CN116003094A - 一种掺自胶凝性底泥的水泥砂浆及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于建筑技术材料技术领域，本发明公开了一种掺自胶凝性底泥的水泥砂浆及其制备方法。水泥砂浆制备原料中包括硅酸盐水泥、自胶凝性底泥、细集料、分散剂和水；所述自胶凝性底泥由硅藻土、生石灰和河湖底泥制备得到。本发明所提供的掺自胶凝性底泥的水泥砂浆中，河湖底泥在与生石灰、硅藻土的处理中进一步提升其火山灰活性，使之同时使硅酸盐水泥用量最大减少20％，但28d砂浆抗压强度≥9MPa。使用河湖底泥可在减少二氧化碳排放的同时，便于河湖环境治理，充分体现绿色、低碳、环保的特点。
Description
技术领域
本发明涉及建筑技术材料技术领域，尤其涉及一种掺自胶凝性底泥的水泥砂浆及其制备方法。
背景技术
水泥砂浆是由水泥、骨料、外加剂和矿物掺合料等原料生产的混料，目前广泛应用于基础施工、墙体砌筑、水工建筑等多种工程环境。
随着基础建设进程的加速，高速铁路与高速公路建设进程加快，每年用于生产建设的水泥、河沙用量逐渐增加，从而导致石灰石、粘土资源紧缺，环境污染，工程建设速度缓慢，经济建设发展滞后等问题的出现。矿石、河沙资源的开采也直接导致水土流失、生态破坏问题的出现，河道淤积治理问题也因此尤为突出。为缓解这一矛盾，由河湖淤泥制备凝胶材料的想法应运而生。
目前已有多项专利针对资源短缺、环境污染等问题提出解决方法。专利(CN114988769 A)公开一种垃圾焚烧灰烬制备水泥基材料的制备方法，该方法将垃圾焚烧灰烬作为凝胶材料替代水泥，虽然可以满足强度要求，但是需要使用大量的液体激发剂，同时垃圾焚烧灰烬也不能满足低碳、河湖地区使用的要求，同时垃圾灰烬含有大量有害元素可能导致河湖水体污染。专利(CN 115321849 A)公开一种添加硅锰渣低碳凝胶材料，该方法将硅锰渣作为凝胶材料替代水泥，虽然与同等级普通硅酸盐水泥相比，可大幅减少硅酸盐水泥用量，体现绿色、低碳的特点，但是由于沿河、湖区域此类矿物制品场稀少，导致材料运输距离较长，同时硅锰渣中的重金属可能溶蚀进入河湖水体中，最终导致环境污染。综合上述技术发现，现有技术仅考虑如何保证强度要求，未考虑到环境条件，也就不能解决在沿河、湖流域工程施工的绿色低碳、性价比高的问题。
为了服务沿河、湖流域工程建设，有必要采用河湖流域天然废弃物进行工程施工的方法，设计并开发用于河、湖地区工程施工的掺自制自胶凝性底泥的水泥砂浆及其制备方法，使用具有凝胶性的河湖底泥不仅能解决河道淤积和环境污染等问题，便于河道周围工程施工的同时，也能保护水泥产地的生态环境，同时具有显著的经济效益与广阔的应用场景。
因此，研究得到一种掺自胶凝性底泥的水泥砂浆及其制备方法，具有重要意义。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足提供了一种掺自胶凝性底泥的水泥砂浆及其制备方法。
为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
本发明提供了一种掺自胶凝性底泥的水泥砂浆，包括以下质量份的组分：
优选的，所述自胶凝性底泥包含硅藻土、生石灰和河湖底泥，所述硅藻土、生石灰和河湖底泥的质量比为10～45:10～35:5～40，所述河湖底泥的质量小于等于所述硅藻土与生石灰总质量的50％。
优选的，所述河湖底泥的堆积密度为1.41～1.46g/cm3，粒径为0.005～0.075mm，pH值为8.5～8.8。
优选的，所述河湖底泥中化学成分的质量分数为：SiO260～70％、Al2O38～20％、CaO 4～17％、Fe3O41.5～8％。
优选的，所述自胶凝性底泥的制备方法包括以下步骤：
将硅藻土、生石灰和河湖底泥混合后进行反应，得到自胶凝性底泥；所述反应的温度为80～120℃，反应的时间为3～9h。
优选的，所述水泥的比表面积≥350m2/kg。
优选的，所述分散剂为聚羧酸、十二烷基硫酸钠、脂肪酸聚乙二醇酯和柠檬酸钠中的一种或几种。
本发明还提供了所述掺自胶凝性底泥的水泥砂浆的制备方法，包括以下步骤：
(1)将水泥、自胶凝性底泥和细集料混合，得到的混合物与水、分散剂混合，得到拌合料；
(2)将拌合料顺次进行成型和养护，得到水泥砂浆。
优选的，步骤(2)中，所述成型为振动成型；所述养护为先标准养护20～24h，脱模后再浸泡养护26～30d。
经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明有益效果如下：
1)本发明所制备的掺自胶凝性底泥的水泥砂浆具有良好的物理力学性能，使用中不易破坏，具有抗折、抗变形的能力；本发明所述掺自胶凝性底泥的水泥砂浆的制备方法能够合理利用废弃资源，对于创造环境友好型社会具有积极效果，且本发明所述制备方法具有取材简单，原料来源广泛，成本低廉，制备方便的特点。
2)河湖底泥存在潜在的胶凝性，通过硅藻土、生石灰和河湖底泥组合制备不同钙硅比的自胶凝性底泥，激发河湖底泥潜在胶凝性，使河湖底泥与水泥、水发生水化反应产生具有较高强度的化学分子键，使水泥砂浆获得较高的力学强度。同时，分散剂优化自胶凝性底泥在水泥砂浆中的分散性，可对水泥砂浆的力学性能与整体密度进行微调。
3)本发明所提供的掺自胶凝性底泥的水泥砂浆中，河湖底泥在与生石灰、硅藻土的处理中进一步提升其火山灰活性，使之同时使硅酸盐水泥用量最大减少20％，但28d砂浆抗压强度≥9MPa，相比同级别水泥砂浆，其水泥用量大幅减少。使用河湖底泥可在减少二氧化碳排放的同时，便于河湖环境治理，充分体现绿色、低碳、环保的特点。
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，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本发明水泥砂浆的制备方法的流程图。
具体实施方式
本发明提供了一种掺自胶凝性底泥的水泥砂浆，包括以下质量份的组分：
本发明所述自胶凝性底泥优选包含硅藻土、生石灰和河湖底泥，所述硅藻土、生石灰和河湖底泥的质量比优选为10～45:10～35:5～40，进一步优选为15～40:15～30:8～32，更优选为20～30:20～25:15～25；所述河湖底泥的质量优选小于等于所述硅藻土与生石灰总质量的50％。
本发明所述河湖底泥的堆积密度优选为1.41～1.46g/cm3，进一步优选为1.42～1.45g/cm3，更优选为1.43～1.44g/cm3；粒径优选为0.005～0.075mm，进一步优选为0.010～0.070mm，更优选为0.025～0.058mm；pH值优选为8.5～8.8，进一步优选为8.58～8.76，更优选为8.6～8.7；阳离子交换量优选为3～4cmol/kg，进一步优选为3.1～3.9cmol/kg，更优选为3.7～3.8cmol/kg；比重优选为2～3，进一步优选为2.2～2.9，更优选为2.7～2.8，属细粒土砂。
本发明所述硅藻土的平均粒径优选为0.1～0.15μm，进一步优选为0.11～0.14μm，更优选为0.12～0.13μm；比表面积优选为20～35m2/kg，进一步优选为22～30m2/kg，更优选为25～28m2/kg。
本发明所述生石灰的平均密度优选为2～2.5g/ml，进一步优选为2.1～2.4g/ml，更优选为2.2～2.3g/ml；平均粒径优选为0.8～1.2μm，进一步优选为0.85～1.1μm，更优选为0.9～1μm；比表面积优选为10～30m2/kg，进一步优选为15～25m2/kg，更优选为18～22m2/kg。
本发明所述河湖底泥优选自黄河流域。
本发明所述细集料优选为中砂，细集料的平均粒径优选为0.221～0.475mm，进一步优选为0.25～0.45mm，更优选为0.32～0.38mm；细度模数优选为2～3，进一步优选为2.2～2.9，更优选为2.6～2.8；含泥量优选为1～3％，进一步优选为1.3～2.7％，更优选为1.5～2％；表观密度优选为2～3g/cm3，进一步优选为2.2～2.8g/cm3，更优选为2.5～2.6g/cm3。
本发明所述水优选采用工业用地下水。
本发明所述河湖底泥中化学成分的质量分数优选为：SiO260～70％、Al2O38～20％、CaO 4～17％、Fe3O41.5～8％，河湖底泥中还包含其他少量化学成分。
本发明所述自胶凝性底泥的制备方法优选包括以下步骤：
将硅藻土、生石灰和河湖底泥混合后进行反应，得到自胶凝性底泥；所述反应的温度优选为80～120℃，进一步优选为85～112℃，更优选为90～108℃；反应的时间优选为3～9h，进一步优选为4～8h，更优选为5～6h。
本发明所述水泥的比表面积优选≥350m2/kg，进一步优选≥355m2/kg，更优选≥360m2/kg；水泥优选为P.O42.5R水泥或以上等级水泥。
本发明所述分散剂优选为聚羧酸、十二烷基硫酸钠、脂肪酸聚乙二醇酯和柠檬酸钠中的一种或几种。
本发明所述分散剂有助于增强水泥砂浆内部的均匀性，使水泥砂浆的内部成分在搅拌与浇筑过程中长时间保持分散，便于强度保持。
本发明还提供了所述掺自胶凝性底泥的水泥砂浆的制备方法，包括以下步骤：
(1)将水泥、自胶凝性底泥和细集料混合，得到的混合物与水、分散剂混合，得到拌合料；
(2)将拌合料顺次进行成型和养护，得到水泥砂浆。
本发明步骤(2)中，所述成型前优选对拌合料进行搅拌、装模步骤。
本发明步骤(2)中，所述成型优选为振动成型；所述养护优选为先标准养护20～24h，脱模后再浸泡养护26～30d，进一步优选为先标准养护21～23.5h，脱模后再浸泡养护27～29d，更优选为先标准养护22～23h，脱模后再浸泡养护28～28.5d。
本发明步骤(2)中，所述浸泡养护优选为在地下水中浸泡养护；所述浸泡养护的温度优选为18～22℃，进一步优选为19～21℃，更优选为20～20.5℃。
本发明中，水泥与自胶凝性底泥起到凝胶材料的作用，细集料起到骨架作用，水泥与自胶凝性底泥在与水拌合后发生水化反应，将骨架包裹形成整体提高力学强度，分散剂的加入可使自胶凝性底泥与水泥均匀分散，防止自胶凝性底泥局部聚集形成薄弱区。
下面结合实施例对本发明提供的技术方案进行详细的说明，但是不能把它们理解为对本发明保护范围的限定。
实施例1
将硅藻土(平均粒径为0.12μm，比表面积为27m2/kg)、生石灰(平均密度2.24g/ml，平均粒径为0.91μm，比表面积为15m2/kg)和河湖底泥(堆积密度为1.43g/cm3，平均粒径为0.055mm，pH值为8.6，阳离子交换量为3.78cmol/kg，比重为2.73)按照质量比为10:11:9进行混合，均匀搅拌得到胶凝干混合物，河湖底泥包含如下质量分数的主要化学成分：SiO268％、Al2O315％、CaO10％、Fe3O46％以及1％的其他杂质。将胶凝干混合物置于反应釜中，在100℃下反应9h制得自胶凝性底泥。
将424份P.O42.5R水泥(比表面积为350m2/kg)、28份自胶凝性底泥和1237份中砂(平均粒径0.228mm，细度模数2.7，含泥量1.7％，表观密度2.58g/cm3)搅拌均匀，随后加入440份水与12份聚丙烯酸继续搅拌得到拌合料。将拌合料搅拌装模，振动成型后标准养护22h，脱模后分别在20℃的地下水中浸泡养护7天、14天和28天后进行检测。
按照标准JCJ/T70-2009《建筑砂浆基本性能试验方法标注》对实施例1的水泥砂浆进行相关性能指标检测，结果如表1所示。
表1实施例1的水泥砂浆相关性能指标检测结果
实施例2
将硅藻土(平均粒径为0.13μm，比表面积为26m2/kg)、生石灰(平均密度2.4g/ml，平均粒径为1.13μm，比表面积为12m2/kg)和河湖底泥(堆积密度为1.43g/cm3，平均粒径为0.055mm，pH值为8.58，阳离子交换量为3.3cmol/kg，比重为2.73)按照质量比为16:22:18进行混合，均匀搅拌得到胶凝干混合物，河湖底泥包含如下质量分数的主要化学成分：SiO266％、Al2O316％、CaO12％、Fe3O45％以及1％的其他杂质。将胶凝干混合物置于反应釜中，在100℃下反应12h制得自胶凝性底泥。
将396份P.O42.5R水泥(比表面积为350m2/kg)、56份自胶凝性底泥和1237份中砂(平均粒径0.35mm，细度模数2.5，含泥量1.6％，表观密度2.58g/cm3)搅拌均匀，随后加入440份水与12份十二烷基硫酸钠继续搅拌得到拌合料。将拌合料搅拌装模，振动成型后标准养护22h，脱模后分别在20℃的地下水中浸泡养护7天、14天和28天后进行检测。
按照标准JCJ/T70-2009《建筑砂浆基本性能试验方法标注》对实施例2的水泥砂浆进行相关性能指标检测，结果如表2所示。
表2实施例2的水泥砂浆相关性能指标检测结果
实施例3
将硅藻土(平均粒径为0.14μm，比表面积为25m2/kg)、生石灰(平均密度2.3g/ml，平均粒径为1μm，比表面积为13m2/kg)和河湖底泥(堆积密度为1.45g/cm3，平均粒径为0.044mm，pH值为8.7，阳离子交换量为3.2cmol/kg，比重为2.4)按照质量比为24:33:27进行混合，均匀搅拌得到胶凝干混合物，河湖底泥包含如下质量分数的主要化学成分：SiO270％、Al2O312％、CaO9％、Fe3O48％以及1％的其他杂质。将胶凝干混合物置于反应釜中，在120℃下反应9h制得自胶凝性底泥。
将368份P.O42.5R水泥(比表面积为350m2/kg)、84份自胶凝性底泥和1237份中砂(平均粒径0.4mm，细度模数2.4，含泥量2.5％，表观密度2.24g/cm3)搅拌均匀，随后加入440份水与12份脂肪酸聚乙二醇酯继续搅拌得到拌合料。将拌合料搅拌装模，振动成型后标准养护22h，脱模后分别在20℃的地下水中浸泡养护7天、14天和28天后进行检测。
按照标准JCJ/T70-2009《建筑砂浆基本性能试验方法标注》对实施例3的水泥砂浆进行相关性能指标检测，结果如表3所示。
表3实施例3的水泥砂浆相关性能指标检测结果
实施例4
将硅藻土(平均粒径为0.15μm，比表面积为24m2/kg)、生石灰(平均密度2.1g/ml，平均粒径为0.89μm，比表面积为18m2/kg)和河湖底泥(堆积密度为1.44g/cm3，平均粒径为0.035mm，pH值为8.6，阳离子交换量为3.2cmol/kg，比重为2.3)按照质量比为44:32:36进行混合，均匀搅拌得到胶凝干混合物，河湖底泥包含如下质量分数的主要化学成分：SiO268％、Al2O315％、CaO10％、Fe3O46％以及1％的其他杂质。将胶凝干混合物置于反应釜中，在120℃下反应9h制得自胶凝性底泥。
将340份P.O42.5R水泥(比表面积为350m2/kg)、112份自胶凝性底泥和1237份中砂(平均粒径0.336mm，细度模数2.3，含泥量1.9％，表观密度2.5g/cm3)搅拌均匀，随后加入440份水与12份柠檬酸钠继续搅拌得到拌合料。将拌合料搅拌装模，振动成型后标准养护22h，脱模后分别在20℃的地下水中浸泡养护7天、14天和28天后进行检测。
按照标准JCJ/T70-2009《建筑砂浆基本性能试验方法标注》对实施例4的水泥砂浆进行相关性能指标检测，结果如表4所示。
表4实施例4的水泥砂浆相关性能指标检测结果
对比例1
将452份P.O42.5R水泥(比表面积为350m2/kg)和1237份中砂(平均粒径0.221mm，细度模数2.7，含泥量1.7％，表观密度2.58g/cm3)搅拌均匀，随后加入440份水与12份聚丙烯酸继续搅拌得到拌合料。将拌合料搅拌装模，振动成型后标准养护22h，脱模后分别在20℃的地下水中浸泡养护7天、14天和28天后进行检测。
按照标准JCJ/T70-2009《建筑砂浆基本性能试验方法标注》对对比例1的水泥砂浆进行相关性能指标检测，结果如表5所示。
表5对比例1的水泥砂浆相关性能指标检测结果
实施例1～4与对比例1的水泥砂浆的性能比较如表6所示。
表6实施例1～4与对比例1的水泥砂浆相关性能对比结果
实施例1～3中各项指标虽小于对比例1，但均满足国标要求，即掺入5～15％自胶凝性底泥取代硅酸盐水泥能有效地满足水泥砂浆的性能要求，具备强度好、流动性好等特性。这是由于未处理的河湖底泥本身含有大量杂质且活性较低，经过生石灰与硅藻土处理后的河湖底泥产生了一定活性，同时硅藻土也具备活性特征可参与砂浆内部的水化反应，在河湖底泥产生不利影响的基础上生成水化产物提升水泥砂浆的强度。另外，由于河湖底泥平均粒径为0.005～0.075mm，填充了凝胶材料与细集料之间的级配区间，产生了较好的填充效应与滚珠效应，因此稠度得到一定提升。实施例4各指标与对比例1相比较小，同时强度不满足国标要求。但在大量自胶凝性底泥加入的情况下，实施例4强度高于M7.5国家标准。在造价方面，由于内部加入大量的自胶凝性底泥可以大幅减少硅酸盐水泥用量，从而大大降低水泥砂浆生产成本，具备经济性与实用性。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种掺自胶凝性底泥的水泥砂浆，其特征在于，包括以下质量份的组分：
2.根据权利要求1所述的一种掺自胶凝性底泥的水泥砂浆，其特征在于，所述自胶凝性底泥包含硅藻土、生石灰和河湖底泥，所述硅藻土、生石灰和河湖底泥的质量比为10～45:10～35:5～40，所述河湖底泥的质量小于等于所述硅藻土与生石灰总质量的50％。
3.根据权利要求2所述的一种掺自胶凝性底泥的水泥砂浆，其特征在于，所述河湖底泥的堆积密度为1.41～1.46g/cm3，粒径为0.005～0.075mm，pH值为8.5～8.8。
4.根据权利要求2或3所述的一种掺自胶凝性底泥的水泥砂浆，其特征在于，所述河湖底泥中化学成分的质量分数为：SiO260～70％、Al2O38～20％、CaO4～17％、Fe3O41.5～8％。
5.根据权利要求2所述的一种掺自胶凝性底泥的水泥砂浆，其特征在于，所述自胶凝性底泥的制备方法包括以下步骤：
将硅藻土、生石灰和河湖底泥混合后进行反应，得到自胶凝性底泥；所述反应的温度为80～120℃，反应的时间为3～9h。
6.根据权利要求1或2所述的一种掺自胶凝性底泥的水泥砂浆，其特征在于，所述水泥的比表面积≥350m2/kg。
7.根据权利要求5所述的一种掺自胶凝性底泥的水泥砂浆，其特征在于，所述分散剂为聚羧酸、十二烷基硫酸钠、脂肪酸聚乙二醇酯和柠檬酸钠中的一种或几种。
8.权利要求1～7任一项所述的一种掺自胶凝性底泥的水泥砂浆的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将水泥、自胶凝性底泥和细集料混合，得到的混合物与水、分散剂混合，得到拌合料；
(2)将拌合料顺次进行成型和养护，得到水泥砂浆。
9.根据权利要求8所述的一种掺自胶凝性底泥的水泥砂浆的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，所述成型为振动成型；所述养护为先标准养护20～24h，脱模后再浸泡养护26～30d。
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