CN110105018A - 一种改性粗骨料、及利用该改性粗骨料制得的纤维纳米再生混凝土及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于建筑材料技术领域，具体涉及一种性能得到改善的改性粗骨料及利用所述改性粗骨料制得的性能优良的纤维纳米再生混凝土及其制备方法。制备方法包括以下步骤：将废弃混凝土试块、废弃烧结砖破碎，筛分得到再生粗骨料，用纳米硅溶胶溶液浸泡处理后烘干，得改性混凝土粗骨料和改性砖粗骨料；按配比准备水、水泥、细骨料、改性混凝土粗骨料、改性砖粗骨料、聚乙烯醇纤维；将改性砖粗骨料、改性混凝土粗骨料、水泥及细骨料投入搅拌机中，预搅拌，将聚乙烯醇纤维均匀分散的加入，干拌；将水、减水剂依次加入搅拌机中，搅拌直至拌合物混合均匀。本发明有效利用建筑垃圾，制成具有一定性能指标的再生混凝土。

Description

一种改性粗骨料、及利用该改性粗骨料制得的纤维纳米再生 混凝土及其制备方法

技术领域

本发明属于建筑材料技术领域，具体涉及一种性能优良的改性粗骨料、及利用该改性粗骨料制得的纤维纳米再生混凝土及其制备方法。

背景技术

随着我国城市规模的不断扩大，大批既有建筑面临拆除，由此产生的建筑垃圾体量巨大，预计2020年我国的建筑垃圾将达到6.38×10⁹t。对废弃建筑垃圾进行回收利用不仅是时代所需，并且对于保护环境、节约资源、发展生态建筑具有重要意义。目前，城市建筑垃圾当中往往同时存在废弃混凝土和废弃烧结砖，其中废弃砖占比约为30%-50%。

工程实践中，对于建筑废弃物的处理，除了少量用于低洼地区填埋、施工场地平整外，大部分都是在郊区露天堆放或者直接填埋，这种粗放的处理方式不仅占用了大量的土地，同时产生大量粉尘、灰沙飞扬，造成严重的空气污染，并且还会产生碱性废渣，造成土地污染，严重破坏生态环境。由于混凝土属于无机材料，耐久性能良好，较有机物更难以自然分解，故容易导致永久性污染。

因此如何对建筑固体废弃物进行循环再利用，使其变废为宝具有重要的现实与研究意义。

现有技术中的再生骨料制备混凝土的相关研究成果已经较多，但对于以下几个问题仍旧较少涉及：（1）现有技术中关于再生混凝土的研究多集中于单一类型再生骨料应用的研究，而对不同类型再生骨料的混合物，即混合再生骨料的研究较少。（2）在工程实践中再生骨料的来源常以成比例的废砖和废弃混凝土混合物的形式出现，对其进行分离难度较大。（3）目前普遍认为再生混凝土的性能较普通混凝土具有一定劣势，关于再生混凝土的改性增强研究多集中于骨料的增强如颗粒整形和外裹水泥浆等简单处理，以及通过掺加各种纤维材料的加入来提升混凝土的性能，对于纳米材料的运用较少见。

发明内容

本发明的目的在于提供一种较高品质的改性粗骨料。

本发明的目的在于提供一种强度稳定、性能良好的纤维纳米再生混凝土。

本发明的另一目的在于提供一种步骤简单、环保的纤维纳米再生混凝土的制备方法。

基于上述目的，本发明采取如下技术方案：

一种改性粗骨料，由废弃粗骨料经过破碎、纳米硅溶胶溶液浸泡、烘干得到，所述的纳米硅溶胶溶液浓度为1~3%，纳米硅溶胶浸泡时间为12-72h；所述的废弃粗骨料为废弃烧结砖或者废弃混凝土试块。

作为优选，所述的改性粗骨料为改性砖粗骨料和改性混凝土粗骨料按照一定体积比混合而成，所述改性混凝土粗骨料的体积在改性粗骨料中占比为50%以上。

作为优选，所述改性混凝土粗骨料的体积在改性粗骨料中占比为70%以上。

作为优选，所述纳米硅溶胶溶液浓度为1.5-2.5%，利用纳米硅溶胶溶液浸泡时间为40-50h。

利用上述改性粗骨料制成的纤维纳米再生混凝土，其特征在于，包括以下组分：

水、水泥、细骨料、改性粗骨料、聚乙烯醇纤维；

组分之间的质量比为：

水︰水泥︰细骨料︰改性粗骨料︰聚乙烯醇纤维=1︰2~3︰3~5︰5.5~6.2 ︰0~1.2。

作为优选，组分之间的质量比为：

水︰水泥︰细骨料︰改性粗骨料︰聚乙烯醇纤维=1︰2.52︰4.2︰6︰0~1.2。

作为优选，所述组分还包括减水剂。

作为优选，所述减水剂与水泥的质量比为：水泥︰减水剂=1︰0.001。

作为优选，所述聚乙烯醇纤维为束状单丝，直径为0.030~0.500 mm，长度为10~20mm，聚乙烯醇纤维抗拉强度≥1560 N/mm²，弹性模量≥41000 N/mm²，极限延伸率≥6.5%。

纤维纳米再生混凝土的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）制备改性粗骨料：将废弃烧结砖经过破碎、纳米硅溶胶浸泡、烘干得到改性砖粗骨料；将废弃混凝土试块经过破碎、纳米硅溶胶浸泡、烘干得到改性混凝土粗骨料；将改性砖粗骨料和改性混凝土粗骨料按照一定的体积比混合得改性粗骨料；

（2）按配比准备水、水泥、细骨料、改性粗骨料、聚乙烯醇纤维、减水剂；

（3）将步骤（1）中制得的改性粗骨料预吸水10~20min；

（4）预先润湿搅拌机筒体，然后将改性粗骨料、水泥及细骨料投入搅拌机中，预搅拌2~3min，使得改性粗骨料、细骨料与水泥拌合均匀；

（5）将聚乙烯醇纤维均匀分散的加入，干拌1min~2min；

（6）将水、减水剂依次加入搅拌机中，搅拌3~10 min，直至拌合物混合均匀。

有益效果

（1）本发明的原料基本来源于建筑垃圾，实现了资源的合理利用，解决了建筑垃圾的填埋、堆放造成的资源浪费和环境污染的问题，为建筑垃圾的有效利用提供了有力的技术支持。

(2)本发明通过对再生骨料以纳米硅溶胶溶液浸泡48小时，纳米SiO₂具有颗粒细小，一方面可以填充再生粗骨料内部，降低裂缝宽度、孔隙大小和数量，另一方面可以和再生混凝土骨料附着砂浆中的针片状的晶体颗粒发生反应生成的团絮状C-S-H凝胶，改善孔结构和表面形态，增加再生骨料的密实性和强度。增加再生骨料的密实性，从而获得性能得到改善的改性再生骨料，进而增强再生混凝土的强度。

（3）聚乙烯醇纤维材料在纳米再生混凝土中的均匀分布可以有效的跨过水泥基体中的裂缝和孔隙，发挥桥接、阻裂和增韧效果，减小初始收缩裂缝的数量和宽度，缓和混凝土中的应力集中并阻碍裂缝的进一步开展，与混凝土基体共同作用，提升了纳米再生混凝土的抗劈拉性能。

（4）本发明是基于工程实践中的骨料状况，提出的具体详细的再生骨料增强改性方案，实际工程中可根据不同需求采用相应的配比进行生产。本发明的性能可以基本满足土木建造的使用需求，极大程度上缓解了对天然骨料的需求，混凝土配合比中仅使用再生骨料、聚乙烯醇纤维等材料，通过设计适合的配比从而获得性能较好的改性再生混凝土，无需加入掺合料和添加剂，配方简单、成本低廉，具有广阔的应用价值。

（5）本发明所得纤维纳米再生混凝土工作性能良好，坍落度在40~70mm，抗压强度和劈拉强度满足一定技术指标，制备过程简单，易于施工。

具体实施

一种纤维纳米再生混凝土的制备方法，包括以下步骤：

（1）制备改性混凝土粗骨料和改性砖粗骨料，分别将废弃混凝土试块、废弃烧结砖破碎、筛分得到再生粗骨料，并用纳米硅溶胶溶液浸泡处理后烘干获得改性混凝土粗骨料和改性砖粗骨料。

所述的改性砖、混凝土粗骨料来自于城镇建设拆除废弃的废弃烧结砖和废弃混凝土，经破碎筛分获得粒径d₁为5 mm~25 mm再生砖骨料和再生混凝土骨料的颗粒，再生砖骨料和再生混凝土骨料的骨料粒径d₁质量分布为：5 mm≤d₁≤10 mm为20%~25%，10 mm＜d₁≤16 mm为45%~55%，16 mm＜d₁≤20 mm为25%~30%，20 mm＜d₁≤25 mm为0%~10%。该粒径分布系由骨料的材性试验结果对比后确定，较符合废弃混凝土和废砖破碎后粒径分布实际情况，生产实践中比较容易实现。

所述的纳米硅溶胶为浙江宇达化工有限公司生产的NS-30型纳米硅溶胶，SiO ₂含量为30±1%，PH值为8.5-10.0，粒径为8-15nm。

通过对再生骨料以纳米硅溶胶溶液浸泡12-72小时，由于纳米SiO₂具有颗粒细小、可以和再生混凝土骨料中Ca(OH) ₂晶体进行水化作用的特点，一方面可以填充混合骨料内部的微细孔隙，降低孔隙数量；另一方面可以和再生混凝土骨料附着砂浆中的针片状的晶体颗粒发生反应生成的团絮状C-S-H凝胶，改善孔结构和表面形态，增加再生骨料的密实性和强度。

（2）按配比准备水、水泥、细骨料、改性混凝土粗骨料、改性砖粗骨料、聚乙烯醇纤维、减水剂；

所述水泥为P. O 42.5普通硅酸盐水泥。

所述的细骨料为中河沙，经测量，其河沙的细度模数为M_X=2.3~3.0，粒径d₂范围为0.15 mm~4.75 mm，质量分布为：0.15 mm≤d2≤0.3 mm为12%~16%；0.3 mm＜d₂≤0.6 mm为31%～34%；0.6 mm＜d₂≤1.18 mm为28%～31%；1.18 mm＜d₂≤2.36 mm为9%~11%；2.36 mm＜d₂≤4.75 mm为10%~13%。

所述改性混凝土粗骨料、改性砖粗骨料从步骤（1）中获得。

所述的聚乙烯醇纤维为束状单丝，直径为0.040 mm，长度为10~15mm，聚乙烯醇纤维抗拉强度≥1560 N/mm²，弹性模量≥41000 N/mm²，极限延伸率≥6.5%

聚乙烯醇纤维材料在纳米再生混凝土中的均匀分布可以有效的跨过水泥基体中的裂缝和孔隙，发挥桥接、阻裂和增韧效果，减小初始收缩裂缝的数量和宽度，缓和混凝土中的应力集中并阻碍裂缝的进一步开展，与混凝土基体共同作用，提升了纳米再生混凝土的抗劈拉性能。

（3）将上述步骤（1）中制得的改性混凝土粗骨料和改性砖粗骨料预吸水10min，防止骨料大量吸水影响混凝土流动性和水灰比。

（4）预先润湿搅拌机筒体，然后将改性砖粗骨料、改性混凝土粗骨料、水泥及天然骨料投入搅拌机中，预搅拌2~3 min，使得改性砖粗骨料、改性混凝土粗骨料、河沙与水泥拌合均匀。

（5）将聚乙烯醇纤维均匀分散的加入，干拌1min~2min；

（6）将水、减水剂依次加入搅拌机中，搅拌3~10 min，直至拌合物混合均匀。

实施例

制备改性粗骨料

实施例1:

（1）将废弃烧结砖经过破碎、筛分得到再生粗骨料，选取粒径范围4~20mm的粗骨料，再用浓度为1%的纳米硅溶胶溶液浸泡72h后捞出、烘干处理，获得改性砖粗骨料；

（2）将废弃混凝土试块经过破碎、筛分得到再生粗骨料，选取粒径范围4~20mm的粗骨料，再用浓度为1%的纳米硅溶胶溶液浸泡72h后捞出、烘干处理，获得改性混凝土粗骨料；

（3）将改性砖粗骨料和改性混凝土粗骨料按照一定的体积比为3︰7混合得改性粗骨料A。

实施例2：

（1）将废弃烧结砖经过破碎、筛分得到再生粗骨料，选取粒径范围4~20mm的粗骨料，再用浓度为2%的纳米硅溶胶溶液浸泡48h后捞出、烘干处理，获得改性砖粗骨料；

（2）将废弃混凝土试块经过破碎、筛分得到再生粗骨料，选取粒径范围4~20mm的粗骨料，再用浓度为2%的纳米硅溶胶溶液浸泡48h后捞出、烘干处理，获得改性混凝土粗骨料；

（3）将改性砖粗骨料和改性混凝土粗骨料按照一定的体积比为4︰6混合得改性粗骨料B。

实施例3：

（1）将废弃烧结砖经过破碎、筛分得到再生粗骨料，选取粒径范围4~20mm的粗骨料，再用浓度为3%的纳米硅溶胶溶液浸泡24h后捞出、烘干处理，获得改性砖粗骨料；

（2）将废弃混凝土试块经过破碎、筛分得到再生粗骨料，选取粒径范围4~20mm的粗骨料，再用浓度为3%的纳米硅溶胶溶液浸泡24h后捞出、烘干处理，获得改性混凝土粗骨料；

（3）将改性砖粗骨料和改性混凝土粗骨料按照一定的体积比为5︰5混合得改性粗骨料C。

实施例4：

（1）将废弃烧结砖经过破碎、筛分得到再生粗骨料，选取粒径范围4~20mm的粗骨料，再用浓度为2%的纳米硅溶胶溶液浸泡24h后捞出、烘干处理，获得改性砖粗骨料；

（2）将废弃混凝土试块经过破碎、筛分得到再生粗骨料，选取粒径范围4~20mm的粗骨料，再用浓度为2%的纳米硅溶胶溶液浸泡24h后捞出、烘干处理，获得改性混凝土粗骨料；

（3）将改性砖粗骨料和改性混凝土粗骨料按照一定的体积比为6︰4混合得改性粗骨料D。

制备改性混凝土

通过经验及反复试验，最终确定配比优选为水、水泥、细骨料、改性粗骨料、聚乙烯醇纤维的质量比为1︰2.52︰4.2︰6︰0~1.2，采用该配比获得的再生混凝土成品流动性能最优。分析聚乙烯醇纤维的加入量对改性混凝土的强度影响。

实施例5：选取实施例1中制得的改性粗骨料

（1）按质量比为1︰2.52︰4.18︰1.68︰4.33︰0准备水、水泥、细骨料、改性粗骨料、聚乙烯醇纤维；

（2）将实施例1中制得的改性粗骨料预吸水10min；

（3）预先润湿搅拌机筒体，然后将改性砖粗骨料、改性混凝土粗骨料、水泥及天然骨料投入搅拌机中，预搅拌2~3 min，使得改性砖粗骨料、改性混凝土粗骨料、河沙与水泥拌合均匀。

（4）将聚乙烯醇纤维均匀分散的加入，干拌1min~2min；

（5）将水、减水剂依次加入搅拌机中，搅拌3~10 min，直至拌合物混合均匀。

实施例6：选取实施例2中制得的改性粗骨料

（1）按质量比为1︰2.52︰4.18︰1.68︰4.33︰0.3准备水、水泥、细骨料、改性粗骨料、聚乙烯醇纤维；

（2）将实施例2中制得的改性粗骨料预吸水10min；

（3）预先润湿搅拌机筒体，然后将改性砖粗骨料、改性混凝土粗骨料、水泥及天然骨料投入搅拌机中，预搅拌2~3 min，使得改性砖粗骨料、改性混凝土粗骨料、河沙与水泥拌合均匀。

（4）将聚乙烯醇纤维均匀分散的加入，干拌1min~2min；

（5）将水、减水剂依次加入搅拌机中，搅拌3~10 min，直至拌合物混合均匀。

实施例7：选取实施例3中制得的改性粗骨料

（1）按质量比为1︰2.52︰4.18︰1.68︰4.33︰ 0.6准备水、水泥、细骨料、改性混凝土粗骨料、改性砖粗骨料聚乙烯醇纤维；

（2）将实施例3中制得的改性粗骨料预吸水10min；

（3）预先润湿搅拌机筒体，然后将改性砖粗骨料、改性混凝土粗骨料、水泥及天然骨料投入搅拌机中，预搅拌2~3 min，使得改性砖粗骨料、改性混凝土粗骨料、河沙与水泥拌合均匀。

（4）将聚乙烯醇纤维均匀分散的加入，干拌1min~2min；

（5）将水、减水剂依次加入搅拌机中，搅拌3~10 min，直至拌合物混合均匀。

实施例8：选取实施例4中制得的改性粗骨料

（1）按质量比为1︰2.52︰4.18︰1.68︰4.33︰0.9准备水、水泥、细骨料、改性混凝土粗骨料、改性砖粗骨料聚乙烯醇纤维；

（2）将实施例4中制得的改性粗骨料预吸水10min；

（3）预先润湿搅拌机筒体，然后将改性砖粗骨料、改性混凝土粗骨料、水泥及天然骨料投入搅拌机中，预搅拌2~3 min，使得改性砖粗骨料、改性混凝土粗骨料、河沙与水泥拌合均匀。

（4）将聚乙烯醇纤维均匀分散的加入，干拌1min~2min；

（5）将水、减水剂依次加入搅拌机中，搅拌3~10 min，直至拌合物混合均匀。

实施例9：选取实施例4中制得的改性粗骨料

（1）按质量比为1︰2.52︰4.18︰1.68︰4.33︰1.2准备水、水泥、细骨料、改性混凝土粗骨料、改性砖粗骨料聚乙烯醇纤维；

（2）将上述步骤（1）中制得的改性混凝土粗骨料和改性砖粗骨料预吸水10min；

（3）预先润湿搅拌机筒体，然后将改性砖粗骨料、改性混凝土粗骨料、水泥及天然骨料投入搅拌机中，预搅拌2~3 min，使得改性砖粗骨料、改性混凝土粗骨料、河沙与水泥拌合均匀。

（4）将聚乙烯醇纤维均匀分散的加入，干拌1min~2min；

（5）将水、减水剂依次加入搅拌机中，搅拌3~10 min，直至拌合物混合均匀。

试验例

强度测试

测试步骤：将本发明实施例5~9所得纤维纳米再生混凝土分别一次性装入试模，装料时用抹刀沿各试模壁插捣，再将试模放在振动台上，分两次进行振捣，刮去试模口多余的聚丙烯纤维再生砖混凝土粗骨料混凝土，然后用抹刀抹平放入混凝土养护箱内养护24 h，拆模，最后移至混凝土标准养护室内进行养护，28天后取出。

根据GB/T50081-2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》的规定方法，对纤维纳米再生混凝土试块进行强度检测，测试结果见表1。

表1 本发明实施例5-9所得纳米纤维再生混凝土的强度测试结果

由上述数据可得，本发明中纳米硅溶胶溶液的浓度优选为2%，利用纳米硅溶胶溶液浸泡再生粗骨料的时间优选为48h左右，聚乙烯醇纤维的质量比为0.9~1.2时性能最优；

试验中可得，改性砖粗骨料的体积在改性粗骨料中占比为30%以下对混凝土的抗压强度和劈拉强度影响较小，改性砖粗骨料体积在改性粗骨料中占比为30~50%时改性混凝土的强度逐渐下降，改性砖粗骨料体积在改性粗骨料中占比为50%以上则严重削弱混凝土的抗压性能。

Claims (10)

1.一种改性粗骨料，其特征在于，由废弃粗骨料经过破碎、纳米硅溶胶溶液浸泡、烘干得到，所述的纳米硅溶胶溶液浓度为1~3%，纳米硅溶胶浸泡时间为12-72h；所述的废弃粗骨料为废弃烧结砖或者废弃混凝土试块。

2.如权利要求1所述的改性粗骨料，其特征在于，所述的改性粗骨料为改性砖粗骨料和改性混凝土粗骨料按照一定体积比混合而成，所述改性混凝土粗骨料的体积在改性粗骨料中占比为50%以上。

3.如权利要求2所述的改性粗骨料，其特征在于，所述改性混凝土粗骨料的体积在改性粗骨料中占比为70%以上。

4.如权利要求1所述的改性粗骨料，其特征在于，所述纳米硅溶胶溶液浓度为1.5-2.5%，利用纳米硅溶胶溶液浸泡时间为40-50h。

5.利用权利要求1-4中任意一项权利要求所述的改性粗骨料制成的纤维纳米再生混凝土，其特征在于，包括以下组分：

水、水泥、细骨料、改性粗骨料、聚乙烯醇纤维；

组分之间的质量比为：

水水泥︰细骨料︰改性粗骨料︰聚乙烯醇纤维=1︰2~3︰3~5︰5.5~6.2 ︰0~1.2。

6.如权利要求5所述的纤维纳米再生混凝土，其特征在于，组分之间的质量比为：

水︰水泥︰细骨料︰改性粗骨料︰聚乙烯醇纤维=1︰2.52︰4.2︰6︰0~1.2。

7.如权利要求5所述的纤维纳米再生混凝土，其特征在于，所述组分还包括减水剂。

8.如权利要求7所述的纤维纳米再生混凝土，其特征在于，所述减水剂与水泥的质量比为：水泥︰减水剂=1︰0.001。

9.如权利要求5所述的纤维纳米再生混凝土，其特征在于，所述聚乙烯醇纤维为束状单丝，直径为0.030~0.500 mm，长度为10~20mm，聚乙烯醇纤维抗拉强度≥1560 N/mm²，弹性模量≥41000 N/mm²，极限延伸率≥6.5%。

10.权利要求8所述的纤维纳米再生混凝土的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）制备改性粗骨料：将废弃烧结砖经过破碎、纳米硅溶胶浸泡、烘干得到改性砖粗骨料；将废弃混凝土试块经过破碎、纳米硅溶胶浸泡、烘干得到改性混凝土粗骨料；将改性砖粗骨料和改性混凝土粗骨料按照一定的体积比混合得改性粗骨料；

（2）按配比准备水、水泥、细骨料、改性粗骨料、聚乙烯醇纤维、减水剂；

（3）将步骤（1）中制得的改性粗骨料预吸水10~20min；

（4）预先润湿搅拌机筒体，然后将改性粗骨料、水泥及细骨料投入搅拌机中，预搅拌2~3min，使得改性粗骨料、细骨料与水泥拌合均匀；

（5）将聚乙烯醇纤维均匀分散的加入，干拌1min~2min；

（6）将水、减水剂依次加入搅拌机中，搅拌3~10 min，直至拌合物混合均匀。