CN114195443A

CN114195443A - 一种轻质再生混凝土及其制备方法

Info

Publication number: CN114195443A
Application number: CN202111278288.5A
Authority: CN
Inventors: 苗伟
Original assignee: Shenzhen Zhenhuijian Concrete Co ltd
Current assignee: Shenzhen Zhenhuijian Concrete Co ltd
Priority date: 2021-10-30
Filing date: 2021-10-30
Publication date: 2022-03-18

Abstract

本申请涉及混凝土技术领域，具体公开了一种轻质再生混凝土及其制备方法。一种轻质再生混凝土由包括以下重量份的原料制成：水泥200‑330份、粉煤灰50‑90份、陶砂600‑750份、硅灰160‑210份、水150‑180份、稻壳灰20‑90份、混杂纤维20‑50份、细骨料330‑400份、再生粗骨料580‑630份、改性废橡胶粉50‑80份、聚羧酸减水剂5‑10份；其制备方法为：先将水泥、粉煤灰、陶粒、硅灰、稻壳灰、混杂纤维混合并搅拌，加入水、聚羧酸减水剂搅拌，再加入其余原料搅拌，得到轻质再生混凝土。本申请的一种轻质再生混凝土，通过原料之间的协同作用，其具有更好的强度的优点。

Description

一种轻质再生混凝土及其制备方法

技术领域

本申请涉及混凝土技术领域，更具体地说，它涉及一种轻质再生混凝土及其制备方法。

背景技术

再生混凝土是将废弃的混凝土块经过破碎、清洗、分级后，按一定比例与级配混合，部分或全部代替砂石等天然集料，再加入水泥、水等配制成的新混凝土。由于混凝土制备简单、成本较低、性能较好，因此成为主要的建筑材料。

近年来，随着工业化、城市化进程的加速，建筑业也快速发展，在消耗大量混凝土的同时，也产生了很多的建筑垃圾，大量的建筑垃圾不仅造成粉尘飞扬等环境污染，而且也会占用大量的土地，因此，加快建筑垃圾的循环利用，成为国家节能减排的主要任务。

目前，许多建筑垃圾会应用到再生混凝土中，实现建筑垃圾的回收利用。但是，在制备再生混凝土时，废旧的建筑垃圾在破碎时会受到较大的外力作用，会导致内部出现大量裂缝，从而对再生混凝土的强度造成影响。

发明内容

为了提高再生混凝土的强度，本申请提供一种轻质再生混凝土及其制备方法。

第一方面，本申请提供一种轻质再生混凝土，采用如下的技术方案：

一种轻质再生混凝土，其由包括以下重量份的原料制成：水泥200-330份、粉煤灰50-90份、陶粒600-750份、硅灰160-210份、水150-180份、稻壳灰20-90份、混杂纤维20-50份、细骨料330-400份、再生粗骨料580-630份、改性废橡胶粉50-80份、聚羧酸减水剂5-10份；其中，所述改性废橡胶粉为废橡胶粉经马来酸酐改性得到。

通过采用上述技术方案，本申请的轻质再生混凝土，通过原料之间的协同作用，使其具有良好的抗压强度、抗弯强度和抗裂性能，其中，抗压强度为40.1-53.8MPa、抗弯强度为5.89-7.87MPa、单位面积上的总开裂面积为75.3-92.5mm²/m²。

水泥、聚羧酸减水剂为轻质再生混凝土的常规材料。粉煤灰是燃烧煤粉后收集到的灰粒，粉煤灰不仅能够代替部分水泥，减少水泥的用量，降低成本，而且还能够改善轻质再生混凝土的和易性。粉煤灰能够填充各原料之间的孔隙，增强粘聚性和可塑性，还能够增强轻质再生混凝土的强度。当水泥中的氢氧化钙覆盖在粉煤灰上时，就开始发生火山灰效应。由于氢氧化钙薄膜与粉煤灰之间存在水解层，钙离子通过水解层与粉煤灰的活性组分反应，反应产物在水解层内逐渐聚集，随着水解层被反应产物充满，粉煤灰与水泥之间的牢固性增强，进而增强了轻质再生混凝土的强度。

陶粒的内部结构特征呈细密蜂窝状微孔，微孔呈封闭型且不连通，气体被包裹进壳内形成，具有轻质性的优点，用来代替混凝土中的碎石，能够减轻轻质再生混凝土的质量。硅灰质轻，加入到轻质再生混凝土的原料中，就可以充分的分散，填充水泥之间的空隙，使浆体更为致密，也能够代替部分水泥，能够增加密度和凝聚力，提高轻质再生混凝土的抗压抗弯强度。稻壳灰的质量比较轻，稻壳灰中二氧化硅的含量比较高，润湿后易压实，干燥后体积不膨胀，也耐腐蚀，也能够提高轻质再生混凝土的韧性和抗压抗弯强度。

混杂纤维应用到轻质再生混凝土的原料中，能够随机分布在水泥中，与水泥进行粘连，纤维本身就具有一定的韧性，可对裂缝产生约束的作用，阻止裂缝扩展，从而有效提高力学性能，提高轻质再生混凝土的强度。细骨料的粒径比较小，能够填充水泥之间的缝隙，从而增加轻质再生混凝土的抗裂性，并增加和易性。再生粗骨料是对废物的回收利用，起到节约成本、保护环境的作用，应用到轻质再生混凝土的原料中，能够起到增强强度的作用。废橡胶粉加入到轻质再生混凝土的原料中，不仅能够对废物回收利用、降低成本，而且还能够填充水泥之间的空隙，增强轻质再生混凝土的抗压抗弯强度。利用马来酸酐对废橡胶粉进行改性，更加提高了废橡胶粉表面的亲水性，增强了与水泥之间的相容性，有助于与水泥更好的混合，更利于增强强度。

优选的，其由包括以下重量份的原料制成：水泥250-300份、粉煤灰65-80份、陶粒650-700份、硅灰175-205份、水160-170份、稻壳灰45-65份、混杂纤维30-40份、细骨料350-380份、再生粗骨料600-610份、改性废橡胶粉55-75份、聚羧酸减水剂6-8份。

通过采用上述技术方案，通过对水泥、粉煤灰、陶粒、硅灰、水、稻壳灰、混杂纤维、细骨料、再生粗骨料、改性废橡胶粉、聚羧酸减水剂的重量配比进行优化，能够提高轻质再生混凝土的强度。

优选的，所述陶粒的平均粒径为5-15mm，所述硅灰的平均粒径为0.1-0.2mm，所述稻壳灰的平均粒径为2-8mm。

通过采用上述技术方案，对陶粒、硅灰、稻壳灰的粒径进行限定，便于陶粒、硅灰、稻壳灰更均匀的分散在水泥中，有助于更好的提高轻质再生混凝土的强度。

优选的，所述混杂纤维由钢纤维、棕榈纤维原料制成，且钢纤维：棕榈纤维的重量配比为(15-36)：(5-14)。

通过采用上述技术方案，钢纤维在水泥中乱向分布，能够有效的阻碍轻质再生混凝土内部雷锋的扩展及宏观裂缝的形成，改善轻质再生混凝土的抗拉、抗弯、抗冲击性能，而且具有较好的延性；棕榈纤维作为一种木纤维，具有较好的易分散性及柔韧性，有三维网状结构体系，具备良好的稳定性，加入到轻质再生混凝土的原料中，通过与水泥之间相粘连，能够减少裂缝的出现，增加抗裂性，从而增强轻质再生混凝土的强度。

优选的，所述细骨料为Ⅱ区砂，且Ⅱ区砂的平均粒径为0.5-0.2mm连续级配。

通过采用上述技术方案，Ⅱ区砂的粗细适中、光滑、粒形良好、和易性较好，比较适合用作轻质再生混凝土的材料。通过对Ⅱ区砂的粒径进行限定，能够使Ⅱ区砂与水泥混合的更加均匀。Ⅱ区砂与再生粗骨料、改性废橡胶粉配合，能提高轻质再生混凝土的强度。

优选的，所述再生粗骨料为采用聚乙烯醇溶液进行表面改性处理的改性再生粗骨料。

通过采用上述技术方案，通过对再生粗骨料进行改性，能进一步提高本申请混凝土的抗压抗弯强度。具体的，聚乙烯醇溶液具有很强的粘结性，将其喷洒在再生粗骨料表面后可以在再生粗骨料表面形成一层粘结层，使再生粗骨料的孔隙率降低、吸水率降低，能够粘结再生粗骨料表面的微细裂缝，也能够使再生粗骨料与水泥之间的粘结性增强，提高再生粗骨料的强度和抗裂性，从而也能够提高轻质再生混凝土的强度和抗裂性。

优选的，所述再生粗骨料由废旧混凝土颗粒和废旧玻璃颗粒原料制成，且废旧混凝土颗粒：废旧玻璃颗粒的重量配比为(4-6)：(8-10)。

通过采用上述技术方案，再生粗骨料采用废旧混凝土颗粒和废旧玻璃颗粒制备而成，不仅能够实现废物利用，实现资源的再利用，节约成本，降低对环境的影响，还能够增强轻质再生混凝土的强度。

优选的，所述废旧混凝土颗粒的平均粒径为15-20mm，所述废旧玻璃颗粒的平均粒径为5-10mm。

通过采用上述技术方案，对废旧混凝土颗粒、废旧玻璃颗粒的粒径进一步限定，能够使废旧混凝土颗粒和废旧玻璃颗粒混合的更加均匀。通过再生粗骨料与细骨料之间的配合，可以填充水泥之间的孔隙，增强轻质再生混凝土的强度。

优选的，所述改性废橡胶粉采用以下方法制备：在过氧化苯甲酰的作用下，用马来酸酐对废橡胶粉进行改性处理，得到改性废橡胶粉。

通过采用上述技术方案，废橡胶粉为憎水性材料，直接加入到轻质再生混凝土的原料中，不能很好的与水泥结合，通过对废橡胶粉进行改性，改善了废橡胶粉表面的清亲水性，便于与水泥之间的粘结，便于提高轻质再生混凝土的强度。具体机理为过氧化苯甲酰作为引发剂，能够分解产生初级自由基，进攻废橡胶粉上的α-H产生大分子自由基，在甲苯溶液中与马来酸酐分子碰撞结合，并与废橡胶粉进行接枝，提高了与水泥之间的粘结性。

第二方面，本申请提供一种轻质再生混凝土的制备方法，采用如下的技术方案：一种轻质再生混凝土的制备方法，包括以下步骤：

S1：将水泥、粉煤灰、陶粒、硅灰、稻壳灰、混杂纤维混合，并搅拌5-10min，得到混合物A；S2：向混合物A中加入水、聚羧酸减水剂，继续搅拌20-30min，得到混合物B；

S3：向混合物B中加入细骨料、粗骨料、改性废橡胶粉，并搅拌5-10min，得到轻质再生混凝土。

通过采用上述技术方案，首先将水泥、粉煤灰、陶粒、硅灰、稻壳灰、混杂纤维这些胶凝材料及纤维进行混合，使各原料之间混合的更加均匀，然后再加入水、聚羧酸减水剂、细骨料、粗骨料、改性废橡胶粉，有助于混合的更加均匀，便于粗骨料、改性废橡胶粉发挥作用，提高轻质再生混凝土的强度。

综上所述，本申请具有以下有益效果：

1、由于本申请采用改性废橡胶粉，废橡胶粉为废物回收利用，节约资源、降低成本、保护环境，利用马来酸酐对废橡胶粉进行改性后加入混凝土中，可使混凝土的抗压强度达到48.2MPa、抗弯强度达到7.31MPa、单位面积上的总开裂面积达到81.2mm²/m²。

2、本申请中优选采用陶粒、硅灰、稻壳灰，陶粒、硅灰、稻壳灰均质轻，能够代替传统中的砂、石，而且粒径更小，更容易分散在水泥的孔隙中，不仅能够使轻质再生混凝土具有轻质的优点，而且还能够增强强度。

3、本申请中优选采用改性再生粗骨料，不仅实现了废旧混凝土和废旧玻璃的回收利用，而且通过聚乙烯醇溶液对再生粗骨料进行改性后加入混凝土中，可使混凝土的抗压强度达到53.8MPa、抗弯强度达到7.76MPa、单位面积上的总开裂面积达到77.2mm²/m²。

具体实施方式

以下结合实施例对本申请作进一步详细说明。

原料

水泥为P.O42.5，且选自河南垒固建筑工程有限公司；粉煤灰为二级，且选自山东佳源建材有限公司；陶粒选自成都欧德鑫建材有限公司；硅灰选自灵寿县嘉功矿产品有限公司；稻壳灰的相对密度为2.25，容重为300kg/m³，烧失量为3％，且选自河南立泽环保科技有限公司；钢纤维选自山东森泓工程材料有限公司；棕榈纤维选自天津卫嘉化学制品有限公司；细骨料为Ⅱ区砂，且选自重庆荣顺矿产品有限公司；聚乙烯醇溶液选自济南金牛化工有限公司；甲苯溶液选自济南铭宇化工有限公司；马来酸酐选自山东跃明化工科技有限公司；过氧化苯甲酰选自广州市缘创化工有限公司。

制备例

制备例1

一种改性再生粗骨料，其采用以下方法制备：

将2kg聚乙烯醇溶液喷洒在8kg再生粗骨料的表面，静置3h，制得改性再生粗骨料；其中，再生粗骨料由4kg废旧混凝土颗粒和8kg废旧玻璃颗粒制成，废旧混凝土颗粒的平均粒径为15mm，废旧玻璃颗粒的平均粒径为5mm。

制备例2

一种改性再生粗骨料，其与制备例1的制备方法完全相同，区别在于，再生粗骨料由5kg废旧混凝土颗粒和9kg废旧玻璃颗粒制成，其余均与制备例1相同。

制备例3

一种改性再生粗骨料，其与制备例1的制备方法完全相同，区别在于，再生粗骨料由6kg废旧混凝土颗粒和10kg废旧玻璃颗粒制成，其余均与制备例1相同。

制备例4

一种改性再生粗骨料，其与制备例2的制备方法完全相同，区别在于，废旧混凝土颗粒的平均粒径为18mm，废旧玻璃颗粒的平均粒径为8mm，其余均与制备例2相同。

制备例5

一种改性再生粗骨料，其与制备例2的制备方法完全相同，区别在于，废旧混凝土颗粒的平均粒径为20mm，废旧玻璃颗粒的平均粒径为10mm，其余均与制备例2相同。

制备例6

一种改性再生粗骨料，一种改性再生粗骨料，其与制备例5的制备方法完全相同，区别在于，将废旧玻璃颗粒等量替换为废旧泡沫塑料颗粒，其余均与制备例5相同。

制备例7

一种改性再生粗骨料，其与制备例2的制备方法完全相同，区别在于，废旧混凝土颗粒的平均粒径为10mm，废旧玻璃颗粒的平均粒径为20mm，其余均与制备例2相同。

制备例8

一种改性废橡胶粉，其采用以下方法制备：

将100kg废橡胶粉放入20L甲苯溶液中，加入8kg马来酸酐和0.08kg过氧化苯甲酰，在80℃的温度下搅拌5h，然后降温至25℃干燥4h，制得改性废橡胶粉；其中，废橡胶粉的平均粒径为0.15mm，甲苯溶液的质量分数为93％。

实施例

表1实施例1-4中轻质再生混凝土各原料掺量(单位：kg)

实施例1

一种轻质再生混凝土，其原料配比见表1所示。

其中，再生粗骨料的平均粒径为15mm，改性废橡胶粉采用制备例8制备得到。

一种轻质再生混凝土的制备方法，包括如下步骤：

S1：将水泥、粉煤灰、陶粒、硅灰、稻壳灰、混杂纤维混合，并搅拌5min，得到混合物A；S2：向混合物A中加入水、聚羧酸减水剂，继续搅拌20min，得到混合物B；

S3：向混合物B中加入细骨料、再生粗骨料、改性废橡胶粉，并搅拌5min，得到轻质再生混凝土。

实施例2-4

一种轻质再生混凝土，其和实施例1的区别之处在于，轻质再生混凝土的原料配比不同，其原料配比见表1所示。

表2实施例5-8中轻质再生混凝土各原料掺量(单位：kg)

实施例5-8

一种轻质再生混凝土，其和实施例2的区别之处在于，轻质再生混凝土的原料配比不同，其原料配比见表2所示。

表3实施例9-12中轻质再生混凝土各原料掺量(单位：kg)

实施例9-12

一种轻质再生混凝土，其和实施例7的区别之处在于，轻质再生混凝土的原料配比不同，其原料配比见表3所示。

表4实施例13-16中轻质再生混凝土各原料掺量(单位：kg)

实施例13-16

一种轻质再生混凝土，其和实施例11的区别之处在于，轻质再生混凝土中混杂纤维的原料配比不同，其原料配比见表4所示。

实施例17

一种轻质再生混凝土，其和实施例11的区别之处在于，轻质再生混凝土中混杂纤维的原料中，用等量的聚丙烯纤维替换棕榈纤维。

实施例18

一种轻质再生混凝土，其和实施例7的区别之处在于，轻质再生混凝土的原料中用等量的改性再生粗骨料替换再生粗骨料，且改性再生粗骨料采用制备例1制备得到。

实施例19

一种轻质再生混凝土，其和实施例11的区别之处在于，改性再生粗骨料的来源不同，其采用制备例2制备得到。

实施例20

一种轻质再生混凝土，其和实施例11的区别之处在于，改性再生粗骨料的来源不同，其采用制备例3制备得到。

实施例21

一种轻质再生混凝土，其和实施例11的区别之处在于，改性再生粗骨料的来源不同，其采用制备例4制备得到。

实施例22

一种轻质再生混凝土，其和实施例11的区别之处在于，改性再生粗骨料的来源不同，其采用制备例5制备得到。

实施例23

一种轻质再生混凝土，其和实施例11的区别之处在于，改性再生粗骨料的来源不同，其采用制备例6制备得到。

实施例24

一种轻质再生混凝土，其和实施例11的区别之处在于，改性再生粗骨料的来源不同，其采用制备例7制备得到。

对比例

对比例1

一种轻质再生混凝土，与实施例1的区别之处在于，轻质再生混凝土的原料中，再生粗骨料等量替换为石子，且石子的平均粒径为15mm。

对比例2

一种轻质再生混凝土，与实施例1的区别之处在于，轻质再生混凝土的原料中，未添加改性废橡胶粉。

对比例3

一种轻质再生混凝土，与实施例1的区别之处在于，轻质再生混凝土的原料中，将再生粗骨料等量替换为平均粒径为15mm的石子，且未添加改性废橡胶粉。

对比例4

一种轻质再生混凝土，与实施例1的区别之处在于，轻质再生混凝土的原料中，用等量的废橡胶粉替换改性废橡胶粉；

其中，废橡胶粉的平均粒径为0.15mm。

性能检测试验

取实施例1-24和对比例1-4得到的轻质再生混凝土，进行下述性能检测，检测结果如表5所示。

依据GB/50204-2015《混凝土结构工程施工质量验收规范》对轻质再生混凝土进行28天的抗压强度的检测；依据GB/T50081-2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》对轻质再生混凝土进行抗弯强度的检测；依据GB/T50082-2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》对轻质再生混凝土进行抗裂性能的检测。

表5检测结果

从表5可以看出，本申请的轻质再生混凝土，通过原料之间的协同作用，使其具有良好的抗压强度、抗弯强度和抗裂性能，其中，抗压强度为40.1-53.8MPa、抗弯强度为5.89-7.87MPa、单位面积上的总开裂面积为75.3-92.5mm²/m²。

结合实施例1和对比例1、2、3可以看出，实施例1的抗压强度为40.1MPa、抗弯强度为6.11MPa、单位面积上的总开裂面积为91.3mm²/m²，均优于对比例1、2、3，表明轻质再生混凝土中未添加改性再生粗骨料、未添加改性废橡胶粉、未添加改性粗骨料和改性废橡胶粉，均降低了轻质再生混凝土的抗压强度、抗弯强度，提高了单位面积上的总开裂面积，表明改性再生粗骨料、改性废橡胶粉能够提高轻质再生混凝土的抗压强度、抗弯强度和抗裂性能。

结合实施例1和对比例4可以看出，实施例1的抗压强度为40.1MPa、抗弯强度为6.11MPa、单位面积上的总开裂面积为91.3mm²/m²，优于对比例4，表明轻质再生混凝土中添加改性废橡胶粉比添加未改性废橡胶粉，能够提高轻质再生混凝土的抗压强度、抗弯强度和抗裂性能。

结合实施例1-4，可以看出，实施例2的抗压强度为45.7MPa、抗弯强度为6.47MPa、单位面积上的总开裂面积为88.9mm²/m²，均优于实施例1和实施例3-4，表明实施例2轻质再生混凝土中的水泥、粉煤灰、陶粒、硅灰、水、稻壳灰、混杂纤维、细骨料、聚羧酸减水剂的重量份更为合适，表现出较好的抗压强度、抗弯强度和抗裂性能。

结合实施例5-8，可以看出，实施例7的抗压强度为46.6MPa、抗弯强度为6.93MPa、单位面积上的总开裂面积为84.4mm²/m²，均优于实施例1-5、实施例8，表明实施例7中改性废橡胶粉的重量份更为合适，表现出较好的抗压强度、抗弯强度和抗裂性能。

结合实施例9-12，可以看出，实施例11的抗压强度为48.2MPa、抗弯强度为7.31MPa、单位面积上的总开裂面积为81.2mm²/m²，均优于实施例1-8、实施例10-12，表明实施例11中的再生粗骨料的重量份更为合适，表现出较好的抗压强度、抗弯强度和抗裂性能。

结合实施例11、13-16，可以看出，实施例11的抗压强度为为48.2MPa、抗弯强度为7.31MPa、单位面积上的总开裂面积为81.2mm²/m²，均优于实施例13-16，表明钢纤维与棕榈纤维的配比在(15-36)：(5-14)内才能使混凝土的抗压抗弯强度、抗裂性最佳。

结合实施例11和实施例17-24，实施例22抗压强度为53.8MPa、抗弯强度为7.76MPa、单位面积上的总开裂面积为77.2mm²/m²，均优于其他实施例，表明改性再生粗骨料加入到混凝土的原料中，比再生粗骨料，更提高了混凝土的抗压抗弯强度和抗裂性，且改性再生粗骨料采用制备例5制备得到更为合适，表现出较好的抗压强度、抗弯强度和抗裂性能。

本具体实施例仅仅是对本申请的解释，其并不是对本申请的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本申请的权利要求范围内都受到专利法的保护。

背景技术

当前，随着建筑行业的发展，混凝土用天然骨料资源面临日趋枯竭的趋势，急需寻求新的料源，且国内外在工民建行业早已把废弃混凝土、砂浆、砖瓦等作为混凝土再生骨料，用于城市建设中。

随着水利工程施工技术的不断发展，目前TBM隧洞掘进技术已在国际和国内广泛应用于水利水电、交通以及市政工程中。尤其是在长距离隧洞掘进施工中，相对于传统的隧道开挖方法，TBM隧洞掘进施工技术有无可比拟的优势，它能集掘进、衬砌、灌浆于一体，并通过采用电子信息、遥测遥控等先进技术对整个施工作业过程进行制导和监控，使隧道施工过程始终处于可控状态，施工进度快、质量高。2013年以来，山西省在大水网工程输水隧洞施工中，有四个标段采用了TBM隧道掘进技术。

TBM隧洞掘进施工，会产生大量的洞挖渣料(例如按洞径5m计算，每掘进1km就会产生约2.6万m³的渣料，而且采用TBM掘进隧洞长度一般在20～30km)。所产生的大量洞挖渣料，首先会占用大面积土地进行堆放，而且会造成环境污染和生态破坏，若进行渣场治理又要增加工程费用。

申请人发现，如能将洞挖料最大限度地再利用，预期效益十分可观。因此，开发将TBM洞挖渣料应用于混凝土原料中的方法具有重要意义。

发明内容

为了缓解混凝土天然骨料资源匮乏的问题，同时减少TBM洞挖渣料对环境的破坏，本申请提供TBM洞挖渣料在混凝土中的应用、混凝土及其制备。

第一方面，本申请提供一种TBM洞挖渣料在混凝土中的应用，采用如下技术方案：一种TBM洞挖渣料在混凝土中的应用，将所述TBM洞挖渣料作原材料之一应用于混凝土中，制备得到混凝土。

通过采用上述技术方案，能够减少TBM洞挖渣料对于环境的破坏，同时改善处理TBM洞挖渣料成本高的问题；同时，将TBM洞挖渣料变废为宝，应用于混凝土中，能够作为混凝土原材料中的粗骨料，且使得制备得到的混凝土满足C15-C25级别混凝土的要求，能够缓解目前存在的混凝土天然骨料资源匮乏的问题。在解决环境问题的同时，变废为宝，具有可观的预期效益，符合社会发展需求。

申请人发现，将TBM洞挖渣料变废为宝，应用于混凝土原材料中，首先大大减少了因堆渣所占用的土地面积，节约土地资源；而且减少因弃渣对工程区周围环境的破坏，对生态环境进行了有效的保护。既遵循了绿色施工的理念，又有利于形成节约资源和保护环境的空间格局，预期效益十分可观。

可选的，以重量份计，所述混凝土的原料中还包含197-345份的水泥、148-190份的水、587-830份的砂、0-961份的外掺石，且所述TBM洞挖渣料的添加量为619-1310份。

通过采用上述技术方案，使得混凝土的原材料简单、易得、价格便宜。制备得到的混凝土的28d抗压强度范围为19.0-29.4MPa，满足C15-C25级别混凝土对于28d抗压强度的要求。说明，TBM洞挖渣料具有能够作为混凝土粗骨料的潜质。不仅解决了TBM洞挖渣料量大、难以处理、容易造成环境破坏的问题，且提供了一种新型的混凝土粗骨料资源，具有重要的应用价值，满足社会发展需求。

可选的，所述外掺石的粒径为5-25mm。

可选的，所述混凝土的原料的水灰比为0.55-0.75。

通过采用上述技术方案，使得制备得到的混凝土具有优良的和易性、较高的抗压强度。

可选的，所述TBM洞挖渣料粒径为5-60mm，坍落度为70-90mm。

可选的，以重量份计，所述混凝土的原料中还包括1.9-3.1份的减水剂、0.02-0.04的引气剂。

通过采用上述技术方案，能够降低水泥用量，提高混凝土的抗冻、抗渗性能，并且当减水剂、引气剂的添加量分别位于上述范围内时，对制备得到的混凝土的性能检测结果的影响在可预期范围内。

可选的，所述减水剂为聚羧酸类减水剂，所述引气剂为DH₉引气剂。

通过采用上述技术方案，使得减水剂、引气剂原料简单、易得。

第二方面，本申请提供一种混凝土，采用如下技术方案：

一种混凝土，以重量份计，其包含197-345份的水泥、148-190份的水、587-830份的砂、0-961份的外掺石和619-1310份的TBM洞挖渣料。

通过采用上述技术方案，使得用TBM洞挖渣料制备的混凝土的原料简单易得，并且制备得到的混凝土的抗压强度满足C15-C20级别混凝土的要求，能够成功将TBM洞挖渣料应用于混凝土粗骨料中。

第三方面，本申请提供一种混凝土的制备方法，采用如下技术方案：

一种混凝土的制备方法，包括如下步骤：

步骤S1：将TBM洞挖料进行干燥；

步骤S2：将干燥后的TBM洞挖料与混凝土各原料混合，搅拌均匀，得到用TBM洞挖渣料制备的混凝土。

综上所述，本申请具有至少以下有益效果：

1.本申请通过将TBM洞挖渣料应用于混凝土粗骨料中，制备得到的混凝土满足中低强度混凝土对于抗压强度的要求，从而使得TBM洞挖渣料能够变废为宝，不仅能够解决处理TBM洞挖渣料成本高、对环境造成破坏的问题，还能够改善混凝土再生骨料资源匮乏的现状，符合社会发展需求；

2.本申请的用TBM洞挖骨料制备的混凝土，通过加入减水剂、引气剂，减少了混凝土中水泥用量，同时提高了混凝土的抗冻、抗渗性能。

具体实施方式

以下结合实施例对本发明作进一步详细说明。

原料及其性能水泥：采用山西华润福龙水泥有限公司生产的润丰牌42.5级普通硅酸盐水泥。

依据《通用硅酸盐水泥》(GB175-2007)对水泥的性能进行检测，检测结果如表1所示，水泥质量满足《通用硅酸盐水泥》(GB175-2007)中的标准要求。

表1水泥物理性能检验结果

天然砂：采用临县中部引黄TBM2标的天然砂。

依据《水工混凝土施工规程》(SL677-2014)对天然砂的物理性能进行检测，其物理性能检验结果如表2所示。天然砂的质量均满足《水工混凝土施工规程》(SL677-2014)中混凝用砂的标准要求。

表2临县中部引黄TBM2标天然砂物理性能检验结果

减水剂：采用河北外加剂厂生产的DH_3G减水剂。

依据《混凝土外加剂》(GB8076-2008)对减水剂的性能进行检测，检测结果如表3所示。减水剂的质量满足《混凝土外加剂》(GB8076-2008)中的相关标准。

表3减水剂的检测结果

引气剂：采用河北外加剂厂生产的DH₉引气剂。

依据《混凝土外加剂》(GB8076-2008)对减水剂的性能进行检测，检测结果如表4所示。引气剂的质量满足《混凝土外加剂》(GB8076-2008)中的相关标准。

表4引气剂的检测结果

TBM洞挖渣料：采用的TBM洞挖渣料选用位于山西省吕梁市临县的大水网中部引黄工程TBM2标段的隧洞开挖料。

依据《水工混凝土施工规范》(SL677-2014)对TBM洞挖渣料的物理性能进行检测，检测结果如表5所示；

依据《水工混凝土施工规范》(SL677-2014)对TBM洞挖渣料进行筛分，TBM洞挖渣料根据不同次的筛分结果将累计筛余率的平均值作为本申请用的粗骨料级配。每次试配时要对不同的TBM洞挖料进行筛分，并配制成平均级配。检测结果如表6所示。

TBM洞挖渣料的性能满足《水工混凝土施工规范》(SL677-2014)中混凝土用骨料标准要求。

表5 TBM洞挖渣料物理性能检测结果

表6 TBM洞挖渣料筛分检测结果

外掺石：产地为山西林县。

依据《水工混凝土施工规范》(SL677-2014)对外掺石进行筛分。检测结果如表7所示。

表7外掺石筛分检测结果

实施例

表8实施例1-5的混凝土中各原料含量(kg)及水灰比

实施例1

一种用TBM洞挖渣料制备的混凝土，其原料含量、水灰比如表8所示。

一种用TBM洞挖渣料制备的混凝土的制备方法，包括如下步骤：

步骤S1：将TBM洞挖料进行摊铺，翻晒；

步骤S2：将翻晒晾干的TBM洞挖料与用TBM洞挖渣料制备的混凝土的其余各原料加入至搅拌机中，搅拌至混合均匀，得到用TBM洞挖渣料制备的混凝土。

实施例2

一种用TBM洞挖渣料制备的混凝土，其和实施例1的区别之处在于，其原料含量和水灰比不同，具体如表8所示，其余均和实施例1相同。

实施例3

一种用TBM洞挖渣料制备的混凝土，其和实施例2的区别之处在于，其原料含量和水灰比不同，具体如表8所示，其余均和实施例2相同。

实施例4

一种用TBM洞挖渣料制备的混凝土，其和实施例3的区别之处在于，其原料含量和水灰比不同，具体如表8所示，其余均和实施例3相同。

实施例5

一种用TBM洞挖渣料制备的混凝土，其和实施例4的区别之处在于，其原料含量和水灰比不同，具体如表8所示，其余均和实施例4相同。

实施例1-5的性能检测

依据GB/T50081-2019《混凝土物理力学性能试样方法标准》对实施例1-5中制备得到的用TBM洞挖渣料制备的混凝土的28d抗压强度进行检测，检测结果如表9所示。

依据《水工混凝土试验规程》(DL/T5150-2001)，将实施例1-5中的水灰比取倒数，分别得到实施例1-5的灰水比，探究灰水比与28d抗压强度之间的线性关系。

按照混凝土配制强度公式，取强度保证率为84％(保证率系数t为0.840)，反算，得到配制抗压强度，如表11所示。

表9实施例1-5检测结果

从表9可以看出，本申请的用TBM洞挖渣料制备的混凝土的28d抗压强度的范围为19.0-29.4MPa，能够达到C15-C25级别的混凝土对28d抗压强度的要求。说明将TBM洞挖渣料应用于混凝土中，能够满足中低强度混凝土对于28d抗压强度的要求，因此，能够将TBM洞挖渣料作为中低强度混凝土的粗骨料，从而不仅缓解了混凝土用天然骨料资源匮乏的现状，同时还降低了大量TBM洞挖渣料对环境的污染和生态的破坏，降低了对大量TBM洞挖渣料进行渣场治理的工程费用，具有不可估量的效益。

实施例1-5中五种水灰比制备得到的用TBM洞挖渣料制备的混凝土28d抗压强度与灰水比关系曲线为：y＝19.459.114x-5.7732，r²＝0.9353，相关系数r＝0.967，依据《水工混凝土试验规程》(DL/T5150-2001)附录J回归分析，相关系数r越接近1，线性关系越好。说明，本申请中的用TBM洞挖渣料制备的混凝土的28d抗压强度与灰水比之间具有良好的线性关系。

此外，实施例1-5中制备得到的28d抗压强度分别为19.0MPa、23.6MPa、24.1MPa、26.6MPa、29.4MPa，按照混凝土配制强度公式(公式1)反算设计强度，五种水灰比，取强度保证率为84％(保证率系数t为0.840)。

f_cu,0＝f_cu,k+tσ 公式1

f_cu,0—混凝土配制强度/MPa；

f_cu,k—混凝土设计龄期的设计抗压强度强度/MPa；

t—保证率系数；

σ—混凝土强度标准差/MPa；

σ的取值如下表10所示。

表10标准差σ的选值表/MPa

表11配制抗压强度计算结果/MPa

	实施例1	实施例2	实施例3	实施例4	实施例5
						水灰比	0.75	0.70	0.65	0.60	0.55
设计抗压强度	C15	C20	C20	C20	C25
						配制抗压强度	17.9	23.36	23.36	23.36	28.36
实测抗压强度	19.0	23.6	24.1	26.6	29.4

从表11可以看出，当强度保证率为84％时，计算得到的实施例1的配制抗压强度为17.9MPa，其设计抗压强度为C15，实测得到的28d抗压强度为19.0MPa。实施例1中制备得到的用TBM洞挖渣料制备的混凝土的实测抗压强度高于其配制抗压强度1.1MPa，说明实施例1制备得到的用TBM洞挖渣料制备的混凝土的抗压强度，在强度保证率为84％时，满足C15级别混凝土的抗压强度要求。同样，实施例2-5中制备得到的用TBM洞挖渣料制备的混凝土的实测抗压强度分别高于其配制抗压强度。因此，实施例1-5中制备得到的用TBM洞挖渣料制备的混凝土，在强度保证率为84％时，分别满足C15、C20、C25级别混凝土的抗压强度要求，说明TBM洞挖渣料能够应用于混凝土中。

表12实施例6-20的混凝土原料含量(kg)和水灰比

注：外掺石占比为外掺石重量与外掺石和TBM洞挖渣料重量和的比值。

实施例6-20

实施例6-20的用TBM洞挖渣料制备的混凝土，其和实施例1的区别之处在于，其原料种类、原料含量和水灰比不同，具体如表12所示，其余均和实施例1相同。

对比例

对比例1

一种用TBM洞挖渣料制备的混凝土，其和实施例16的区别之处在于，用等量的外掺石替换TBM洞挖渣料，其余均和实施例16相同。

实施例6-20和对比例1的性能检测

依据GB/T50081-2019《混凝土物理力学性能试样方法标准》对实施例6-20及对比例1中制备得到的用TBM洞挖渣料制备的混凝土的7d、28d抗压强度进行检测；

依据SL/T 352-2020《水工混凝土实验规程》对实施例6-20及对比例1中制备得到的用TBM洞挖渣料制备的混凝土的实测表观密度(kg/m³)、坍落度(mm)、含气量(％)进行检测，检测结果如表13所示。

表13实施例6-20性能检测结果

从表13可以看出，本申请的用TBM洞挖渣料制备的混凝土在外掺石占比为0-75％、水灰比范围为0.55-0.75之间时，添加减水剂、引气剂后，制备得到的用TBM洞挖渣料制备的混凝土的实测表观密度范围为2350-2379kg/m³；坍落度范围为75.0-90.0mm；含气量范围为4.1-5.2％；7d抗压强度范围为10.8-25.9MPa；28d抗压强度的范围为15.1-32.7MPa。说明，本申请中的用TBM洞挖渣料制备的混凝土的性能、抗压强度能够满足C15-C25级别混凝土的要求。并且，添加减水剂、引气剂后制备得到的用TBM洞挖渣料制备的混凝土具有较为优良的抗冻性能、抗渗性能。抗渗等级均在W6以上，满足中低强度混凝土的性能要求。

从表12可以看出，实施例6-10中外掺石的占比为75％；实施例11-15中的外掺石占比为50％；实施例16-实施例20中的外掺石占比为0％。结合表13，可以看出，当外掺石占比为75％时，用TBM洞挖渣料制备的混凝土的7d抗压强度范围为10.8-20.2MPa；28d抗压强度的范围为15.1-27.4MPa；当外掺石占比为50％时，用TBM洞挖渣料制备的混凝土的7d抗压强度范围为11.8-25.9MPa；28d抗压强度的范围为17.0-32.7MPa；当外掺石占比为0％时，用TBM洞挖渣料制备的混凝土的7d抗压强度范围为10.6-18.2MPa；28d抗压强度的范围为15.8-25.6MPa。当不加入外掺石，制备得到的混凝土的抗压强度同样符合C15-C25级别混凝土的要求，且随着外掺石含量的升高，用TBM洞挖渣料制备的混凝土的7d抗压强度、28d抗压强度提高约2MPa。

此外，当外掺石占比为75％时，用TBM洞挖渣料制备的混凝土的冻融次数范围为50-250；当外掺石占比为50％时，用TBM洞挖渣料制备的混凝土的冻融次数范围为100-200；当外掺石占比为0％时，用TBM洞挖渣料制备的混凝土的冻融次数范围为150-300。可以看出，随着外掺石占比的降低，用TBM洞挖渣料制备的混凝土能够耐受的冻融次数呈上升趋势。当外掺石占比为75％时，用TBM洞挖渣料制备的混凝土的相对动弹性模量范围为65.1-95.3％；当外掺石占比为50％时，用TBM洞挖渣料制备的混凝土的相对弹性模量范围为67.2-86.5％；当外掺石占比为0％时，用TBM洞挖渣料制备的混凝土的相对弹性模量范围为79.1-88.1％。用TBM洞挖渣料制备的混凝土的相对弹性模量均在60％以上，符合混凝土对于相对弹性模量得到要求。并且，随着外掺石占比的提高，用TBM洞挖渣料制备的混凝土的相对弹性模量会出现降低的情况。并且随着外掺石含量的升高，抗渗等级相当，均为W6以上。

综上所述，掺入不同比例的外掺石，虽改善了混凝土粗骨料的级配，但对用TBM洞挖渣料制备的混凝土的抗压强度和抗渗性能影响不大，对混凝土的抗冻性能影响较大，随着掺加比例的增大，混凝土的抗冻性能呈现减弱趋势，故在现实施工中，不建议外掺标准骨料。最大限度利用TBM洞渣料，粗骨料全部使用TBM洞渣料更经济实惠。

通过对比例1和实施例16能够看出，当外掺石占比为100％时，制备得到的混凝土的7d抗压强度为11.7MPa，28d抗压强度为16.3MPa；当外掺石占比为0％，即TBM洞挖渣料占比为100％时，制备得到的混凝土的7d抗压强度为10.6MPa，28d抗压强度为15.8MPa。说明，以TBM洞挖渣料替换传统外掺石粗骨料时，混凝土的7d抗压强度为、28d抗压强度分别降低约1MPa，说明由TBM洞挖渣料作为粗骨料制备得到的混凝土的抗压强度与外掺石作为粗骨料得到的混凝土的抗压强度相当。此外，当外掺石占比为100％时，混凝土的相对动弹性模量为63.6％；当外掺石占比为0％，即TBM洞挖渣料占比为100％时，混凝土的相对动弹性模量为82.7％。说明，当以外掺石替换TBM洞挖渣料后，混凝土的抗冻性能降低。因此，TBM洞挖渣料替换传统的粗骨料应用于混凝土中，混凝土的抗压强度降低值在2MPa以下，并且抗冻性能提升，抗渗性能不变。然而，在建筑施工中，制备混凝土需要大量的粗骨料，成本高，并且TBM洞挖渣料作为废料，将其替代传统的粗骨料，不仅价格便宜，实现了变废为宝，减少了TBM洞挖渣料对于环境的破坏，同时还降低了处理TBM洞挖渣料需要的高额成本。因此，从经济效益角度来看，将TBM洞挖渣料替换传统的粗骨料具有重要意义。

表14实施例6-20灰水比及28d抗压强度/MPa

将实施例6-10的灰水比与28d抗压强度进行线性拟合，28d抗压强度与灰水比的关系曲线为：y＝31.136x-25.579，r²＝0.8596，相关系数r＝0.927；

将实施例11-15的灰水比与28d抗压强度进行线性拟合，28d抗压强度与灰水比的关系曲线为：：y＝17.584x-11.778，r²＝0.7535，相关系数r＝0.7535；

将实施例16-20的灰水比与28d抗压强度进行线性拟合，28d抗压强度与灰水比的关系曲线为：y＝22.362x-13.218，r²＝0.98，相关系数r＝0.99。

依据《水工混凝土试验规程》(DL/T5150-2001)附录J回归分析，相关系数r越接近1，线性关系越好。在外掺石占比一定的前提下，分别得到的三个回归曲线的相关系数r值分别为0.927、0.7535、0.99。说明，实施例6-20制备得到的用TBM洞挖渣料制备的混凝土的28d抗压强度与灰水比之间具有良好的线性相关性，符合中低强度混凝土要求。并且，当外掺石占比为0％时，制备得到的用TBM洞挖渣料制备的混凝土的28d抗压强度与灰水比之间的线性相关性最好。

本具体实施例仅仅是对本发明的解释，其并不是对本发明的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本发明的权利要求范围内都受到专利法的保护。

Claims

1.一种轻质再生混凝土，其特征在于：其由包括以下重量份的原料制成：水泥200-330份、粉煤灰50-90份、陶粒600-750份、硅灰160-210份、水150-180份、稻壳灰20-90份、混杂纤维20-50份、细骨料330-400份、再生粗骨料580-630份、改性废橡胶粉50-80份、聚羧酸减水剂5-10份；

其中，所述改性废橡胶粉为废橡胶粉经马来酸酐改性得到。

2.根据权利要求1所述的一种轻质再生混凝土，其特征在于：其由包括以下重量份的原料制成：水泥250-300份、粉煤灰65-80份、陶粒650-700份、硅灰175-205份、水160-170份、稻壳灰45-65份、混杂纤维30-40份、细骨料350-380份、再生粗骨料600-610份、改性废橡胶粉55-75份、聚羧酸减水剂6-8份。

3.根据权利要求1所述的一种轻质再生混凝土，其特征在于：所述陶粒的平均粒径为5-15mm，所述硅灰的平均粒径为0.1-0.2mm，所述稻壳灰的平均粒径为2-8mm。

4.根据权利要求1所述的一种轻质再生混凝土，其特征在于：所述混杂纤维由钢纤维、棕榈纤维原料制成，且钢纤维：棕榈纤维的重量配比为（15-36）：（5-14）。

5.根据权利要求1所述的一种轻质再生混凝土，其特征在于：所述细骨料为Ⅱ区砂，且Ⅱ区砂的平均粒径为0.5-0.2mm连续级配。

6.根据权利要求1所述的一种轻质再生混凝土，其特征在于：所述再生粗骨料为采用聚乙烯醇溶液进行表面改性处理的改性再生粗骨料。

7.根据权利要求6所述的一种轻质再生混凝土，其特征在于：所述再生粗骨料由废旧混凝土颗粒和废旧玻璃颗粒制成，且废旧混凝土颗粒与废旧玻璃颗粒的重量配比为（4-6）：（8-10）。

8.根据权利要求7所述的一种轻质再生混凝土，其特征在于：所述废旧混凝土颗粒的平均粒径为15-20mm，所述废旧玻璃颗粒的平均粒径为5-10mm。

9.根据权利要求1所述的一种轻质再生混凝土，其特征在于：所述改性废橡胶粉采用以下方法制备：在过氧化苯甲酰的作用下，用马来酸酐对废橡胶粉进行改性处理，得到改性废橡胶粉。

10.一种如权利要求1-9任一所述的轻质再生混凝土的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：将水泥、粉煤灰、陶粒、硅灰、稻壳灰、混杂纤维混合，并搅拌5-10min，得到混合物A；

S2：向混合物A中加入水、聚羧酸减水剂，继续搅拌20-30min，得到混合物B；

S3：向混合物B中加入细骨料、再生粗骨料、改性废橡胶粉，并搅拌5-10min，得到轻质再生混凝土。