CN115321910B - 利用工业废渣制备的塑性混凝土材料 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种利用工业废渣制备的塑性混凝土材料，包括质量比为100:333～500:0.3～1.5:0～5:0～5:70～140的粉料、骨料、纤维、石粉、磷石膏和水；所述粉料包括：经吸水树脂处理后的活性工业废渣，其占粉料总质量的40％‑70％；膨润土，其占粉料总质量的0‑10％；粘土，其占粉料总质量的0‑30％；水泥，其占粉料总质量的10‑30％；所述骨料包括：建筑垃圾再生粗骨料，其占比为粗骨料总质量的45‑70％，余量为石；建筑垃圾再生细骨料，其占比为细骨料总质量的30‑60％，余量为砂。本发明满足不同条件下塑性混凝土材料的使用需求。
Description
技术领域
本发明涉及塑性混凝土领域。更具体地说，本发明涉及一种利用工业废渣制备的塑性混凝土材料。
背景技术
水库作为水利工程的重要基础设施，在长期服役后会出现坝体开裂、渗漏等问题。塑性混凝土一般含有一定的膨润土、粘土等膨胀组分，能在较大的变形情况下保持结构的稳定，作为防渗墙使用时由于其弹模与土基相近，因而能与周围土体、坝基协同变形，可有效预防和解决上述问题，因此广泛应用于坝体修筑工程中。相较于普通混凝土，塑性混凝土具有弹模低、渗透系数小、流动性大等优点，当其用作防渗墙时最重要的考核指标为塑性变形能力、弹性模量和抗渗系数，对强度的要求反而不高。然而，膨润土、粘土等优质粘土矿物用于塑性混凝土时存在综合利用率低、经济效益差、资源浪费和生态破坏严重等问题，限制了我国膨润土、粘土产业向高附加值、高利用率发展方向的转型。
发明内容
本发明的目的是提供一种利用工业废渣制备的塑性混凝土材料，利用聚丙烯酸盐、聚丙烯酰胺、羟甲基纤维素等吸水树脂对粉煤灰、硅灰、钢渣、矿渣等活性工业废渣进行表面处理，部分或全部替代膨润土、粘土、水泥等粉料，以建筑垃圾再生骨料部分或全部替代砂、石等骨料，并与水泥、砂、石拌合制备塑性混凝土，可实现原料就地取材、工业废渣、建筑垃圾的二次利用和塑性混凝土材料生产的绿色化，另外可通过掺入石粉、磷石膏等调节其凝结时间，优化配合比提高材料的塑性变形和抗渗性，从而满足不同条件下塑性混凝土材料的使用需求。
本发明解决此技术问题所采用的技术方案是：一种利用工业废渣制备的塑性混凝土材料，包括质量比为100:333～500:0.3～1.5:0～5:0～5:70～140的粉料、骨料、纤维、石粉、磷石膏和水；
所述粉料包括：
经吸水树脂处理后的活性工业废渣，其占粉料总质量的40％-70％；
膨润土，其占粉料总质量的0-10％；
粘土，其占粉料总质量的0-30％；
水泥，其占粉料总质量的10-30％，其为市售硅酸盐水泥，标号可选为P.O42.5，P.O42.5R，P.II52.5R。
所述骨料包括：
建筑垃圾再生粗骨料，其占比为粗骨料总质量的45-70％，余量为石；
建筑垃圾再生细骨料，其占比为细骨料总质量的30-60％，余量为砂。
优选的是，所述吸水树脂为不同分子量聚丙烯酸盐、聚丙烯酰胺、纤维素醚中的两种及以上共同组成；
低分子量范围为5000-20000，高分子量范围为50万-500万，低分子量与高分子量吸水树脂的质量比为0.1-0.4；
吸水树脂与工业废渣的质量比为0.003-0.03。低分子量吸水树脂可增加颗粒间的静电斥力，从而提升浆体的分散性；高分子量吸水树脂由于其长分子链结构以及大分子中的链的自旋性，一方面可使浆体桥接而形成大颗粒，提升浆体的絮凝性，另一方面提升浆体的塑性变形能力；通过低分子量与高分子量吸水树脂的协同作用，同时提升浆体的流动性和塑性。
在上述方案中，通过粉体表面包裹技术利用聚丙烯酸盐、聚丙烯酰胺、纤维素醚等吸水树脂对粉煤灰、硅灰、钢渣、矿渣等活性工业废渣进行处理，以此部分或全部取代塑性混凝土中的膨润土、粘土、水泥等粉料；通过建筑垃圾再生骨料部分取代塑性混凝土中的砂、石等骨料；上述活性工业废渣、建筑再生骨料与水泥、膨润土、粘土、砂、石、纤维加水和减水剂拌和即可得塑性混凝土。通过石粉、磷石膏等调节塑性混凝土的凝结时间，以满足其实际施工需求；通过配合比优化设计实现材料的性能优化。
优选的是，将吸水树脂包裹于活性工业废渣表面，包覆过程分为两个阶段进行，第一阶段为高分子量吸水树脂与工业废渣混合，待其均匀包覆后形成初混粉料；第二阶段为低分子量吸水树脂与初混粉料混合，从而形成均匀包覆粉料。可用球石研磨法和高速气流冲击法等机械混合法将吸水树脂均匀包覆在活性工业废渣表面。球石研磨法和高速气流冲击法均有相应的专用设备，如粉体表面改性机、高速气流冲击式表面改性机。上述吸水树脂包裹工业废渣、膨润土与粘土在塑性混凝土中共同作用，可提升材料抗渗性能、塑性变形能力，同时降低弹性模量和抗压强度。
优选的是，所述活性工业废渣为粉煤灰、硅灰、钢渣、矿渣中的一种或几种。由于在本发明中粉煤灰、硅灰、钢渣、矿渣的作用并非取代水泥成为胶凝材料的一部分，反而是要抑制其活性避免水化后产生较高的强度，因此，对上述废渣的活性等级并没有特定的要求。经表面处理的工业废渣与未处理前不同，由于吸水树脂的均匀包覆作用，加水拌和后的废渣表面低分子量吸水树脂快速吸水溶解，有助于提升浆体的流动性；随后高分子量吸水树脂暴露在浆体中并大量吸水，从而在废渣上形成一层类似于阻隔剂的液膜，一方面可防止废渣在碱环境作用被溶解，防止抗压强度的过度增长，另一方面被树脂包裹的工业废渣具有形成絮凝结构，可提升材料的塑性变形能力和抗渗性。
优选的是，所述膨润土的粒径为75-100μm；一方面水化后的膨润土可在水泥颗粒表面形成一层薄膜，阻止水分的渗透，同时抑制水泥的水化反应；另一方面膨润土的吸水膨胀特性可填充材料内部孔隙，提升材料的塑性变形能力。
所述粘土的粒径为1-5μm；由于粘土的层间结构和大的比表面积，导致粘土具有较高的吸水率，粘土吸水后形成的结构具有良好的可塑性，用于提升材料的塑性变形能力。
所述建筑再生粗骨料和石经破碎后为连续级配，粒径为5-20mm；
所述建筑再生细骨料和砂经破碎后为连续级配，粒径为0.15-4.75mm，细度模数为2-2.6。
优选的是，所述纤维为聚丙烯纤维、聚酯纤维、玄武岩纤维、木质素纤维中的一种或几种，纤维长度为4-6mm，用于提升材料在塑性变形下的抗裂性能。纤维长度过大时影响浆体的流动性和分散均匀性，纤维长度过小时抗裂性能提升不显著。
优选的是，所述石粉为碎石、机制砂加工的副产品，粒径为10-60μm，超细石粉可提升浆体的流动性，并起到缓凝作用。
优选的是，所述磷石膏为磷酸和磷肥生产的固体废弃物，粒径为0.9-120μm，平均粒径为21μm，可作为缓凝剂调节浆体的凝结时间。
优选的是，还包括减水剂，其为缓凝型减水剂，减水率为18-25％，用于提升浆体的流动性，并调节凝结时间。
优选的是，经吸水树脂处理后的活性工业废渣与膨润土、粘土的质量占比为粉料总量的70-90％。
本发明至少包括以下有益效果：
利用工业废渣制备塑性混凝土材料的方法。通过粉体表面包裹技术，利用聚丙烯酸盐、聚丙烯酰胺、纤维素醚等吸水树脂对粉煤灰、硅灰、钢渣、矿渣等活性工业废渣进行处理，以此部分或全部取代塑性混凝土中的膨润土、粘土、水泥等粉料；通过建筑垃圾再生骨料部分取代塑性混凝土中的砂、石等骨料；上述活性工业废渣、建筑再生骨料与水泥、膨润土、粘土、砂、石、纤维加水和减水剂拌和即可得塑性混凝土。通过石粉、磷石膏等调节塑性混凝土的凝结时间，以满足其实际施工需求；通过配合比优化设计实现材料的性能优化。本发明中一方面以粉煤灰、硅灰、钢渣、矿渣等工业废渣对膨润土、粘土以及水泥进行了大量取代，实现了上述工业废渣的固废利用，同时可减少水泥用量，符合绿色、低碳的发展趋势；另一方面以建筑垃圾作为再生粗细骨料对塑性混凝土中的砂、石进行取代，实现了建筑垃圾的再利用。综上，利用本发明可实现工业废渣、建筑垃圾的固废利用，同时减少水泥的使用，另外还可实现就地取代，在塑性混凝土制备时可就近选择原材料，有利于降低原材料远距离运输所产生的成本。
本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。
附图说明
图1吸水树脂表面包裹工业废渣示意图；
图2处理后的工业废渣与水作用示意图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明进行详细、完整的说明。本领域普通技术人员在基于这些说明的情况下将能够实现本发明。在结合实施例对本发明进行说明前，需要特别指出的是：本发明中在包括下述说明在内的各部分中所提供的技术方案和技术特征，在不冲突的情况下，这些技术方案和技术特征可以相互组合。
此外，下述说明中涉及到的本发明的实施例通常仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。因此，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
关于预处理工业废渣的具体实施方案如表1所示。
表1预处理工业废渣具体实施方案(工业废渣总份数100份)
实施例a～c中，工业废渣首先通过高分子量吸水树脂与工业废渣在高速气流冲击下混合，再将低分子量吸水树脂与工业废渣在高速气流冲击下混合，如图1所示。对比组a中工业废渣混合均匀即可，对比组b和对比组c与对应吸水树脂分别在高速气流冲击下混合。
在实施例1中加入通过实施例a处理后的活性工业废渣，在实施例2中加入通过实施例b处理后的活性工业废渣，在实施例3中加入通过实施例c处理后的活性工业废渣，在实施例4中加入通过实施例c处理后的活性工业废渣，在对比组2中加入未经过预处理的活性工业废渣对比组a，在对比组3中加入经过低分子吸水树脂处理的活性工业废渣对比组b，在对比组4中加入经过高分子吸水树脂处理的活性工业废渣对比组c，如表2所示塑性混凝土材料的配合比以及表3的性能测试。
表2塑性混凝土实施配合比(kg/m3)
表3各实施例性能
如表1和图2所示，将粉煤灰、钢渣、硅灰、矿粉等通过不同分子量的吸水树脂进行表面处理，并以其取代全部或部分粘土、膨润土和水泥，以建筑垃圾粗骨料、细骨料取代石、砂等骨料，并掺入一定的纤维制备塑性混凝土。由表3可知，对比组2：工业废渣未进行预处理，流动性差，坍落度和扩展度较小，保水性差，渗透系数偏大；对比组3：仅用低分子树脂处理，保水性差，渗透系数偏大；对比组4：仅用高分子树脂处理，流动性差，坍落度和扩展度较小，保水性一般，渗透系数偏大；而本申请实施例以经吸水树脂处理的工业废渣取代膨润土、粘土以及部分水泥，以建筑垃圾再生骨料取代砂、石骨料，由此制备的塑性混凝土材料与常规塑性混凝土的性能相近，材料的弹性模量和相对渗透系数均能满足塑性混凝土的性能指标要求。以此方法制备的塑性混凝土实现了工废渣的固废利用和建筑垃圾的再利用，实现了塑性混凝土制备时原材料的就近选择。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的实施例。
Claims (8)
1.一种利用工业废渣制备的塑性混凝土材料，其特征在于，包括质量比为100:333～500:0.3～1.5:0～5:0～5:70～140的粉料、骨料、纤维、石粉、磷石膏和水；
所述粉料包括：
经吸水树脂处理后的活性工业废渣，其占粉料总质量的40％-70％；
膨润土，其占粉料总质量的0-10％；
粘土，其占粉料总质量的0-30％；
水泥，其占粉料总质量的10-30％；
所述骨料包括：
建筑垃圾再生粗骨料，其占比为粗骨料总质量的45-70％，余量为石；
建筑垃圾再生细骨料，其占比为细骨料总质量的30-60％，余量为砂；
所述吸水树脂为不同分子量聚丙烯酸盐、聚丙烯酰胺、纤维素醚中的两种及以上共同组成；
低分子量范围为5000-20000，高分子量范围为50万-500万，低分子量与高分子量吸水树脂的质量比为0.1-0.4；
吸水树脂与工业废渣的质量比为0.003-0.03；
将吸水树脂包裹于活性工业废渣表面，包覆过程分为两个阶段进行，第一阶段为高分子量吸水树脂与工业废渣混合，待其均匀包覆后形成初混粉料；第二阶段为低分子量吸水树脂与初混粉料混合，从而形成均匀包覆粉料。
2.如权利要求1所述的利用工业废渣制备的塑性混凝土材料，其特征在于，所述活性工业废渣为粉煤灰、硅灰、钢渣、矿渣中的一种或几种。
3.如权利要求1所述的利用工业废渣制备的塑性混凝土材料，其特征在于，所述膨润土的粒径为75-100μm；
所述粘土的粒径为1-5μm；
所述建筑再生粗骨料和石经破碎后为连续级配，粒径为5-20mm；
所述建筑再生细骨料和砂经破碎后为连续级配，粒径为0.15-4.75mm，细度模数为2-2.6。
4.如权利要求1所述的利用工业废渣制备的塑性混凝土材料，其特征在于，所述纤维为聚丙烯纤维、聚酯纤维、玄武岩纤维、木质素纤维中的一种或几种，纤维长度为4-6mm。
5.如权利要求1所述的利用工业废渣制备的塑性混凝土材料，其特征在于，所述石粉为碎石、机制砂加工的副产品，粒径为10-60μm。
6.如权利要求1所述的利用工业废渣制备的塑性混凝土材料，其特征在于，所述磷石膏为磷酸和磷肥生产的固体废弃物，粒径为0.9-120μm，平均粒径为21μm。
7.如权利要求1所述的利用工业废渣制备的塑性混凝土材料，其特征在于，还包括减水剂，其为缓凝型减水剂，减水率为18-25％。
8.如权利要求1所述的利用工业废渣制备的塑性混凝土材料，其特征在于，经吸水树脂处理后的活性工业废渣与膨润土、粘土的质量占比为粉料总量的70-90％。
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