CN112159178B - 包含废砖粉和粉煤灰的混凝土 - Google Patents

包含废砖粉和粉煤灰的混凝土 Download PDF

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CN112159178B CN202011084102.8A CN202011084102A CN112159178B CN 112159178 B CN112159178 B CN 112159178B CN 202011084102 A CN202011084102 A CN 202011084102A CN 112159178 B CN112159178 B CN 112159178B
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Abstract

本发明提供了一种包含废砖粉和粉煤灰的混凝土，其由水泥、天然粗骨料、废砖骨料、粉煤灰、激发剂和水按重量比1:(1.20～1.50):(0.80～1.20):(0.10～0.80):(0.20～0.8):(0.40～1.50)制备而成，所述激发剂来自废砖粉。该混凝土具有高强度并成本不明显提高。利用废砖粉和粉煤灰组合取代部分水泥,混凝土的力学性能和表面密度能得到显著改善，并且生产成本得到改善。

Description

包含废砖粉和粉煤灰的混凝土
技术领域
本发明属于建筑材料技术领域，具体涉及一种包含废砖粉和粉煤灰的混凝土及其制备方法。
背景技术
随着我国国民经济的稳步发展和城镇化进程的加快，大量老旧建筑物的拆除，产生的建筑垃圾也日益增多，大量的建筑垃圾被运往郊外或城市周边进行填埋或露天堆存，既浪费了土地和资源，又污染了环境。据估计我国城市每年产生的垃圾约为70亿吨，并且还在持续增长，其中建筑垃圾为33亿吨左右，已占到城市垃圾总量的约50％。现在拆除的建筑物多为砖混结构建筑，在拆除这些建筑物所产生的建筑垃圾中，建筑废砖占相当比例。如何实现这些建筑废砖的回收利用受到广泛研究。
CN107907389A公开了一种多孔隙水泥混凝土浸出液及其制备方法和该浸出液的生物毒性的检测方法，该浸出液的制备方法为：将多孔隙水泥混凝土样块经养护后浸没在pH值为中性的纯水内；每间隔一段时间，检测该反应体系的pH值；待pH值稳定后，将多孔隙水泥混凝土样块取出，得到该浸出液。
CN103304175A公开了一种阳离子表面活性剂改性粉煤灰的制备方法，首先对粉煤灰的表面进行预处理以及羟基化处理，得到羟基化粉煤灰以得到接枝点，再用偶联剂改性粉煤灰，最后与阳离子表面活性剂聚丙烯酰胺发生接枝反应得到阳离子表面活性剂改性粉煤灰。
CN101695649A公开了公开了一种改性粉煤灰，该改性粉煤灰是由改性剂硫酸溶液与粉煤灰混合、反应、过滤、干燥后得到，所述改性粉煤灰可以有效应用于城市污水污泥的调理，具有调理效果好、成本低、有效利用废弃资源等优点。
CN102631890A公开了一种改性粉煤灰吸附剂的制备方法，该方法包括如下步骤：1)原料粉煤灰的预处理；2)粉煤灰的热改性处理；3)改性粉煤灰粉体的制备；4)粉煤灰与吸附助剂混合造粒得到改性粉煤灰吸附剂。
CN105622014A公开了多强度再生砖骨料纤维混凝土及其制备方法，所述多强度再生砖骨料纤维混凝土由水泥、细骨料、天然粗骨料、再生砖粗骨料、聚烯烃纤维、钢纤维、水，按其重量比1：0.780～1.309：0～1.830：0.390～1.568：0～0.019：0～0.161：0.33～0.48配制而成。
CN108911620A公开了一种含再生烧结砖骨料C40混凝土及其制备方法。所述的含再生烧结砖骨料C40混凝土，由水泥、再生烧结砖粗骨料、天然粗骨料、细骨料和水按质量比1:0.84～1.04:0.35～0.45:0.65～0.80:030～0.37制备而成，水灰比为0.30～0.37；此制备技术不仅提高了再生混凝土强度，明显改善了其和易性、流动性、粘聚性等工作性能，且制备方法简单，高效环保，节约能源。
CN108911623A公开了一种聚丙烯纤维再生砖砼粗骨料混凝土及其制备方法，它主要由如下原料制成：水、水泥、细骨料、再生砖粗骨料、再生砼粗骨料和聚丙烯纤维制成，其中水、水泥、细骨料、再生砖粗骨料、再生砼粗骨料和聚丙烯纤维的质量比为1：2.54：4.49：3.07：3.40：0～1.8：0.01；具体制备方法是将各个原料混合后加入减水剂即可。
CN102815964A公开了一种建筑垃圾回收再利用工艺，包括以下步骤：废混凝土、废砂浆与废砖渣收集；破碎与筛分：对所收集废混凝土、废砂浆与废砖渣进行破碎与筛分，获得再生粗骨料和再生细骨料；泡沫混凝土制备：水泥浆料制备：对水泥、水以及再生粗骨料和再生细骨料进行均匀搅拌后获得水泥浆料；泡沫稀释液添加：将由发泡剂和水均匀混合形成的泡沫稀释液，添加至水泥浆料中并搅拌均匀制得泡沫混凝土。
“建筑垃圾再生泡沫混凝土研究”，王选富等，《施工技术》，2018，以建筑垃圾再生泡沫混凝土是用水泥作为主要胶凝材料，建筑废弃物再生骨料微粉，白色废弃物泡沫塑料为原料。试验研究泡沫塑料掺量、漂珠掺量、粉煤灰掺量和微粉掺量4个因素分别对泡沫混凝土物理力学性能的影响。研究结果表明：各掺量的变化将引起泡沫混凝土强度的显著变化，以抗压强度为基准，提出了建筑垃圾再生泡沫混凝土的适合配合比。
然而，在现有技术中，当利用建筑废砖制造骨料时，对于高强度要求的应用，往往需要加入外加剂来提高强度，从而导致混凝土成本增加。因此，需要一种具有高抗压强度且低成本的利用建筑废砖制造的骨料的混凝土及其制备方法。经过核算，由于使废砖得到几乎完全利用，因此在使得到的混凝土的强度提高5-10％的情况下，成本增加小于5％。这在混凝土的生产和应用中具有很大价值。另外，改性粉煤灰的使用，可以大幅度降低有害重金属的浸出，提高能够满足高的环保要求。
发明内容
为了同时解决上述问题，本发明人经过系统研究和大量试验，提供了一种废砖骨料的制备方法。该方法制得的混凝土相比于一般使用废砖骨料的混凝土具有更高的抗压强度，并且制得的混凝土更环保。
在本发明的一方面，提供了一种包含废砖粉的混凝土，其由水泥、天然粗骨料、废砖骨料、粉煤灰、激发剂和水按重量比1:(1.20～1.50):(0.80～1.20):(0.10～0.80):(0.20～0.8):(0.40～1.50)制备而成，废砖骨料与天然粗骨料重量之比优选为0.67-0.75，所述激发剂来自废砖粉。
优选地，所述粉煤灰为改性粉煤灰。
更优选地，所述改性是指将粉煤灰中的有害金属进行固定以防止有害金属浸出。
进一步优选地，所述有害金属是指重金属。
在本发明的一个特别优选的实施方式中，所述改性粉煤灰为通过包括以下步骤的方法制得的粉煤灰：(1)将络合剂配制成20-50wt％的水溶液；(2)将粉煤灰与所述溶液混合，使得络合剂的量占粉煤灰的0.05-3wt％，搅拌2-6h；(3)将粉煤灰中的水分含量调整为20-30wt％，然后将在室温下老化1-2周，然后风干1-3周，其中所述络合剂为下式(1)所示：
Figure BDA0002719745130000041
所述，所述步骤(3)可以使络合剂与重金属反应，从而将重金属离子固定下来。
优选地，所述重金属离子为Ni、Pd、Cu、Cr等重金属离子中的一种或多种。
当使用所述式(1)络合剂时，能够与金属离子形成如下络合物，以Ni2+为例：
Figure BDA0002719745130000042
与聚丙烯纤维相比，接枝-CON(CH3)2基团后的聚丙烯纤维能够有效络合重金属离子。另外，聚丙烯纤维还能够起阻止或延缓混凝土裂缝扩展的作用，可适度提高其抗拉、抗弯强度并显著提高其韧性。此外，与一般的分子型络合剂相比，本发明的聚合物络合剂不存在重金属络合物浸出的风险，从而极大提高了使用安全性。
在本发明的一个优选实施方案中，所述式(1)络合剂可通过包括以下步骤的方法制得：(1)将聚丙烯纤维在锥形烧瓶中分散在蒸馏水中，然后加入引发剂(优选氧化还原引发剂)，并将混合物剧烈振摇，之后加入丙烯酸单体，在70-90℃搅拌反应2-6小时，将产物过滤并用蒸馏水洗涤，在30-50℃干燥至恒重；(2)将步骤(1)制得的聚丙烯-聚丙烯酸接枝纤维与二甲胺反应制备最终改性的络合剂，即式(1)所示络合剂。
更具体地，所述式(1)络合剂可通过包括以下步骤的方法制得：(1)将2-4g聚丙烯纤维在锥形烧瓶中分散在150-300mL蒸馏水中，然后加入氧化还原引发剂体系(过氧化苯甲酰、吐温80和吡啶的混合物)，并将混合物剧烈振摇5-15分钟，之后加入丙烯酸单体，并在75-85℃下搅拌反应进行3-5小时，之后将产物过滤并用蒸馏水洗涤，并在30-50℃干燥至恒重；(2)将步骤(1)制得的聚丙烯-聚丙烯酸接枝纤维与二甲胺反应制备最终改性的络合剂，其中具体将聚丙烯-聚丙烯酸接枝纤维与二甲胺的甲苯溶液(优选100mL 5％(v/v))在50-60℃下缓慢搅拌2-4小时，然后将改性的络合剂过滤并用无水乙醇洗涤，之后在40-50℃下干燥，即得式(1)所示络合剂。聚丙烯-聚丙烯酸接枝纤维与二甲胺的用量比可以按照摩尔当量进行，例如1:1摩尔比。
通过对该络合剂进行FT-IR光谱分析，δ3150-3500cm-1范围内的峰归属于–COOH键，δ1552.2cm-1的峰处属于–CON(CH3)2键。
通过吸附动力学曲线研究，发现当使用式(1)所示络合剂时，在最初的6分钟内，Pd2+和Ni2+的平衡吸附量超过85％。
优选地，所述激发剂为FJ型激发剂、矿粉激发剂、废砖粉激发剂、石膏粉、NaOH等中的一种或多种的组合。
在本发明的一个特别优选实施方式中，所述激发剂可以通过如下方法制得：(1)取所述废砖骨料中粒径小于5mm的颗粒，向其中加入为该废砖骨料重量的20-25％的石灰，混合均匀，然后粉碎并研磨，研磨至表面积为400-800m2/kg；(2)向步骤(1)得到粉末中加入Na2S2O3和水玻璃，其中Na2S2O3和水玻璃的加入量为步骤(1)得到粉末的0.5-2.0wt％和5-10wt％，继续研磨1-3h，即得激发剂。
研究发现，在步骤(1)中，通过研磨，废砖的细度逐渐提高，废砖激发活性发挥的越来越好，制得的混凝土强度也逐渐提高。所述研磨可以达到机械力活化的目的。CaO在部分废砖颗粒表面发生水解反应，形成水化硅酸钙、水化铝酸钙、水化铁铝酸钙和氢氧化钙。这些产物在水泥水化时具有水化诱导作用，起到类似“晶种”作用，使钢渣中晶体矿物水化。以上述水化产物为依托，不断溶蚀，不断水解。
另外，在本发明的激发剂制备中，所述原料经研磨后，使晶体矿物露出新的表面，从而将矿物的钝化层除去，进一步提高废砖粉的激发活性。
因此选择废砖骨料与CaO组合并进行研磨，对激发剂作用的发挥能够起到特别好的作用。
单一的激发剂不能够全面激发其胶凝活性，充分发挥废砖粉末的水化活性在后续中，进一步加入Na2S2O3和水玻璃进行复配，以进一步提高激发剂效果。
研究发现，根据GB/T50081-2002规定的方法进行测试，加入所述激发剂与不加入所述激发剂相比，制得的混凝土试件的抗压强度可以提高5-10％。
优选地，所述天然粗骨料包括砂石。
优选地，所述砂石包括河砂。
特别优选地，所述天然粗骨料的粒径质量分布为：粒径为5mm-10mm所占比例为10wt％-20wt％，粒径为10mm-15mm所占比例为30wt％-60wt％，粒径为15mm-20mm所占比例为20wt％-30wt％。
本发明人经研究发现，通过采取所述特定选择的连续级配粗骨料，使拌和物具有良好的工作性，不易产生离析，并且可节约水泥，使混凝土具有良好的和易性。与使用单一级别的天然粗骨料相比，可节约水泥5-20％。离析、特别是动态离析情形明显得到改善。
优选地，所述水泥为硅酸盐水泥。
优选地，所述水泥为P.O 42.5R水泥。
在本发明的一个优选实施方式中，所述废砖骨料来自建筑垃圾中的废砖。
优选地，所述所述废砖骨料的粒径为5-10mm。
在本发明的另一方面，还提供了一种制备上述建筑垃圾再生混凝土的方法，该方法包括以下步骤：(1)按照重量比将水泥、天然粗骨料、废砖骨料加入搅拌装置中拌合均匀；和(2)按照重量比将水加入到搅拌装置中，混合均匀。
优选地，所述搅拌装置为混凝土振动搅拌机。
就本发明而言，特别优选地，所述废砖骨料通过以下方法制得，该方法包括将废砖进行破碎，筛分出粒径为5-10mm的废砖颗粒。
优选地，将筛分后的废砖颗粒进行干燥。
优选地，所述干燥温度为105-120℃。
优选地，其中干燥时间为1.0-3.0小时。
优选地，再将干燥后的废砖颗粒浸入到聚乙烯吡咯烷酮的乙醇溶液中。
在本发明的一个优选实施方式中，在浸渍过程中任选进行搅拌，浸渍时间为30min至2小时。
更优选地，所述搅拌的转速不超过60rpm。
优选地，将浸渍后的废砖颗粒取出，晾干。
优选地，在浸渍后的骨料表面施加浆体。
优选地，所述浆体为水泥净浆。更优选地，所述浆体还包含粉煤灰。
在本发明的另一方面，提供了根据上述方法制得的废砖骨料。
研究发现，废砖细骨料的结晶体呈不定形状态，具备活性基础，用作混凝土骨料时，可减少毛细孔，减少孔隙水，降低毛细作用力，能够有效减少混凝土的微裂纹并且能够减缓试块早期干缩。废砖细骨料中的Al2O3和SiO2含量较高，具有很高的活性，能有效参与胶凝材料的水化，该成分与石灰或水泥混合，拌和水后，就能与氢氧化钙等发生化学反应，生成水化硅酸钙、水化铝酸钙等一系列水化产物，这些产物能在空气或水中硬化并产生强度，因而减少了水化体系中Ca(OH)2含量，加快了水化进程。
然而，废砖再生骨料强度低、吸水性强，这些都限制了废砖骨料的适用范围。如果通过直接在废砖骨料表面包裹增强材料，例如在其表面包裹水泥浆，虽然在一定程度上可以增强废砖骨料的强度，但是在使用中，特别是在固结后，水泥砂浆层会与废砖骨料发生离析和剥落，从而导致其强度明显降低。通过研究进一步发现，导致水泥砂浆层与废砖骨料剥离的一个主要原因是废砖骨料具有较强的吸水性，在水泥砂浆包裹废砖骨料时，废砖骨料过快地将水泥砂浆中的水分吸走，导致水泥砂浆固结过程不充分，从而发生离析。因此，在本发明中先使用聚乙烯吡咯烷酮对废砖中的毛细孔进行堵塞，以防止该现象的发生。此外，由于聚乙烯吡咯烷酮对废砖骨料表面进行改性，有助于与砂浆的结合，并且可在废砖骨料颗粒的表面形成吸附性保护膜，阻挡Cl-等介质对混凝土中金属件的腐蚀。
优选地，聚乙烯吡咯烷酮在乙醇溶液中的浓度为0.5-5.0wt％。
优选地，可以将所述乙醇回收重复利用。所述回收可以通过本领域常规方式进行，例如加热并冷凝或者挥发并冷凝。
优选地，当使用水泥净浆时，水泥净浆的水胶比为1.0-1.5。
由于聚乙烯吡咯烷酮的使用，可以使用高水含量的水泥净浆。水泥浆的流动性对废砖骨料的表面裹浆效果有明显影响。当采用所述水胶比时，比较低水胶比能够获得明显改善的裹浆效果。
本发明人还发现，由于聚乙烯吡咯烷酮的使用，还可以非常好地控制浆体的润湿程度。
粉煤灰颗粒绝大多数为玻璃微珠，在混凝土拌合物中起润滑的作用，能减小内摩阻力，使掺有粉煤灰的混凝土拌合物比基准混凝土流动性好，便于施工，具有减水作用，并且粉煤灰中的微细颗粒可以均匀分布在水泥浆内，填充孔隙和毛细孔，改善了混凝土的孔结构和增大了混凝土的密实度。
因此，本发明人将含废砖骨料的混凝土骨料与粉煤灰有效结合起来，来发挥二者的协同促进作用，实现优势互补。
优选地，当所述浆体中还包含粉煤灰时，水泥和粉煤灰的重量比为10:1-5:1。
优选地，将浸渍后的废砖骨料置于丝网吊篮里，置于配好的水泥净浆中，经抖动震荡3-10min取出。
优选地，在取出后于室温条件养护3-7d。压碎强度按照GB/T 14685-2011进行测试。
通过本发明方法改性后的废弃砖再生骨料的抗折强度指标明显优于未强化的骨料，能够满足多种应用场景的要求。并且，通过本发明方法，能够控制粉煤灰中有害重金属的浸出，从而满足环保要求。
具体实施方案
为了使本发明更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1
式(1)络合剂通过包括以下步骤的方法制得：将2g聚丙烯纤维在锥形烧瓶中分散在150mL蒸馏水中，然后加入氧化还原引发剂体系(过氧化苯甲酰、吐温80和吡啶的混合物)，并将混合物剧烈振摇8分钟，之后加入丙烯酸单体，并在85℃下搅拌反应进行3小时，之后将产物过滤并用蒸馏水洗涤，并在50℃干燥至恒重，将制得的聚丙烯-聚丙烯酸接枝纤维与二甲胺反应制备最终改性的络合剂，其中将聚丙烯-聚丙烯酸接枝纤维与二甲胺的甲苯溶液(100mL 5％(v/v))按摩尔当量比在60℃下缓慢搅拌3小时，然后将改性的络合剂过滤并用无水乙醇洗涤，之后在50℃下干燥，即得式(1)所示络合剂。将该络合剂配制成30wt％的水溶液，然后将粉煤灰与该水溶液混合，使得络合剂的量占粉煤灰的2.6wt％，搅拌4h，之后将粉煤灰中的水分含量调整为25wt％，然后将在室下老化2周，然后风干3周，即得改性粉煤灰。
实施例2
取废弃普通房屋建筑砖块，将该建筑废砖用颚式破碎机破碎，然后筛分出粒径为5-10mm的废砖颗粒，将该颗粒在110℃的温度下干燥1.2小时，再将干燥后的废砖颗粒浸入到聚乙烯吡咯烷酮的乙醇溶液中(聚乙烯吡咯烷酮的浓度为1.5wt％)，以20rpm的速度进行搅拌，搅拌时间为1.5h，然后将浸渍后的废砖颗粒取出，晾干，在浸渍后的废砖骨料置于丝网吊篮里，置于配好的水泥净浆中(水泥净浆的水胶比为1.3)，经抖动震荡3min取出，室温条件养护1d，备用。按照水泥、天然粗骨料、废砖骨料、实施例1制得的改性粉煤灰、FJ1激发剂和水按重量比1:1.26:0.82:0.52:0.20:0.90的重量比进行备料，将水泥、天然粗骨料、废砖骨料、、粉煤灰、FJ1激发剂加入混凝土振动搅拌机中干式拌合均匀20s，然后将水加入到混凝土振动搅拌机中，搅拌40s，混合均匀。将所得混凝土制成10个试块，在温度为25℃的环境中静置24h，最后转移至混凝土标准养护室中进行养护，养护28d。参照中国建筑材料科学研究总院于2005年牵头制定“水泥中可浸出重金属的检测方法”国家标准，测得Pb2+的浸出率为1.67％。按照国标“GB/T17671-1999水泥胶砂强度检验方法(ISO法)”测试抗折强度，经检测，抗折强度为9.12MPa。
对比例1
重复实施例1，区别仅在于所述粉煤灰为未改性的普通市售粉煤灰。经测量，Pb2+的浸出率为9.81％。
对比例2
重复实施例1，区别仅在于所述粉煤灰改性中所使用的络合剂不含聚丙烯载体。经检测，抗折强度为7.01MPa。
由上述实施例和对比例可以看出，本申请的方法使得混凝土试件的重金属浸出明显降低。同时，由于聚丙烯纤维的使用，抗折强度提高明显。
本书面描述使用实例来公开本发明，包括最佳模式，且还使本领域技术人员能够制造和使用本发明。本发明的可授予专利的范围由权利要求书限定，且可以包括本领域技术人员想到的其它实例。如果这种其它实例具有不异于权利要求书的字面语言的结构元素，或者如果这种其它实例包括与权利要求书的字面语言无实质性差异的等效结构元素，则这种其它实例意图处于权利要求书的范围之内。在不会造成不一致的程度下，通过参考将本文中参考的所有引用之处并入本文中。

Claims (5)

1.包含废砖粉和粉煤灰的混凝土，其由水泥、天然粗骨料、废砖骨料、粉煤灰、激发剂和水按重量比1:(1.20～1.50):(0.80～1.20):(0.10～0.80):(0.20～0.8):(0.40～1.50)制备而成，所述激发剂来自废砖粉；
所述粉煤灰为改性粉煤灰，该改性粉煤灰为通过包括以下步骤的方法制得的粉煤灰：(1)将络合剂配制成20-50wt％的水溶液；(2)将粉煤灰与所述水溶液混合，使得络合剂的量占粉煤灰的0.05-3wt％，搅拌2-6h；(3)将粉煤灰中的水分含量调整为20-30wt％，然后将在室温下老化1-2周，然后风干1-3周，其中所述络合剂为下式(1)所示：
Figure DEST_PATH_IMAGE002
；
所述式(1)络合剂通过包括以下步骤的方法制得：(1)将2-4g聚丙烯纤维在锥形烧瓶中分散在150-300mL蒸馏水中，然后加入氧化还原引发剂体系，并将混合物剧烈振摇5-15分钟，之后加入丙烯酸单体，并在75-85℃下搅拌反应进行3-5小时，之后将产物过滤并用蒸馏水洗涤，并在30-50℃干燥至恒重，其中所述引发剂体系为过氧化苯甲酰、吐温80和吡啶的混合物；(2)将步骤(1)制得的聚丙烯-聚丙烯酸接枝纤维与二甲胺反应制备最终改性的络合剂，其中将聚丙烯-聚丙烯酸接枝纤维与二甲胺的甲苯溶液在50-60℃下缓慢搅拌2-4小时，然后将改性的络合剂过滤并用无水乙醇洗涤，之后在40-50℃下干燥，即得式(1)所示络合剂，聚丙烯-聚丙烯酸接枝纤维与二甲胺的用量比按照摩尔当量为1:1摩尔比；
所述络合剂Pd2+和Ni2+的平衡吸附量超过85％；
所述激发剂为通过如下方法制得：(1)取所述废砖骨料中粒径小于5mm的颗粒，向其中加入为该废砖骨料重量的20-25％的石灰，混合均匀，然后粉碎并研磨，研磨至表面积为400-800m2/kg；(2)向步骤(1)得到粉末中加入Na2S2O3和水玻璃，其中Na2S2O3 和水玻璃的加入量为步骤(1)得到粉末的0.5-2.0wt％和5-10wt％，继续研磨 1-3h，即得激发剂；
其中所述天然粗骨料包括砂石。
2.根据权利要求1所述的混凝土，其中所述水泥为硅酸盐水泥。
3.根据权利要求2所述的混凝土，其中所述水泥为P.O 42.5R水泥。
4.根据权利要求1所述的混凝土，其中所述废砖骨料来自建筑垃圾中的废砖。
5.根据权利要求1所述的混凝土，其中所述废砖骨料的粒径为5-10mm。
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