CN111574092B - 一种使用农业固体废弃物制备高性能抗冲磨粉煤灰混凝土材料的方法 - Google Patents

一种使用农业固体废弃物制备高性能抗冲磨粉煤灰混凝土材料的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种使用农业固体废弃物制备高性能抗冲磨粉煤灰混凝土材料的方法，首先，将稻壳灰与牡蛎壳粉煅烧得硅酸钙。然后，硅酸钙与乙酸反应得二氧化硅和碳酸钙混和物并蒸馏出丙酮溶剂。最后，将煅烧、球磨后的二氧化硅和氧化钙掺加到粉煤灰混凝土中制得抗冲磨材料。使用农业废弃物制备的粉煤灰混凝土具有比掺加工业二氧化硅、氧化钙的粉煤灰混凝土更好的力学、抗冲磨性能和长期抗二氧化碳侵蚀能力。使用农业废弃物制备粉煤灰混凝土抗冲磨材料，扩大了农业废弃物应用范围；避免填埋废弃物需大量占用土地问题；降低了抗冲磨粉煤灰混凝土材料的使用成本。使用此方法制备抗冲磨混凝土能产生良好的社会经济、环保效益，具有广阔的市场应用前景。

Description

一种使用农业固体废弃物制备高性能抗冲磨粉煤灰混凝土材 料的方法
技术领域
本发明属于农业废弃物再生利用和高性能抗冲磨粉煤灰混凝土材料制备领域，具体涉及一种使用农业固体废弃物制备高性能抗冲磨粉煤灰混凝土材料的方法。
背景技术
水泥混凝土材料具有原材料来源广泛、成本低、力学性能优良等特点。对处于恶劣环境下土木工程结构来说，结构混凝土易遭受到水流、大风、泥砂冲刷磨损破坏、冻融破坏，硫酸盐破坏、氯盐破坏、干湿循环等物理与化学因素的交互作用，导致土木工程结构物服役寿命的缩短，增加土木工程结构的养护与维修成本。相关研究表明影响土木工程结构物耐久性的因素很多，冲刷磨损破坏是影响铁路、水利枢纽、跨海桥梁、海洋结构物耐久性的主要因素之一。冲刷磨损破坏是指结构物的表面与环境中的固体颗粒流体相接触并且做相对运动，使结构物表面发生损耗磨损的现象。一般来说冲刷磨损破坏可分为侵蚀磨损和腐蚀磨损两大类。侵蚀磨损是指携带固体颗粒介质的高速气流(风)对结构物进行冲击而造成的侵蚀。腐蚀磨损是指含有固体颗粒的水流，在一定速度或角度下对结构物表面造成损伤的现象。国外调查资料表明，我国西部地区常年处于狂风与沙尘暴天气中，混凝土结构因受到大风与沙砾的侵蚀磨损，造成西部地区桥梁的墩身、梁体表面混凝土剥落和硬化水泥浆体与骨料之间微裂纹加速扩展，而加剧了混凝土结构的碳化、氯盐破坏、硫酸盐破坏、冻融破坏损伤，降低了西部地区土木结构物使用年限。同时，随着水利工程建设规模不断扩大，水工结构物的泄水速度不断提高，夹带泥砂的高推移质高速水流对泄洪结构物的破坏日益严重。我国运行20年以上的大坝泄水结构物，70％以上存在不同程度的腐蚀磨损问题，溢洪道、泄洪隧洞、泄水闸、护坦、消力墩，排沙低孔结构物腐蚀磨损现象也极为普遍。世界各国土木结构物遭受冲刷磨损破坏的情况同样也很严重，日本新干线铁路使用不到10年就出现大面积混凝土开裂、剥蚀现象；运行不到三年的Kinzua大坝，其消力池底板因遭受高速含砂水流的反复冲刷出现了深达l米的冲刷磨损坑；正常运行仅11年的Nolin Lake大坝挡水墙和消力池也发现了深度达0.8-1米的冲刷磨损坑；美国堪萨斯州Pomona大坝在运行6年后消力池表层覆盖的混凝土层被卵石冲击碎裂，导致大面积的钢筋裸露于混凝土；挪威Freifjord海底隧道，在通车20年后混凝土表层就发生严重剥落。处于环境中的土木工程结构物，随时间推移，在外部冲刷磨损破坏和混凝土材料自身缺陷共同作用下，导致结构混凝土表面裂缝扩展和结构混凝土老化，土木工程结构物的性能劣化和承载力下降。如何提高恶劣环境下结构混凝土的抗冲磨性能是土木工程领域的研究的热点和难点问题。
目前提高结构混凝土抗冲磨性能的途径主要包括下面几种：(1)选择耐磨性能好的骨料，如铁钢，砂铸石，玻璃，来制备混凝土；但耐磨骨料的使用会改变结构混凝土流变性能、力学性能，还会给混凝土长期性能带来负面的影响，这限制了此类抗冲磨混凝土材料的广泛使用；(2)在结构混凝土中掺加活性掺合料(硅粉、改性硅粉、粉煤灰、HF粉煤灰)可改善结构混凝土密实性和增加整个胶凝材料体系水化活性，从而提高混凝土的抗冲磨性能；(3)在混凝土内部掺入钢纤维、聚丙烯纤维、玄武岩纤维，纤维在混凝土中相互牵制和连接，形成一个阻碍其裂缝扩展、连通的乱向支撑体系来抑制混凝土中裂缝的扩展，从而提高混凝土的抗冲磨性能。但在纤维混凝土拌和过程中，纤维不易分散均匀、易缠绕成团，较高的纤维价格也增加了抗冲磨纤维混凝土材料的使用成本；(4)将废旧橡胶轮胎磨碎成粉末掺加到混凝土中制得橡胶粉混凝土抗冲磨材料，当橡胶粉掺加到混凝土中，橡胶粉颗粒和骨料紧密结合，提高了混凝土界面粘结强度和抗冲磨能力，但橡胶粉的掺加会降低混凝土力学性能；(5)将环氧树脂、呋喃树脂、聚脲弹性体高分子材料掺入混凝土或在混凝土表面涂上一层耐磨性能好的化学涂层。环氧树脂、呋喃树脂抗冲磨混凝土材料虽具有与混凝土粘结力强、机械强度高、抗冲刷性能好的特点。但环氧树脂、呋喃本身并没有高的抗冲刷能力，其与耐磨砂粒结合后，含砂水流很难剥离耐磨砂粒。使用高分子材料制备抗冲磨混凝土材料还存在材料价格高，高分子材料有毒性，施工复杂，对基面要求高，固化受气温及环境的影响大、不易保证质量等问题。这些缺点阻碍了高分子材料抗冲磨混凝土中的大面积推广应用。
目前国内外使用的各类抗冲磨材料中，粉煤灰混凝土因其具有原材料易得，水化热低、干缩量小、抗裂性较好，施工简单、造价低廉等优点，被广泛应用于新建土木工程结构和受冲刷磨损破坏严重的结构物维修工程中，是应用前景最为广阔的一种抗冲磨材料。但在实际使用过程中，粉煤灰混凝土抗冲磨材料也存在早期力学性能和抗冲磨强度低、抵抗二氧化碳侵蚀能力弱、粉煤灰质量易波动等问题，这些缺点阻碍了抗冲磨粉煤灰混凝土材料在土木工程结构物中的推广应用。
近几十年来，世界各国研究人员发现，农业废弃物可作为硅质与钙质材料的潜在来源，通过对农业废弃物进行加工处理得到低成本硅质与钙质材料应用到抗冲磨材料中，是制备低成本、高性能抗冲磨粉煤灰混凝土材料的一种有效方法。据世界粮农组织统计数据，中国作为世界上最大水稻种植国，水稻产量为2亿吨，占全球水稻产量1/3。随着我国对粮食的需求量持续增加，我国水稻年产量还将以年均1.8-6.4％的速度持续增长。稻壳作为水稻加工后副产品，每年全世界稻壳总量达7000-8000万吨。对稻壳进行焙烧处理可得稻壳灰，稻壳灰组分中90％为非晶态二氧化硅，稻壳灰中的二氧化硅含量是所有农作物中最高的。但稻壳灰中的二氧化硅结构比较疏松，不能直接应用到制备高性能抗冲磨粉煤灰混凝土中，需对稻壳灰进行物理和化学改性得高纯度和高致密纳米二氧化硅。中国作为一个海洋大国，牡蛎资源极其丰富，2001-2010年我国牡蛎年总产量为100万吨左右，2015年我国牡蛎养殖产量达到126.46万吨，2015年后牡蛎年产量还将以1.6-2.1％速度持续增加。人们每消费1吨牡蛎可产生0.31-0.32吨废弃牡蛎，我国每年牡蛎壳废弃量高达30-40万吨，废弃牡蛎壳中95％为CaCO3无机质，对废弃牡蛎壳进行高温煅烧处理可得高纯度氧化钙。使用农业固体废弃物制备开发出低成本、高性能的粉煤灰混凝土抗冲磨材料已成为土木工程领域的研究热点。
发明内容
本发明针对抗冲磨粉煤灰混凝土材料使用过程中存在的问题，提供了一种使用农业固体废弃物制备高性能抗冲磨粉煤灰混凝土材料的方法。首先，将稻壳灰和废弃牡蛎壳粉混合物高温煅烧得硅酸钙。然后，在一定温度下将硅酸钙溶解在乙酸溶液中，硅酸钙与乙酸反应生成二氧化硅和碳酸钙沉淀并且蒸馏出丙酮溶剂。随后，将产物高温煅烧和球磨得白色二氧化硅和氧化钙混和物。最后，将二氧化硅和氧化钙混和物与水泥、粉煤灰、细骨料、粗骨料、水按比例混合，制备出低成本、高性能的抗冲磨粉煤灰混凝土材料。
为实现上述目的，本发明提供的技术方案是：
一种使用农业固体废弃物制备高性能抗冲磨粉煤灰混凝土材料的方法，包括以下步骤：
步骤一：将稻壳灰分拣、清洗、晾干后通过0.6mm圆孔筛，保留颗粒尺寸小于0.6mm的稻壳灰颗粒备用；将废弃牡蛎壳清洗、晾干后进行粉碎处理，粉碎后的废弃牡蛎壳通过0.6mm圆孔筛，保留颗粒尺寸小于0.6mm的废弃牡蛎壳细颗粒备用；
步骤二、将稻壳灰颗粒与废弃牡蛎壳细颗粒按比例放入装有搅拌器的容器中，快速搅拌使稻壳灰与废弃牡蛎壳混合均匀，将混合物放入马弗炉煅烧得固体硅酸钙，煅烧完的固体硅酸钙产物冷却到室温密封备用；
步骤三、将固体硅酸钙放入容器中搅拌均匀，在固体硅酸钙中加入三乙醇胺得悬浊液，控制悬浊液pH值为9～10；然后在悬浊液中缓慢滴加乙酸溶液并且搅拌均匀，升高反应体系温度到45～55℃且持续快速搅拌混和物，在此温度下反应60～120分钟，得到淡白色胶状体，将淡白色胶状体进行陈化、洗涤、过滤处理去除产物中残留杂质；
步骤四、将处理后的淡白色胶状体升温到150～160℃，在此温度下反应40～70分钟，回流冷凝收集反应产物丙酮，直到没有丙酮产生，得到二氧化硅和碳酸钙的混和物；
步骤五、将二氧化硅和碳酸钙混和物放入马弗炉中煅烧，煅烧完成后待混和产物冷却到室温后进行研磨，得到二氧化硅和氧化钙混和物颗粒，将二氧化硅和氧化钙混和物颗粒过0.6mm圆孔筛，保留颗粒尺寸小于0.6mm的颗粒；
步骤六、将水泥、粉煤灰、二氧化硅和氧化钙混和物颗粒、细骨料、粗骨料放入混凝土搅拌机中以30～40转/分钟的搅拌速度混合搅拌，然后加入掺有聚羧酸减水剂的拌合水，以30转/分钟的搅拌速度继续搅拌，接着使用铁铲对混凝土浆体进行人工搅拌1-2次，最后将混凝土浆体60转/分钟的搅拌速度下加速搅拌，得到抗冲磨粉煤灰混凝土；
步骤七：将抗冲磨粉煤灰混凝土浇筑到试模中振捣密实，放置试模在室温中养护24小时，然后将混凝土样品从试模中移除，放置在标准养护室中养护到规定龄期。在规定养护龄期里，对混凝土样品的抗压强度、抗折强度、抗冲磨性能、碳化深度进行测定。
为优化上述技术方案，采取的具体措施还包括
上述步骤一中，所述稻壳灰颗粒的平均粒径在4～8μm；所述废弃牡蛎壳细颗粒的平均粒径在8～11μm。
上述步骤二中，所述稻壳灰颗粒与废弃牡蛎壳细颗粒的质量比为(309～395):(605～610)。
上述步骤二中，混合物在马弗炉中煅烧的具体工艺参数为：以20～25℃/分钟的升温速度在60分钟时间内将马弗炉内的温度提高到1200～1300℃，然后在此温度下煅烧混合物40～70分钟，每20分种对混合物进行搅拌一次，排出煅烧中产生的二氧化碳气体。
上述步骤三中，所述固体硅酸钙、三乙醇胺以及乙酸溶液的质量比为(995～1000):(250～260):(2780～2790)。
上述步骤五中，二氧化硅和碳酸钙混和物在马弗炉中煅烧的具体工艺参数为：以20-25℃/分钟的升温速度在50～60分钟里升高温度到950～1250℃，在此温度下煅烧混合物40～70分钟。
上述步骤五中，所述二氧化硅和氧化钙混和物颗粒的尺寸为2.5～3.6μm。
上述步骤六中，所述的水泥、粉煤灰、二氧化硅和氧化钙混和物颗粒、细骨料、粗骨料、聚羧酸减水剂以及拌合水的质量比为(365～370):(90～95):(27～28):(690～695):(1050～1100):(1.35～1.40):(110～115)。
上述步骤七中，在标准养护室中养护的具体条件为：温度20～23℃，湿度85～95％。
本发明的制备过程中，乙酸属于有机一元酸，乙酸与硅酸钙的反应在其表面逐步进行。，为了进一步促进乙酸与硅酸钙的反应，在体系中需要加入三乙醇胺。与传统的硫酸强酸体系相比，本发明的制备过程更加环保、低毒，且反应体系中还生成了丙酮副产物，大幅提高了资源利用与转化的效率。二氧化硅和氧化钙的混和物经过煅烧以及研磨的处理，进一步改变了二氧化硅和氧化钙的微观结构，其与传统的二氧化硅、氧化硅材料相比，其纯度更高且结构更加致密。体系中残留的三乙醇胺还可防止研磨过程中颗粒的聚集，提高产物颗粒分散的效果与产物的均匀程度；抗冲磨粉煤灰混凝土材料中二氧化硅的掺入提高了结构混凝土密实性和整个胶凝材料体系的水化活性，并且明显增加了粉煤灰混凝土的抗冲磨性能；氧化钙的掺加加速了粉煤灰早期水化反应，使粉煤灰混凝土具有更好的早期力学性能、抗冲磨性能和更高的长期抗二氧化碳侵蚀能力。
本发明的有益效果在于：
(1)本发明制备生产出的二氧化硅和氧化钙混和物代替工业二氧化硅和氧化钙混和物制备粉煤灰混凝土抗冲磨材料，每生产一立方米粉煤灰混凝土抗冲磨材料，可节约工业二氧化硅和氧化钙材料使用费用1.65元。每吨稻壳灰和牡蛎壳粉混和物制备二氧化硅和氧化钙还可产生15.46公斤丙酮副产物，还能带来362.73元的经济效益。
(2)本发明使用农业固体废弃物稻壳灰和牡蛎壳改性制备粉煤灰混凝土抗冲磨材料，不但消耗了大量农业固体废弃物，还避免了传统处理农业固体废弃物的填埋方法需大量占用土地的问题，农业固体废弃物作为一种资源，用于制备高性能抗冲磨粉煤灰混凝土材料是处理农业废弃物的最佳途径。
(3)使用农业废弃物制备的抗冲磨粉煤灰混凝土具有比掺加工业二氧化硅和氧化钙的抗冲磨粉煤灰混凝土材料更好力学性能和抗冲磨性能、更高的长期抗二氧化碳侵蚀能力，仅减少维护成本与提高土木工程使用年限一项，每方结构物可节省建设费用2.79元。使用农业固体废弃物制备抗冲磨粉煤灰混凝土材料具有广阔应用领域，能产生良好的技术、经济、社会和环保效益。
附图说明
图1是本发明使用农业固体废弃物制备高性能抗冲磨粉煤灰混凝土材料的流程图。
图2是掺加改性稻壳灰和牡蛎壳制备的二氧化硅和氧化钙粉煤灰混凝土、未掺加二氧化硅和氧化钙粉煤灰混凝土和掺加工业二氧化硅和氧化钙粉煤灰混凝土的初始塌落流动度对比。
图3是掺加改性稻壳灰和牡蛎壳制备的二氧化硅和氧化钙粉煤灰混凝土、未掺加二氧化硅和氧化钙粉煤灰混凝土和掺加工业二氧化硅和氧化钙粉煤灰混凝土的抗压强度对比图。
图4是掺加改性稻壳灰和牡蛎壳制备的二氧化硅和氧化钙粉煤灰混凝土、未掺加二氧化硅和氧化钙粉煤灰混凝土和掺加工业二氧化硅和氧化钙粉煤灰混凝土的抗折强度对比图。
图5是掺加改性稻壳灰和牡蛎壳制备的二氧化硅和氧化钙粉煤灰混凝土、未掺加二氧化硅和氧化钙粉煤灰混凝土和掺加工业二氧化硅和氧化钙粉煤灰混凝土的抗冲磨强度对比图。
图6是掺加改性稻壳灰和牡蛎壳制备的二氧化硅和氧化钙粉煤灰混凝土、未掺加二氧化硅和氧化钙粉煤灰混凝土和掺加工业二氧化硅和氧化钙粉煤灰混凝土的磨损率对比图。
图7是掺加改性稻壳灰和牡蛎壳制备的二氧化硅和氧化钙粉煤灰混凝土、未掺加二氧化硅和氧化钙粉煤灰混凝土和掺加工业二氧化硅和氧化钙粉煤灰混凝土的碳化深度值。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
采用本发明所述的方法制备一立方米改性农业固体废弃物高性能抗冲磨粉煤灰混凝土材料，与相同配合比下未掺加二氧化硅和氧化钙的粉煤灰混凝土、同掺量工业二氧化硅和氧化钙混和物的粉煤灰混凝土试样进行性能对比研究。
以下实施例中稻壳灰(二氧化硅含量89-95％)由湖北仙桃市驰顺制碳厂生产。牡蛎壳来源于中国东南沿海地区的海产品回收公司。三乙醇胺为河南鼎祥化工产品有限公司生产工业品(浓度为85％)。乙酸(36-38％)工业品为江苏采薇生物科技有限公司提供。工业二氧化硅为广东盖特奇新材料科技有限公司提供，密度为2.2g/cm3，活性指数为105-130％。工业氧化钙(90.5％)为南京鲁兴科技有限公司产品。
实施例1
稻壳灰和牡蛎壳制备二氧化硅和氧化钙混合物
1.1稻壳灰、牡蛎壳的预处理
将稻壳灰分拣、清洗、晾干处理后，通过0.6mm圆孔筛，去除杂质与形状不规则的稻壳灰颗粒，保留颗粒尺寸小于0.6mm稻壳灰细颗粒。将废弃牡蛎壳清洗、晾干后进行粉碎处理，废弃牡蛎壳通过0.6mm圆孔筛，保留颗粒尺寸小于0.6mm的废弃牡蛎壳细颗粒。将稻壳灰和牡蛎壳粉放置48小时后，使用激光粒度仪测得稻壳灰和牡蛎壳粉平均粒径在5.67μm和10.09μm。
1.2固体硅酸钙的制备
称取390～395kg稻壳灰和605～610kg牡蛎壳粉放入装有搅拌器的反应容器中，快速搅拌混合物20～30分钟，使稻壳灰与牡蛎壳粉混合均匀。将混合物放入马弗炉，以25℃/分钟的速度在60分钟时间升温到1300℃，此温度下煅烧处理混合物50分钟得固体硅酸钙。每20分种对稻壳灰与废弃牡蛎壳粉搅拌混合一次，排出煅烧产生的二氧化碳气体。煅烧完的固体硅酸钙冷却到室温密封备用。
1.3二氧化硅沉淀和碳酸钙混和物的制备
称取995～1000kg的固体硅酸钙放入容器中搅拌均匀，在固体硅酸钙中加入250～260kg三乙醇胺溶液，调节悬浊液pH值为9～10，加速搅拌溶液15分钟。在20～25℃温度下缓慢滴加2780～2790kg乙酸溶液并且快速搅拌，升高体系温度到50℃，在此温度下反应90分钟。持续快速搅拌反应物，反应物由白色乳浊液变成淡白色胶体。将产物自然冷却到环境温度。在反应容器中陈化与熟化1.5小时，洗涤产物并且过滤处理去除产物中残留的杂质。将处理过的产物升温到155℃，保持在此温度下大约60分钟，回流冷凝管收集反应产物丙酮，直到没有回流产物产生，得到固体二氧化硅和碳酸钙混和物。
1.4二氧化硅和氧化钙混和物制备
将二氧化硅和碳酸钙混和物放入马弗炉，以22℃/分钟升温速度在55分钟时间里升高温度到1150℃，此温度下煅烧混合物60分钟，得二氧化硅和氧化钙混和物。将混和物冷却到室温并研磨40分钟，磨细产物过0.6mm圆孔筛，保留颗粒尺寸小于0.6mm粉末，测得二氧化硅和碳酸钙混和物颗粒尺寸为2.97μm。
实施例2
粉煤灰混凝土的制备
2.1混凝土配合比
以配制C50高强粉煤灰混凝土为目标。使用中国水泥厂PⅡ级42.5普硅水泥，南京华能电厂一级粉煤灰。细骨料为天然河砂，细骨料细度模数2.46。粗骨料为5～25mm连续级配碎石。江苏建筑科学研究院的聚羧酸高效减水剂。拌和用水为饮用水。混凝土配合比为胶凝材料(水泥+粉煤灰):细骨料:粗骨料:水＝1:1.51:2.36:0.35，砂率为39％。一立方米粉煤灰混凝土中胶凝材料用量为460kg/m3，粉煤灰取代20％水泥作为胶凝材料。改性农业固体废弃物制备的二氧化硅和碳酸钙混和物用量为胶凝材料用量的6％，聚羧酸高效减水剂(PCA)用量为胶凝材料用量的0.3％，未掺加二氧化硅和氧化钙粉煤灰混凝土(Control-FA)和掺加相同量的工业二氧化硅和氧化钙混和物(二氧化硅:氧化钙＝1:1)的粉煤灰混凝土(IDSC-FA)作为对比样，三组抗冲磨粉煤灰混凝土优选的配合比见表1。
表1.抗冲磨粉煤灰混凝土实验配合比
Figure GDA0003291076880000071
2.2粉煤灰混凝土试样的制备与养护
将365-370kg水泥、90-95kg粉煤灰、27-28kg改性农业固体废弃物制备所得二氧化硅和氧化钙混合物放入装有搅拌器中，以40转/分钟搅拌速度，搅拌1-2分钟使固体物质混合均匀。在固体物质中加入690-695kg细骨料、1050-1100kg粗骨料，以30转/分钟搅拌速度继续混合1-2分钟。随后，将1.35-1.40kg聚羧酸减水剂与110-115kg拌合水的混合溶液添加到容器中，在30转/分钟搅拌速度下继续搅拌2分钟。为避免新拌混凝土浆体在容器底部层积，使用铁铲对混凝土浆体进行人工搅拌1-2次。最后将粉煤灰混凝土浆体在60转/分钟搅拌速度下加速搅拌2分钟。取新拌MSC-FA混凝土浆体放入塌落度测试筒中进行新拌粉煤灰混凝土初始塌落流动度检测。将检测完的新拌MSC-FA混凝土浇筑到100mm×100mm×100mm、150mm×150mm×550mm试模中制备12块试样，进行3，7，28，90天的混凝土抗压强度和抗折强度检测。其他新拌MSC-FA混凝土浇筑到6个
Figure GDA0003291076880000081
试模中检测28，90天龄期混凝土的抗冲磨性能。余下新拌MSC-FA混凝土浆体浇筑到100mm×100mm×300mm试模中。所有MSC-FA混凝土试模用湿麻袋覆盖放置在室内(温度25℃，湿度55-65％)环境中养护24小时。1天后，混凝土样品从试模中移除，放置在标准养护室中(温度为20-23℃，湿度为90±5％)养护到规定龄期。100mm×100mm×300mm的MSC-FA混凝土试样在标准养护室中养护到26天后，在60℃温度下烘干处理48小时，用石腊密封混凝土四个侧面，留下混凝土其他两个侧面不密封，将试件放入碳化试验箱(湿度70±5％，温度20±3℃，二氧化碳浓度为20±3％)到规定碳化测试龄期。相同条件下制备相同数量Control-FA、IDSC-FA粉煤灰混凝土样品进行对比实验。
实施例3
抗冲磨粉煤灰混凝土的性能
3.1抗冲磨粉煤灰混凝土的初始塌落流动度
将新拌粉煤灰混凝土浆体装入混凝土塌落度测试筒中，使用振捣棒从边缘到中心均匀插捣混凝土25次。新拌粉煤灰混凝土插捣后，用镘刀将混凝土拌合物沿筒口抹平。将塌落度测试筒缓慢的竖直提起，混凝土拌和物逐渐扩散。当拌和物不在扩散时，用钢尺测量拌和物在不同方向的直径，取平均值即为混凝土初始塌落流动度。三种粉煤灰混凝土初始塌落流动度如图2所示。从图中可看出，掺加二氧化硅和氧化钙混和物到粉煤灰混凝土中降低了混凝土初始塌落流动度。相同二氧化硅和氧化钙混和物掺量下，使用农业固体废弃物制备的二氧化硅和氧化钙混和物掺加到粉煤灰混凝土具有比掺加工业二氧化硅和氧化钙粉煤灰混凝土略微高的初始塌落流动度。
3.2冲磨粉煤灰混凝土的抗压强度
在3，7，28，90天养护龄期，从标准养护室中取出100mm×100mm×100mm混凝土试样，按国家规范《普通混凝土力学性能试验方法标准》(GB/T50 01-2002)规定，使用深圳三思纵横科技股份有限公司YAW-3000电液伺服加载系统进行抗压强度测试。测试时压力试验机加载速率为1.3MPa/s，抗压强度值是三个试样平均值。在不同养护龄期三种粉煤灰混凝土抗压强度如图3所示。从图中可看出，随着养护龄期的增加，三种抗冲磨粉煤灰混凝土抗压强度持续增加。在相同养护龄期里，二氧化硅和氧化钙混和物的掺加能明显增加混凝土的抗压强度，掺加农业固体废弃物制备的二氧化硅和氧化钙的粉煤灰混凝土具有比掺加工业二氧化硅和氧化钙的粉煤灰混凝土有更佳的抗压强度。
3.3抗冲磨粉煤灰混凝土的抗折强度
混凝土抗折强度按国家规范《普通混凝土力学性能试验方法标准》(GB/T50081-2002)的三点抗折方法进行测试。规定龄期里将150mm×150mm×550mm棱柱体混凝土试样成型面朝上放置在DYE-300型全自动抗折试机上，以40N/s加载速度加载到棱柱体侧面上直至试件折断，不同养护龄期里三种粉煤灰混凝土的抗折强度如图4所示。从图中可看出，随着养护龄期的增加，三种抗冲磨粉煤灰混凝土的抗折强度持续增加。相同养护龄期里，二氧化硅和氧化钙混和物的掺加改善了混凝土抗折强度。粉煤灰混凝土的抗折强度与掺加的二氧化硅和氧化钙混和物种类密切相关，农业固体废弃物制备的二氧化硅、氧化钙的粉煤灰混凝土具有比工业二氧化硅、氧化钙粉煤灰混凝土更高的抗折强度。
3.4抗冲磨粉煤灰混凝土的抗冲磨性能
按照《水工混凝土试验规程》(DL/T 5150-2001)规定的水下钢球法进行抗冲磨试验。抗冲磨试验前，将
Figure GDA0003291076880000093
圆柱体混凝土试件放在水中浸泡48h，擦净表面水分并且称混凝土试件质量(M1)。然后将混凝土试件放入HKCM-2型混凝土抗冲磨试验机中，加水高出试件表面165mm，抗冲磨试验机以1200转/分钟转速进行混凝土抗冲磨试验。72小时后，取出试件擦净表面水分，称混凝土试件质量(M2)。抗冲磨强度和磨损率作为评价混凝土抗冲磨性能指标。混凝土抗冲磨强度和磨损率按公式(1)、(2)计算。
Figure GDA0003291076880000091
式(1)中：Rn表示混凝土试件抗冲磨强度(单位面积上磨损单位质量需要时间)，单位为h*(kg/m2)；T表示抗冲磨试验累计时间，单位为h；A表示混凝土试样受冲磨面积，单位为m2；M1，M2分别表示试验前和试验后混凝土试样的质量，单位为kg。
Figure GDA0003291076880000092
式(2)中：L表示磨损率(％)；M1表示试验前混凝土试样质量，单位为kg；M2表示试验后混凝土试样质量，单位为kg。
三种粉煤灰混凝土抗冲磨性能如图5所示。从图中可看出，延长养护龄期增加了粉煤灰混凝土抗冲磨强度并减少了粉煤灰混凝土磨损率。相同养护龄期里，掺加二氧化硅、氧化钙的粉煤灰混凝土具有比空白粉煤灰混凝土更高的抗冲磨强度和更低的磨损率。掺加农业固体废弃物制备的二氧化硅、氧化钙粉煤灰混凝土具有比掺加工业二氧化硅、氧化钙的粉煤灰混凝土更好的抗冲磨性能。
3.5抗冲磨粉煤灰混凝土的碳化深度
按《水工混凝土试验规程》(DL/T 5150-2001)中规定的混凝土碳化试验方法，在3，7，14，28天测试龄期测试混凝土碳化深度。不同测试龄期，三种粉煤灰混凝土碳化深度变化曲线如图6所示。从图中可看出，随着碳化时间的增加，三组粉煤灰混凝土的碳化深度都增加。相同的碳化龄期里，二氧化硅和氧化钙混和物的掺加减少了粉煤灰混凝土碳化深度。掺加农业固体废弃物制备的二氧化硅和氧化钙粉煤灰混凝土具有比掺加工业二氧化硅、氧化钙的粉煤灰混凝土更好的抵抗二氧化碳侵蚀能力，这是因为本发明制备的氧化钙颗粒尺寸比传统的工业氧化钙尺寸更小，导致氧化钙与二氧化碳接触后，表面更容易形成致密的碳酸钙层，从而阻止外界的二氧化碳气体进一步深入混凝土内部对其进行侵蚀。
以上所述的仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种使用农业固体废弃物制备高性能抗冲磨粉煤灰混凝土材料的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：将稻壳灰分拣、清洗、晾干后通过0.6mm圆孔筛，保留颗粒尺寸小于0.6mm的稻壳灰颗粒备用；将废弃牡蛎壳清洗、晾干后进行粉碎处理，粉碎后的废弃牡蛎壳通过0.6mm圆孔筛，保留颗粒尺寸小于0.6mm的废弃牡蛎壳细颗粒备用；
步骤二、将稻壳灰颗粒与废弃牡蛎壳细颗粒按比例放入装有搅拌器的容器中，快速搅拌使稻壳灰与废弃牡蛎壳混合均匀，将混合物放入马弗炉煅烧得固体硅酸钙，煅烧完的固体硅酸钙产物冷却到室温密封备用；
步骤三、将固体硅酸钙放入容器中搅拌均匀，在固体硅酸钙中加入三乙醇胺得到悬浊液，控制悬浊液pH值为9～10；然后在悬浊液中缓慢滴加乙酸溶液并且搅拌均匀，升高反应体系温度到45～55℃且持续快速搅拌混和物，在此温度下反应60～120分钟，得到淡白色胶状体，淡白色胶状体进行陈化、洗涤、过滤处理去除产物中残留杂质；
步骤四、将处理后的淡白色胶状体升温到150～160℃，在此温度下反应40～70分钟，回流冷凝收集反应产物丙酮，直到没有丙酮产生，得到二氧化硅和碳酸钙的混和物；
步骤五、将二氧化硅和碳酸钙混和物放入马弗炉中煅烧，煅烧完成后待混和产物冷却到室温后进行研磨，得到二氧化硅和氧化钙混和物颗粒，将二氧化硅和氧化钙混和物颗粒过0.6mm圆孔筛，保留颗粒尺寸小于0.6mm的颗粒；
步骤六、将水泥、粉煤灰、二氧化硅和氧化钙混和物颗粒、细骨料、粗骨料放入混凝土搅拌机中以30～40转/分钟的搅拌速度混合搅拌，加入掺加含有聚羧酸减水剂的拌合水，以30转/分钟的搅拌速度继续搅拌，接着使用铁铲对混凝土浆体进行人工搅拌1-2次，最后将混凝土浆体在60转/分钟的搅拌速度下加速搅拌，得到抗冲磨粉煤灰混凝土；
步骤七：将抗冲磨粉煤灰混凝土浇筑到试模中振捣密实，放置试模在室温中养护24小时，然后将混凝土样品从试模中移除，在标准养护室中养护到规定龄期，在规定养护龄期里，对混凝土样品的抗压强度、抗折强度、抗冲磨性能、碳化深度进行测定。
2.根据权利要求1所述的一种使用农业固体废弃物制备高性能抗冲磨粉煤灰混凝土材料的方法，其特征在于：步骤一中，所述稻壳灰颗粒的平均粒径在4～8μm；所述废弃牡蛎壳细颗粒的平均粒径在8～11μm。
3.根据权利要求1所述的一种使用农业固体废弃物制备高性能抗冲磨粉煤灰混凝土材料的方法，其特征在于：步骤二中，所述稻壳灰颗粒与废弃牡蛎壳细颗粒的质量比为(309～395):(605～610)。
4.根据权利要求1所述的一种使用农业固体废弃物制备高性能抗冲磨粉煤灰混凝土材料的方法，其特征在于：步骤二中，混合物在马弗炉中煅烧的具体工艺参数为：以20～25℃/分钟的升温速度在60分钟时间内将马弗炉内的温度提高到1200～1300℃，然后在此温度下煅烧混合物40～70分钟，每20分种对混合物进行搅拌一次，排出煅烧中产生的二氧化碳气体。
5.根据权利要求1所述的一种使用农业固体废弃物制备高性能抗冲磨粉煤灰混凝土材料的方法，其特征在于：步骤三中，所述固体硅酸钙、三乙醇胺以及乙酸溶液的质量比为(995～1000):(250～260):(2780～2790)。
6.根据权利要求1所述的一种使用农业固体废弃物制备高性能抗冲磨粉煤灰混凝土材料的方法，其特征在于：步骤五中，二氧化硅和碳酸钙混和物在马弗炉中煅烧的具体工艺参数为：以20-25℃/分钟的升温速度在50～60分钟里升高温度到950～1250℃，然后在此温度下煅烧混合物40～70分钟。
7.根据权利要求1所述的一种使用农业固体废弃物制备高性能抗冲磨粉煤灰混凝土材料的方法，其特征在于：步骤五中，所述二氧化硅和氧化钙混和物颗粒的尺寸为2.5～3.6μm。
8.根据权利要求1所述的一种使用农业固体废弃物制备高性能抗冲磨粉煤灰混凝土材料的方法，其特征在于：步骤六中，所述的水泥、粉煤灰、二氧化硅和氧化钙混和物颗粒、细骨料、粗骨料、聚羧酸减水剂以及拌合水的质量比为(365～370):(90～95):(27～28):(690～695):(1050～1100):(1.35～1.40):(110～115)。
9.根据权利要求1所述的一种使用农业固体废弃物制备高性能抗冲磨粉煤灰混凝土材料的方法，其特征在于：步骤七中，在标准养护室中养护的具体条件为：温度20～23℃，湿度85～95％。
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