CN115353354B - 一种利用石材加工废弃物制备的混凝土及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用石材加工废弃物制备的混凝土，包括以下原料物质：硅酸盐水泥、碎石、石屑、水、粉煤灰、聚羧酸减水剂；所述石屑的表面包覆有丙烯酸酯聚合层。本发明还公开了如上所述的利用石材加工废弃物制备的混凝土的制备方法。该利用石材加工废弃物制备的混凝土旨在解决现有的混凝土存在材料不环保和耐酸性不足的问题。

Description

一种利用石材加工废弃物制备的混凝土及其制备方法

技术领域

本发明涉及建筑材料技术领域，具体涉及一种利用石材加工废弃物制备的混凝土及其制备方法。

背景技术

长期以来，我国建筑用砂以河砂为主，近年来随着城市化进程的加快和基础设施建设的大力发展，混凝土和砂浆的大量使用使得建筑用砂的需求日益增加。然而受到资源的限制，河砂产量难以满足使用需求，市场上河砂供应日趋紧张，而且砂的质量也逐年下降。天然河砂属不可再生资源，今后的供应只会越来越少，因此有必要考虑采用其它材料代替河砂。

在河砂替代材料方面，国内外均进行了大量研究，目前主要有三个途径。一是采用海砂；二是采用人工砂，即采用岩石制砂；三是采用石屑。石屑是生产碎石过程中筛出的副产品，每加工100吨的碎石，大约产生20～30吨的石屑。它作为石场的废弃物，目前多用于道路填方，价格较低。

将石屑用于混凝土中取代河砂具有较高的经济和社会价值。河砂的成分主要为二氧化硅，其耐酸性能较高，然而现有的石屑的成分主要为石灰石，其耐酸性能不足，而一些建筑领域，如养殖场，或是一些树脂加工工厂，污水处理厂常会有酸性废水，此时采用石屑替代河砂会导致混凝土结构在长期酸水浸泡中出现强度下降的问题。

发明内容

针对现有的混凝土存在材料不环保和耐酸性不足的问题，本发明公开了一种利用石材加工废弃物制备的混凝土及其制备方法，该混凝土具有较好的结构强度，同时也具有较高的耐酸蚀性能。

本发明公开了一种利用石材加工废弃物制备的混凝土，包括以下原料物质：硅酸盐水泥、碎石、石屑、水、粉煤灰、聚羧酸减水剂；

所述石屑的表面包覆有丙烯酸酯聚合层。

在一些实施例中，包括以下重量组分原料物质：

硅酸盐水泥168-232份、碎石980-1121份、石屑650-800份、水143-166份、粉煤灰21-32份、矿粉152-168份和聚羧酸减水剂6.84-8.40份。

在一些实施例中，所述丙烯酸酯聚合层的厚度为12-100nm。

在一些实施例中，所述丙烯酸酯聚合层的聚合原料包括80-90重量份的主体聚合单体和10-20重量份的功能聚合单体，所述主体聚合单体包括甲基丙烯酸甲酯、苯乙烯、甲基苯乙烯、丙烯酸丁酯、甲基丙烯酸丁酯、丙烯酸异丁酯、丙烯酸叔丁酯、丙烯酸异辛酯、丙烯酸异癸酯、丙烯酸十二烷基酯、甲基丙烯酸十二烷基酯、丙烯酸、甲基丙烯酸、丙烯酰胺、乙酰乙酸基甲基丙烯酸乙酯、丙烯酸缩水甘油酯、丙烯酸十六烷基酯、丙烯酸十八烷基酯中的一种或多种；所述功能聚合单体选自结构式1所示的化合物：

结构式1。

在一些实施例中，所述的硅酸盐水泥为P·Ⅱ42.5R水泥。

在一些实施例中，所述的碎石为花岗岩，碎石的颗粒直径为5-25mm。

在一些实施例中，所述石屑的细度模数为3.0-3.7，石屑中粒径小于0.16mm的颗粒的质量含量在8％-28％，粒径小于0.08mm的颗粒的质量含量小于7％。

在一些实施例中，所述的碎石为花岗岩，碎石的颗粒直径为5-25mm。

本发明还公开了如上所述的利用石材加工废弃物制备的混凝土的制备方法，该方法包括如下步骤：

首先将丙烯酸酯共聚乳液用水稀释为固含量为1％-10％，将石屑加入至丙烯酸酯共聚乳液中，混合搅拌，过滤，干燥得到包覆有丙烯酸酯聚合层的石屑；

将50％用量的碎石、石屑、粉煤灰、50％用量的硅酸盐水泥以及50％用量的水进行预拌和，得到预拌料；

然后往预拌料中加入聚羧酸减水剂以及剩余的50％用量的碎石、50％用量的硅酸盐水泥以及50％用量的水进行再次搅拌，制备成混凝土，对混凝土浇筑固化后，养护15天以上。

在一些实施例中，所述丙烯酸酯共聚乳液通过以下方法制备得到：

①加入水和乳化剂；

②加热升温至85℃，加入单体混合物和引发剂引发聚合，单体混合物包括80-90重量份的主体聚合单体和10-20重量份的功能聚合单体，所述主体聚合单体包括甲基丙烯酸甲酯、苯乙烯、甲基苯乙烯、丙烯酸丁酯、甲基丙烯酸丁酯、丙烯酸异丁酯、丙烯酸叔丁酯、丙烯酸异辛酯、丙烯酸异癸酯、丙烯酸十二烷基酯、甲基丙烯酸十二烷基酯、丙烯酸、甲基丙烯酸、丙烯酰胺、乙酰乙酸基甲基丙烯酸乙酯、丙烯酸缩水甘油酯、丙烯酸十六烷基酯、丙烯酸十八烷基酯中的一种或多种；所述功能聚合单体选自结构式1所示的化合物：

结构式1

③加入中和剂调节pH值，获得的丙烯酸酯共聚乳液。

本发明与现有的混凝土相比，在原料物质中采用石屑替代常用材料河砂，能够避免河砂生产导致的环境破坏的问题，具有较好的节能环保性，同时，为了避免在酸性条件下，混凝土结构强度的下降，提高其耐酸性能，在石屑的表面包覆有丙烯酸酯聚合层，以隔离酸性废水对于石屑本身的侵蚀作用，同时，所述丙烯酸酯聚合层具有一定的缓冲弹性，在受到外力的作用下能够产生适应性弹性形变，进而在所述混凝土受到外力的条件下保持混凝土的形态稳定性，具有较好的结构强度。

具体实施方式

本发明公开了一种利用石材加工废弃物制备的混凝土及其制备方法，该利用石材加工废弃物制备的混凝土具有较好的结构强度，同时也具有较高的耐酸蚀性能。

下面将对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的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。

本发明公开了一种利用石材加工废弃物制备的混凝土，包括以下原料物质：硅酸盐水泥、碎石、石屑、水、粉煤灰、聚羧酸减水剂；

所述石屑的表面包覆有丙烯酸酯聚合层。

在原料物质中采用石屑替代常用材料河砂，能够避免河砂生产导致的环境破坏的问题，具有较好的节能环保性，同时，为了避免在酸性条件下，混凝土结构强度的下降，提高其耐酸性能，在石屑的表面包覆有丙烯酸酯聚合层，以隔离酸性废水对于石屑本身的侵蚀作用，同时，所述丙烯酸酯聚合层具有一定的缓冲弹性，在受到外力的作用下能够产生适应性弹性形变，进而在所述混凝土受到外力的条件下保持混凝土的形态稳定性，具有较好的结构强度。

本发明的混凝土中，硅酸盐水泥起胶凝作用，硅酸盐水泥与水形成水泥浆，水泥浆包裹在骨料表面并填充其空隙。在硬化前，水泥浆起润滑作用，赋予拌合物一定和易性，便于施工。硬化后，硅酸盐水泥与水反应后形成坚固的水泥石，将集料颗粒牢固的粘结成整体，使混凝土具有一定的物理力学性能。

石屑和碎石起骨架作用，对混凝土拌合物起到粘聚和保水作用，防止发生离析和严重泌水。石屑填充碎石的空隙，硅酸盐水泥填充石屑的空隙，形成密实的堆积；保证混凝土饱和浆体，以达到素混凝土清水表观效果。

粉煤灰作为混凝土掺合料具有多重作用。本发明提高了掺合料在混凝土中的比例，掺合料在整个混凝土中所占的重量比高达8％或以上，作为掺合料的粉煤灰除了可以改善混凝土的和易性、抑制泌水、提高混凝土后期强度、降低混凝土水化热、抑制碱骨料反应等作用外，最为重要的是，由于本发明的混凝土所应用的环境是复杂酸碱腐蚀环境，在这种环境下，混凝土结构受到了酸性、碱性腐蚀，而掺入高比例的粉煤灰之后，由于粉煤灰二次水化反应，使得混凝土的密实度提高，界面结构得到改善。同时由于二次水化反应，使得混凝土中容易受酸碱腐蚀的Ca(OH)₂的含量降低，从而能够提高混凝土的抗酸性、碱性腐蚀。因此，掺入高比例重量比的粉煤灰，不但可以提高混凝土的抗渗性，同时还能够提高混凝土的抗酸性、碱性腐蚀性能，使得混凝土能够用于酸碱腐蚀较强的环境。

聚羧酸减水剂在分子结构中接枝共聚羧基、酯基、磺酸基等不同官能团，使聚羧酸减水剂具有一定初始减水效果，聚羧酸减水剂中接枝共聚的酯基官能团在水泥碱性环境下发生水解反应，逐渐生成羧基减水基团，从而逐渐释放出有效减水组分。

在一些实施例中，包括以下重量组分原料物质：

硅酸盐水泥168-232份、碎石980-1121份、石屑650-800份、水143-166份、粉煤灰21-32份、矿粉152-168份和聚羧酸减水剂6.84-8.40份。

在一些实施例中，所述丙烯酸酯聚合层的厚度为12-100nm。

在一些实施例中，所述丙烯酸酯聚合层的聚合原料包括80-90重量份的主体聚合单体和10-20重量份的功能聚合单体，所述主体聚合单体包括甲基丙烯酸甲酯、苯乙烯、甲基苯乙烯、丙烯酸丁酯、甲基丙烯酸丁酯、丙烯酸异丁酯、丙烯酸叔丁酯、丙烯酸异辛酯、丙烯酸异癸酯、丙烯酸十二烷基酯、甲基丙烯酸十二烷基酯、丙烯酸、甲基丙烯酸、丙烯酰胺、乙酰乙酸基甲基丙烯酸乙酯、丙烯酸缩水甘油酯、丙烯酸十六烷基酯、丙烯酸十八烷基酯中的一种或多种；所述功能聚合单体选自结构式1所示的化合物：

结构式1。

通过在主体聚合单体中加入结构式1所示的功能聚合单体，该功能聚合单体中具有多个3个硅氧基，能够共同参与硅酸盐水泥的水解固化过程，进而提高石屑与硅酸盐水泥直接的结合强度，使硅酸盐水泥充分包裹石屑，提高其抗酸蚀性能。

在一些实施例中，所述的硅酸盐水泥为P·Ⅱ42.5R水泥。

选用P·Ⅱ42.5R水泥品种，不选用P·O42.5R水泥，以提高混凝土的和易性和强度，为混凝土提供强度保障，提高混凝土的使用寿命从而达到耐久性设计要求。

在一些实施例中，所述的碎石为花岗岩，碎石的颗粒直径为5-25mm。

在一些实施例中，所述石屑的细度模数为3.0-3.7，石屑中粒径小于0.16mm的颗粒的质量含量在8％-28％，粒径小于0.08mm的颗粒的质量含量小于7％。

在一些实施例中，所述的碎石为花岗岩，碎石的颗粒直径为5-25mm。

本发明还公开了如上所述的利用石材加工废弃物制备的混凝土的制备方法，该方法包括如下步骤：

首先将丙烯酸酯共聚乳液用水稀释为固含量为1％-10％，将石屑加入至丙烯酸酯共聚乳液中，混合搅拌，过滤，干燥得到包覆有丙烯酸酯聚合层的石屑；

将50％用量的碎石、石屑、粉煤灰、50％用量的硅酸盐水泥以及50％用量的水进行预拌和，得到预拌料；

然后往预拌料中加入聚羧酸减水剂以及剩余的50％用量的碎石、50％用量的硅酸盐水泥以及50％用量的水进行再次搅拌，制备成混凝土，对混凝土浇筑固化后，养护15天以上。

在一些实施例中，所述丙烯酸酯共聚乳液通过以下方法制备得到：

①加入水和乳化剂；

②加热升温至85℃，加入单体混合物和引发剂引发聚合，单体混合物包括80-90重量份的主体聚合单体和10-20重量份的功能聚合单体，所述主体聚合单体包括甲基丙烯酸甲酯、苯乙烯、甲基苯乙烯、丙烯酸丁酯、甲基丙烯酸丁酯、丙烯酸异丁酯、丙烯酸叔丁酯、丙烯酸异辛酯、丙烯酸异癸酯、丙烯酸十二烷基酯、甲基丙烯酸十二烷基酯、丙烯酸、甲基丙烯酸、丙烯酰胺、乙酰乙酸基甲基丙烯酸乙酯、丙烯酸缩水甘油酯、丙烯酸十六烷基酯、丙烯酸十八烷基酯中的一种或多种；所述功能聚合单体选自结构式1所示的化合物：

结构式1

③加入中和剂调节pH值，获得的丙烯酸酯共聚乳液。

以下通过具体实施例对本发明进行说明：

实施例1：

采用85重量份的甲基丙烯酸甲酯和15重量份的结构式1所示的化合物进行乳液聚合得到丙烯酸酯共聚乳液，稀释将固含量降低至3％，将石屑加入至丙烯酸酯共聚乳液中，混合搅拌，过滤，干燥得到包覆有丙烯酸酯聚合层的石屑。

首先将50％用量的碎石502kg、石屑695kg、粉煤灰30kg、50％用量的硅酸盐水泥97kg以及50％用量的水75kg进行预拌和，预拌和时间5mi n，得到预拌料；然后往预拌料中加入外加剂高性能聚羧酸减水剂6.9kg以及剩余的50％用量的碎石502kg、50％用量的硅酸盐水泥97kg、50％用量的水75kg，搅拌3mi n，制备成混凝土。

粉煤灰的灰细度为14—25，细度，即0.045mm方孔筛余≤20％，含水量≤1％，氯离子含量≤0.01％，可溶性碱含量≤0.3％；

聚羧酸减水剂为洛美公司的高性能聚羧酸减水剂。

将上述得到的混凝土注入实验模具，24h后脱模，养护28天。

实施例2：

采用100重量份的甲基丙烯酸甲酯进行乳液聚合得到丙烯酸酯共聚乳液，稀释将固含量降低至3％，将石屑加入至丙烯酸酯共聚乳液中，混合搅拌，过滤，干燥得到包覆有丙烯酸酯聚合层的石屑。

首先将50％用量的碎石502kg、石屑695kg、粉煤灰30kg、50％用量的硅酸盐水泥97kg以及50％用量的水75kg进行预拌和，预拌和时间5mi n，得到预拌料；然后往预拌料中加入外加剂高性能聚羧酸减水剂6.9kg以及剩余的50％用量的碎石502kg、50％用量的硅酸盐水泥97kg、50％用量的水75kg，搅拌3mi n，制备成混凝土。

粉煤灰的灰细度为14—25，细度，即0.045mm方孔筛余≤20％，含水量≤1％，氯离子含量≤0.01％，可溶性碱含量≤0.3％；

聚羧酸减水剂为洛美公司的高性能聚羧酸减水剂。

将上述得到的混凝土注入实验模具，24h后脱模，养护28天。

对比例1：

首先将50％用量的碎石502kg、石屑695kg、粉煤灰30kg、50％用量的硅酸盐水泥97kg以及50％用量的水75kg进行预拌和，预拌和时间5mi n，得到预拌料；然后往预拌料中加入外加剂高性能聚羧酸减水剂6.9kg以及剩余的50％用量的碎石502kg、50％用量的硅酸盐水泥97kg、50％用量的水75kg，搅拌3mi n，制备成混凝土。

粉煤灰的灰细度为14—25，细度，即0.045mm方孔筛余≤20％，含水量≤1％，氯离子含量≤0.01％，可溶性碱含量≤0.3％；

聚羧酸减水剂为洛美公司的高性能聚羧酸减水剂。

将上述得到的混凝土注入实验模具，24h后脱模，养护28天。

样本检测

对实施例和对比例制备得到的混凝土材料进行抗压强度、腐蚀系数(腐蚀系数根据GB/T50082-2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》)测定，具体测定结果见下表：

由上表可知，本发明制备的混凝土具有良好的耐腐蚀性，并且还具有优良的抗压强度，能够用于酸腐蚀较强的环境。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种利用石材加工废弃物制备的混凝土，其特征在于，包括以下原料物质：硅酸盐水泥、碎石、石屑、水、粉煤灰、聚羧酸减水剂；

所述石屑的表面包覆有丙烯酸酯聚合层；

所述丙烯酸酯聚合层的聚合原料包括80-90重量份的主体聚合单体和10-20重量份的功能聚合单体，所述主体聚合单体包括甲基丙烯酸甲酯、苯乙烯、甲基苯乙烯、丙烯酸丁酯、甲基丙烯酸丁酯、丙烯酸异丁酯、丙烯酸叔丁酯、丙烯酸异辛酯、丙烯酸异癸酯、丙烯酸十二烷基酯、甲基丙烯酸十二烷基酯、丙烯酸、甲基丙烯酸、丙烯酰胺、乙酰乙酸基甲基丙烯酸乙酯、丙烯酸缩水甘油酯、丙烯酸十六烷基酯、丙烯酸十八烷基酯中的一种或多种；所述功能聚合单体选自结构式1所示的化合物：

所述混凝土由以下方法制备得到：

首先将丙烯酸酯共聚乳液用水稀释为固含量为1％-10％，将石屑加入至丙烯酸酯共聚乳液中，混合搅拌，过滤，干燥得到包覆有丙烯酸酯聚合层的石屑；

将50％用量的碎石、石屑、粉煤灰、50％用量的硅酸盐水泥以及50％用量的水进行预拌和，得到预拌料；

然后往预拌料中加入聚羧酸减水剂以及剩余的50％用量的碎石、50％用量的硅酸盐水泥以及50％用量的水进行再次搅拌，制备成利用石材加工废弃物制备的混凝土，对利用石材加工废弃物制备的混凝土浇筑固化后，养护15天以上。

2.根据权利要求1所述的一种利用石材加工废弃物制备的混凝土，其特征在于，包括以下重量组分原料物质：

硅酸盐水泥168-232份、碎石980-1121份、石屑650-800份、水143-166份、粉煤灰21-32份、矿粉152-168份和聚羧酸减水剂6.84-8.40份。

3.根据权利要求1所述的一种利用石材加工废弃物制备的混凝土，其特征在于，所述丙烯酸酯聚合层的厚度为12-100nm。

4.根据权利要求1所述的一种利用石材加工废弃物制备的混凝土，其特征在于，所述的硅酸盐水泥为P·Ⅱ42.5R水泥。

5.根据权利要求1所述的一种利用石材加工废弃物制备的混凝土，其特征在于，所述的碎石为花岗岩，碎石的颗粒直径为5-25mm。

6.根据权利要求1所述的一种利用石材加工废弃物制备的混凝土，其特征在于，所述石屑的细度模数为3.0-3.7，石屑中粒径小于0.16mm的颗粒的质量含量在8％-28％，粒径小于0.08mm的颗粒的质量含量小于7％。

7.如权利要求1至6任一项所述的利用石材加工废弃物制备的混凝土的制备方法，其特征在于，该方法为如下步骤：

首先将丙烯酸酯共聚乳液用水稀释为固含量为1％-10％，将石屑加入至丙烯酸酯共聚乳液中，混合搅拌，过滤，干燥得到包覆有丙烯酸酯聚合层的石屑；

将50％用量的碎石、石屑、粉煤灰、50％用量的硅酸盐水泥以及50％用量的水进行预拌和，得到预拌料；

然后往预拌料中加入聚羧酸减水剂以及剩余的50％用量的碎石、50％用量的硅酸盐水泥以及50％用量的水进行再次搅拌，制备成利用石材加工废弃物制备的混凝土，对利用石材加工废弃物制备的混凝土浇筑固化后，养护15天以上。

8.根据权利要求7所述的利用石材加工废弃物制备的混凝土的制备方法，其特征在于，所述丙烯酸酯共聚乳液通过以下方法制备得到：

①加入水和乳化剂；

②加热升温至85℃，加入单体混合物和引发剂引发聚合，单体混合物包括80-90重量份的主体聚合单体和10-20重量份的功能聚合单体，所述主体聚合单体包括甲基丙烯酸甲酯、苯乙烯、甲基苯乙烯、丙烯酸丁酯、甲基丙烯酸丁酯、丙烯酸异丁酯、丙烯酸叔丁酯、丙烯酸异辛酯、丙烯酸异癸酯、丙烯酸十二烷基酯、甲基丙烯酸十二烷基酯、丙烯酸、甲基丙烯酸、丙烯酰胺、乙酰乙酸基甲基丙烯酸乙酯、丙烯酸缩水甘油酯、丙烯酸十六烷基酯、丙烯酸十八烷基酯中的一种或多种；所述功能聚合单体选自结构式1所示的化合物：

③加入中和剂调节pH值，获得的丙烯酸酯共聚乳液。