CN112942357A - 一种用废旧泡沫颗粒作填充剂的超轻质泡沫混凝土深厚垫层及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用废旧泡沫颗粒作填充剂的超轻质泡沫混凝土深厚垫层及其制备方法。包括若干个层叠于深厚基坑内的支架，且各层支架将深厚基坑对应分隔为若干供泡沫混凝土快速填充的分层浇筑空间，泡沫混凝土与各层支架相结合形成深厚垫层；所述泡沫混凝土垫层包括以下重量份的原料：硅酸盐水泥40～50份、粉煤灰20～30份、废旧泡沫颗粒40～50份、水20～30份，所选取的废旧泡沫为聚苯乙烯废旧泡EPS或者发泡聚丙烯泡沫EPP。本发明通过控制基于泡沫混凝土原料的强度、容重等方面优化泡沫混凝土的配和比，使得泡沫混凝土具有低容重、高强度的特点。

Description

一种用废旧泡沫颗粒作填充剂的超轻质泡沫混凝土深厚垫层 及其制备方法

技术领域

本发明涉及泡沫混凝土技术领域，具体涉及一种用废旧泡沫颗粒作填充剂的超轻质泡沫混凝土深厚垫层及其制备方法。

背景技术

混凝土作为用量最大的建筑工程材料，广泛应用于建土工程、道路交通等行业。传统混凝土强度高、耐久性好，但容重较大，应用在地基换填工程中往往会造成较严重的地基沉降和不均匀沉降。因此，为了解决土木工程中出现的地基不均匀沉降及路基附属建筑物的沉降破坏等问题，减少维修费用，泡沫轻质混凝土应运而生。泡沫混凝土又称发泡混凝土、发泡水泥，是一种在混凝土浆体中引入空气、氮气、二氧化碳或氧气等气体，再经过物理方法或化学方法的发泡，最后经过养护成型并制作成含有较多微小密闭气孔且具有一定强度的混凝土。与传统混凝土相比，泡沫混凝土具有轻质性、耐火性、保温隔热性、吸声隔声性以及良好的环保性，因此得到了许多企业和材料工作者的关注，成为当前研究的热点之一。

每年产生大量的废旧泡沫，这种白色垃圾如果不采取有力措施处理的话会对环境带来很大危害。

目前，利用泡沫混凝土做垫层材料处于起步阶段，且目前仅将其用于厚度较小的基础中。因泡沫混凝土的气泡不均匀、气泡塌陷、原料存在容重差等，在厚度较大的垫层中容易出现分层现象、以及上层泡沫混凝土强度较低的问题。

发明内容

针对现有技术中存在的不足，本发明目的之一在于不借助发泡剂及其它化学助剂的前提下，仅依赖本发明所述选取的废旧泡沫颗粒，可制得一种低容重、高强度、气泡分布均一、不易塌陷且具有隔热保温功能的泡沫混凝土深厚垫层。

本发明另一目的在于提供一种可快速填充、效率高、适用性强的一种泡沫混凝土深厚垫层的浇筑方法。

本发明还一目的在于提供一种可根据垫层厚度和上部荷载设计分层浇筑厚度及泡沫混凝土容重的设计方法。

为解决上述技术问题，本发明通过下述技术方案实现：

一方面，本发明提供一种用废旧泡沫颗粒作填充剂的超轻质泡沫混凝土深厚垫层，包括若干个层叠于深厚基坑内的支架，且各层支架将深厚基坑对应分隔为若干供泡沫混凝土快速填充的分层浇筑空间，泡沫混凝土与各层支架相结合形成深厚垫层；所述泡沫混凝土包括以下重量份的原料：硅酸盐水泥40～50份、粉煤灰20～30份、废旧泡沫颗粒40～50份、水20～30份。

优选的，所述每层支架包括与深厚基坑相适配的泡沫板和固设于泡沫板四角处底部和中心处底部的支撑钢管，且支撑钢管长度与分层浇筑泡沫混凝土的厚度相同。

优选的，所选取的废旧泡沫为聚苯乙烯废旧泡EPS或者发泡聚丙烯泡沫EPP。

优选的，所述硅酸盐水泥选自P.O 32.5普通硅酸盐水泥、P.O 42.5普通硅酸盐水泥或P.O 52.5普通硅酸盐水泥中的一种。

优选的，所述废旧泡沫颗粒的直径为3～6mm。

原理：通过对胶凝材料、集料等的堆积密度、中值粒径测定，控制各种固体原料的粒径分布相似度，减小泡沫混凝土原料的容重差和粒径差异，调控泡沫颗粒在混凝土中的均匀性和稳定性，从而降低泡沫混凝土分层的倾向。

另一方面，本发明还提供一种用废旧泡沫颗粒作填充剂的超轻质泡沫混凝土深厚垫层的浇筑方法，根据垫层厚度和上部荷载设计分层浇筑厚度及泡沫混凝土容重，并预制好支架作为泡沫混凝土分层浇筑的支撑隔板，限定各浇筑泡沫混凝土浇筑层的厚度，防止各泡沫混凝土浇筑层之间上下挤压而产生沉降和坍塌；所述浇筑方法包括如下步骤：

S1、采用破碎机对所选取的废旧泡沫进行破碎预处理，控制废旧泡沫颗粒直径为3～6mm；

S2、称取泡沫混凝土垫层所需各重量份的原料：硅酸盐水泥、粉煤灰、废旧泡沫颗粒、水；

S3、将硅酸盐水泥、粉煤灰和废旧泡沫颗粒加入搅拌机内，开启搅拌机，将其混合均匀，而后分多次注入水，搅拌成混合浆体；

S4、采用泵送管道将步骤S3的混合浆体分层输送至基坑内，在浇筑完毕一层后，将支架铺设在泡沫混凝土上方，继续用泵送管道输送混合浆体进入到上一层基坑，继续铺设泡沫支架，后续重复上述操作，待最顶层浇筑完后，用模板封顶，养护成型。

优选的，所述深厚垫层的分层浇筑厚度及泡沫混凝土容重的设计方法，包括如下步骤：

步骤一、泡沫混凝土的容重设计：

(1)计算混合干料总体积

(2)计算所需水的总体积

(3)计算所需废旧泡沫颗粒总体积V3＝1-V1-V2

(4)计算泡沫混凝土的容重γ＝(m_c+m_w+m_f+m_p)·g

式中，V1为混合干料总体积(m³)；m_c为水泥质量，ρ_c为水泥密度；m_f为粉煤灰质量，ρ_f为粉煤灰密度；V2为水体积(m³)，m_w为水的质量，ρ_w为水密度；V3为废旧泡沫颗粒体积(m³)；m_p为泡沫质量；γ为泡沫混凝土的容重；

步骤二、泡沫混凝土安全浇筑高度：

(1)计算28天混凝土浆体材料的强度：

式中，p₁是28天泡沫混凝土的强度，p₀是3天泡沫混凝土浆体的强度，η为3天泡沫混凝土强度占混凝土28天实际强度的百分比；

(2)确定浇筑安全高度：

Υh+kp≤p₁

k是安全系数，取值为1.1-1.2，p是设计荷载；

将上式变形，得：

式中，h是泡沫混凝土单层浇筑的极限高度，γ是泡沫混凝土的容重；

步骤三、计算泡沫混凝土在施工期的形变量，确定适宜浇筑高度：

泡沫混凝土在浇筑成型及养护的过程中，会发生徐变和坍塌；故引入徐变系数a，众所周知的是，随着时间的延长，泡沫混凝土的形变越来越小，当时间足够久时，形变量为0，故建立函数关系式：

式中，ε₁为徐变和坍塌造成的应变，t为时间，a为徐变系数，反映了徐变的最终形变量，b为参数，反映了徐变的快慢；

计算由徐变和坍塌影响的应变，要乘以经验系数；根据数值拟合，得到公式：

式中，λ为基础形变膨胀系数，E为满足标准的泡沫混凝土的弹性模量，ρ为泡沫混凝土的密度，η为修正参数，计算形变量Δ，形变量主要由徐变和坍塌造成的应变与弹性形变产生的应变影响，代入各项参数，在0～H上对该式积分，得到：

根据现有规范和实际施工要求，分层浇筑时，每层的应变ε与形变量Δ及适宜浇筑高度H之间需满足以下关系：

代入应变ε和形变量Δ数据，计算得出H。

本发明与现有技术相比，具有以下优点及有益效果：

(1)本发明通过控制基于泡沫混凝土原料的强度、容重等方面优化泡沫混凝土的配和比，使得泡沫混凝土具有低容重、高强度的特点。这样一来，就可使得单层浇筑的高度变大，简化浇筑过程中的工序，节约泡沫支架和泡沫板。且使用废旧泡沫颗粒制作的泡沫混凝土，其早期凝结速度快，成型快，可节约大量施工时间。

(2)本发明通过使用废旧泡沫颗粒，有效降低了泡沫混凝土的容重，并且绿色环保，选用EPS泡沫颗粒和EPP泡沫颗粒，它的封闭空腔结构决定了其具有良好的隔热性，它用于保温材料最大的特点是其热传导率极低，这样一来，可一起到良好的防火作用，也可以起到良好的保温作用，在混凝土养护期间可以减少开裂，更有益于结构的整体稳定性。

(3)本发明通过结合深厚垫层施工特点，探究单次浇筑厚度对泡沫混凝土气泡分布均匀性和强度的影响；对比单次性浇筑和分层浇筑对泡沫混凝土均匀性、强度的影响，开发利用泡沫混凝土制备深厚垫层的成套技术，为厚度较大填方提供新的解决途径。

附图说明

图1为泡沫支架横截面结构示意图；

图2为泡沫支架平面俯视图。

具体实施方式

为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合具体实施例对本发明的优选实施方案进行描述，但是应当理解，这些描述只是为进一步说明本发明的特征和优点而不是对本发明专利要求的限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1：

为解决上述问题，本实施例提供了一种泡沫混凝土垫层，包括以下重量分数的原料：普通硅酸盐水泥40份、粉煤灰20份、聚苯乙烯废旧泡沫(EPS泡沫)45份、水22份。

如图1和2所示，所述每层支架包括与深厚基坑相适配的泡沫板和固设于泡沫板四角处底部和中心处底部的支撑钢管，且支撑钢管长度与分层浇筑泡沫混凝土的厚度相同。

进一步地，本实施例根据垫层厚度和上部荷载设计分层浇筑厚度及泡沫混凝土容重，包括如下步骤：

步骤一、泡沫混凝土的容重设计：

(1)计算混合干料总体积

(2)计算所需水的总体积

(3)计算所需废旧泡沫颗粒总体积V3＝1-V1-V2

(4)计算泡沫混凝土的容重γ＝(m_c+m_w+m_f+m_p)·g

上式中，V1为混合干料总体积(m³)；m_c为水泥质量，ρ_c为水泥密度，取值为3000kg/m³；m_f为粉煤灰质量，ρ_f为粉煤灰密度，取值为2000kg/m³；V2为水体积(m³)，m_w为水的质量，ρ_w为水密度，取值为1000kg/m³；V3为废旧泡沫颗粒体积(m³)；m_p为泡沫质量；γ为泡沫混凝土的容重。

步骤二、泡沫混凝土安全浇筑高度：

(1)计算28天混凝土浆体材料的强度：

式中，p₁是28天泡沫混凝土的强度，p₀是3天泡沫混凝土浆体的强度，η为3天泡沫混凝土强度占混凝土28天实际强度的百分比，取值为0.3-0.4；

(2)确定浇筑安全高度：

Υh+kp≤p₁

k是安全系数，取值为1.1-1.2，p是设计荷载；

将上式变形，得：

式中，h是泡沫混凝土单层浇筑的极限高度，γ是泡沫混凝土的容重；

步骤三、计算泡沫混凝土在施工期的形变量，确定适宜浇筑高度H：

泡沫混凝土在浇筑成型及养护的过程中，会发生徐变和坍塌；故引入徐变系数a，众所周知的是，随着时间的延长，泡沫混凝土的形变越来越小，当时间足够久时，形变量为0，故建立函数关系式，

式中，ε₁为徐变和坍塌造成的应变，t为时间，a为徐变系数，反映了徐变的最终形变量，b为参数，反映了徐变的快慢，根据实验数据拟合计算得出，a＝0.102，b＝2.919：

计算由徐变和坍塌影响的应变，要乘以经验系数；根据数值拟合，得到公式：

计算形变量Δ，形变量主要由徐变和坍塌造成的应变与弹性形变产生的应变影响，代入各项参数，在0～H上对该式积分，得到：

式中，λ为基础形变膨胀系数，λ取176，E为满足标准的泡沫混凝土的弹性模量，ρ为泡沫混凝土的密度，η为修正参数，η取0.28，

根据现有规范和实际施工要求，分层浇筑时，每层的应变ε要大于等于1/20，小于等于1/16；

故计算得出800mm≤H≤1240mm。

故在实际施工的过程中，要保证单层浇筑厚度大于800mm，小于1240mm。

进一步地，本实施例还提供一种深厚垫层的浇筑方法，包括如下步骤：

S1、采用破碎机对所选取的废旧泡沫进行破碎预处理，控制废旧泡沫颗粒直径为3mm；

S2、称取泡沫混凝土垫层所需各重量份的原料：硅酸盐水泥、粉煤灰、废旧泡沫颗粒、水；

S3、将硅酸盐水泥、粉煤灰和废旧泡沫颗粒加入搅拌机内，开启搅拌机，搅拌2分钟，将其混合均匀，而后分多次注入水，继续搅拌1分钟，搅拌成混合浆体；

S4、采用泵送管道将步骤S3的混合浆体分层输送至基坑内，在浇筑完毕一层后，将支架铺设在泡沫混凝土上方，继续用泵送管道输送混合浆体进入到上一层基坑，继续铺设泡沫支架，后续重复上述操作，待最顶层浇筑完后，用模板封顶，养护成型。

实施例2：

为解决上述问题，本实施例提供了一种泡沫混凝土垫层，包括以下重量分数的原料：普通硅酸盐水泥50份、粉煤灰25份、发泡聚丙烯废旧泡沫(EPP泡沫)40份、水25份。

计算H：

代入各项数据，a＝0.102，b＝2.919，λ取198，η取0.3，

故计算得出740mm≤H≤1130mm。

故在实际施工的过程中，要保证单层浇筑厚度大于740mm，小于1130mm。

进一步地，本实施例还提供一种深厚垫层的浇筑方法，包括如下步骤：

S1、采用破碎机对所选取的废旧泡沫进行破碎预处理，控制废旧泡沫颗粒直径为5mm；

S2、称取泡沫混凝土垫层所需各重量份的原料：硅酸盐水泥、粉煤灰、废旧泡沫颗粒、水；

S3、将硅酸盐水泥、粉煤灰和废旧泡沫颗粒加入搅拌机内，开启搅拌机，搅拌2分钟，将其混合均匀，而后分多次注入水，继续搅拌1分钟，搅拌成混合浆体；

S4、采用泵送管道将步骤S3的混合浆体分层输送至基坑内，在浇筑完毕一层后，将支架铺设在泡沫混凝土上方，继续用泵送管道输送混合浆体进入到上一层基坑，继续铺设泡沫支架，后续重复上述操作，待最顶层浇筑完后，用模板封顶，养护成型。

对比例1：

与实施例1的区别在于，使用水泥质量分数2％的十二烷基苯磺酸钠代替EPS泡沫作为发泡剂，其他与实施例1相同。

对比例2：

与实施例1的区别在于，使用水泥质量分数2％的十二烷基硫酸钠代替EPP泡沫作为发泡剂，其他与实施例1相同。

下面对本发明的实施例1、实施例2、对比例1及对比例2得到的泡沫混凝土进行性能测试，测试结果如表1所示：

从上表分析可知，在废旧泡沫颗粒经过处理后，与其他组分相互配合，起到良好的协同作用，使本发明利用废旧泡沫颗粒制得的泡沫混凝土的强度高、气泡稳定性强且不易塌陷。

通过实施例1分别与对比例1和对比例2的对比分析可知：在使用相同胶凝材料的情况下，使用本发明的EPS或EPP泡沫制得的泡沫混凝土，其抗压强度有显著提升。说明EPS或EPP泡沫制作出的泡沫混凝土比传统的发泡剂的泡沫更加利于结构稳定，增强结构整体性能。且从实验数据可以得出，其强度等级完全满足泡沫混凝土使用规范。并且，气孔结构更稳定，不易破裂。

依据本发明的描述及附图，本领域技术人员很容易制造或使用本发明的一种用废旧泡沫颗粒作填充剂的超轻质泡沫混凝土深厚垫层及其制备方法，并且能够产生本发明所记载的积极效果。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化，均落入本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种用废旧泡沫颗粒作填充剂的超轻质泡沫混凝土深厚垫层，其特征在于：包括若干个层叠于深厚基坑内的支架，且各层支架将深厚基坑对应分隔为若干供泡沫混凝土快速填充的分层浇筑空间，泡沫混凝土与各层支架相结合形成深厚垫层；所述泡沫混凝土包括以下重量份的原料：硅酸盐水泥40～50份、粉煤灰20～30份、废旧泡沫颗粒40～50份、水20～30份。

2.根据权利要求1所述的一种用废旧泡沫颗粒作填充剂的超轻质泡沫混凝土深厚垫层，其特征在于：所述每层支架包括与深厚基坑相适配的泡沫板和固设于泡沫板四角处底部和中心处底部的支撑钢管，且支撑钢管长度与分层浇筑泡沫混凝土的厚度相同。

3.根据权利要求1所述的一种用废旧泡沫颗粒作填充剂的超轻质泡沫混凝土深厚垫层，其特征在于：所选取的废旧泡沫为聚苯乙烯废旧泡EPS或者发泡聚丙烯泡沫EPP。

4.根据权利要求1所述的一种用废旧泡沫颗粒作填充剂的超轻质泡沫混凝土深厚垫层，其特征在于：所述硅酸盐水泥选自P.O 32.5普通硅酸盐水泥、P.O 42.5普通硅酸盐水泥或P.O 52.5普通硅酸盐水泥中的一种。

5.根据权利要求1所述的一种用废旧泡沫颗粒作填充剂的超轻质泡沫混凝土深厚垫层，其特征在于：所述废旧泡沫颗粒的直径为3～6mm。

6.一种如权利要求1～5任一项所述的用废旧泡沫颗粒作填充剂的超轻质泡沫混凝土深厚垫层的浇筑方法，其特征在于，根据垫层厚度和上部荷载设计分层浇筑厚度及泡沫混凝土容重，并预制好支架作为泡沫混凝土分层浇筑的支撑隔板，限定各浇筑泡沫混凝土浇筑层的厚度，防止各泡沫混凝土浇筑层之间上下挤压而产生沉降和坍塌；所述浇筑方法包括如下步骤：

S1、采用破碎机对所选取的废旧泡沫进行破碎预处理，控制废旧泡沫颗粒直径为3～6mm；

S2、称取泡沫混凝土垫层所需各重量份的原料：硅酸盐水泥、粉煤灰、废旧泡沫颗粒、水；

S3、将硅酸盐水泥、粉煤灰和废旧泡沫颗粒加入搅拌机内，开启搅拌机，将其混合均匀，而后分多次注入水，搅拌成混合浆体；

S4、采用泵送管道将步骤S3的混合浆体分层输送至基坑内，在浇筑完毕一层后，将支架铺设在泡沫混凝土上方，继续用泵送管道输送混合浆体进入到上一层基坑，继续铺设泡沫支架，后续重复上述操作，待最顶层浇筑完后，用模板封顶，养护成型。

7.根据权利要求6所述的一种用废旧泡沫颗粒作填充剂的超轻质泡沫混凝土深厚垫层的浇筑方法，其特征在于，所述深厚垫层的分层浇筑厚度及泡沫混凝土容重的设计方法，包括如下步骤：

步骤一、泡沫混凝土的容重设计：

(1)计算混合干料总体积

(2)计算所需水的总体积

(3)计算所需废旧泡沫颗粒总体积V3＝1-V1-V2

(4)计算泡沫混凝土的容重γ＝(m_c+m_w+m_f+m_p)·g

式中，V1为混合干料总体积(m³)；m_c为水泥质量，ρ_c为水泥密度；m_f为粉煤灰质量，ρ_f为粉煤灰密度；V2为水体积(m³)，m_w为水的质量，ρ_w为水密度；V3为废旧泡沫体积(m³)；m_p为泡沫质量；γ为泡沫混凝土的容重；

步骤二、泡沫混凝土安全浇筑高度：

(1)计算28天混凝土浆体材料的强度：

式中，p₁是28天泡沫混凝土的强度，p₀是3天泡沫混凝土浆体的强度，η为3天泡沫混凝土强度占混凝土28天实际强度的百分比；

(2)确定浇筑安全高度：

Υh+kp≤p₁

k是安全系数，取值为1.1-1.2，p是设计荷载；

将上式变形，得：

式中，h是泡沫混凝土单层浇筑的极限高度，γ是泡沫混凝土的容重；

步骤三、计算泡沫混凝土在施工期的形变量，确定适宜浇筑高度：

泡沫混凝土在浇筑成型及养护的过程中，会发生徐变和坍塌；故引入徐变系数a，众所周知的是，随着时间的延长，泡沫混凝土的形变越来越小，当时间足够久时，形变量为0，故建立函数关系式：

式中，ε₁为徐变和坍塌造成的应变，t为时间，a为徐变系数，反映了徐变的最终形变量，b为参数，反映了徐变的快慢；

计算由徐变和坍塌影响的应变，要乘以经验系数；根据数值拟合，得到公式：

式中，λ为基础形变膨胀系数，E为满足标准的泡沫混凝土的弹性模量，ρ为泡沫混凝土的密度，η为修正参数，计算形变量Δ，形变量主要由徐变和坍塌造成的应变与弹性形变产生的应变影响，代入各项参数，在0～H上对该式积分，得到：

根据现有规范和实际施工要求，分层浇筑时，每层的应变ε与形变量Δ及适宜浇筑高度H之间需满足以下关系：

代入应变ε和形变量Δ数据，计算得出H。

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