CN115073086A

CN115073086A - 一种废弃新拌混凝土再生的改性混凝土及其制备方法

Info

Publication number: CN115073086A
Application number: CN202210655929.2A
Authority: CN
Inventors: 张道明; 王维成; 王悦; 马新伍
Original assignee: Heilongjiang Xinyu Cement Products Co ltd; Qiqihar University
Current assignee: Heilongjiang Xinyu Cement Products Co ltd; Qiqihar University
Priority date: 2022-06-10
Filing date: 2022-06-10
Publication date: 2022-09-20

Abstract

一种废弃新拌混凝土再生的改性混凝土及其制备方法，它涉及混凝土再生的方法，它是要解决当前废弃新拌混凝土再生利用率低、再生成本高、周期长、冲洗造成水污染等技术问题。本发明的改性混凝土由纳米硅溶胶、水泥、水、细骨料、粗骨料、减水剂和废弃新拌混凝土组成。制法：将水泥、细骨料、粗骨料干拌合，再加入废弃新拌混凝土拌合，得到拌合物；将水、减水剂和纳米硅溶胶混合均匀，得到拌合水；将拌合水加入到拌合物中混合均匀，得到废弃新拌混凝土再生的改性混凝土。该改性混凝土，养护28d后的早期抗压强度达到28～35.2MPa，早期劈裂抗拉强度达到3.0～3.3MPa，坍落度在130～175mm，可用于建筑领域。

Description

一种废弃新拌混凝土再生的改性混凝土及其制备方法

技术领域

本发明涉及再生的改性混凝土及其制备方法，属于建筑材料中混凝土材料领域。

背景技术

预拌混凝土中因超量订购、运输超时、配合比失误等原因，而在搅拌站废弃的塑性混凝土量占日产量的3％左右，这种废弃新拌混凝土再生利用率较低，一直是困扰工程界的难点问题。目前针对此类废弃新拌混凝土的再生利用方法是将骨料经过筛分、冲洗等方式分离出来并重新制备再生混凝土，该方法虽能够实现骨料的再生利用，但因处理成本较高、再生骨料制作周期较长、冲洗过程中产生过多的废水而污染环境。此外，相比与普通混凝土，上述方法制备的再生混凝土骨料表面附着大量旧水泥砂浆，孔隙及微裂缝较多，使其制备的再生混凝土的早期抗压强度、劈裂抗拉强度等均低于普通混凝土，无法满足工程需要。

发明内容

本发明是要解决当前废弃新拌混凝土再生利用率低、再生成本高、周期长、冲洗造成水污染等技术问题，而提出的一种废弃新拌混凝土再生的改性混凝土及其制备方法，以增强所制备混凝土的早期力学性能，提高废弃新拌混凝土的再生利用率。

本发明的废弃新拌混凝土再生的改性混凝土，按重量百分比由0.1％～1％的纳米硅溶胶、10％～12％的水泥、5％～5.5％的水、20％～24％的细骨料、30％～33％的粗骨料、0.1％～0.2％的减水剂和24.3％～34.8％的废弃新拌混凝土混合而成。

更优选的，所述的废弃新拌混凝土为商混站中预拌制混凝土拌合后放置120～180min未浇筑使用的废弃塑性混凝土。该废弃新拌混凝土的工作性能无法满足浇筑要求。

更优选的，所述的水泥为P.O 42.5普通硅酸盐水泥。

更优选的，所述的细骨料为过筛去除杂质的天然河砂，筛网孔径≤5mm，颗粒级配满足规范JDJ 52中的规定。

更优选的，所述粗骨料为天然碎石，粒径为5～31mm，颗粒级配满足规范JDJ 52中的规定。

更优选的，所述的减水剂为聚羧酸减水剂，用于改善混凝土工作性能。

更优选的，所述的纳米硅溶胶为碱性纳米硅溶胶，pH值为8～10，纳米二氧化硅粒径为15±5mm，纳米硅溶胶中纳米二氧化硅的质量百分数为30％。

上述的废弃新拌混凝土再生的改性混凝土的制备方法，按以下步骤进行：

一、按重量百分比称取0.1％～1％的纳米硅溶胶、10％～12％的水泥、5％～5.5％的水、20％～24％的细骨料、30％～33％的粗骨料、0.1％～0.2％的减水剂、24.3％～34.8％的废弃新拌混凝土；

二、将步骤一称取的水泥、细骨料、粗骨料进行干拌合，获得预拌物；

三、将废弃新拌混凝土并与预拌物进行干拌合，获得拌合物；

四、将水、减水剂和纳米硅溶胶混合搅拌均匀，得到拌合水；

五、将拌合水加入到拌合物中混合搅拌，得到废弃新拌混凝土再生的改性混凝土。

更优选的，步骤二中，所述的干拌合的搅拌的速度为130～150r/min、搅拌时间为2～3min。

更优选的，步骤三中，所述的干拌合的搅拌的速度为130～150r/min、搅拌时间为2～3min。

更优选的，步骤五中，所述的混合搅拌的搅拌速度为130～150r/min、搅拌时间为3～5min。

更优选的，步骤四中，所述拌合水混合方法如下，先将水与减水剂混合均匀后，再加入纳米硅溶胶，放于超声清洗器中超声振动混合均匀，得到拌合水。

本发明提以废弃新拌混凝土部分取代预拌制混凝土直接再生制备混凝土，并掺入纳米硅溶胶作为辅助胶凝材料，制备出一种新型混凝土材料，具有以下有益效果：

本发明将废弃新拌混凝土按取代率直接取代部分预拌混凝土直接制备混凝土，取材简单，绿色环保，再生成本低廉，避免传统再生骨料破碎冲洗产生大量废水、废渣污染环境的问题，提高了建筑材料的循环利用率，具有良好的经济效益和环保效益。

本发明在制备混凝土时，掺入碱性纳米硅溶胶作为辅助胶凝材料，在碱性环境下纳米硅溶胶中硅酸大量析出，使水泥熟料C₃S水解后形成的富硅层中硅酸含量大大增加，电荷平衡作用使得富硅层不断吸附Ca²⁺，导致水泥颗粒不断被加速溶解，有效促进了水化反应，并增加了代表主要水化产物C-S-H凝胶结构的硅氧四面体的聚合度，硅氧四面体从孤立到二聚、三聚至一定长的链结构，有效增强了水泥浆体强度及其与骨料间的胶凝联结性，使制备的改性混凝土早期力学性能得到显著提升。同时，碱性纳米硅溶胶作为辅助胶凝材料，还可以与水化产物氢氧化钙反应生成C-S-H凝胶，对混凝土内部孔隙、裂缝进行填充，弥补了混凝土界面过渡区的粘结强度低的缺点，有效缓解因界面过渡区内氢氧化钙富集和定向排列引起的界面过渡区劣化，而使混凝土力学性能劣化的现象，从而提高废弃混凝土的早期力学性能和耐久性能。

本发明在制备过程中，将废弃新拌混凝土预先与预拌混凝土进行干拌合，可使废弃新拌混凝土中水泥浆体、骨料与预拌混凝土中水泥、骨料均匀混合在一起，增强了新旧水泥浆体与骨料间粘结性，提升了混凝土的早期力学性能。

本发明在制备过程中，先将聚羧酸减水剂与水充分混合，再加入纳米硅溶胶放入超声波清洗器中超声波振动，利用聚羧酸减水剂的分散作用及润滑作用及超声波振动在液体内产生的空化效应，有效控制纳米硅溶胶因自身比表面积大而发生的团聚效应，提升辅助胶凝材料的改性效率。同时，掺入聚羧酸减水剂，可降低拌合用水量，有效控制水灰比，改善混凝土的工作性能，减少水泥浆体与骨料间的空隙，提升了混凝土的早期力学性能。

本发明的废弃新拌混凝土再生的改性混凝土，养护28d后的早期抗压强度达到28～35.2MPa，早期劈裂抗拉强度达到3.0～3.3MPa，坍落度在130～175mm，可应用于建筑领域。

附图说明

图1为实施例2、对比例1、对比例2样品的X射线衍射测试分析图；

图2为养护28d的实施例2、对比例1、对比例2样品的FT-IR图谱；

图3为养护28d的对比例2的样品的SEM扫描电镜图；

图4为养护28d的实施例2的样品的SEM扫描电镜图。

具体实施方式

用下面的具体实施例进一步阐述本发明的有益效果。

实施例1：本实施例的废弃新拌混凝土再生的改性混凝土的制备方法，按以下步骤进行：

一、原料准备：

(1)先制备废弃新拌混凝土，该废弃新拌混凝土是按质量百分比由15％的P.O42.5普通硅酸盐水泥、7.4％的自来水、31.7％的细骨料、45.7％的粗骨料、0.2％的减水剂在HJW-60型单卧轴混凝土搅拌机中以140r/min的速度混合搅拌200s后，再静置120min得到的，该废弃新拌混凝土；该废弃新拌混凝土由于静置时间过长，工作性能无法满足浇筑要求；

(2)再按重量百分比称取0.75％的纳米硅溶胶、10.4％的P.O 42.5普通硅酸盐水泥、5.1％自来水、22％的细骨料、31.8％的粗骨料、0.15％的减水剂、29.8％的步骤一(1)制备的废弃新拌混凝土；

步骤一的(2)所述的纳米硅溶胶为pH值为9的碱性纳米硅溶胶，纳米硅溶胶中纳米二氧化硅粒径为15±5mm，纳米硅溶胶中纳米二氧化硅的质量百分数为30％；

步骤一的(1)和(2)中所述的细骨料均为通过5mm筛网过筛去除杂质的天然河沙，天然河沙的细度模数为2.3，属于中砂；

步骤一的(1)和(2)中所述的粗骨料均为粒径5～31mm的天然碎石，天然碎石的连续粒级满足5～31mm的公称粒级标准；

步骤一的(1)和(2)中所述的减水剂均为聚羧酸减水剂；

二、将步骤一(2)中称取的水泥、细骨料、粗骨料加入到HJW-60型单卧轴混凝土搅拌机中以130r/min的速度混合搅拌140s，获得预拌物；

三、将步骤一(2)中称取的废弃新拌混凝土与步骤二得到的预拌物加入到搅拌机中以130r/min的速度混合搅拌140s，获得拌合物；

四、将自来水和减水剂先搅拌混合均匀，再加入纳米硅溶胶，然后用GT SONIC-P型超声波清洗器超声振动600s，得到拌合水；

五、将步骤四得到的拌合水加入到步骤三得到的拌合物中，在搅拌速度为150r/min的条件下搅拌4min，得到废弃新拌混凝土再生的改性混凝土。

实施例2：本实施例的废弃新拌混凝土再生的改性混凝土的制备方法，按以下步骤进行：

一、原料准备：

(1)先制备废弃新拌混凝土，该废弃新拌混凝土是按质量百分比由15％的P.O42.5普通硅酸盐水泥、7.2％的自来水、31.8％的细骨料、45.8％的粗骨料、0.2％的减水剂在HJW-60型单卧轴混凝土搅拌机中以140r/min的速度混合搅拌200s后，再静置120min，得到废弃新拌混凝土，该废弃新拌混凝土由于静置时间过长，工作性能无法满足浇筑要求；

(2)再按重量百分比称取0.45％的纳米硅溶胶、10.4％的P.O 42.5普通硅酸盐水泥、5.2％自来水、22.1％的细骨料、31.8％的粗骨料、0.15％的减水剂、29.9％的步骤一(1)制备的废弃新拌混凝土；

步骤一的(2)所述的纳米硅溶胶为pH值为8的碱性纳米硅溶胶，纳米硅溶胶中纳米二氧化硅粒径为15±5mm，纳米硅溶胶中纳米二氧化硅的质量百分数为30％；

步骤一的(1)和(2)中所述的减水剂均为聚羧酸减水剂；

二、将步骤一(2)中称取的水泥、细骨料、粗骨料加入到HJW-60型单卧轴混凝土搅拌机中以140r/min的速度混合搅拌150s，获得预拌物；

三、将步骤一(2)中称取的废弃新拌混凝土与步骤二得到的预拌物加入到搅拌机中以140r/min的速度混合搅拌150s，获得拌合物；

四、将自来水和减水剂先混合搅拌均匀，再加入纳米硅溶胶，然后用超声波清洗器超声振动450s，得到拌合水；

实施例3：本实施例的废弃新拌混凝土再生的改性混凝土的制备方法，按以下步骤进行：

一、原料准备：

(1)先制备废弃新拌混凝土，该废弃新拌混凝土是按质量百分比由15％的P.O42.5普通硅酸盐水泥、7.5％的自来水、31.5％的细骨料、45.8％的粗骨料、0.2％的减水剂在HJW-60型单卧轴混凝土搅拌机中以140r/min的速度混合搅拌200s后，再静置120min，得到废弃新拌混凝土，该废弃新拌混凝土由于静置时间过长，工作性能无法满足浇筑要求；

(2)再按重量百分比称取0.15％的纳米硅溶胶、10.5％的P.O 42.5普通硅酸盐水泥、5.2％自来水、22％的细骨料、32％的粗骨料、0.15％的减水剂、30％的步骤一(1)制备的废弃新拌混凝土；

步骤一的(2)所述的纳米硅溶胶为pH值为10的碱性纳米硅溶胶，纳米硅溶胶中纳米二氧化硅粒径为15±5mm，纳米硅溶胶中纳米二氧化硅的质量百分数为30％；

步骤一的(1)和(2)中所述的减水剂均为聚羧酸减水剂；

二、将步骤一(2)中称取的水泥、细骨料、粗骨料加入到HJW-60型单卧轴混凝土搅拌机中以150r/min的速度混合搅拌160s，获得预拌物；

三、将步骤一(2)中称取的废弃新拌混凝土与步骤二得到的预拌物加入到搅拌机中以150r/min的速度混合搅拌160s，获得拌合物；

四、将自来水和减水剂先混合搅拌均匀，再加入纳米硅溶胶，然后用超声波清洗器超声振动480s，得到拌合水；

五、将步骤四得到的拌合水加入到步骤三得到的拌合物中，在搅拌速度为150r/min的条件下搅拌5min，得到废弃新拌混凝土再生的改性混凝土。

对比例1：制备作为对比的普通混凝土，即按质量百分比称取15％的P.O 42.5普通硅酸盐水泥、7.5％的自来水、31.5％的细骨料、45.8％的粗骨料和0.15％的减水剂并加入到HJW-60型单卧轴混凝土搅拌机中，以140r/min的速度混合搅拌210s后，得到作为对比的普通混凝土；其中所述的细骨料均为通过5mm筛网过筛去除杂质的天然河沙，天然河沙的细度模数为2.3，属于中砂；所述的粗骨料均为粒径5～31mm的天然碎石，天然碎石的连续粒级满足5～31mm的公称粒级标准；所述的减水剂为聚羧酸减水剂；

对比例2：制备作为对比的废弃新拌混凝土再生但未添加纳米硅溶胶改性的混凝土，步骤如下：

一、材料准备：

(1)先制备废弃新拌混凝土，该废弃新拌混凝土是按质量百分比由15％的P.O42.5普通硅酸盐水泥、7.5％的自来水、31.5％的细骨料、45.8％的粗骨料、0.2％的减水剂在HJW-60型单卧轴混凝土搅拌机中以140r/min的速度混合搅拌210s后，再静置120min，得到废弃新拌混凝土，该废弃新拌混凝土由于静置时间过长，工作性能无法满足浇筑要求；

(2)再按重量百分比称取10.5％的P.O 42.5普通硅酸盐水泥、5.2％自来水、22.15％的细骨料、32％的粗骨料、0.15％的减水剂、30％的步骤一制备的废弃新拌混凝土；

步骤一的(1)和(2)中所述的减水剂均为聚羧酸减水剂；

四、将自来水和减水剂先搅拌混合均匀，得到拌合水；

五、将步骤四得到的拌合水加入到步骤三得到的拌合物中，在搅拌速度为150r/min的条件下搅拌5min，得到废弃新拌混凝土再生但未改性的混凝土。

将实施例1～3、对比例1～2所得的混凝土材料进行早期抗压强度、早期劈裂抗拉强度、坍落度测试，所得结果列于表1中。其中抗压强度、劈裂抗拉强度的测试标准参照《混凝土物理力学性能试验方法标准》(GB/T50081-2019)，坍落度的测定标准参照《GB/T50080-2002普通混凝土拌合物性能试验方法标准》。

表1实施例1～3和对比例1～2所得改性混凝土的性能测试结果

对实施例2及对比例1、对比例2养护28d的样品在速率0.5θ°/min，角度5-60°范围条件下进行X射线衍射测试，结果如图1所示。由图1可知，上述3种样品在2θ＝32.7°存在明显的水泥熟料硅酸三钙的特征衍射峰，在2θ＝34.1°存在水化产物氢氧化钙的特征衍射峰。对比硅酸三钙的特征衍射峰发现，对比例2制备的废弃新拌混凝土再生但未改性的混凝土的特征衍射峰高于对比例1的普通混凝土，实施例2废弃新拌混凝土再生的改性混凝土的特征衍射峰大幅低于对比例2的混凝土，甚至低于对比例1普通混凝土。作为水泥熟料的主要成分，C₃S越小则水化后期熟料矿物转化为C-S-H凝胶的含量越高，这说明掺入纳米硅溶胶能够加快水泥熟料的水化反应，提升废弃新拌混凝土再生的改性混凝土的早期力学性能。对比氢氧化钙的特征衍射峰发现，实施例2的废弃新拌混凝土再生的改性混凝土的特征衍射峰低于对比例2，这是因为所用纳米硅溶胶具有高火山灰活性，pH值呈碱性，在碱性条件下，纳米二氧化硅与氢氧化钙反应生成C-S-H凝胶，消耗了部分氢氧化钙，使氢氧化钙含量降低，一定程度上可提高再生新拌混凝土的早期力学性能。

利用谢乐公式对实施例2及对比例1、对比例2的水化产物氢氧化钙晶体粒径尺寸进行计算分析，所得结果利于表2中。

表2水化产物氢氧化钙的晶粒尺寸

组分	实施例2	对比例1	对比例2
				晶体粒径/nm	47.96	58.01	64.34

由表2可知，实施例2废弃新拌混凝土再生的改性混凝土与对比例1普通混凝土和对比例2废弃新拌混凝土再生但未改性的混凝土相比，氢氧化钙的晶粒尺寸分别降低了20.9％、34.2％，这说明所制备的改性混凝土的氢氧化钙晶粒尺寸得到细化，有效缓解因界面过渡区内氢氧化钙富集和定向排列引起的混凝土力学性能劣化现象。

对实施例2及对比例1、对比例2养护28d的样品在400～4000cm^-1范围内进行FT-IR测试，结果如图2所示。水化产物C-S-H凝胶是影响水泥浆体强度的重要因素，一般由其硅氧四面体聚合度来表示他的结构，且聚合度与钙硅比密切相关。由图2可知，养护28d的对比例1普通混凝土在974cm^-1位置有明显的Q₂硅氧四面体的Si-O伸缩振动吸收峰，而实施例2废弃新拌混凝土再生的改性混凝土Si-O伸缩振动吸收峰波数高于对比例1和对比例2，说明实施例2水化产物C-S-H凝胶的硅氧四面体聚合度高于对比例1和对比例2，聚合度的增加一定程度上加快了水化反应速度，增强了水泥浆体强度和胶凝性，提升了混凝土的早期力学性能。

实施例2制备的废弃新拌混凝土再生的改性混凝土与对比例2制备的废弃新拌混凝土再生但未改性的混凝土，均在标准条件下养护28d的制备样件，对比例2制备的废弃新拌混凝土再生但未改性的混凝土样件的扫描电镜图像如图3所示，实施例2制备的废弃新拌混凝土再生的改性混凝土的样件的扫描电镜图像如图4所示，从图3可以看出，再生混凝土内部结构密实性较差，水泥浆体表面、新旧浆体间、浆体与骨料间含有较多的孔隙及裂缝，ITZ界面过渡区较为薄弱，这是造成再生混凝土力学性能劣化的主要因素之一，放大后可以看到，浆体含有少量簇族状C-S-H凝胶、片状氢氧化钙及针状钙矾石(AFt)等，凝胶、结晶物与骨料间联结较为松散。与之相比，由图4可知，实施例2废弃新拌混凝土再生改性的混凝土内部浆体表面孔隙被填充，新旧浆体间、浆体与骨料间结合良好，形成了一个密实性很高的整体，界面过渡区更加致密，放大后可以看到，掺入辅助胶凝材料后生成了大量C-S-H凝胶，C-S-H凝胶与AFt等结晶物无序的交织在一起，填充至孔隙中，凝胶、结晶物与骨料间紧密联结，使混凝土早期力学性能得到显著提升。

对实施例2及对比例2的混凝土养护28d的样品进行EDS面扫描测试，获得的各元素含量如表3所示。

表3对比例2与实施例2的元素的原子含量对比

由表3可知，对比例2废弃新拌混凝土再生但未改性的混凝土中含有氧、镁、铝、硅、钾、钙、铁等元素，且Ca/Si(钙硅比)＝2.14，而实施例2废弃新拌混凝土再生改性的混凝土Ca/Si＝1.36，Ca/Si在C-S-H(I)型凝胶(Ca/Si＝0.8～1.5)之间，说明C-S-H(I)型凝胶为实施例2废弃新拌混凝土再生改性的混凝土的主要水化产物，Ca/Si下降了0.78，说明掺入纳米硅溶胶增大了硅氧四面体聚合度，并加快了水化反应速度，一定程度上增强了混凝土的早期力学性能。

Claims

1.废弃新拌混凝土再生的改性混凝土，其特征在于该混凝土按重量百分比由0.1％～1％的纳米硅溶胶、10％～12％的水泥、5％～5.5％的水、20％～24％的细骨料、30％～33％的粗骨料、0.1％～0.2％的减水剂、24.3％～34.8％的废弃新拌混凝土组成。

2.根据权利要求1所述的废弃新拌混凝土再生的改性混凝土，其特征在于所述的废弃新拌混凝土为商混站中未浇筑使用的废弃塑性混凝土，所述废弃塑性混凝土为预拌制混凝土拌合后放置120～180min未浇筑使用。

3.根据权利要求1或2所述的废弃新拌混凝土再生的改性混凝土，其特征在于，所述的水泥为P.O 42.5普通硅酸盐水泥。

4.根据权利要求1或2所述的废弃新拌混凝土再生的改性混凝土，其特征在于，，所述的细骨料为过筛去除杂质的天然河砂，筛网孔径≤5mm。

5.根据权利要求1或2所述的废弃新拌混凝土再生的改性混凝土，其特征在于，所述粗骨料为天然碎石，粒径为5～31mm。

6.根据权利要求1或2所述的废弃新拌混凝土再生的改性混凝土，其特征在于，所述的减水剂为聚羧酸减水剂。

7.根据权利要求1或2所述的废弃新拌混凝土再生的改性混凝土，其特征在于，所述的纳米硅溶胶为碱性纳米硅溶胶，pH值为8～10，纳米二氧化硅粒径为15±5mm，纳米硅溶胶中纳米二氧化硅的质量百分数为30％。

8.制备权利要求1所述的一种废弃新拌混凝土再生的改性混凝土的方法，其特征在于该方法按以下步骤进行：

9.根据权利要求8所述的一种废弃新拌混凝土再生的改性混凝土的制备方法，其特征在于，步骤四中，所述拌合水混合方法如下，先将水与减水剂混合均匀后，再加入纳米硅溶胶，放于超声清洗器中超声振动混合均匀，得到拌合水。

10.根据权利要求8所述的一种废弃新拌混凝土再生的改性混凝土的制备方法，其特征在于，步骤五中，所述的混合搅拌的搅拌速度为130～150r/min、搅拌时间为3～5min。