CN114262206A

CN114262206A - 一种利用水泥废水制备的碱激发混凝土

Info

Publication number: CN114262206A
Application number: CN202210057877.9A
Authority: CN
Inventors: 谢剑凯; 陈佩圆; 王成; 徐雅洁; 王永辉; 谭伟博; 李进; 方嘉思
Original assignee: Anhui University of Science and Technology
Current assignee: Anhui University of Science and Technology
Priority date: 2022-01-19
Filing date: 2022-01-19
Publication date: 2022-04-01

Abstract

本发明公开了一种利用水泥废水制备的碱激发混凝土，包括如下原料：水泥废水、碱性激发剂和矿渣。本发明使用水泥废水作为碱激发混凝土的拌合水来源，制备碱激发混凝土；利用水泥废水中的钠钙等离子辅助激发胶凝材料，促使形成强化胶结体，变废为宝、变害为宝，大幅简化水泥废水的处置和利用工艺，减轻建筑企业的经济、安全与环境负担，将废水经济价值提升至城市普通自来水水平，符合国家环保政策要求，应用前景巨大。

Description

一种利用水泥废水制备的碱激发混凝土

技术领域

本发明涉及水泥废水资源化利用领域，具体涉及一种利用水泥废水制备的碱激发混凝土。

背景技术

在混凝土生产拌合过程中，人们往往采用城市普通自来水作为拌合水。然而，该过程会产生大量水泥废水，并与水泥浆体一并排放到沉淀池中，不仅污染环境，而且还会渗透、侵蚀沉淀池，大量的水泥废水得不到解决，会危害人民群众的生命、财产安全。

通常情况下，混凝土搅拌站拌合混凝土时采用普通42.5硅酸盐水泥，水泥废水主要来源为沉淀池中分离的废水、从失效混凝土中分理出的废水和搅拌站清洗混凝土废水。在此过程中，水泥中的氢氧化钙、水化硅酸钙、大量未水化的粉料和水化产物等会溶于水中。可见，水泥废水成分十分复杂，且碱性较强，严重危害生态环境安全。同时，水泥废水在沉积过程中易产生有机质与磷酸盐。开展水泥废水的处置和资源化利用工作尤为必要。实际上，在水泥的处置利用方面，人们提出了不少方法，包括电化学沉积、光化学法、电化学净化等方法。但是上述方法的应用极其有限，主要是因为：一方面，上述方法工艺复杂，成本较高，不仅不能高效处置水泥废水，还会产生新的废物；另一方面，水泥废水成本较低，上述方法性价比低，推广应用难度高。

为克服现有技术的不足，本发明提出利用水泥废水作为拌合水来源制备碱激发混凝土，该方法高效、简单、绿色、彻底，应用前景非常广阔。碱激发混凝土是新型绿色胶凝材料，且具有快硬早强、水化热低、耐酸耐侵蚀性好等突出优点，在替代水泥方面潜力巨大。通常情况下，碱激发混凝土采用碱性激发剂激发矿渣、粉煤灰、偏高岭土等胶凝材料，激发剂包括NaOH、水玻璃、KOH等。从理论和实践上来说，使用水泥废水作为碱激发混凝土拌合水来源都是可行的，因为：1)水泥废水碱性较强，可以辅助激发矿渣；2)水泥废水中的有机物质在高碱环境中可被分解而失效；3)水泥废水含有较多Na⁺、Ca²⁺等离子，当使用水泥废水作为碱激发混凝土拌合水来源时，这些离子可辅助激发矿渣、粉煤灰、偏高岭土，促进水化产物形成，有利于混凝土的抗压强度发展与耐久性提升，实现变废为宝、变害为宝，大幅简化水泥废水的处置和利用工艺，显著提高其经济价值。

发明内容

本发明的目的是解决现有技术中存在的问题，使用水泥废水作为碱激发混凝土的拌合水来源，制备碱激发混凝土。利用水泥废水中的高碱性条件分解水泥废水中的有机质，固化磷酸盐；利用水泥废水中的钠钙等离子辅助激发胶凝材料，促使形成强化胶结体，变废为宝、变害为宝，大幅简化水泥废水的处置和利用工艺，显著提高其经济价值。

本发明采用的技术方案是：一种利用水泥废水制备的碱激发混凝土，包括如下原料：水泥废水、碱性激发剂和矿渣。

作为本发明的进一步改进，还包括城市普通自来水、砂、石子、纤维、减水剂、偏高岭土和粉煤灰。

作为本发明的进一步改进，其重量份组成为：矿渣189～423份，粉煤灰13～246份，偏高岭土13～246份，砂0～356份，石子0～385份，纤维0～26份，减水剂0～26份，碱性激发剂26～131份，城市普通自来水0～330份，水泥废水50～330份。

作为本发明的进一步改进，用于配置激发剂溶液的拌合水为不同比例的水泥废水与普通城市自来水，优选地，水泥城市和普通自来水废水的质量比例为1：1～1：2。

作为本发明的进一步改进，所述水泥废水是混凝土搅拌站拌合水泥后残余废水，优选地，水泥废水为废弃普通42.5硅酸盐水泥混凝土残余废水，其pH大于11。

作为本发明的进一步改进，所述碱性激发剂为NaOH、水玻璃、LiOH、Na₂SO₄、Na₂CO₃、MgO、石灰、KOH等的一种或多种混合物。

作为本发明的进一步改进，所述矿渣为市售高炉矿渣，优选地，高炉矿渣为S95级以上高炉矿渣，细度为200目占90％以上。

作为本发明的进一步改进，所述粉煤灰为市售粉煤灰，优选地，粉煤灰为二级以上粉煤灰，细度为200目占90％以上。

作为本发明的进一步改进，所述偏高岭土为市售煅烧高岭土粉，优选地，细度为400目占90％以上。

作为本发明的进一步改进，所述减水剂为聚羧酸减水剂，减水率大于30％。

作为本发明的进一步改进，所述纤维是短切纤维，优选地，纤维可为聚丙烯纤维、玄武岩纤维、碳纤维、钢纤维等的一种或几种混合物。

本发明的有益效果是：

(1)变废为宝。水泥废水成分复杂，含有水化硅酸钙，碱性较强，在沉淀池中不断侵蚀墙体，不断渗入地下水，造成严重的环境污染和安全问题。本发明提供的一种利用水泥废水制备的碱激发混凝土，大幅简化水泥废水的处置和利用工艺，减轻混凝土生产企业的经济、安全与环境负担，将废水经济价值提升至城市普通自来水水平，符合国家环保政策要求。

(2)变害为宝。水泥废水中不仅含有碱性和有机物成分，还有大量宝贵钠钙等离子。本发明提供的一种利用水泥废水制备的碱激发混凝土，使用水泥废水作为碱激发混凝土的拌合水来源，制备碱激发混凝土，不仅可协同利用碱激发混凝土的高碱环境分解水泥废水中的有机物质，而且还可以利用水泥废水中的高碱性环境和钠钙等离子辅助激发胶凝材料，促使形成强化胶结体，具有突出的经济、社会、环保效益，应用前景巨大。

附图说明：

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例1的各基准组不同龄期抗压强度；

图2是本发明实施例1的各基准组碱激发矿渣的凝结时间；

图3是本发明实施例1的经核磁共振测得的各基准组28天试块的孔隙率。

具体实施方式：

为使本发明更加容易理解以及技术方案、优点更加清楚明白，下面结合实施例及附图，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。下列实施例中未提及的具体实验方法，通常按常规实验方法进行。

实施例1：

本发明提供的一种利用水泥废水制备的碱激发混凝土，包括矿渣，砂，MgO，不同比例的水泥和城市普通自来水生产的水泥废水。具体重量份(kg)配比如表1所示，

表1

项目	矿渣	砂	MgO	水泥废水	普通城市自来水
						基准组1	379	450	22.76	0	171
基准组2	379	450	22.76	171	0
						基准组3	379	450	22.76	85.5	85.5
基准组4	379	450	22.76	57	114
						基准组5	379	450	22.76	42.75	128.25

其中：矿渣为S105级高炉矿渣，表观密度2800kg/m³，BET比表面积，425m²/kg；砂为普通河砂，细度模数是2.5；MgO为粉末状分析纯药剂；水泥废水来自淮南市混凝土搅拌站，为澄清废水，pH为12，按照表1所示配比制备碱激发砂浆，将其浇筑在40mm×40mm×160mm模具中，放入温度为20±2℃、相对湿度大于95％的标准养护室养护1天。之后，将试块拆模，并分别养护至3天、7天、28天龄期。使用压力机测试不同龄期试块的抗压强度。另外，采用水泥维卡仪表1所示净浆(不含砂)的凝结时间，采用MesoMR23-060V-1低场核磁共振仪分析28天砂浆试块的孔结构。表3给出了基准组1～基准组5在3天、7天和28天龄期的抗压强度(单位：MPa)，

表3

从表3和图1可以看出，采用水泥废水作为拌合水来源制备激发剂是可行的，在各个龄期不会降低混凝土的抗压强度。所有龄期采用水泥废水作为拌合用水时，均对强压强度有所提高。图2是各基准组碱激发矿渣的凝结时间，可以看出，采用水泥废水作为拌合水来源，总体上可促进碱矿渣水泥的凝结，减少矿渣的凝结时间。图3是核磁共振测得的各基准组28天试块的孔结构图，可以看出，不同浓度水泥废水从总体上降低了混凝土的孔隙率，使得混凝土更加密实。上述结果充分证明了使用水泥废水作为碱激发矿渣混凝土拌合水来源制备激发剂是可行的，对混凝土的强度具有积极的促进作用，因而应用前景广阔。

实施例2：

本发明提供的一种利用水泥废水制备的碱激发混凝土，包括矿渣，砂，石子，玄武岩纤维，MgO，城市普通自来水，水泥废水。具体重量份(kg)配比如表4所示，

表4

其中：矿渣为S105级高炉矿渣，表观密度2800kg/m3，BET比表面积，425m2/kg；砂为普通河砂，细度模数是2.5；MgO为粉末状分析纯药剂；水泥废水来自淮南市混凝土搅拌站，为澄清废水，pH为12。

按照表4所示配比制备混凝土，将其浇筑在边长为150mm的立方体钢模具中，放入温度为20±2℃、相对湿度大于95％的标准养护室养护1天。之后，将试块拆模，并分别养护至3天、7天和28天龄期。使用压力机测试不同龄期碱激发混凝土的抗压强度，3个试块为一组，测试结果取平均值。表5为3个基准组的抗压强度(单位：MPa)。

表5

可以看到，与基准组6相比，基准组7和基准组8的各龄期抗压强度均较高，未出现抗压强度降低的现象，这充分证明使用水泥废水制备碱激发混凝土是可行的。按照GB50010《混凝土结构设计规范》关于混凝土强度等级的规定，基准组6、基准组7和基准组8的混凝土强度等级分别为C30、C35和C35，满足相关工程使用要求。

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。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

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

1.一种利用水泥废水制备的碱激发混凝土，其特征是包括如下原料：水泥废水、碱性激发剂和矿渣。

2.根据权利要求1所述的一种利用水泥废水制备的碱激发混凝土，其特征是还包括城市普通自来水、砂、石子、纤维、减水剂、偏高岭土和粉煤灰。

3.根据权利要求2所述的一种利用水泥废水制备的碱激发混凝土，其特征是其重量份组成为：矿渣189～423份，粉煤灰13～246份，偏高岭土13～246份，砂0～356份，石子0～385份，纤维0～26份，减水剂0～26份，碱性激发剂26～131份，城市普通自来水0～330份，水泥废水50～330份。

4.根据权利要求2所述的一种利用水泥废水制备的碱激发混凝土，其特征是拌合水为不同比例的水泥和城市普通自来水搅拌残余废水，优选地，水泥和城市普通自来水的质量比例为1：1～1：2。

5.根据权利要求1所述的一种利用水泥废水制备的碱激发混凝土，其特征是搅拌站废弃混凝土或搅拌车等的冲洗废水，优选地，水泥废水为废弃普通42.5硅酸盐水泥混凝土残余废水，其pH大于11。

6.根据权利要求1所述的一种利用水泥废水制备的碱激发混凝土，其特征是碱性激发剂为NaOH、水玻璃、LiOH、Na₂SO₄、Na₂CO₃、MgO、石灰、KOH等的一种或多种混合物。

7.根据权利要求1所述的一种利用水泥废水制备的碱激发混凝土，其特征是矿渣为市售高炉矿渣，优选地，高炉矿渣为S95级以上高炉矿渣，细度为200目占90％以上。

8.根据权利要求2所述的一种利用水泥废水制备的碱激发混凝土，其特征是粉煤灰为市售粉煤灰，优选地，粉煤灰为二级级以上粉煤灰，细度为200目占90％以上。

9.根据权利要求2所述的一种利用水泥废水制备的碱激发混凝土，其特征是减水剂为聚羧酸减水剂，减水率大于30％。

10.根据权利要求2所述的一种利用水泥废水制备的碱激发混凝土，其特征是偏高岭土为市售煅烧高岭土粉，优选地，细度为400目占90％以上。

11.根据权利要求2所述的一种利用水泥废水制备的碱激发混凝土，其特征是纤维为聚丙烯纤维、玄武岩纤维、碳纤维、钢纤维等的一种或几种混合物。