CN116715482A - 一种基于建筑垃圾的大体积混凝土及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于建筑垃圾的大体积混凝土，各组分及其用量包括：水泥100‑300kg/m3，混凝土掺合料50‑180kg/m3，再生废浆粉料30‑100kg/m3，砂800‑1100kg/m3，再生粗骨料1400‑2000kg/m3，水140‑160kg/m3，复合改性剂2.3‑5.8kg/m3，减水剂2‑8kg/m3；其中，再生粗骨料采用高压水射流对建筑垃圾进行破碎、表面强化得到；再生废浆粉料对建筑垃圾进行高压水破碎后收集所得剩余液相部分的废浆渣进行超细化粉磨得到。本发明可实现建筑垃圾资源化利用过程的零排放，所得大体积混凝土具有水化热低、强度高、收缩小等优点，具有显著的经济和环境效益。
Description
技术领域
本发明属于建筑材料技术领域，具体涉及一种基于建筑垃圾的大体积混凝土及其制备方法。
背景技术
2022年我国建筑垃圾排放总量超过35亿吨。巨量的建筑垃圾堆存不仅占用土地资源，而且存在严重的环境污染隐患，对于潜在可用资源也是极大浪费。同时，生产建设活动对天然砂石骨料等自然资源消耗量巨大，使其日益枯竭。如何利用建筑废弃物制造再生骨料、混凝土矿物掺合料等建筑材料，实现建筑垃圾的零排放是现阶段亟待解决的问题。
大体积混凝土是指最小断面尺寸1m以上的混凝土结构，具有结构厚、体形大、混凝土数量多、工程条件复杂和施工技术要求高等特点。大体积混凝土在硬化期间，一方面由于水泥水化过程中将释放出大量的水化热，使结构件具有“热涨”的特性；另一方面混凝土硬化时又具有“收缩“的特性，两者相互作用的结果将直接破坏混凝土结构，导致结构出现裂缝。如采取控制措施不当，温度应力超过混凝土所能承受的拉力极限值时，则易产生裂缝。目前，大体积混凝土的温控措施主要从降低原材料的入模等问题出发，施工采用冷却水管等方式，通常无法从根本上解决的大体积的内部温升问题。
此外，现阶段建筑垃圾的处理方式通常为机械破碎的方法，将其形成再生骨料，该方法存在生产过程粉尘大，再生骨料性能不佳等问题。因此，进一步开发出一种性能优良的、可充分回收利用建筑垃圾且具有较优环保效益的大体积混凝土尤为必要。
发明内容
本发明的主要目的在于针对现有技术存在的问题和不足，提供一种基于建筑垃圾的大体积混凝土，可实现建筑垃圾资源化利用过程的零排放，所得大体积混凝土的水化热低、收缩小，性能优良；且涉及的制备方法较简单、成本较低，具有显著的经济和环境效益，适合推广应用。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种基于建筑垃圾的大体积混凝，各组分及其用量包括：水泥100-300kg/m3，混凝土掺合料50-180kg/m3，再生废浆粉料30-100kg/m3，砂800-1100kg/m3，再生粗骨料1400-2000kg/m3，水140-160kg/m3，复合改性剂2.3-5.8kg/m3，减水剂2-8kg/m3；其中，再生粗骨料采用高压水射流对建筑垃圾进行破碎得再生破碎粒料，再经表面强化处理得到；再生废浆粉料通过对采用高压水射流破碎建筑垃圾后收集所得剩余液相部分的废浆渣进行超细化粉磨处理得到；所述复合改性剂以木质素、硫酸钠、石灰乳、聚乙二醇、纤维素纤维和碱液为主要原料反应得到。
上述方案中，所述建筑垃圾为废弃混凝土。
上述方案中，所述高压水射流水压为10-30MPa。
上述方案中，所述强化处理步骤包括：首先将水与表面强化材料混合均匀，制备表面强化材料的浆体(水与表面强化材料的质量比为1:0.7～1)，然后利用其对再生粗骨料进行裹浆处理。
上述方案中，所述表面强化材料可选用黏土或水泥与硅灰的混合物；引入的表面强化材料可有效封堵再生骨料表面的裂纹，并能降低再生粗骨料的线膨胀系数。
上述方案中，所述再生粗骨料的粒径为5-20mm、5-25mm或5-31.5mm。
上述方案中，所述超细化粉磨处理过程中，采用的粉磨机粉磨振动频率为40-60Hz；时间为1-4h；所得生废浆粉料的平均直径D50为0.1-10μm。
进一步地，所述超细化粉磨处理过程中引入助磨剂和活性激发剂。
上述方案中，所述助磨剂可选用二乙醇单异丙醇胺、三乙醇胺、三异丙醇胺等中的一种或几种。
上述方案中，所述活性激发剂为无机盐激发剂，具体可选用硫酸钠、氯化钠、氯化铁等中的一种或几种。
上述方案中，所述再生废浆粉料的具体制备步骤包括：采用高压水射流破碎废弃混凝土，剥离和分离出再生破碎粒料后，剩余的废浆料引入沉淀池中进行沉淀；向沉淀得到的废浆渣中加入助磨剂和活性激发剂，进行超细化粉磨处理，即得所述再生废浆粉料。
上述方案中，所述助磨剂的用量为废浆渣质量的0.02-0.05％；活性激发剂的用量为废浆渣质量的0.02-0.05％。
上述方案中，所述水泥可选用普通硅酸盐水泥等。
上述方案中，所述掺合料可选用粉煤灰、矿粉、硅灰等中的一种或几种。
上述方案中，所述砂的细度模数为2.6-2.9，含泥量小于2％。
上述方案中，所述复合改性剂中各原料及其所占重量份数包括：木质素1份(相对分子量100-500)，硫酸钠0.5-1份，石灰乳0.5-1份，聚乙二醇(相对分子量1600-6000)10-20份，纤维素纤维10-30份，碱液50～80份。
进一步地，所述碱液可选用氢氧化钠溶液等，其pH值为12-13。
上述方案中，所述复合改性剂的具体制备步骤包括：
1)将1份木质素、0.5-1份硫酸钠、0.5-1份石灰乳完全溶解在50-80份碱液中，混合均匀；
2)将所得混合溶液放入反应釜中于160-180℃高温下反应4-6h，放置常温后，加入10-30分纤维素纤维及10-20份聚乙二醇，混合均匀后，再进行蒸发、干燥，得固态混合物，即得复合改性剂。
上述方案中，所述减水剂为聚羧酸减水剂，其减水率为25％以上。
上述一种基于建筑垃圾的大体积混凝土的制备方法，包括如下步骤：
1)按比例称取各原料，各组分及其含量包括：水泥100-300kg/m3，掺合料50-180kg/m3，再生废浆粉料30-100kg/m3，砂800-1100kg/m3，再生粗骨料1400-2000kg/m3，水140-160kg/m3，复合改性剂2.3-5.8kg/m3，减水剂2-8kg/m3；
2)将称取的水泥、掺合料、再生废浆粉料、砂、再生粗骨料、复合改性剂拌制均匀；
3)然后加入称取的减水剂和水，进行搅拌处理，直到所有原料混合充分均匀，即得所述的大体积混凝土。
上述方案中，所述搅拌处理时间为2min以上。
本发明的技术原理为：
1)本发明首次提出高压水射流的方式回收骨料，并进一步进行表面强化处理或超细粉磨处理得再生骨料和再生废弃粉料，其中：
再生废浆粉料制备过程中，其中的骨料碎粒可发挥微研磨体的作用，促进水泥水化产物的超细化处置；同时通过超细化和活性激发处理，可有效提升所得再生废浆粉料的火山灰活性，并发挥微集料作用，火山灰反应可生成水化产物C-S-H凝胶，具备C-S-H凝胶晶种早强剂的潜力，同时，C-S-H凝胶结构致密，孔隙率显著降低，由此可降低混凝土早期水分的迁移，降低混凝土收缩，进而减少开裂；此外，再生废浆粉料的火山灰活性主要发生在后期，早期水化热较低，可有效降低早期大体积混凝土内部温度的温度和上升速度，降低大体积混凝土的内外温差，降低因为温度应力产出的开裂。
经过表面强化材料处理的再生粗骨料，可有效降低再生粗骨料的线膨胀系数，从而降低大体积混凝土整体的线膨胀系数，进而降低因温度应力产生的开裂等问题；经本发明表面强化处理后的再生粗骨料的吸水率较低，可提高混凝土的工作性能；且后期混凝土处于长期干燥收缩环境时，吸水率较小的粗骨料随着内部水分的蒸发少，因自身内部无相对较大孔隙率等原因，本身约束混凝土干燥收缩的能力较好，使后期干燥收缩率变小。
2)复合改性剂具有亲水和憎水两个基团的有机化合物，可离子化的带电亲水基团，憎水基团吸附于水泥及废弃粉料的表面，具有良好的分散性，亲水基团羧基指向水溶液并相互排斥，进而发挥良好的分散作用，并可减少水的用量；另外，在水泥颗粒上形成覆盖膜后，可延长凝聚过程，从而降低水泥水化放热的速率，避免早期的集中放热，降低大体积混凝土的内外温差，并给予大体积混凝土充分散热的时间，减少开裂的风险；此外，复合改性剂中含有硫酸盐的成分可激发再生废浆粉料的火山灰活性，生产水化硅酸钙；此外，复合改性剂中的聚乙二醇具有相变储能的作用，均匀分散于水泥石内部，在水泥水化早期可以吸收水泥水化释放的热量，从而降低混凝土内部的温度；复合改性剂中的聚乙二醇在碱性环境与纤维素纤维发生搭接反应，一方面发生搭接反应的纤维素纤维可以分散在混凝土中，提高大体积混凝土的抗裂性能；另一方面可进一步提升对水泥石内部热量的吸附能力。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
1)本发明可实现建筑垃圾的100％回收利用；采用高压水射流的方式制备再生骨料和再生废弃粉料，制备过程无污染无粉尘，再生骨料颗粒完整，且经过处理后的再生骨料和再生废弃粉料可实现在大体积混凝土中的高效应用；
2)本发明所得大体积混凝土可兼顾良好的工作性能、力学性能和抗裂性能等，同时具有显著的经济和环境效益，适合推广应用。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
以下实施例中，采用的水泥为P·O42.5普硅水泥；粉煤灰为F类II级粉煤灰；矿粉为S95级矿粉。
再生粗集料为级配良好连续级配的骨料。
采用的砂为颗粒坚硬、级配良好的中砂，要求粒径小于4.75mm的天然洁净中砂，细度模数2.6-2.8，含泥量小于2％。
减水剂为聚羧酸系减水剂，减水率25％。
以下实施例中，采用的废弃混凝土取自某废旧房屋建筑拆除后的废弃混凝土，其混凝土强度等级为C30。
实施例1
一种基于建筑垃圾的大体积混凝，其制备方法包括如下步骤：
1)再生粗骨料和再生废浆粉料的制备；
收集废弃混凝土，采用高压水射流对废弃混凝土进行破碎处理，收集所得再生破碎粒料，进行筛分，筛分得到5-20mm连续级配的骨料；然后将其加入水泥浆(由水泥、硅灰和水按1:0.3:0.5的质量比混合均匀)中进行裹浆处理，放置28d，得再生粗骨料；
破碎处理所得废浆料冲流至沉淀池中进行沉淀，收集沉淀池中的废浆渣，然后取1份(重量份，下同)废浆渣，向其中加入0.0003份助磨剂和0.0003份活性激发剂，粉磨2h(粉磨机粉磨振动频率为50Hz)，得到D50为2.42μm的再生废浆粉料；
2)复合改性剂的制备；
将50g麦草木质素、50g份硫酸钠、50g份石灰乳完全溶解在2500g氢氧化钠溶液(pH值13)中；将所得混合溶液放入反应釜中于180℃高温下反应6h，放置常温后加入1000g纤维素纤维及800g份聚乙二醇，混合均匀后，再进行蒸发、干燥，得到固态混合物，即得复合改性剂；
3)按比例称取大体积混凝中的各原料，各组分及其含量为：水泥200kg/m3，粉煤灰180kg/m3，再生废浆粉料30kg/m3，砂900kg/m3，再生粗骨料1500kg/m3，水150kg/m3，复合改性剂2.8kg/m3，减水剂7kg/m3；
4)将称取的水泥、掺合料(粉煤灰)、再生废浆粉料、砂、再生粗骨料、复合改性剂加入搅拌机中拌制均匀；然后加入称取得减水剂和水，搅拌5min，直到所有原料混合充分均匀，即得所述大体积混凝土。
实施例2
一种基于建筑垃圾的大体积混凝，其制备方法包括如下步骤：
1)再生粗骨料和再生废浆粉料的制备；
收集废弃混凝土，采用高压水射流对废弃混凝土进行破碎处理，收集所得再生破碎粒料，进行筛分，筛分得到5-20mm连续级配的骨料；然后将其加入水泥浆(由水泥、硅灰和水按1:0.3:0.5的质量比混合均匀)中进行裹浆处理，放置28d，得再生粗骨料；
破碎处理所得废浆料冲流至沉淀池中进行沉淀，收集沉淀池的废浆渣，然后取1份废浆渣向其中加入0.0003份三乙醇胺和0.0003份硫酸钠，粉磨3h(粉磨机粉磨振动频率为50Hz)，得到D50为0.36μm的再生废浆粉料；
2)复合改性剂的制备；
将50g麦草木质素、50g份硫酸钠、50g份石灰乳完全溶解在2500g氢氧化钠溶液(pH值13)中；将所得混合溶液放入反应釜中于180℃高温下反应6h，放置常温后加入1000g纤维素纤维及800g份聚乙二醇，混合均匀后，再进行蒸发、干燥，得到固态混合物，即得复合改性剂；
3)按比例称取大体积混凝中的各原料，各组分及其含量为：水泥180kg/m3，粉煤灰150kg/m3，再生废浆粉料60kg/m3，砂980kg/m3，再生粗骨料1680kg/m3，水160kg/m3，复合改性剂2.4kg/m3，减水剂2.8kg/m3；
4)将称取的水泥、掺合料(粉煤灰)、再生废浆粉料、砂、再生粗骨料、复合改性剂加入搅拌机中拌制均匀；然后加入称取减水剂和水，搅拌5min，直到所有原料混合充分均匀，即得所述大体积混凝土。
实施例3
一种基于建筑垃圾的大体积混凝，其制备方法包括如下步骤：
1)再生粗骨料和再生废浆粉料的制备；
收集废弃混凝土，采用高压水射流对废弃混凝土进行破碎处理，收集所得再生破碎粒料，进行筛分，筛分得到5-20mm连续级配的骨料；然后将其加入水泥浆(由水泥、硅灰和水按1:0.3:0.5的质量比混合均匀)中进行裹浆处理，放置28d，得再生粗骨料；
破碎处理所得废浆料冲流至沉淀池中进行沉淀，收集沉淀池中处于液相状态的1份(重量份，下同)废浆渣，然后向其中加入0.0003份助磨剂和0.0003份活性激发剂，粉磨3h(粉磨机粉磨振动频率为50Hz)，得到D50为0.36μm的再生废浆粉料；
2)复合改性剂的制备；
将50g麦草木质素、50g份硫酸钠、50g份石灰乳完全溶解在2500g氢氧化钠溶液(pH值13)中；将所得混合溶液放入反应釜中于180℃高温下反应6h，放置常温后加入1000g纤维素纤维及800g份聚乙二醇，混合均匀后，再进行蒸发、干燥，得到固态混合物，即得复合改性剂；
3)按比例称取大体积混凝中的各原料，各组分及其含量为：水泥250kg/m3，粉煤灰75kg/m3，再生废浆粉料75kg/m3，砂880kg/m3，再生粗骨料1680kg/m3，水150kg/m3，复合改性剂2.24kg/m3，减水剂7kg/m3；
4)将称取的水泥、掺合料(粉煤灰)、再生废浆粉料、砂、再生粗骨料、复合改性剂加入搅拌机中拌制均匀；然后加入称取得减水剂和水，搅拌5min，直到所有原料混合充分均匀，即得所述大体积混凝土。
对比例1
一种大体积混凝土，其制备方法与实施例1大致相同，不同之处在于，采用的配合比为：水泥200kg/m3，粉煤灰180kg/m3，再生废浆粉料30kg/m3，砂900kg/m3，再生粗骨料1500kg/m3，水150kg/m3，减水剂7kg/m3。
对比例2
一种大体积混凝土，其制备方法与实施例1大致相同，不同之处在于，采用的配合比为：水泥180kg/m3，粉煤灰150kg/m3，再生废浆粉料60kg/m3，砂980kg/m3，再生粗骨料1680kg/m3，水160kg/m3，复合改性剂2.4kg/m3，减水剂2.8kg/m3；其中粗骨料为粒径5-20mm连续级配的天然碎石。
对比例3
一种大体积混凝土，其制备方法与实施例1大致相同，不同之处在于，采用的配合比为：水泥230kg/m3，粉煤灰180kg/m3，砂900kg/m3，再生粗骨料1500kg/m3，水150kg/m3，复合改性剂2.8kg/m3，减水剂7kg/m3。
对比例4
一种大体积混凝土，其制备方法与实施例2大致相同，不同之处在于：
1)复合改性剂制备工艺包括：将50g麦草木质素、50g硫酸钠、50g石灰乳完全溶解在2500g PH13的氢氧化钠溶液中；将所得混合溶液放入反应釜中于180℃高温下反应6h，再进行蒸发、干燥，得到固态混合物，即得复合改性剂；
2)大体积混凝中的各组分及其含量为：水泥180kg/m3，粉煤灰150kg/m3，再生废浆粉料60kg/m3，砂980kg/m3，再生粗骨料1680kg/m3，水160kg/m3，复合改性剂2.4kg/m3，减水剂2.8kg/m3。
将实施例1-3与对比例1-3制备的大体积混凝土分别进行工作性能、力学性能、收缩性能及不同部位的温度情况检测，所得坍落度、24h内部温度、内外最大温差、28d抗压强度、90d抗压强度、28d自收缩率等性能测试结果分别见表1。
表1大体积混凝土性能测试结果
将试验结果进行对比分析发现：
将实施例1与对比例1的试验结果进行对比分析，可以看出：本发明所述复合改性剂的掺入，可明显提高混凝土的工作性能；降低混凝土的内部温度及内外最高温差；提高混凝土的强度；同时可有效降低混凝土的收缩。
将实施例1与对比例2的试验结果进行对比分析，可以看出：本发明所述再生粗骨料的使用，可提高混凝土的坍落度，这是因为天然骨料中含有一定的含泥量，且经过表面强化处理后的再生粗骨料的吸水率较低，从而可提高混凝土的工作性能；可明显降低混凝土的收缩，这与其线膨胀系数较低有关，另外经过表面强化处理后的再生粗骨料的吸水率较低，从而可提高混凝土的工作性能；且后期混凝土处于长期干燥收缩环境时，吸水率较小粗骨料随着内部水分的蒸发少，因自身内部无相对较大孔隙率等原因，本身约束混凝土干燥收缩的能力较好，使后期干燥收缩率变小。
将实施例1与对比例3的试验结果进行对比分析，可以看出：本发明所述再生废浆渣的掺入，会略微降低混凝土的坍落度，这可能因为再生废浆渣粉的吸水性高于水泥和粉煤灰；可有效降低混凝土的内部温度及内外最高温差，这与其早期水化热较低有关；会一定程度降低混凝土的早期降低，但可提高后期强度，这与其火山灰活性的发挥主要在后期起作用有关；同时可明显降低混凝土的收缩，这是其水化产物C-S-H凝胶结构致密，孔隙率显著降低，降低混凝土早期水分的迁移，从而降低混凝土收缩。
将实施例2与对比例4进行对比，可以看出：本发明所得复合改性剂对大体积混凝土的性能改善更加明显。这是因为复合改性剂中的聚乙二醇具有相变储能的作用，均匀分散于水泥石内部，在水泥水化早期可以吸收水泥水化释放的热量，从而降低混凝土内部的温度。复合改性剂中的聚乙二醇在碱性环境与纤维素纤维发生了搭接反应，一方面发生了搭接反应的纤维素纤维可以分散在混凝土中，提高大体积混凝土的抗裂性能；另一方面，提升了对水泥石内部热量的吸附能力。
上述实施例仅是为了清楚地说明所做的实例，而并非对实施方式的限制。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其他不同形式的变化或者变动，这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举，因此所引申的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围。
Claims (10)
1.一种基于建筑垃圾的大体积混凝，其特征在于，各组分及其用量包括：水泥100-300kg/m3，混凝土掺合料50-180kg/m3，再生废浆粉料30-100kg/m3，砂800-1100kg/m3，再生粗骨料1400-2000kg/m3，水140-160kg/m3，复合改性剂2.3-5.8kg/m3，减水剂2-8kg/m3；其中，再生粗骨料采用高压水射流对建筑垃圾进行破碎得再生破碎粒料，再经表面强化处理得到；再生废浆粉料对采用高压水射流破碎建筑垃圾后收集所得剩余液相部分的废浆渣进行超细化粉磨处理得到；所述复合改性剂以木质素、硫酸钠、石灰乳、聚乙二醇、纤维素纤维和碱液为主要原料反应得到。
2.根据权利要求1所述的大体积混凝，其特征在于，所述强化处理步骤包括：将水与表面强化材料混合均匀，制备表面强化材料的浆体，然后利用其对再生粗骨料进行裹浆处理。
3.根据权利要求2所述的大体积混凝，其特征在于，所述表面强化材料为黏土或水泥与硅灰的混合物。
4.根据权利要求1所述的大体积混凝，其特征在于，所述再生粗骨料的粒径为5-20mm、5-25mm或5-31.5mm。
5.根据权利要求1所述的大体积混凝，其特征在于，所述超细化粉磨处理过程中，采用的粉磨机粉磨振动频率为40-60Hz，时间为1-4h；所得生废浆粉料的平均直径D50为0.1-10μm。
6.根据权利要求1所述的大体积混凝，其特征在于，所述超细化粉磨处理过程中引入助磨剂和活性激发剂。
7.根据权利要求1所述的大体积混凝，其特征在于，所述水泥为普通硅酸盐水泥；掺合料为粉煤灰、矿粉、硅灰中的一种或几种；砂的细度模数为2.6～2.9，含泥量小于2％。
8.根据权利要求1所述的大体积混凝，其特征在于，所述复合改性剂中各原料及其所占重量份数包括：木质素1份，硫酸钠0.5-1份，石灰乳0.5-1份，聚乙二醇10-20份，纤维素纤维10-30份，碱液50-80份。
9.根据权利要求1所述的大体积混凝，其特征在于，所述复合改性剂的具体制备步骤包括：
1)将1份木质素、0.5-1份硫酸钠、0.5-1份石灰乳完全溶解在50-80份碱液中，混合均匀；
2)将所得混合溶液放入反应釜中于160-180℃高温下反应4-6h，放置常温后，加入10-30分纤维素纤维及10-20份聚乙二醇，混合均匀后，再进行蒸发、干燥，得固态混合物，即得复合改性剂。
10.权利要求1～9任一项所述基于建筑垃圾的大体积混凝土的制备方法，其特征在于包括如下步骤：
1)按比例称取各原料，各组分及其含量包括：水泥100-300kg/m3，掺合料50-180kg/m3，再生废浆粉料30-100kg/m3，砂800-1100kg/m3，再生粗骨料1400-2000kg/m3，水140-160kg/m3，复合改性剂2.3-5.8kg/m3，减水剂2-8kg/m3；
2)将称取的水泥、混凝土掺合料、再生废浆粉料、砂、再生粗骨料、复合改性剂拌制均匀；
3)然后加入称取的减水剂和水，进行搅拌混合均匀，即得所述大体积混凝土。
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