CN114213077B - 一种基于盾构泥浆和再生砂粉的可控性低强度材料及其制备方法与应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于盾构泥浆和再生砂粉的可控性低强度材料及其制备方法与应用。本发明的基于盾构泥浆和再生砂粉的可控性低强度材料的组成包括胶凝材料、复配再生砂粉、盾构泥浆、减水剂、促凝剂和水，复配再生砂粉由粒径0.075mm～0.30mm的再生砂粉、粒径0.30mm～1.18mm的再生砂粉和粒径1.18mm～4.75mm的再生砂粉复配而成。本发明的可控性低强度材料的制备方法包括以下步骤：将胶凝材料、复配再生砂粉、盾构泥浆、减水剂、促凝剂和水混合均匀。本发明的可控性低强度材料的流动性高、稳定性高、强度可控，在保证高流动度的同时还避免了泌水，且其制备工艺简单、成本低廉，具有显著的社会效益与经济效益。

Description

一种基于盾构泥浆和再生砂粉的可控性低强度材料及其制备 方法与应用

技术领域

本发明涉及建筑材料技术领域，具体涉及一种基于盾构泥浆和再生砂粉的可控性低强度材料及其制备方法与应用。

背景技术

盾构施工过程中会产生大量高含水率的盾构泥浆，通常的处置方式是对其进行絮凝、压滤和干燥等操作后进行再利用，存在处理成本昂贵、处理过程复杂等问题，且在脱水干化后泥浆呈板结状，难以均匀分散，增加了后续再利用的难度。此外，在盾构施工的过程中，为了方便盾构机在地下的掘进作业，通常会在盾构机盘片上喷洒大量的发泡剂、油脂、泥岩分散剂等化学物质，这类化学物质进一步增大了盾构泥浆的再利用难度，且盾构泥浆处理不当还会污染环境。

目前，拆除的建筑废弃物主要是以再生骨料的形式加以再利用，在再生骨料的生产过程中会产生约40％的再生砂粉(粒径<4.75mm)，再生砂粉的级配差、细粉含量高、活性低，难以直接应用到砂浆、混凝土及其制品中，仅仅只能用于路基底基层等低端应用，利用的规模小，经济效益差，浪费了大量资源。

因此，亟需开发高含水率的工程盾构泥浆和再生砂粉的大规模、高附加值利用途径，促进其有效利用和原位消纳。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于盾构泥浆和再生砂粉的可控性低强度材料及其制备方法与应用。

本发明所采取的技术方案是：

一种基于盾构泥浆和再生砂粉的可控性低强度材料，其包括以下质量份的组分：

胶凝材料：50份～200份；

复配再生砂粉：500份～1100份；

盾构泥浆：300份～1200份；

减水剂：0份～8份；

促凝剂：0份～3份；

水：0份～400份。

优选的，所述胶凝材料为水泥、水泥与粒径<0.075mm的装修废弃物细粉组成的混合物中的一种。粒径<0.075mm的装修废弃物细粉可以替代部分水泥作为胶凝材料，替代率<60％。

优选的，所述水泥为硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥、复合硅酸盐水泥中的至少一种。

进一步优选的，所述水泥为强度等级≥42.5的硅酸盐水泥、强度等级≥42.5的普通硅酸盐水泥、强度等级≥42.5的复合硅酸盐水泥中的至少一种。

优选的，所述复配再生砂粉由废弃混凝土、废弃砂浆或废弃红砖经过破碎和筛分制得。

优选的，所述复配再生砂粉由粒径0.075mm～0.30mm的再生砂粉、粒径0.30mm～1.18mm的再生砂粉和粒径1.18mm～4.75mm的再生砂粉复配而成。

优选的，所述粒径0.075mm～0.30mm的再生砂粉、粒径0.30mm～1.18mm的再生砂粉、粒径1.18mm～4.75mm的再生砂粉的质量比为1:1.25～3.00:2.25～6.50。

优选的，所述盾构泥浆的含水率为30％～70％，颗粒粒径<80μm。

优选的，所述盾构泥浆由土压平衡法或泥水平衡法盾构工程产生的泥浆经过絮凝和浓缩制得。

优选的，所述减水剂为木质素类减水剂。木质素类减水剂可以调控可控低强度材料的流变性能和工作性能，改变其屈服应力和粘度，从而调控其工作性能，作用机理为：1)木质素磺酸盐中的Na⁺、K⁺等低价离子可以置换泥浆中的层状硅酸盐矿物表面的Ca²⁺，增加双电层厚度，增强泥浆颗粒表面的负电势，泥浆颗粒由团聚-絮凝状态转变为分散-反絮凝状态，释放出大量包裹的自由水；2)木质素磺酸盐为阴离子表面活性剂，吸附于水泥颗粒表面，在静电斥力作用下，水泥颗粒均匀分散，释放其包裹的自由水。

优选的，所述木质素类减水剂为木质素磺酸钠、木质素磺酸钙、木质素磺酸镁中的至少一种。

优选的，所述促凝剂为氢氧化钠、硅酸钠、氯化钙、三乙醇胺中的至少一种。

上述基于盾构泥浆和再生砂粉的可控性低强度材料的制备方法包括以下步骤：将胶凝材料、复配再生砂粉、盾构泥浆、减水剂、促凝剂和水混合均匀，即得基于盾构泥浆和再生砂粉的可控性低强度材料。

本发明的有益效果是：本发明的基于盾构泥浆和再生砂粉的可控性低强度材料的流动性高、稳定性高、强度可控，在保证高流动度的同时还避免了泌水，且其制备工艺简单、成本低廉，具有显著的社会效益与经济效益。

具体来说：

1)本发明利用可控低强度材料用水量高、细粉含量高、强度要求低等特点，无需对高含水率的盾构泥浆进行脱水干化处理便进行了直接利用，且通过颗粒级配设计，可以大宗量利用再生砂粉完全替代细骨料以及用细粉替代部分胶凝材料，同时可以充分利用造纸工业产生的木质素类废弃物调控可控低强度材料的流变性能、流动性、稳定性及抗离析等性能，工艺简单，成本低廉；

2)本发明采用的盾构泥浆的颗粒细小，其微集料效应可以改善可控低强度材料的力学性能，再生砂粉中含有部分未水化水泥和矿物掺合料，利用胶凝材料与再生砂粉中微细粉的活性叠加效应，可以降低胶凝材料的用量，节约成本，通过控制微细粉替代胶凝材料的比例，可以制备不同强度的可控性低强度材料，以适应不同回填工程的要求；

3)本发明制备可控性低强度材料时，充分考虑了不同废弃物的特点，充分发挥了不同废弃物的协同作用，能够实现高含水率的工程盾构泥浆和再生砂粉的高效利用，可以应用于市政、道路、工业与民用建筑等工程，实现废弃物的原位消纳、就近利用，具有显著的社会效益与经济效益。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步的解释和说明。

实施例1：

一种基于盾构泥浆和再生砂粉的可控性低强度材料，其组成如下表所示：

表1一种基于盾构泥浆和再生砂粉的可控性低强度材料的组成表

注：

复配再生砂粉：由废弃红砖、砂浆和混凝土经过破碎和筛分制得；

盾构泥浆：由土压平衡法盾构工程产生的泥浆经过絮凝和浓缩制得。

上述基于盾构泥浆和再生砂粉的可控性低强度材料的制备方法包括以下步骤：

将PO42.5普通硅酸盐水泥、粒径0.075mm～0.30mm的再生砂粉、粒径0.30mm～1.18mm的再生砂粉、粒径1.18mm～4.75mm的再生砂粉、盾构泥浆和水混合均匀，即得基于盾构泥浆和再生砂粉的可控性低强度材料。

实施例2：

一种基于盾构泥浆和再生砂粉的可控性低强度材料，其组成如下表所示：

表2一种基于盾构泥浆和再生砂粉的可控性低强度材料的组成表

注：

复配再生砂粉：由废弃红砖、砂浆和混凝土经过破碎和筛分制得；

盾构泥浆：由土压平衡法盾构工程产生的泥浆经过絮凝和浓缩制得。

上述基于盾构泥浆和再生砂粉的可控性低强度材料的制备方法包括以下步骤：

将PO42.5普通硅酸盐水泥、粒径0.075mm～0.30mm的再生砂粉、粒径0.30mm～1.18mm的再生砂粉、粒径1.18mm～4.75mm的再生砂粉、盾构泥浆、木质素磺酸钠和水混合均匀，即得基于盾构泥浆和再生砂粉的可控性低强度材料。

实施例3：

一种基于盾构泥浆和再生砂粉的可控性低强度材料，其组成如下表所示：

表3一种基于盾构泥浆和再生砂粉的可控性低强度材料的组成表

注：

复配再生砂粉：由废弃红砖、砂浆和混凝土经过破碎和筛分制得；

盾构泥浆：由土压平衡法盾构工程产生的泥浆经过絮凝和浓缩制得。

上述基于盾构泥浆和再生砂粉的可控性低强度材料的制备方法包括以下步骤：

将PO42.5普通硅酸盐水泥、粒径0.075mm～0.30mm的再生砂粉、粒径0.30mm～1.18mm的再生砂粉、粒径1.18mm～4.75mm的再生砂粉、盾构泥浆、木质素磺酸钠和水混合均匀，即得基于盾构泥浆和再生砂粉的可控性低强度材料。

实施例4：

一种基于盾构泥浆和再生砂粉的可控性低强度材料，其组成如下表所示：

表4一种基于盾构泥浆和再生砂粉的可控性低强度材料的组成表

注：

复配再生砂粉和粒径<0.075mm的再生砂粉：由废弃红砖、砂浆和混凝土经过破碎和筛分制得；

盾构泥浆：由土压平衡法盾构工程产生的泥浆经过絮凝和浓缩制得。

上述基于盾构泥浆和再生砂粉的可控性低强度材料的制备方法包括以下步骤：

将PO42.5普通硅酸盐水泥、粒径<0.075mm的再生砂粉、粒径0.075mm～0.30mm的再生砂粉、粒径0.30mm～1.18mm的再生砂粉、粒径1.18mm～4.75mm的再生砂粉、盾构泥浆、木质素磺酸钠和水混合均匀，即得基于盾构泥浆和再生砂粉的可控性低强度材料。

对比例1：

一种可控性低强度材料，其组成如下表所示：

表5一种可控性低强度材料的组成表

注：

盾构泥浆：由土压平衡法盾构工程产生的泥浆经过絮凝和浓缩制得。

上述可控性低强度材料的制备方法包括以下步骤：

将PO42.5普通硅酸盐水泥、中砂、盾构泥浆和水混合均匀，即得可控性低强度材料。

对比例2：

一种可控性低强度材料，其组成如下表所示：

表6一种可控性低强度材料的组成表

注：

盾构泥浆：由土压平衡法盾构工程产生的泥浆经过絮凝和浓缩制得。

上述可控性低强度材料的制备方法包括以下步骤：

将PO42.5普通硅酸盐水泥、中砂、盾构泥浆和水混合均匀，即得可控性低强度材料。

性能测试：

对实施例1～4和对比例1～2的可控性低强度材料进行性能测试，测试结果如下表所示：

表7实施例1～4和对比例1～2的可控性低强度材料的性能测试结果

注：

流动度：参照“ASTM D6103-2017”进行测试；

泌水率：参照“ASTM C940-2010”进行测试；

无侧限抗压强度：参照“ASTM D4832-2010”进行测试；

屈服应力和粘度：采用流变仪进行测试，最大剪切速率为150s^-1。

由表7可知：

1)实施例1～4的可控性低强度材料的流动度均满足高流动度(>200mm)要求，且泌水率低于4％；

2)对比例1的可控性低强度材料与对比例2的可控性低强度材料相比，泥浆份数由352增加至587，流动度大幅度下降；

3)实施例2的可控性低强度材料中，泥浆份数增加至821，加入木质素磺酸钠后，屈服应力大幅度下降，与对比例2相比，流动度由162mm增加至221mm，说明木质素磺酸钠可以有效调控改善可控低强度材料的工作性能；

4)实施例3的可控性低强度材料中减少水的重量份数，其28d无侧限抗压强度高至3.2MPa，满足结构回填应用要求；

5)实施例4的可控性低强度材料中，以50份粒径<0.075mm的再生砂粉替代普通硅酸盐水泥，普通硅酸盐水泥重量份数仅为100，其28d无侧限抗压强度仍可达到1.8MPa，可满足普通回填应用场所要求。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于盾构泥浆和再生砂粉的可控性低强度材料，其特征在于，包括以下质量份的组分：

胶凝材料：50份～200份；

复配再生砂粉：500份～1100份；

盾构泥浆：300份～1200份；

减水剂：3份～5份；

促凝剂：0份～3份；

水：9.5份～91.6份；

所述胶凝材料为水泥与粒径<0.075mm的装修废弃物细粉组成的混合物；

所述复配再生砂粉由粒径0.075mm～0.30mm的再生砂粉、粒径0.30mm～1.18mm的再生砂粉和粒径1.18mm～4.75mm的再生砂粉复配而成；

所述盾构泥浆的含水率为30%～70%，颗粒粒径<80μm；

所述粒径0.075mm～0.30mm的再生砂粉、粒径0.30mm～1.18mm的再生砂粉、粒径1.18mm～4.75mm的再生砂粉的质量比为1:1.25～3.00:2.25～6.50；

所述减水剂为木质素磺酸钠。

2.根据权利要求1所述的基于盾构泥浆和再生砂粉的可控性低强度材料，其特征在于：所述盾构泥浆由土压平衡法或泥水平衡法盾构工程产生的泥浆经过絮凝和浓缩制得。

3.根据权利要求1或2所述的基于盾构泥浆和再生砂粉的可控性低强度材料，其特征在于：所述促凝剂为氢氧化钠、硅酸钠、氯化钙、三乙醇胺中的至少一种。

4.根据权利要求1或2所述的基于盾构泥浆和再生砂粉的可控性低强度材料，其特征在于：所述复配再生砂粉由废弃混凝土、废弃砂浆或废弃红砖经过破碎和筛分制得。

5.权利要求1～4中任意一项所述的基于盾构泥浆和再生砂粉的可控性低强度材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：将胶凝材料、复配再生砂粉、盾构泥浆、减水剂、促凝剂和水混合均匀，即得基于盾构泥浆和再生砂粉的可控性低强度材料。

6.权利要求1～4中任意一项所述的基于盾构泥浆和再生砂粉的可控性低强度材料用于管沟回填、路面基层、管道垫层或结构回填的应用。