CN113956018B - 一种陶粒混凝土及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种陶粒混凝土，以飞灰(生活垃圾焚烧后产生的灰分，)、活性氧化镁、树脂、氯化镁配比成为凝胶剂，可有效改善轻质陶粒的上浮问题。配方中添加三聚氰胺改性脲醛树脂可有效减少飞灰中二噁英从混凝土中溶出，为解决飞灰的资源化应用难题提供了思路。

Description

一种陶粒混凝土及其制备方法
技术领域
本发明属于建筑材料领域，具体涉及一种陶粒混凝土。
背景技术
陶粒混凝土又称轻质砼，是陶粒为粗骨料，以普通砂或陶砂为细骨料的轻骨料混凝土材料，其密度最小可达到800千克/立方米。
陶粒的外壳是陶质或致密釉质，内部为疏松多孔结构，具有较小的密度。陶粒按照原材料可分为粘土陶粒、页岩陶粒、粉煤灰陶粒，等。也可采用工业废弃物作为陶粒的原料，例如水利清淤的淤泥、城市建设的废弃土、矿山开采的尾矿渣，等。按照用途可分为一般用途普通陶粒、保温用超轻陶粒、结构用高强陶粒等。按照陶粒粒形可分为碎石形、球形、圆柱形等。碎石形陶粒与普通骨料形状接近，有利于减轻混凝土自重和提高混凝土结构整体强度；球形陶粒有利于提高混凝土塌落度，便于施工。
陶粒混凝土作为有良好保温、隔热、隔音性能的轻质混凝土，在建筑工程中逐步地得到应用，目前多用于房屋建筑、桥梁、船及窑炉基础等。但由于作为粗骨料的陶粒密度较小且与胶凝浆体的密度差较大，配制后的混凝土在运输、泵送和浇筑过程中很容易出现陶粒上浮离析。
导致陶粒上浮离析的主要原因包括：1)陶粒与胶凝浆体存在较大的密度差，密度差异越大，越容易产生陶粒上浮离析。2)陶粒混凝土的坍落度越大(即流动性越佳)，胶凝浆体的粘滞阻力越小，越容易产生陶粒上浮离析。例如，为了满足泵送要求，施工时有时需要配制流动性较佳的陶粒混凝土，泵送时时常发生陶粒泵送不上去和堵泵，或泵送之后陶粒很快上浮离析等问题，影响了陶粒混凝土的推广应用。
为解决陶粒上浮离析问题，现有技术采用的技术方案包括陶粒预浸润、增加胶凝材料用量、降低水胶比、掺加掺合料(粉煤灰或烟尘等)、添加防止陶粒与砂浆离析的添加剂等。陶粒预浸润是为了避免陶粒在较高的压力条件下表面破裂后吸附过多水分而降低混凝土流动性；增加胶凝材料用量、降低水胶比是以牺牲陶粒混凝土的轻质性能为代价；粉煤灰颗粒大多呈球型，可增加混凝土的流动性，但粉煤灰的添加会导致混凝土的干缩增加；添加剂一般是提高混凝土中胶凝浆体的粘阻力，常用的添加剂如纤维素醚、聚丙烯酸钠等，使用不当则会造成减水剂的流化效果失效，使得混凝土流动性过低而影响施工质量。
可见，陶粒混凝土的现有技术中，无法解决既保持良好流动性，又能防止陶粒上浮离析的难题。
飞灰是生活垃圾焚烧后的灰分。随着国家推进城市生活垃圾焚烧处理，预计到2030年，生活垃圾焚烧处理率将提高一倍，随之而来的是飞灰的产出量也将增长一倍以上。生活垃圾焚烧后形成的飞灰其成分与煤炭燃烧后形成的粉煤灰有较大差异。粉煤灰主要的金属元素包括硅、铝、铁、钙，而飞灰的金属元素成分主要是钙、硅、钠、镁。不同来源的飞灰其成分会有一定的差异，但飞灰中的氯含量远高于粉煤灰(受生活垃圾中的厨余垃圾和塑料垃圾的影响)，可溶性盐的占比远高于粉煤灰，并且含有一定量的有机污染物例如二噁英。电镜扫描显示，不同于粉煤灰颗粒大多呈圆形，飞灰颗粒大所呈现不规则形状。由于成分与形态存在差异，飞灰无法象粉煤灰一样直接应用于水泥烧制或混凝土拌合等应用场景。研究表明，在水泥中加入飞灰，飞灰掺量与抗折强度、抗压强度等强度指标呈负相关的关系，飞灰掺量10％以上会导致固结后的水泥强度迅速降低。目前采用水泥固化飞灰的研究成果大多并非用于飞灰的资源化处理，而是无害化处置，是为了降低飞灰的浸出毒性，防止填埋后导致的二次污染。将水泥固化的飞灰研磨后测试其浸出毒性，发现采用水泥固化飞灰可以有效降低重金属的浸出毒性，但是难以大幅降低二噁英的浸出毒性。
综上，现有技术中缺乏兼具稳定性和流动性的陶粒混凝土，且前对生活垃圾焚烧后所形成飞灰的资源化利用技术还是空白。
发明内容
为解决现有技术存在的上述问题，本发明提供一种陶粒混凝土，以飞灰、活性氧化镁、树脂、氯化镁配比成为凝胶剂，以解决飞灰的资源化应用难题。本发明所述飞灰指的是生活垃圾焚烧后产生的灰分，其成分随着来源地略有差异，主要成分包括二氧化硅、硫酸钙、氯化钠、氧化镁，等。
本发明提供的一种陶粒混凝土，包括按照重量份计的如下组分：
水泥100份；陶粒300～350份；细骨料200～250份；减水剂1～3份；飞灰40～45份；活性氧化镁30～40份；三聚氰胺改性脲醛树脂25～40份；氯化镁15～20份。
优选的，所述水泥选用硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥；
优选的，所述陶粒的粒径(直径)范围5～25毫米，且表观密度1150～1500千克/立方米，且筒压强度为3～7兆帕；
优选的，所述陶粒的材质选用页岩陶粒、粘土陶粒、粉煤灰陶粒等陶粒的一种或多种；
优选的，所述细骨料采用细度模数2.3～2.8的中砂；
优选的，所述细骨料选用河砂、江砂、机制砂的一种或多种的混合；
优选的，所述减水剂选用聚羧酸减水剂；
优选的，按重量计，所述氯化镁与活性氧化镁的用量之比为1：2；
优选的，所述的活性氧化镁吸碘值大于80克/升，目数大于等于200目(即最大粒径小于等于75微米)。
本发明进一步提供一种陶粒混凝土的制备方法，步骤如下：
1)取陶粒，以水充分浸润；
2)将陶粒与细骨料拌合后，加入水泥与水充分搅拌均匀，得到A料，其中加入水的重量为水泥重量的0.6-0.7倍；
3)持续搅拌A料，一边搅拌一边顺序投料，依次加入活性氧化镁、飞灰、三聚氰胺改性脲醛树脂和氯化镁，最后加入减水剂，每一种物料投料完成后间隔30-60秒再投入下一种物料；
4)继续搅拌均匀，即得到陶粒混凝土。
优选的，步骤1)所述的充分浸润，系指将所述陶粒完全浸没于水中使其吸收水分，每隔一定的时间将吸收水分的陶粒取出，沥干表面水分称重。吸收水分的陶粒质量会有所增加。待陶粒质量不再明显增加，则视为陶粒被充分浸润。
本发明的有益效果在于，
1)以飞灰、活性氧化镁、三聚氰胺改性脲醛树脂和氯化镁组成的凝胶剂可有效改善轻质陶粒的上浮。
2)配方中的三聚氰胺改性脲醛树脂可有效减少飞灰中二噁英从混凝土中溶出。
3)为飞灰的资源化利用提供了新的思路。
具体实施方式
以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
以下所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非限制根据本申请的示例性实施方式。除非上下文另外明确指出，否则单数形式也包括复数形式，此外，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
以下各实施例使用的水泥如未特别说明，则为市售42.5硅酸盐水泥；飞灰来自于上海浦东垃圾焚烧发电厂(钙含量25.8％，氯含量8.9％，镁含量2.8％)；三聚氰胺改性脲醛树脂来自于山东力昂新材料科技有限公司。
实施例1
表观密度1150千克/立方米，筒压强度不小于3兆帕，粒径范围5～15毫米的粘土陶粒350份，浸没于水中2小时以上，取出后沥干表面水分。投入细度模数2.3的河砂200份，拌合均匀后加入40份水并投入100份水泥，充分搅拌均匀。随后投入吸碘值大于80克/升，目数大于等于200目的活性氧化镁30份，投料时间不超过30秒；投料完毕后间隔30秒，投入飞灰40份，投料时间不超过30秒；投料完毕后间隔30秒，投入三聚氰胺改性脲醛树脂25份，投料时间不超过30秒；投料完毕后间隔30秒，投入氯化镁15份，投料时间不超过30秒；投料完毕后间隔30秒，投入聚羧酸减水剂1份。投料过程持续保持搅拌，投料全部完成后继续搅拌60秒，随后泵送浇筑。采用徐工HB30K混凝土泵车泵送约10立方米混凝土测试，混凝土流动性较好，泵送顺畅，未出现堵塞、断流或陶粒分离的现象。
实施例2
表观密度1500千克/立方米，筒压强度不小于7兆帕，粒径范围10～25毫米的页岩陶粒300份，浸没于水中1小时以上，取出后沥干表面水分。投入细度模数2.8的机制砂250份，拌合均匀后加入50份水并投入100份水泥，充分搅拌均匀。随后投入吸碘值大于80克/升，目数大于等于200目的活性氧化镁40份，投料时间不超过30秒；投料完毕后间隔30秒，投入飞灰45份，投料时间不超过30秒；投料完毕后间隔30秒，投入三聚氰胺改性脲醛树脂40份，投料时间不超过30秒；投料完毕后间隔30秒，投入氯化镁20份，投料时间不超过30秒；投料完毕后间隔30秒，投入聚羧酸减水剂3份。投料过程持续保持搅拌，投料过程中将20份的水分批加入，投料全部完成后继续搅拌120秒，随后泵送浇筑。采用徐工HB30K混凝土泵车泵送约10立方米混凝土测试，混凝土流动性较好，泵送顺畅，未出现堵塞、断流或陶粒分离的现象。
实验例1
本实验例用以对比添加凝胶剂和未添加凝胶剂所形成混凝土的强度。
对比例1的制备步骤为：表观密度1150千克/立方米，筒压强度大于3兆帕，粒径范围5～15毫米的粘土陶粒350份，浸没于水中2小时以上，沥干表面水分。投入细度模数2.3的河砂200份，拌合均匀后加入40份水并投入100份水泥，充分搅拌均匀，随后投入聚羧酸减水剂1份，投料全部完成后继续搅拌60秒，随后泵送浇筑。
对比例2的制备步骤为：表观密度1500千克/立方米，筒压强度大于7兆帕，粒径范围10～25毫米的页岩陶粒300份，浸没于水中1小时以上，沥干表面水分。投入细度模数2.8的机制砂250份，拌合均匀后加入50份水并投入100份水泥，充分搅拌均匀，随后投入聚羧酸减水剂3份，投料全部完成后继续搅拌120秒，随后泵送浇筑。
将实施例1、实施例2、实验例1、实验例2所得到的混凝土按照《GBT50081-2019混凝土物理力学性能试验方法标准》所述测试方法制备试件，以相同的方法制备混凝土试件，并在相同的环境下养护28天后测试其抗压强度。测试结果如下表1所示。
表1抗压强度测试结果(单位：兆帕)
第1次测试 第2次测试 第3次测试 平均
实施例1 13.56 13.77 13.81 13.71
对比例1 14.28 14.33 14.47 14.36
实施例2 14.93 15.27 15.44 15.21
对比例2 15.98 16.25 16.37 16.20
上述实验结果表明，陶粒混凝土中适量添加活性氧化镁、飞灰、三聚氰胺改性脲醛树脂、氯化镁所组成的凝胶剂，并未明显降低混凝土试件的抗压强度性能。
实验例2
本试验例用以对比陶粒混凝土中添加凝胶剂对陶粒上浮的抑制效果。
将实施例1、实施例2、实验例1、实验例2所得到的混凝土分别注入陶粒混凝土上浮性能检测筒。
所述陶粒混凝土上浮指数检测筒包括中空的上筒和下筒，上筒和下筒一端相互连通，另一端设有盖板。将陶粒混凝土上浮性能检测筒竖直于地面，下盖板朝向地面，上盖板朝向天空。将下筒盖板密闭，取待测陶粒混凝土试样从打开的上盖板入口注入，直到注满下筒和上筒，沿上筒口抹平后密闭上筒盖板。用橡皮锤沿筒外壁周围对称均匀轻敲击，敲击频率为每秒1次，敲击时间10分钟。敲击完成后静置10分钟，随后分离上筒和下筒。分别取出上筒和下筒的陶粒混凝土试样，放入两个孔径5毫米以下的网筛充分冲洗。冲洗干净的陶粒分别干燥至恒重后称量其质量。记录上筒和下筒取出的陶粒质量比值，即得到陶粒上浮比例，如下表所示。
表2陶粒上浮比例测试结果(上筒陶质量：下筒陶粒质量)
第1次测试 第2次测试 第3次测试 平均
实施例1 1.225：1 1.353：1 1.377：1 1.318：1
对比例1 1.455：1 1.477：1 1.493：1 1.475：1
实施例2 1.153：1 1.208：1 1.254：1 1.205：1
对比例2 1.219：1 1.233：1 1.259：1 1.237：1
上述实验结果显示，实施例1的上下筒陶粒质量比平均为1.318：1，小于对比例的1.475：1，实施例2的上下筒陶粒质量比平均为1.205：1，小于对比例2。说明以飞灰、活性氧化镁、三聚氰胺改性脲醛树脂和氯化镁组成的凝胶剂可有效减少轻质陶粒的上浮；对于重质陶粒的上浮也起到一定的减少效果。
实验例3：
本实验例用以对比凝胶剂中采用三聚氰胺改性脲醛树脂对飞灰中二噁英溶出的抑制效果。
对比例3的制备：表观密度1150千克/立方米，筒压强度大于3兆帕，粒径范围5～15毫米的粘土陶粒350份，浸没于水中2小时以上，沥干表面水分。投入细度模数2.3的河砂200份，拌合均匀后加入40份水并投入100份水泥，充分搅拌均匀。随后投入吸碘值大于80克/升，目数大于等于200目的活性氧化镁30份，投料时间不超过30秒；投料完毕后间隔30秒，投入飞灰40份，投料时间不超过30秒；投料完毕后间隔30秒，投入BASF joncryl 631水性丙烯酸酯乳液22份，以及三乙烯四胺水性环氧固化剂3份，投料时间不超过30秒；投料完毕后间隔30秒，投入氯化镁15份，投料时间不超过30秒；投料完毕后间隔30秒，投入聚羧酸减水剂1份。投料过程持续保持搅拌，投料全部完成后继续搅拌60秒，随后泵送浇筑。
对比例4的制备：表观密度1500千克/立方米，筒压强度大于7兆帕，粒径范围10～25毫米的页岩陶粒300份，浸没于水中1小时以上，沥干表面水分。投入细度模数2.8的机制砂250份，拌合均匀后加入50份水并投入100份水泥，充分搅拌均匀。随后投入吸碘值大于80克/升，目数大于等于200目的活性氧化镁40份，投料时间不超过30秒；投料完毕后间隔30秒，投入飞灰45份，投料时间不超过30秒；投料完毕后间隔30秒，投入BASF joncryl 631水性丙烯酸酯乳液35份，以及三乙烯四胺水性环氧固化剂5份，投料时间不超过30秒；投料完毕后间隔30秒，投入氯化镁20份，投料时间不超过30秒；投料完毕后间隔30秒，投入聚羧酸减水剂3份。投料过程持续保持搅拌，投料过程中将20份的水分批加入，投料全部完成后继续搅拌120秒，随后泵送浇筑。
实施例1、实施例2、对比例3、对比例4所得到的混凝土注入模具，在相同条件下养护28天。随后脱模，将样品粉碎后过筛，得到粒径小于2毫米的固体颗粒。取10克左右的固体颗粒样品，以吹风机吹去表面粉尘，精确称量其质量，随后按照《HJ77.3-2008固体废弃物二噁英类的测定》所述方法，以完全相同的步骤和试剂用量测定二噁英溶出量。将二噁英溶出量除以固体颗粒样品质量，得到每克固体颗粒溶出二噁英的溶出率。每种样品重复3次，测试结果记录于表3。
表3二噁英溶出率对比(单位：pg/g)
第1次测试 第2次测试 第3次测试 平均
实施例1 2.125 2.085 2.036 2.082
对比例3 3.120 3.058 3.028 3.069
实施例2 1.998 1.986 2.058 2.014
对比例4 2.986 2.968 3.019 2.991
上述实验结果表明，对比例3的二噁英溶出率明显高于实施例1；对比例4的二噁英溶出率明显高于实施例2。表明配方中的三聚氰胺改性脲醛树脂可有效减少二噁英的溶出。实施例2的二噁英溶出率明显低于实施例1，说明表明配方中的三聚氰胺改性脲醛树脂用量与二噁英溶出率成负相关性。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点，对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (7)

1.一种陶粒混凝土，其特征在于，包括按照重量份计的如下组分：水泥100份；陶粒300～350份；细骨料200～250份；减水剂1～3份；飞灰40～45份；活性氧化镁30～40份；三聚氰胺改性脲醛树脂25～40份；氯化镁15～20份；
所述陶粒的粒径范围5～25毫米，且表观密度1150～1500千克/立方米，且筒压强度为3～7兆帕；所述细骨料采用细度模数2.3～2.8的中砂；所述的活性氧化镁吸碘值大于80克/升，目数大于等于200目。
2.如权利要求1所述的一种陶粒混凝土，其特征在于，所述陶粒的材质选用页岩陶粒、粘土陶粒、粉煤灰陶粒的一种或多种。
3.如权利要求1所述的一种陶粒混凝土，其特征在于，所述细骨料选用河砂、江砂、机制砂的一种或多种的混合。
4.如权利要求1所述的一种陶粒混凝土，其特征在于，所述减水剂选用聚羧酸减水剂。
5.如权利要求1所述的一种陶粒混凝土，其特征在于，按重量计，所述氯化镁与活性氧化镁的用量之比为1：2。
6.如权利要求1所述的一种陶粒混凝土的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：1)取陶粒，以水充分浸润；2)将所述陶粒与所述细骨料拌合后，加入水泥与水充分搅拌均匀，得到A料，其中加入水的重量为水泥重量的0.6-0.7倍；3)持续搅拌所述A料，一边搅拌一边顺序投料，依次加入活性氧化镁、飞灰、三聚氰胺改性脲醛树脂和氯化镁，最后加入减水剂，每一种物料投料完成后间隔30-60秒再投入下一种物料；4)继续搅拌均匀，即得到陶粒混凝土。
7.如权利要求6所述的一种陶粒混凝土的制备方法，其特征在于，所述以水充分浸润，系指将所述陶粒浸没于水中，陶粒吸水后的质量不再明显增加。
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