CN112062533A - 一种碱激发再生微粉泡沫混凝土及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种碱激发再生微粉泡沫混凝土及其制备方法，按质量份计，该泡沫混凝土材料含有以下成分：再生微粉50～70份、粒化高炉矿渣粉10～30份、粉煤灰10～20份、石膏1～3份、水50～80份、激发剂4～8份、发泡剂1.0～2.0份、稳泡剂0.1～0.2份。将再分微粉磨细，与粒化高炉矿渣粉、粉煤灰、石膏均匀混合，通过碱性激发剂激发和发泡成型，制得再生微粉为原料的碱激发泡沫混凝土。本发明围绕固体废弃资源化利用需求，大量利用废弃混凝土破碎工艺中风选工序收集的细微粉体，有效提高建筑垃圾的利用率。同时，与普通泡沫混凝土相比，以再生微粉为主要原料的碱激发泡沫混凝土具有成本低（无水泥）、凝结快、早期强度高、保温性能好等特点。

Description

一种碱激发再生微粉泡沫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，具体涉及一种碱激发再生微粉泡沫混凝土及其制备方法。
背景技术
随着我国城镇化建设的不断加快，每年产生建筑垃圾超过15亿吨，但是我国利用量不足1亿吨，建筑垃圾资源化率尚不足10％，而欧美发达国家的建筑垃圾资源化利用率已达到75％，日韩更是达到95％。未处理的建筑垃圾中含有20多种有害物质，堆放或填埋会破坏植被、改变土壤结构和性质、影响土壤中微生物活动、阻断土壤生物链,进而污染水体、土壤和大气，并且很难消解。为了有效的处理这些废弃混凝土，促进经济社会的可持续发展，近年来国家对相关研究、处置和利用予以财政、政策和技术上的支持，相关部门相继启动了《建筑垃圾资源综合利用术语》、《砌块和砖用再生骨料》等标准的编制工作。但是，现有研究大多集中在再生骨料的大宗量资源化利用，而对于建筑垃圾破碎工艺中风选工序收集的细微粉体尚无明确的再生利用方法。这主要是因为，废弃混凝土、砖混建筑破碎分选过程产生的废弃建筑垃圾微粉活性低、吸水率较大，需要物理-化学方法对建筑垃圾微粉进行增溶活化，且替代部分水泥后易对混凝土的强度发展产生不利的影响。因此，建筑垃圾再生微粉除一部分用于路基处理外，未得到有效利用。建筑垃圾再生微粉占用土地资源，产生扬尘，排入水系造成河流淤塞，其中细微颗粒对人体和生物造成严重危害。因此，解决建筑垃圾微粉活性低、利用率低的技术瓶颈，实现废弃建筑垃圾再生微粉高附加值、大宗量资源化利用具有重大的社会意义和经济效益。
同时，泡沫混凝土填充废旧管道作为城市基础设施改造回填废弃管道的新型技术，快速有效的填充废弃污水管道，利用其密度小、质量轻、抗震及不可燃性等优点，使其与周围地基具有良好的整体性，防止地下水侵袭，发生不均匀沉降等病害。然而，制备低密度泡沫混凝土时，抗压强度和干密度之间的矛盾尤为突出，已成为限制泡沫混凝土在填充废旧管道进一步应用的主要障碍之一。
发明内容
本发明的目的是提出一种碱激发再生微粉泡沫混凝土及其制备方法，该泡沫混凝土具有成本低、无水泥、凝结时间短、保温性能好等特点，有效解决了泡沫混凝土在抗压强度和干密度之间的矛盾。
实现本发明目的的技术解决方案是：一种碱激发再生微粉泡沫混凝土，按质量份计，该泡沫混凝土原料含有以下成分：再生微粉50～70份、粒化高炉矿渣粉10～30份、粉煤灰10～20份、石膏1～3份、水玻璃4～8份、水50～80份、发泡剂1.0～2.0份、稳泡剂0.05～0.2份。
作为优选，所述再生微粉是将废弃混凝土破碎工艺中风选工序收集的细微粉体粉磨至80μm方孔筛筛余1.8％后得到。
作为优选，所述水玻璃为模数为1.2～1.6的钠水玻璃(Na2O·mSiO2，m＝1.2～1.6)，水玻璃在泡沫混凝土中的掺量以氧化钠计。
作为优选，所述发泡剂为双氧水、铝粉、植物型蛋白发泡剂、动物型蛋白发泡剂中的至少一种。
作为优选，所述稳泡剂是羟丙基甲基纤维素醚、硬脂酸钙、磷酸三钠、可再分散乳胶粉中的至少一种。
作为优选，粉煤灰满足GB/T 1596-2017《用于水泥和混凝土的粉煤灰》Ⅲ级灰以上的活性指数要求。作为优选，粒化高炉矿渣粉满足GB/T 18046-2017《用于水泥、砂浆和混凝土的粒化高炉矿渣粉》中规定的S95级的活性指数和流动度比要求。
作为优选，石膏满足GB/T 21371-2008《用于水泥中的工业副产石膏》要求。
作为优选，水包括发泡水和成型水，其质量比为3:1～2。
上述碱激发再生微粉泡沫混凝土的制备方法，将再生微粉作为主原料制备碱激发泡沫混凝土，包括以下步骤：
第一步：将废弃混凝土破碎工艺中风选工序收集的细微粉体粉磨至80μm方孔筛筛余≤1.8％，获得具有活性的再生微粉；
第二步：将上述再生微粉、粒化高炉矿渣粉、粉煤灰、石膏、水玻璃按比例均匀混合，制备成预拌料；第三步：将发泡剂和发泡水以1:30的比例混合，加入稳泡剂获得泡沫；
第四步：将第三步所得泡沫加入第二步所得预拌料，加入成型水，慢搅至泡沫均匀分散于料浆中，获得发泡浆体；
第五步：将第四步所得新拌发泡浆体搅拌、注模成型，放入标准养护箱养护至规定龄期，获得碱激发再生微粉泡沫混凝土成品。
制得的碱激发泡沫混凝土的各项性能满足国家规范《JGT 266-2011泡沫混凝土》相应要求。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)本发明基于再生微粉的机械活化、化学强化、发泡成型等工艺的新型碱激发泡沫混凝土，可以实现再生微粉的大宗量资源化利用，减少土地的占用，节约自然资源，改善环境。
(2)本发明以废弃混凝土破碎工艺中风选工序收集的细微粉体为原料制得的胶凝材料凝结快、强度高，再生微粉的利用率高；制备的碱激发泡沫混凝土各项性能满足国家规范《JGT266-2011泡沫混凝土》相应要求，且相比传统的水泥泡沫混凝土，其隔音、保温、强度、抗渗等性能更为优异。
(3)本发明制备方法简单，不需要大型的设备和复杂的工艺，其组成和性能灵活可调，易于控制，适用性好，具有不需高温煅烧、成本低、无水泥熟料、凝结时间短、保温性能好等特点。
附图说明
附图1为本发明所述工艺流程示意图。
具体实施方式
现有泡沫混凝土基本都是水泥泡沫混凝土，而碱激发再生微粉泡沫混凝土是在泡沫混凝土的研究中进一步应用了再生微粉这一固体废弃物，用钠水玻璃激发了再生微粉的活性，引入矿粉、粉煤灰和石膏提高胶凝材料的强度和工作性，加入发泡剂和稳泡剂形成泡沫混凝土浆体，加入部分水方便成型，最终形成具有较好性能的碱激发再生微粉泡沫混凝土。
碱激发再生微粉泡沫混凝土可以有效解决水泥泡沫混凝土早期强度低、水泥用量大、成本高、易塌模、开裂等问题，具有成本低、凝结时间短、无水泥熟料、强度高、保温性能好等特点，在填充废旧管道的场景中具有广阔的应用前景。
本发明所述的一种碱激发再生微粉泡沫混凝土，按质量份计，该泡沫混凝土原料含有以下成分：再生微粉50～70份、粒化高炉矿渣粉10～30份、粉煤灰10～20份、石膏1～3份、水玻璃4～8份、水50～80份、发泡剂1.0～2.0份、稳泡剂0.1～0.2份。
其中，再生微粉是建筑垃圾破碎工艺中风选工序收集的细微粉体，组分通常是SiO2、CaCO3、Ca(OH)2、水化硅酸钙和铝酸钙等。再生微粉颗粒表面孔隙较多，吸水率较高，自身无胶结水化能力，本发明所述的再生微粉是将废弃混凝土破碎工艺中风选工序收集的细微粉体粉磨至80μm方孔筛筛余1.8％，因此，再生微粉经过机械活化(即粉磨)处理。
粉煤灰是一种较为典型的硅铝质火山灰材料，其中的玻璃体含有可溶性SiO2和Al2O3，可被碱组分激发产生胶凝性物质，但是粉煤灰玻璃体结构较为致密，潜在火山灰活性较弱。
粒化高炉矿渣粉是水淬粒化高炉矿渣经过粉磨达到一定细度的一种粉体材料，颗粒表面较为粗糙，活性SiO2含量较高，具有水硬性。
发泡剂分为化学发泡剂和物理发泡剂，双氧水和铝粉均为化学发泡剂，是在分解后能够释放出氧气、氢气等气体，并在发泡浆体形成过程中形成细孔。植物蛋白发泡剂和动物蛋白发泡剂均为物理发泡剂，通过物理发泡机调整压力，压缩液体的挥发而形成均匀的泡沫，并在发泡浆体形成过程中形成细孔。
稳泡剂是在泡沫混凝土形成过程中使料浆中的固体微粒均匀分散、悬浮，减少泡沫混凝土的内部结构密度差，使气孔分布均匀，显著改善气孔结构，提高制品的物理性能(强度)。稳泡剂羟丙基甲基纤维素醚为粉末状，易溶于水，且溶于水中能够增加溶液的粘度，改变其流动性，它与发泡剂配合使用就直接增大了泡沫的液膜粘度，增大了气泡的弹性及液膜的表面强度，能稳定泡沫，减少塌模的概率。硬脂酸钙、磷酸三钠、可再分散乳胶粉等均有相似作用。
本发明制备碱激发再生微粉泡沫混凝土时，由于机械力活化作用破坏了再生微粉中原有C-S-H凝胶结构表层，改变了再生微粉粒度分布以及其中的Si-O键和Al-O键的聚合程度和方式，同时进一步增加了再生微粉的比表面积，提高了再生微粉的活性。机械活化的再生微粉与粉煤灰、粒化高炉矿渣粉、石膏颗粒在水玻璃的作用下，原始的水泥水化产物C-S-H凝胶、水化铝酸钙的Si-O键和Al-O键也将发生结构断裂与重组，生成新的胶结产物。且随着龄期的延长，固化体结构越来越密实，强度逐步提高。碱激发再生微粉泡沫混凝土在形成过程中在再生微粉原有的水化产物连续三维网状结构进行了断裂与重组。碱激发作用下，新旧网状结构相互缠绕形成特殊结构，同时碱激发再生微粉、粉煤灰与粒化高炉矿渣粉界面形成优化颗粒级配，优化泡沫混凝土的骨架，降低干密度，增加强度、耐水性等。
碱激发再生微粉泡沫混凝土时，浆体中的组成以再生微粉、粒化高炉矿渣粉和粉煤灰等绿色固废为主，碱激发再生泡沫混凝土可以在短时间内凝结硬化，碱激发胶凝材料的高早期强度可以提高泡沫混凝土的支撑力，避免发生塌模现象，有效解决了泡沫混凝土施工工程中的早期强度低、易塌模、开裂等常见问题。
本发明所述的碱激发再生微粉泡沫混凝土的制备过程通过图1所示的流程过程给出。【实施例1】
一种碱激发再生微粉泡沫混凝土(按质量份计)含有以下成分：
Figure BDA0002622797680000041
Figure BDA0002622797680000051
将50份再生微粉(废弃混凝土破碎工艺中风选工序收集的细微粉体磨细80μm方孔筛筛余1.8％后得到)、30份粒化高炉矿渣粉、20份粉煤灰、3份二水石膏、6份钠水玻璃(其重量份数以氧化钠计)进行均匀混合，制备成预拌料。然后将1份浓度为30wt％的双氧水(发泡剂)加入30份发泡水进行稀释混合，加入0.05份的硬脂酸钙(稳泡剂)获得泡沫，将泡沫加入预拌料后，加入20份成型水，慢搅2min～5min，至泡沫均匀分散于料浆中，获得发泡浆体，注模成型，放入标准养护箱养护至规定龄期，得到碱激发再生微粉泡沫混凝土成品。
【实施例2】
一种碱激发再生微粉泡沫混凝土(按质量份计)含有以下成分：
Figure BDA0002622797680000052
将70份再生微粉(废弃混凝土破碎工艺中风选工序收集的细微粉体磨细80μm方孔筛筛余1.8％后得到)、10份粒化高炉矿渣粉、20份粉煤灰、2份二水石膏、6份钠水玻璃(其重量份数以氧化钠计)进行均匀混合，制备成预拌料。然后将2份浓度为30wt％的双氧水(发泡剂)加入60份发泡水进行稀释混合，加入0.1份的羟丙基甲基纤维素醚(稳泡剂)获得泡沫，将泡沫加入预拌料后，加入20份成型水，慢搅2min～5min，至泡沫均匀分散于料浆中，获得发泡浆体，注模成型，放入标准养护箱养护至规定龄期，得到碱激发再生微粉泡沫混凝土成品。
【实施例3】
一种碱激发再生微粉泡沫混凝土(按质量份计)含有以下成分：
Figure BDA0002622797680000061
将50份再生微粉(废弃混凝土破碎工艺中风选工序收集的细微粉体磨细80μm方孔筛筛余1.8％后得到)、30份粒化高炉矿渣粉、10份粉煤灰、1份二水石膏、5份钠水玻璃(其重量份数以氧化钠计)进行均匀混合，制备成预拌料。然后将1.5份植物蛋白发泡剂(发泡剂)加入45份发泡水进行稀释混合，通过物理发泡机发泡后，加入0.1份的羟丙基甲基纤维素醚(稳泡剂)获得泡沫，将泡沫加入预拌料后，加入20份成型水，慢搅2min～5min，至泡沫均匀分散于料浆中，获得发泡浆体，注模成型，放入标准养护箱养护至规定龄期，得到碱激发再生微粉泡沫混凝土成品。
【实施例4】
一种碱激发再生微粉泡沫混凝土(按质量份计)含有以下成分：
Figure BDA0002622797680000062
将65份再生微粉(废弃混凝土破碎工艺中风选工序收集的细微粉体磨细80μm方孔筛筛余1.8％后得到)、20份粒化高炉矿渣粉、15份粉煤灰、3份二水石膏、8份钠水玻璃(其重量份数以氧化钠计)进行均匀混合，制备成预拌料。然后将2.0份动物蛋白发泡剂(发泡剂)加入60份发泡水进行稀释混合，通过物理发泡机发泡后，加入0.2份的磷酸三钠(稳泡剂)获得泡沫，将泡沫加入预拌料后，加入20份成型水，慢搅2min～5min，至泡沫均匀分散于料浆中，获得发泡浆体，注模成型，放入标准养护箱养护至规定龄期，得到碱激发再生微粉泡沫混凝土成品。
【对比例1】
一种碱激发再生微粉泡沫混凝土(按质量份计)含有以下成分：
Figure BDA0002622797680000071
将50份再生微粉(废弃混凝土破碎工艺中风选工序收集的细微粉体磨细80μm方孔筛筛余1.8％后得到)、30份粒化高炉矿渣粉、20份粉煤灰、3份二水石膏、10份钠水玻璃(其重量份数以氧化钠计)进行均匀混合，制备成预拌料。然后将1份浓度为30wt％的双氧水(发泡剂)加入30份发泡水进行稀释混合，加入0.05份的硬脂酸钙(稳泡剂)获得泡沫，将泡沫加入预拌料后，加入20份成型水，慢搅2min～5min，至泡沫均匀分散于料浆中，获得发泡浆体，注模成型，放入标准养护箱养护至规定龄期，得到碱激发再生微粉泡沫混凝土成品。
【对比例2】
一种碱激发再生微粉泡沫混凝土(按质量份计)含有以下成分：
Figure BDA0002622797680000072
Figure BDA0002622797680000081
将60份再生微粉(废弃混凝土破碎工艺中风选工序收集的细微粉体磨细80μm方孔筛筛余1.8％后得到)、20份粒化高炉矿渣粉、20份粉煤灰、3份二水石膏、6份钠水玻璃(其重量份数以氧化钠计)进行均匀混合，制备成预拌料。然后将0.5份浓度为30wt％的双氧水(发泡剂)加入15份发泡水进行稀释混合，加入0.05份的硬脂酸钙(稳泡剂)获得泡沫，将泡沫加入预拌料后，加入20份成型水，慢搅2min～5min，至泡沫均匀分散于料浆中，获得发泡浆体，注模成型，放入标准养护箱养护至规定龄期，得到碱激发再生微粉泡沫混凝土成品。
【对比例3】
一种碱激发再生微粉泡沫混凝土(按质量份计)含有以下成分：
Figure BDA0002622797680000082
将60份再生微粉(废弃混凝土破碎工艺中风选工序收集的细微粉体磨细80μm方孔筛筛余4.5％后得到)、20份粒化高炉矿渣粉、20份粉煤灰、3份二水石膏、6份钠水玻璃(其重量份数以氧化钠计)进行均匀混合，制备成预拌料。然后将1.5份浓度为30wt％的双氧水(发泡剂)加入45份发泡水进行稀释混合，加入0.05份的硬脂酸钙(稳泡剂)获得泡沫，将泡沫加入预拌料后，加入25份成型水，慢搅2min～5min，至泡沫均匀分散于料浆中，获得发泡浆体，注模成型，放入标准养护箱养护至规定龄期，得到碱激发再生微粉泡沫混凝土成品。
按国家规范《JGT 266-2011泡沫混凝土》测得实施例1～4和对比例1～3的干密度、导热系数、强度等级和吸水率，结果见下表1。
表1 碱激发再生微粉泡沫混凝土性能测定结果
Figure BDA0002622797680000091
从对比例1和实施例1可以看出，其它组分不变的情况下，对比例1的钠水玻璃掺量达到10份，实施例1的钠水玻璃掺量为6份，对比例1的碱激发再生微粉泡沫混凝土的强度较高，28d抗压强度达到了7.0MPa，但是密度等级达到了1200kg/m3，可以看出化学激发剂对碱激发泡沫混凝土的物理力学性能影响较大，激发剂掺量较大，胶凝材料的活性增加，强度增强，但是密度等级明显下降，有悖于泡沫混凝土轻质的要求。从对比例2可以看出，对比例2的发泡剂掺量为0.5份，低于实施例中的掺量范围，尽管可以获得碱激发再生微粉泡沫混凝土，但是强度较低，孔结构不均匀，不利于发挥泡沫混凝土的轻质、早强、保温的优势。从对比例3可以看出，对比例3的再生微粉80μm方孔筛筛余4.5％，远远大于实施例1-4中再生微粉80μm方孔筛筛余1.8％，尽管可以获得碱激发再生微粉泡沫混凝土，但是各项性能与实施例差距较大。综上，经过粉磨磨细和钠水玻璃激发(机械-化学复合强化)作用效果明显，新型碱激发再生微粉泡沫混凝土的再生微粉综合利用率达到50％以上，各项性能满足国家规范《JGT 266-2011泡沫混凝土》相应要求。

Claims (10)

1.一种碱激发再生微粉泡沫混凝土，其特征在于，按质量份计，该泡沫混凝土原料含有以下成分：再生微粉50～70份、粒化高炉矿渣粉10～30份、粉煤灰10～20份、石膏1～3份、水玻璃4～8份、水50～80份、发泡剂1.0～2.0份、稳泡剂0.05～0.2份。
2.如权利要求1所述的泡沫混凝土，其特征在于，所述再生微粉是将废弃混凝土破碎工艺中风选工序收集的细微粉体粉磨至80μm方孔筛筛余1.8%后得到。
3.如权利要求1所述的泡沫混凝土，其特征在于，所述水玻璃为模数为1.2~1.6的钠水玻璃。
4.如权利要求1所述的泡沫混凝土，其特征在于，所述发泡剂为双氧水、铝粉、植物型蛋白发泡剂、动物型蛋白发泡剂中的至少一种。
5.如权利要求1所述的泡沫混凝土，其特征在于，所述稳泡剂是羟丙基甲基纤维素醚、硬脂酸钙、磷酸三钠、可再分散乳胶粉中的至少一种。
6.如权利要求1所述的泡沫混凝土，其特征在于，粉煤灰满足GB/T 1596-2017《用于水泥和混凝土的粉煤灰》Ⅲ级灰以上的活性指数要求。
7.如权利要求1所述的泡沫混凝土，其特征在于，粒化高炉矿渣粉满足GB/T 18046-2017《用于水泥、砂浆和混凝土的粒化高炉矿渣粉》中规定的S95级的活性指数和流动度比要求。
8.如权利要求1所述的泡沫混凝土，其特征在于，石膏满足GB/T 21371-2008《用于水泥中的工业副产石膏》要求。
9.如权利要求1所述的泡沫混凝土，其特征在于，水包括发泡水和成型水，其质量比为3:1~2。
10.如权利要求1-9任一所述的泡沫混凝土的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
第一步：将废弃混凝土破碎工艺中风选工序收集的细微粉体粉磨至80μm方孔筛筛余≤1.8%，获得具有活性的再生微粉；
第二步：将上述再生微粉、粒化高炉矿渣粉、粉煤灰、石膏、水玻璃按比例均匀混合，制备成预拌料；
第三步：将发泡剂和发泡水按比例混合，加入稳泡剂获得泡沫；
第四步：将第三步所得泡沫加入第二步所得预拌料，加入成型水，慢搅至泡沫均匀分散于料浆中，获得发泡浆体；
第五步：将第四步所得新拌发泡浆体搅拌、注模成型，放入标准养护箱养护至规定龄期，获得碱激发再生微粉泡沫混凝土。
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