CN115321929B - 一种含有高效抗结团剂的胶结料、模袋混凝土及其制备与应用 - Google Patents
一种含有高效抗结团剂的胶结料、模袋混凝土及其制备与应用 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及胶结料技术领域，具体涉及一种模袋混凝土用胶结料、相关模袋混凝土及其制备与应用。本发明合理选配水泥、工业副产石膏、抗结团剂、矿物外加剂、焚烧灰作为原料，尤其是抗结团剂采用了最新高效抗结团剂，水泥含量降低到30%以下，并且在加入5%‑15%焚烧灰的情况下，仍然能够满足应用中对性能的要求。模袋混凝土的制备过程中，没有使用传统的粗骨料、细骨料，而是就地取材，使用施工地的土体，并且在合理配方选择下，能够使得混凝土28天无侧限抗压强度在5MPa以上。
Description
技术领域
本发明涉及胶结料技术领域，具体的为一种含有高效抗结团剂的胶结料，适用于模袋混凝土，相关模袋混凝土及其制备与应用。
背景技术
模袋混凝土以双层高强度机织化学纤维织物制成连续(或单独)的袋状体作为柔性模板并由高压泵将混凝土充灌于袋中形成的防护结构。可用作土石坝,堤防护坡,河流、湖泊、海岸的护岸和护底等结构。其厚度、形状按需要设计,如可设置排水滤点以排除坡内积水、以铰链状连接各单元以适应坡面不均匀沉降、以框格状种植草皮以改善环境。具有设计灵活、施工便捷、质量可靠和可水下施工而无需构筑围堰等特点。
现有的模袋混凝土一般使用粗骨料、细骨料、水泥、外加剂（如减水剂、调凝剂、引气剂、保塑剂）为原料制备得到，配方沿用传统混凝土配方思路。但是该类配方水泥消耗量大，对粗骨料、细骨料资源依赖性强。目前水泥价格不断攀升，已涨至近800元/吨，黄砂、石子等粗骨料资源匮乏短缺，原材料供应问题日趋严峻。
目前，已经有研究尝试添加各种固废到模袋混凝土配方中，例如CN106904916A公开了一种填海围堰用模袋固化土及其制备方法和应用方法，该专利中模袋固化土以废泥浆、复合絮凝剂、泥浆结构剂和生物质纤维为原料制备而成。废泥浆采用地挖隧道工程的泥水盾构机掘进过程中形成的废泥浆或桩基工程和地下连续墙工程施工中形成的废泥浆，虽然可以达到固废的有效利用，但是为了利用废泥浆，必须将废泥浆进行临时储存，而且使用时需要运送到施工现场，增加存储和运送环节会提升成本，操作也不便利。另外，其还需要使用复合絮凝剂、泥浆结构剂和生物质纤维，成分较为复杂。
CN101456705A公开了一种使用工业固体废弃物的水工模袋混凝土，由粗集料、细集料、胶结料、增强纤维、水五部分经过搅拌混合、注入模袋等工序制备而成。所述的粗集料为钢渣或尾矿，所述的细集料为尾矿砂或粉煤灰粗渣或河砂组成，其沿用的仍然是传统的模袋混凝土配方思路，需要使用粗集料、细集料，而粗集料、细集料无法就地取材。对于河岸护堤来说，河沙/河砂可以就地取材，但是也面临着河沙/河砂资源日益枯竭的问题。
CN105130293A公开了一种新型生态护岸材料的制作方法，原料包含129～133份水、206～213份水泥，52～53份粉煤灰，647～653份砂，1330～1342份石，2.06～2.13份减水剂和0.015～0.016份引气剂，通过利用河道中泥沙与水作为原材料、并辅以碎石或粗砂及水泥等材料制作出适合河道岸坡防护的材料。该专利虽然添加了一定量粉煤灰固废，但同样需要使用粗集料、细集料，原材料获取仍然受到限制。
CN106242482A公开了一种高流动度吹填海泥防渗固化材料及其制备方法，由A组分和B组分组成：A组分由如下组分组成：活性无机矿物30-60份；胶凝材料10-30份；工业副产石膏10-20份；速溶水玻璃5-12份；生石灰2-5份；稳定剂1-3份；所述A组分中各组分皆为磨细粉状，含水率小于或等于1%。该专利无机矿物中包含钢渣、矿渣等固废，还添加有工业副产石膏，但均需要严格控制所有原料的含水率。
综上所述，传统的模袋混凝土需要大量使用粗骨料、细骨料、水泥，虽然已经有研究尝试添加固废，但是大多仍然需要加入粗骨料、细骨料，无法充分就地取材。另外，对原料含水率的控制需要经历干燥等工序，能源消耗较大。
在城市化不断深入之下，生活垃圾数量不断增加，为了实现生活垃圾的无害化处理，垃圾焚烧与利用技术得到广泛应用。2019年全国共有5932t生活垃圾进行焚烧，产生520-780万t的炉渣，飞灰量约13万t，在无形中增加了炉渣的处理难度，填埋场的用地资源日益紧张。为了节约填埋用地、降低处理成本，可通过炉渣再利用的方式来实现。现有的利用方式主要集中在制作环保砖或制成路基填充料。
如专利CN113149589A中所述，城市污水污泥处置是保证城市稳定运行的重要民生工程，预计在2023年我国污泥产生量将达9772万吨。干化焚烧不仅能够大大减少污泥的体积，而且具有处理速度快、杀死病原体等优势，成为目前处置污泥的主流方式。将污泥焚烧灰有效利用起来，将产生巨大的经济价值。
但是目前的问题是，一旦加入污泥焚烧灰、垃圾焚烧灰等各种焚烧灰，往往导致材料性能大幅下降。
发明内容
有鉴于此，一方面，本发明的目的在于提供一种胶结料，尤其是一种模袋混凝土用胶结料，通过合理选配原料，掺入多种固废、降低水泥用量的同时，还能够保证材料的强度，并且尤其重要的是，本发明的胶结料能够特别适配于和岸边土结合制备满足护坡、护岸、固堤、填海、围堰、造田等工程要求的模袋混凝土。
基于前面提到的一旦加入污泥焚烧灰、垃圾焚烧灰等各种焚烧灰，往往导致材料性能大幅下降的问题，本发明要解决的是确保在加入一定量焚烧灰后，仍然能够满足相关应用领域的性能要求。
另一方面，本发明的目的在于提供一种模袋混凝土，该模袋混凝土不使用传统的粗骨料和细骨料，并且大大降低水泥的用量。
在江河湖海的护坡、护岸、固堤等使用场景中，岸边的土资源几乎无需开采、运送、存储成本，可以随挖随用。但是如果将粗骨料、细骨料换成岸边的土体，则往往导致强度的大幅度下降。因此，本发明旨在通过配方的合理调配，使得制备模袋混凝土时，能够就地取材，直接使用施工地的土体作为原料。
为达到上述目的，一方面，本发明提供如下技术方案：
一种模袋混凝土用胶结料，其包含水泥、工业副产石膏、抗结团剂、矿物外加剂、焚烧灰；其中，抗结团剂包含氧化钙和分散组分；分散组分为惰性组分，不与水反应。
出于性能的考虑，前述胶结料包含如下重量百分比的原料：水泥15%-30%、工业副产石膏15%-25%、抗结团剂10%-20%、矿物外加剂25%-40%、焚烧灰5%-15%。如无特别说明，本发明所述含量均为重量百分含量，并且各成分含量相加为100%。
在一个实施方式中，胶结料分为A料和B料，其中，A料包含水泥、矿物外加剂、焚烧灰；B料包含工业副产石膏、抗结团剂。进一步的，A料和B料质量比为3:1至1:2，优选2:1至1.2:1，最优选1.5:1。
进一步的，矿物外加剂选自铜渣粉、磷渣粉、矿渣粉、粉煤灰、钢渣、天然沸石、硅灰中的一种或多种，优选矿渣粉。焚烧灰选自污泥焚烧灰、垃圾焚烧灰中的一种或多种。工业副产石膏选自脱硫石膏、磷石膏、钛石膏、氟石膏、柠檬酸石膏、盐石膏中的一种或多种。
进一步的，抗结团剂包含氧化钙和分散组分；其中，分散组分为惰性组分，不与水反应。这里需要强调的是，本发明提及的氧化钙是游离氧化钙，否则其无法满足功能组分的性能需求。本发明的氧化钙可以通过市售途径获得，如通过西陇化工、科密欧、国药等。
分散组分选自石英粉、高岭土、轻钙中的一种或多种。在一个实施方式中，分散组分为石英粉，对于石英粉种类，并无特别限定，一般市场上常用的石英粉如石英粉200、石英粉325等均可。石英粉细度在40目、60目或100目以上。例如40-60目石英粉、200目石英粉、400目石英粉、800目石英粉等，优选200目、250目、300目、350目或400目以上石英粉。本发明的上述组分可以自己制备，也可以从市售途径获得，如通过西陇化工、科密欧、国药、圣迈等。
在一个实施方式中，分散组分为高岭土，对于高岭土种类，并无特别限定，一般市场上常用的高岭土均可。优选的，高岭土细度在200目以上，优选200目、250目、300目、350目或400目以上，例如325-6000目，进一步为1000-4000目，最优选1000-2500目。
在一个实施方式中，分散组分为轻钙，这里所述轻钙是指轻质碳酸钙，又称沉淀碳酸钙。对于轻钙种类，并无特别限定，一般市场上常用的轻钙均可。优选的，轻钙细度在200目以上，优选200目、250目、300目、350目或400目以上，例如在300-4000目，进一步为600-3000目，最优选800-2000目。
进一步的，氧化钙重量百分含量为45%-60%，分散组分重量百分含量为40%-55%；优选的，氧化钙重量百分含量为48%-55%，分散组分重量百分含量为45%-52%；进一步优选的，氧化钙重量百分含量为50%，分散组分重量百分含量为50%。
进一步的，抗结团剂由氧化钙和石英粉组成，氧化钙重量百分含量为45%-60%，石英粉重量百分含量为40%-55%；或，由氧化钙和高岭土组成，氧化钙重量百分含量为45%-60%，高岭土重量百分含量为40%-55%；或，由氧化钙和轻钙组成，氧化钙重量百分含量为45%-60%，轻钙重量百分含量为40%-55%。
进一步的，抗结团剂密度为1-4g/cm3，优选1-3g/cm3，进一步优选1.5-2.5g/cm3。
进一步的，抗结团剂细度为200目-2500目，优选400目-2000目。抗结团剂细度特别优选400目、450目、500目、550目、600目、650目、700目、750目、800目、850目、900目以上。抗结团剂细度优选1900目、1800目、1700目、1600目、1500目以下。
进一步的，抗结团剂比表面积800cm2/g以上，优选2000-6000cm2/g。抗结团剂比表面积优选2500cm2/g、3000cm2/g、3500cm2/g以上。抗结团剂比表面积优选5500cm2/g、5000cm2/g、4500cm2/g以下。
在一个实施方案中，提供一种胶结料的制备方法，包含如下步骤：（1）将工业副产石膏与抗结团剂预混获得预混物；（2）将预混物与水泥、矿物外加剂、焚烧灰混合。
在另外一个实施方案中，提供一种胶结料的制备方法，包含如下步骤：（1）将水泥、矿物外加剂、焚烧灰混合得到A料；（2）将工业副产石膏与抗结团剂预混获得B料；（3）将A料与B料混合。
本发明还涉及上述胶结料的用途，即，将其用于模袋混凝土的制备。
本发明还涉及一种模袋混凝土，其包含前述胶结料、土体、水、任选的外加剂。胶结料的详细描述参见上文，在此，不再赘述。
当然，如果使用的工业副产石膏不含水，则可以不使用抗结团剂，在此种情况下，模袋混凝土包含胶结料、土体、水、任选的外加剂；其中，胶结料包含如下重量百分比的原料：水泥15%-30%、工业副产石膏15%-25%、矿物外加剂25%-40%、焚烧灰5%-15%。各成分含量相加为100%。也就是说，在工业副产石膏含水时，可以选择去采用前述的实施方式，当工业副产石膏含水率较低如1%以下，也完全可以选择不使用抗结团剂，这时候，只需要适当调配一下各组分的用量即可。
进一步的，土体能够就地取材对成本是有优势的，具体选用施工现场土体；优选为岸边土。进一步优选为海岸土、湖岸土、江岸土、河岸土。例如在海边制作模袋混凝土，则直接使用海岸边的土体作为固化土；又例如在江边制作模袋混凝土，则直接使用江岸边的土体作为固化土；又例如在湖边制作模袋混凝土，则直接使用湖岸边的土体作为固化土；以此类推。
进一步的，所述土体含水率10%-40%，优选15%-30%，进一步优选20%-25%。进一步的，土体、胶结料、水的加入重量比为土体：胶结料：水=1400-1800:600-900:550-850，在该比例下，有利于提升模袋混凝土性能。
进一步的，胶结料用量为土体的35%-55%，这样能够保证足够的强度。优选36%、37%、38%、39%以上；优选55%、54%、53%、52%、51%以下；最优选40-50%。
进一步的，外加剂选自减水剂、速凝剂、增强剂、快硬剂中的一种或多种。在一个实施方案中，外加剂为速凝剂，速凝剂用量为胶结料重量的1%-6%，优选2%-4%，最优选3%。在另一个实施方案中，外加剂为减水剂，减水剂用量为胶结料重量的0.5%-5%，优选1.5%-2.5%，最优选2%。
在另一个实施方案中，外加剂同时包含速凝剂和减水剂，速凝剂用量为胶结料重量的1%-6%，优选2%-4%，最优选3%；减水剂用量为胶结料重量的0.5%-5%，优选1.5%-2.5%，最优选2%。
前述速凝剂，最优选将beform作为胶结料的速凝组分。
作为优选的，模袋混凝土应当满足下述条件中的一种或多种：（1）胶砂流动度130-160mm；（2）扩展度不小于500mm；（3）固化时间在24h以内；（4）7天无侧限抗压强度在2.4MPa以上，优选3MPa以上，进一步优选4MPa以上，如达到4.5MPa；（5）28天无侧限抗压强度在5MPa以上。最优选各条件均能够满足。
本发明还提供一种模袋混凝土的制备方法，具体包含如下步骤：将包含胶结料、施工现场土体（如岸边土）、水、任选的外加剂的原料搅拌混合，注入模袋。进一步的，采用三点泵入法。进一步的，所述模袋长10-20米，宽5-15米，厚10-30厘米。
本发明提供一种模袋混凝土的用途，其用于护坡、护岸、固堤、填海、围堰、造田等工程中。
有益效果
采用本发明提供的技术方案，与现有技术相比，具有如下显著效果：
（1）以水泥、工业副产石膏、抗结团剂、矿物外加剂、焚烧灰为原料，配方适宜制备模袋混凝土的胶结料。该胶结料无需使用粗骨料、细骨料。
（2）胶结料中将水泥含量降低到30%以下，并且加入了多种固废，尤其是在加入5%-15%焚烧灰的情况下，仍然能够满足后续应用中对性能的要求。
（3）模袋混凝土的制备过程中就地取材，使用施工现场的土体，并且在合理配方选择下，能够使得混凝土28天无侧限抗压强度在5MPa以上，扩展度不小于500mm，满足模袋混凝土各项性能的要求。
（4）对于含水率较高的原料容易产生结团从而影响性能的问题，本发明创新性的加入了高效抗结团剂，非常好的解决了抗结团问题。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实验中，氯化钙、铝酸钠、硫酸钠购自国药；Beform为日本电气化学产品；减水剂购自西卡；氧化钙为西陇科学化工生产的分析纯试剂；高岭土购自上海九洁实业有限公司，细度为1250目，SiO2含量为53.5%，Al2O3含量为45.8%。
实施例1：
胶结料配方选择实验。试验方法参照《JGJ/T 70-2009 建筑砂浆基本性能试验方法》，进行成型、养护、测试7d、28d抗压强度。抗结团剂：将50%氧化钙与50%的高岭土混合得到抗结团剂。试验土体选择启东海岸土（含水率21%），不使用粗骨料、细骨料，速凝剂掺量为胶结料（A料+B料）的1.5%，详细配方见下表1。
表1 不同胶结料配方抗压强度试验
由表1可知，胶结料能够明显提升启东海岸土强度。加入速凝剂后，能够有效降低固化时间。铝酸钠作用效果最明显，但不利于施工操作，因此排除。速凝剂氯化钙和硫酸钠有一定的作用效果，但不如Beform作用效果好。因此选用beform 作为胶结料的速凝组分。
实施例2：
速凝剂掺量选择实验。试验方法参照《JGJ/T 70-2009 建筑砂浆基本性能试验方法》进行流动度、固化试件、抗压强度测试。前述实施例1中胶结料掺入比18%，抗压强度不足，这里将胶结料掺量提升至50%。抗结团剂：将50%氧化钙与50%的高岭土混合得到抗结团剂。
表2 胶结料配方如下：
上述胶结料加上beform速凝剂组分，开展试验，测试结果见表3。
表3 J5胶结料配制模袋混凝土性能检测
根据表3可知，速凝剂beform的掺加，可明显缩短固化时间，且在一定程度上可提高模袋混凝土的强度，尤其掺量为3%时，7d和28d强度均为最高。由此将胶结料中速凝剂的掺量定为3%。但速凝剂的掺加，使模袋混凝土的1h流动度损失明显。
实施例3：
模袋混凝土配方优化实验。试验方法参照《JGJ/T 70-2009 建筑砂浆基本性能试验方法》进行流动度、固化试件、抗压强度测试。每方海岸土(含水率为21%）所需胶结料的量设为50%，速凝剂掺量为胶结料的3%，胶结料配方见表2，本实验详细配方见表4。
表4 模袋混凝土优化试验
由表4可知，减水剂的掺加可明显提高模袋混凝土的流动度和流动度保持性，增加施工过程中的可操作时间，利于浇筑。但由于减水剂掺量过多时，如23.7kg（胶结料掺量3%）时，浆料流动度偏大，出现泌水现象，因此抗压强度相对其他掺量较低。综合评估，减水剂掺量为2%,速凝剂掺量3%时，模袋混凝土性能最佳。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (16)
1.一种模袋混凝土用胶结料，其特征在于，包含如下重量百分比的原料：水泥15％-30％、工业副产石膏15％-25％、抗结团剂10％-20％、矿物外加剂25％-40％、焚烧灰5％-15％；其中，抗结团剂包含氧化钙和分散组分；分散组分为惰性组分，不与水反应；胶结料分为A料和B料，其中，A料包含水泥、矿物外加剂、焚烧灰；B料包含工业副产石膏、抗结团剂；所述抗结团剂中分散组分选自石英粉、高岭土、轻钙中的一种或多种；氧化钙重量百分含量为45％-60％，分散组分重量百分含量为40％-55％。
2.根据权利要求1所述的胶结料，其特征在于，A料和B料质量比为3:1至1:2。
3.根据权利要求1所述的胶结料，其特征在于，所述胶结料满足下述条件中的一种或多种：
(1)矿物外加剂选自铜渣粉、磷渣粉、矿渣粉、粉煤灰、钢渣、天然沸石、硅灰中的一种或多种；
(2)焚烧灰选自污泥焚烧灰、垃圾焚烧灰中的一种或多种；
(3)工业副产石膏选自脱硫石膏、磷石膏、钛石膏、氟石膏、柠檬酸石膏、盐石膏中的一种或多种。
4.根据权利要求1所述的胶结料，其特征在于，抗结团剂由氧化钙和石英粉组成，氧化钙重量百分含量为45％-60％，石英粉重量百分含量为40％-55％；
或，抗结团剂由氧化钙和高岭土组成，氧化钙重量百分含量为45％-60％，高岭土重量百分含量为40％-55％；
或，抗结团剂由氧化钙和轻钙组成，氧化钙重量百分含量为45％-60％，轻钙重量百分含量为40％-55％。
5.根据权利要求1所述的胶结料，其特征在于，抗结团剂满足下述条件中的一种或多种：
(1)密度为1-4g/cm3；
(2)细度为200目-2500目；
(3)比表面积800cm2/g以上。
6.一种权利要求1-5任一项所述胶结料的制备方法，其特征在于：包含如下步骤：(1)将水泥、矿物外加剂、焚烧灰混合得到A料；(2)将工业副产石膏与抗结团剂预混获得B料；(3)将A料与B料混合。
7.权利要求1-5任一项所述胶结料的用途，用于模袋混凝土。
8.一种模袋混凝土，其特征在于，包含权利要求1-5任一项所述胶结料、土体、水、任选的外加剂。
9.根据权利要求8所述的模袋混凝土，其特征在于，所述土体为施工现场土体；和/或，所述外加剂选自减水剂、速凝剂、增强剂、快硬剂中的一种或多种。
10.根据权利要求8所述的模袋混凝土，其特征在于，所述土体含水率10％-40％；
和/或，所述胶结料用量为土体重量的35％-55％；
和/或，所述外加剂用量为胶结料重量的0.05-10％。
11.根据权利要求8所述的模袋混凝土，其特征在于，外加剂包含速凝剂和/或减水剂，速凝剂用量为胶结料重量的1％-6％；减水剂用量为胶结料重量的0.5％-5％。
12.根据权利要求8所述的模袋混凝土，其特征在于，土体、胶结料、水的加入重量比为土体：胶结料：水
＝1400-1800:600-900:550-850。
13.根据权利要求8所述的模袋混凝土，其特征在于，混凝土满足下述条件中的一种或多种：
(1)胶砂流动度130-160mm；
(2)扩展度不小于500mm；
(3)固化时间在24h以内；
(4)7天无侧限抗压强度在2.4MPa以上；
(5)28天无侧限抗压强度在5MPa以上。
14.一种权利要求8-13任一项所述模袋混凝土的制备方法，其特征在于：将包含胶结料、土体、水、任选的外加剂的原料搅拌混合，注入模袋。
15.根据权利要求14所述的模袋混凝土的制备方法，其特征在于：模袋长10-20米，宽5-15米，厚10-30厘米。
16.一种权利要求8-13任一项所述模袋混凝土的用途，其特征在于：用于护坡、护岸、固堤、填海、围堰、造田工程。
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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