低工程建设对天然砂的需求，从而减少采砂作业对自然环境的严重破坏；
(2)本发明提供的方法相比于现有的利用工程渣土部分替代水泥等胶凝材料的做法，本发明只需将工程渣土研磨至天然砂的粒径范围即可，不需将其深度研磨至水泥细度，因而研磨能耗可明显降低；
(3)本发明提供的方法制备的一种工程渣土替代天然砂的水泥砂土浆，相比于现有的普通水泥砂浆，具有优良的工作性能和力学性能。
附图说明
图1为本发明提供一种工程渣土替代天然砂制备水泥砂土浆的工艺流程图；
图2为实施例1-3和对比例1制备的水泥砂土浆7d、14d、28d抗折强度随工程渣土取代率变化曲线图；
图3为实施例1-3和对比例1制备的水泥砂土浆7d、14d、28d抗压强度随工程渣土取代率变化曲线图。
具体实施方式
下面将结合附图和具体实施例对本发明的实施作进一步说明，但本发明的实施方式不限于此。需指出的是，以下若有未特别详细说明之过程或参数，均是本领域技术人员可参照现有技术理解或实现的。
本发明实施例中所用工程渣土为取自广州市天河区新塘公司、新合公司“城中村”改造项目A地块基坑的花岗岩风化土，花岗岩风化土为广东地区工程建设过程中最为普遍的工程渣土；实施例与对比例所用减水剂为广东道明铁路器材有限公司生产的RPC-H聚羧酸减水剂的水溶液，质量分数百分比浓度为8％-12％；实施例与对比例所用水泥为广州市珠江水泥有限公司生产的粤秀牌P·Ⅱ42.5R水泥；所述筛分后的天然砂符合《GB/T14684-2011建筑用砂》的要求。
取少量花岗岩风化土，进行XRF化学成分检测(2018年11月于华南理工大学分析测试中心进行)，得到该花岗岩风化土样的化学成分数据；将花岗岩风化土化学成分与水泥、天然砂对比，其中水泥化学成分数据来源于《通用硅酸盐水泥》(GB 175-2007)，天然砂化学成分数据来源于《GB/T 14684-2011建筑用砂》，对比结果如下表1所示：
表1
与水泥相比，花岗岩风化土与天然砂的化学成分更为接近，故选择用花岗岩风化土取代天然砂制备水泥砂土浆。
实施例1
(1)将取来的花岗岩风化土初步晒干，再放入100℃的电热鼓风干燥箱烘干至衡重；
(2)将烘干后的花岗岩风化土按粒径大小筛分成A、B、C三组，筛分后A组的花岗岩风化土粒径为0-0.25mm，B组的花岗岩风化土粒径为0.25mm-2.0mm，C组的花岗岩风化土粒径大于2.0mm，弃去A组；
(3)将步骤(2)得到的C组花岗岩风化土放入高速研磨仪(电机转速为35000-40000r/min)中，旋转混合均匀，长短叠合刀片研磨3次，每次研磨时间为6秒，研磨过程中不停摇晃，每次研磨后振动均匀；
(4)将研磨机中的花岗岩风化土倒出，分别采用筛孔边长为0.25mm与4.75mm的方孔筛对研磨后的C组花岗岩风化土进行筛分处理，得到筛分后的花岗岩风化土，筛分后的花岗岩风化土粒径为0.25mm-4.75mm；
(5)将步骤(4)得到的筛分后的花岗岩风化土与B组花岗岩风化土混合均匀，形成再生花岗岩风化土；
(6)称取5.67kg筛分后的天然砂(天然砂颗粒直径为0.25mm-4.75mm)、2.43kg再生花岗岩风化土(按质量份数计，再生花岗岩风化土30份，筛分后的天然砂70份)投入砂浆搅拌机中，搅拌1分钟(砂浆搅拌转速为70r/min)，形成砂土混合物；
(7)称取1.30kg水、102g减水剂(溶质质量分数为9％)、8.10kg步骤(6)中所述的砂土混合物以及3.29kg水泥(按质量份数计，水257份，水泥650份，砂土混合物1600份，减水剂20份)，先将砂土混合物与减水剂溶液分别均匀分为两份，将水和水泥投入干净的砂浆搅拌机中搅拌1分钟(砂浆搅拌转速为70r/min)，形成水泥浆；然后加入一份砂土混合物与一份减水剂溶液，搅拌机搅拌1分钟(砂浆搅拌转速为70r/min)；再加入另一份砂土混合物与另一份减水剂，搅拌1分钟(砂浆搅拌转速为70r/min)，制备所述工程渣土替代天然砂的水泥砂土浆(其中花岗岩风化土替代了30％wt天然砂，即取代率为30％)。
实施例2
(1)将取来的花岗岩风化土初步晒干，再放入105℃的电热鼓风干燥箱烘干至衡重；
(2)将烘干后的花岗岩风化土按粒径大小筛分成A、B、C三组，筛分后A组的花岗岩风化土粒径为0-0.25mm，B组的花岗岩风化土粒径为0.25mm-2.0mm，C组的花岗岩风化土粒径大于2.0mm，弃去A组；
(3)将步骤(2)得到的C组花岗岩风化土放入高速研磨仪(电机转速为35000-40000r/min)中，旋转混合均匀，长短叠合刀片研磨2次，每次研磨时间为8秒，研磨过程中不停摇晃，每次研磨后振动均匀；
(4)将研磨机中的花岗岩风化土倒出，分别采用筛孔边长为0.25mm与4.75mm的方孔筛对研磨后的C组花岗岩风化土进行筛分处理，得到筛分后的花岗岩风化土，筛分后的花岗岩风化土粒径为0.25mm-4.75mm；
(5)将步骤(4)得到的筛分后的花岗岩风化土与B组花岗岩风化土混合均匀，形成再生花岗岩风化土；
(6)称取4.05kg筛分后的天然砂(天然砂颗粒直径为0.25mm-4.75mm)、4.05kg再生花岗岩风化土(按质量份数计，再生花岗岩风化土50份，筛分后的天然砂50份)投入砂浆搅拌机中，搅拌2分钟(砂浆搅拌转速为60r/min)，形成砂土混合物；
(7)称取1.215kg水、180g减水剂(溶质质量分数为10％)、8.10kg步骤(6)中所述的砂土混合物以及3.375kg水泥(按质量份数计，水243份，水泥675份，砂土混合物1620份，减水剂36份)。先将砂土混合物与减水剂溶液分别均匀分为两份，将水和水泥投入干净的砂浆搅拌机中搅拌90秒(砂浆搅拌转速为60r/min)，形成水泥浆；然后加入一份砂土混合物与一份减水剂溶液，搅拌机搅拌90秒(砂浆搅拌转速为60r/min)；再加入另一份砂土混合物与另一份减水剂，搅拌90秒(砂浆搅拌转速为60r/min)，制备所述工程渣土替代天然砂的水泥砂土浆(其中花岗岩风化土替代了50％wt天然砂，即取代率为50％)。
实施例3
(1)将取来的花岗岩风化土初步晒干，再放入110℃的电热鼓风干燥箱烘干至衡重；
(2)将烘干后的花岗岩风化土按粒径大小筛分成A、B、C三组，筛分后A组的花岗岩风化土粒径为0-0.25mm，B组的花岗岩风化土粒径为0.25mm-2.0mm，C组的花岗岩风化土粒径大于2.0mm，弃去A组；
(3)将步骤(2)得到的C组花岗岩风化土放入高速研磨仪(电机转速为35000-40000r/min)中，旋转混合均匀，长短叠合刀片研磨3次，每次研磨时间为3秒，研磨过程中不停摇晃，每次研磨后振动均匀；
(4)将研磨机中的花岗岩风化土倒出，分别采用筛孔边长为0.25mm与4.75mm的方孔筛对研磨后的C组花岗岩风化土进行筛分处理，得到筛分后的花岗岩风化土，筛分后的花岗岩风化土粒径为0.25mm-4.75mm；
(5)将步骤(4)得到的筛分后的花岗岩风化土与B组花岗岩风化土混合均匀，形成再生花岗岩风化土；
(6)称取2.43kg筛分后的天然砂(天然砂颗粒直径为0.25mm-4.75mm)、5.67kg再生花岗岩风化土颗粒(按质量份数计，再生花岗岩风化土70份，筛分后的天然砂30份)投入砂浆搅拌机中，搅拌3分钟(砂浆搅拌转速为50r/min)，形成砂土混合物；
(7)称取1.04kg水、393g减水剂(溶质质量分数为11％)、8.10kg步骤(6)中所述的砂土混合物以及3.436kg水泥(按质量份数计，水212份，水泥700份，砂土混合物1650份，减水剂80份)。先将砂土混合物与减水剂溶液分别均匀分为两份，将水和水泥投入干净的砂浆搅拌机中搅拌2分钟(砂浆搅拌转速为50r/min)，形成水泥浆；然后加入一份砂土混合物与一份减水剂溶液，搅拌机搅拌2分钟(砂浆搅拌转速为50r/min)；再加入另一份砂土混合物与另一份减水剂，搅拌2分钟(砂浆搅拌转速为50r/min)，制备所述工程渣土替代天然砂的水泥砂土浆(其中花岗岩风化土替代了70％wt天然砂，即取代率为70％)。
对比例1
(1)称取1.37kg水、50g减水剂(溶质质量分数为10％)、8.1kg筛分后的天然砂(颗粒直径为0.25-4.75mm)以及3.38kg水泥(按质量份数计，水275份，水泥676份，筛分后的天然砂1620份，减水剂10份)，先将砂与减水剂溶液分别均匀分为两份，接着将水和水泥投入干净的砂浆搅拌机中搅拌2分钟(砂浆搅拌转速为50r/min)，形成水泥浆；然后加入一份筛分后的天然砂与一份减水剂溶液，搅拌机搅拌2分钟(砂浆搅拌转速为50r/min)；再加入另一份筛分后的天然砂与另一份减水剂，搅拌2分钟(砂浆搅拌机转速为50r/min)，制备水泥砂土浆(其中花岗岩风化土替代了0％wt天然砂，即取代率为0％)。
测试：
1、按照JGJ/T70-2009《建筑砂浆基本性能试验方法》的规定，用砂浆稠度测定仪测定对比例与实施例1-3制备的水泥砂土浆稠度，结果如表2所示；
表2
试件组编号 实施例1 实施例2 实施例3 对比例1
稠度/mm 60 71 75 53
2、按照GBT 17671-1999《水泥胶砂强度检验方法(ISO法)》的规定，将对比例与实施例1-3制备的水泥砂土浆浇筑到160mm(长)×40mm(宽)×40mm(高)的三联模具中成型、机械振实2分钟,每个实施例均浇筑9个砂浆试块，编号后放置到恒温恒湿(温度20±1℃，湿度95％)养护箱中标准养护1天后拆模，拆模后移入标准养护室养护至试验龄期。
然后按照GBT 17671-1999《水泥胶砂强度检验方法(ISO法)》的规定,检测对比例与实施例1-3的砂土浆试块7天、14天和28天抗折、抗压强度，结果如下表3、图2以及图3所示。
表3
由表3数据可以看出，花岗岩风化土取代率对砂土浆流动性影响大，可根据稠度确定聚羧酸减水剂用量。随着取代率增大，砂土浆抗折强度呈现先增长后下降趋势，砂土浆抗压强度呈缓慢下降趋势，当花岗岩分化土与天然砂质量比为50:50(即取代率为50％)时，抗折抗压强度几乎与普通水泥砂浆相同。
如图2所示，图2是实施例1-3和对比例制得的水泥砂浆7d、14d、28d抗折强度随工程渣土(花岗岩风化土)取代率变化曲线。图2中的横坐标花岗岩风化土取代率表示工程渣土(花岗岩分化土)替代天然砂的质量百分比。如图2所示，实施例1制水泥砂土浆(取代率30％)7d、14d、28d抗折强度比对比例1制水泥砂浆提高3％、6％、7％；实施例2制水泥砂土浆(取代率50％)以及实施例3制水泥砂土浆(取代率70％)在7d、14d、28d时抗折强度均与对比例1制水泥砂浆几乎相同。
如图3所示，图3是实施例1-3和对比例制得的水泥砂浆7d、14d、28d抗压强度随花岗岩风化土取代率变化曲线。图3中的横坐标花岗岩风化土取代率表示花岗岩分化土替代天然砂的质量百分比。如图3所示，实施例1制水泥砂土浆(取代率30％)7d、14d、28d抗压强度与对比例1制水泥砂浆几乎相同；实施例2制水泥砂土浆(取代率50％)以及实施例3制水泥砂土浆(取代率70％)在7d、14d、28d时抗压强度仅比对比例1制水泥砂浆略微降低。
通过实施例与对比例的结果可看出，本发明提供工程渣土替代天然砂制备水泥砂土浆的方法，可使用工程渣土替代天然砂作为水泥砂土浆的原料，而且取代率可高达70％；一方面充分利用了如今数量庞大、对环境造成一定污染的工程渣土，实现了建筑垃圾的资源化利用；另一方面可节约宝贵的河砂资源，保护生态环境，在保证砂土浆优良工作性能和力学性能的前提下，降低了生产成本和花岗岩风化土的处理成本，有很好的经济效益和社会效益。
以上实施例仅为本发明较优的实施方式，仅用于解释本发明，而非限制本发明，本领域技术人员在未脱离本发明精神实质下所作的改变、替换、修饰等均应属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种工程渣土替代天然砂制备水泥砂土浆的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)在温度为105±5℃条件下将工程渣土烘干至恒重；
(2)将烘干后的工程渣土按粒径大小筛分成A、B、C三组；
(3)将步骤(2)得到的C组工程渣土放入研磨仪中，研磨2-3次，每次研磨的时间为3-8秒；
(4)对研磨后的C组工程渣土进行筛分处理，得到筛分后的工程渣土；
(5)将步骤(4)得到的筛分后的工程渣土与B组工程渣土混合，形成再生工程渣土；
(6)将步骤(5)得到的再生工程渣土与筛分后的天然砂混合，投入砂浆搅拌机中，搅拌处理，形成砂土混合物，取出备用；
(7)称取水、水泥、砂土混合物以及减水剂；将砂土混合物与减水剂分别均匀分为两份，将水和水泥投入砂浆搅拌机中，搅拌，形成水泥浆；然后加入一份砂土混合物与一份减水剂，搅拌；再加入另一份砂土混合物与另一份减水剂，搅拌，制得所述工程渣土替代天然砂制备的水泥砂土浆。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中所述工程渣土为基础工程、地下工程和地铁建设过程中所产生的花岗岩风化土。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)中所述按粒径大小筛分成A、B、C三组，筛分后A组的工程渣土粒径为0-0.25mm，B组的工程渣土粒径为0.25mm-2.0mm，C组的工程渣土粒径大于2.0mm。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(3)中所述研磨仪的电机转速为35000-40000r/min；步骤(4)中所述筛分后的工程渣土的粒径为0.25mm-4.75mm。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(6)中所述砂土混合物，按照质量份数计，包括如下的原料：
再生工程渣土 30-70份；
筛分后的天然砂 30-70份；
所述筛分后的天然砂的粒径为0.25mm-4.75mm。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(6)中所述搅拌处理的搅拌速率为60±10r/min，搅拌的时间为1-3分钟；步骤(7)中所述搅拌的速率均为60±10r/min，搅拌的时间均为1-2分钟。
7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(7)中所述工程渣土替代天然砂制备的水泥砂土浆，按照质量份数计，包括如下的原料：
8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(7)中所述水泥为普通硅酸盐水泥；步骤(7)中所述减水剂为聚羧酸减水剂的水溶液，质量分数百分比浓度为8％-12％。
9.一种由权利要求1-8任一项所述的制备方法制备的水泥砂土浆。
10.权利要求9所述的一种工程渣土替代天然砂制备的水泥砂土浆，应用于土木工程领域。
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