CN117229020A - 一种固废物混凝土及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及混凝土技术领域，具体公开了一种固废物混凝土及其制备方法。固废物混凝土的拌和物包括如下重量份的组分：水泥300‑320份，固废矿物掺合料80‑100份，粗骨料1150‑1250份，载铁机制砂580‑620份，改性矿棉纤维200‑240份，水156‑160份，聚羧酸减水剂3.8‑4.2份。本申请使用了改性矿棉纤维，并在粘土砖机制砂中负载了硫酸铁，得到了载铁机制砂，使聚羧酸减水剂的减水作用能够更加充分地发挥，而且降低了机制砂的吸水率，能够令混凝土拌和物的浆体具有较好的流动性，有利于混凝土拌和物的施工。
Description
技术领域
本申请涉及混凝土技术领域，更具体地说，它涉及一种固废物混凝土及其制备方法。
背景技术
固体废弃物简称固废物(或固废)，是指人类在生产、消费、生活和其他活动中产生的固态、半固态废弃物质。固废物的传统处置方法多为填埋或焚烧，会对环境造成一定的污染，因此需要采取更加环保的方式进行固废物的处置。目前，将固废加工后作为生产混凝土的原材料是一种具有良好前景的处置方法。
相关技术中有一种固废物混凝土，其拌和物包括如下重量份的组分：水泥300kg，固废矿物掺合料80kg，粗骨料1150kg，机制砂780kg，水156kg，聚羧酸减水剂3.8kg。固废矿物掺合料为粉煤灰，机制砂为废弃粘土砖的破碎产物。
针对上述中的相关技术，发明人认为，粘土砖的材质容易吸水，而且对聚羧酸减水剂有较强的吸附作用，导致聚羧酸减水剂难以充分发挥减水作用，会使得水泥浆体中的自由水减少，因此上述混凝土拌和物容易出现浆体流动性不足的情况，不利于混凝土拌和物的施工。
发明内容
相关技术中，混凝土拌和物容易出现浆体流动性不足的情况，不利于混凝土拌和物的施工。为了改善这一缺陷，本申请提供一种固废物混凝土及其制备方法。
第一方面，本申请提供一种固废物混凝土，采用如下的技术方案：
一种固废物混凝土，所述固废物混凝土的拌和物包括如下重量份的组分：水泥300-320份，固废矿物掺合料80-100份，粗骨料1150-1250份，载铁机制砂580-620份，改性矿棉纤维200-240份，水156-160份，聚羧酸减水剂3.8-4.2份，所述改性矿棉纤维为表面接枝有丙烯酸聚合物的矿棉纤维，所述载铁机制砂由粘土砖机制砂在机制砂改性液中浸渍之后经过干燥得到，所述机制砂改性液中的溶质包括硫酸铁。
通过采用上述技术方案，本申请与相关技术相比，将一部分机制砂替换为了改性矿棉纤维，并在粘土砖机制砂中负载了硫酸铁，得到了载铁机制砂。在本申请的混凝土拌和物中，改性矿棉纤维表面的聚丙烯酸基团与聚羧酸减水剂的主链具有相似的结构，二者均带有大量的羧基，而且改性矿棉纤维的用量远大于聚羧酸减水剂的用量，因此改性矿棉纤维比聚羧酸减水剂更容易吸附在机制砂表面，从而占据了机制砂表面的吸附位点，降低了聚羧酸减水剂与机制砂之间发生吸附的几率，使得聚羧酸减水剂的减水作用能够更加充分地发挥。同时，载铁机制砂中的硫酸铁能够与混凝土拌和物中的氢氧化钙反应产生氢氧化铁和硫酸钙，氢氧化铁和硫酸钙能够对机制砂的孔隙结构起到一定的填充作用，且硫酸钙还能进一步参与钙矾石的形成，有助于降低机制砂的吸水率。由于聚羧酸减水剂的减水作用能够更加充分地发挥，而且机制砂的吸水率下降，因此本申请的混凝土拌和物中的浆体具有较好的流动性，有利于混凝土拌和物的施工。
作为优选，所述固废矿物掺合料选用游离氧化钙含量6-10％的粉煤灰。
通过采用上述技术方案，本申请优选了粉煤灰的游离氧化钙含量，粉煤灰中的游离氧化钙水化迅速，能够比水泥更快地生成氢氧化钙，因此能够提高水泥水化初期浆体中的氢氧化钙含量。氢氧化钙含量的提高有利于促进载铁机制砂中的硫酸铁向氢氧化铁转变，从而有助于减少机制砂的吸水率，改善了混凝土拌和物中的浆体的流动性。
作为优选，所述改性矿棉纤维按照如下方法制备：
(1)将矿棉纤维洗涤后烘干，备用；将乙醇、水和乙烯基三乙氧基硅烷混合，得到硅烷改性液，备用；将丙烯酸加入水中，得到单体分散液，备用；
(2)将矿棉纤维与硅烷改性液混合，在65℃搅拌加热4h，然后进行抽滤和烘干，得到乙烯基改性纤维；
(3)将乙烯基改性纤维、单体分散液和引发剂混合，在80℃加热5h，然后进行抽滤和烘干，得到改性矿棉纤维。
通过采用上述技术方案，本申请先使用硅烷偶联剂对矿棉纤维进行接枝改性，将乙烯基接枝到了矿棉纤维表面，然后在引发剂的作用下通过加热使得丙烯酸与乙烯基发生共聚，得到了表面接枝有聚丙烯酸基团的改性矿棉纤维。
作为优选，所述丙烯酸与乙烯基三乙氧基硅烷的摩尔比为(4-8):1。
通过采用上述技术方案，优选了丙烯酸与硅烷偶联剂之间的摩尔比，有利于改善改性矿棉纤维表面的聚丙烯酸基团对机制砂的吸附效果。
作为优选，所述载铁机制砂按照如下方法制备：
(1)将废弃粘土砖破碎后进行筛分，得到粘土砖机制砂；将硫酸铁加入水中，得到机制砂改性液；
(2)将粘土砖机制砂和机制砂改性液按照1:4的重量比混合，静置一段时间后进行过滤，对过滤得到的机制砂进行烘干，得到载铁机制砂。
通过采用上述技术方案，本申请将粘土砖机制砂加入机制砂改性液中进行浸渍，通过静置使得粘土砖机制砂吸收一定量的铁盐，然后进行过滤和烘干即可得到载铁机制砂。
作为优选，所述机制砂改性液中，硫酸铁的质量分数为6-8％。
通过采用上述技术方案，本申请优选了硫酸铁在机制砂改性液中的质量分数。由于在过滤回收机制砂时，机制砂会带出一部分机制砂改性液，因此增大硫酸铁在机制砂改性液中的质量分数能够增加机制砂携带的硫酸铁总量，有利于硫酸铁与氢氧化钙充分反应，从而改善了对机制砂孔隙结构的封闭效果，降低了机制砂的吸水率。
作为优选，在配制所述机制砂改性液时，将甲氧基聚醚和铁盐共同加入水中溶解。
通过采用上述技术方案，甲氧基聚醚与聚羧酸减水剂的侧链结构接近，能够代替聚羧酸减水剂的侧链与机制砂发生吸附，有助于减少机制砂对聚羧酸减水剂的吸附，从而改善了混凝土浆体的流动性。
作为优选，所述甲氧基聚醚的平均分子量为600-1000。
通过采用上述技术方案，优选了甲氧基聚醚的分子量范围，有利于改善粘土砖对甲氧基聚醚的吸附效果。
作为优选，所述甲氧基聚醚的用量为粘土砖机制砂重量的3.2-4.8％。
通过采用上述技术方案，优选了甲氧基聚醚的用量，有助于使粘土砖机制砂充分吸附甲氧基聚醚，从而减少了粘土砖机制砂对聚羧酸减水剂的吸附量。
第二方面，本申请提供一种固废物混凝土的制备方法，采用如下的技术方案。
一种固废物混凝土的制备方法，包括以下步骤：
(1)将水泥、固废矿物掺合料、粗骨料、载铁机制砂、改性矿棉纤维混合，得到干料；将聚羧酸减水剂和水混合，得到减水剂溶液；
(2)对干料进行干拌，然后将减水剂溶液加入干料中继续搅拌，得到混凝土拌和物；
(3)对混凝土拌和物进行入模养护，到达指定龄期后得到固废物混凝土。
通过采用上述技术方案，本申请先分别配制了干料和减水剂溶液，然后将干料和减水剂溶液混合后进一步搅拌，得到了混凝土拌和物，然后用得到的混凝土拌和物制备了固废物混凝土。
综上所述，本申请具有以下有益效果：
1、本申请将相关技术中的一部分机制砂替换为了改性矿棉纤维，并在粘土砖机制砂中负载了硫酸铁，得到了载铁机制砂，使聚羧酸减水剂的减水作用能够更加充分地发挥，而且降低了机制砂的吸水率，因此本申请的混凝土拌和物中的浆体具有较好的流动性，有利于混凝土拌和物的施工。
2、本申请中优选固废矿物掺合料选用游离氧化钙含量6-10％的粉煤灰，游离氧化钙有利于促进载铁机制砂中的硫酸铁向氢氧化铁转变，从而有助于减少机制砂的吸水率，改善了混凝土拌和物中的浆体的流动性。
具体实施方式
以下结合实施例、制备例和对比例对本申请作进一步详细说明，本申请涉及的原料均可通过市售获得。
改性矿棉纤维的制备例
以下以制备例1为例说明。
制备例1
本制备例中，改性矿棉纤维按照以下方法制备：
(1)将矿棉纤维洗涤后烘干，备用；将乙醇、水和乙烯基三乙氧基硅烷混合，得到硅烷改性液，备用；将丙烯酸加入水中，得到丙烯酸质量分数20％的单体分散液，备用；本步骤中，乙醇和水的重量比为1:2，乙烯基三乙氧基硅烷在硅烷改性液中的质量分数为5％，丙烯酸与乙烯基三乙氧基硅烷的摩尔比(以下简称单体摩尔比)为1.5:1；
(2)将矿棉纤维与硅烷改性液混合，在60℃搅拌加热3h，然后进行抽滤和烘干，得到乙烯基改性纤维；
(3)将乙烯基改性纤维、单体分散液和引发剂混合，在80℃加热5h，然后进行抽滤和烘干，得到改性矿棉纤维。
如表1，制备例1-5的不同之处在于单体摩尔比不同。
表1单体摩尔比
| 样本 | 制备例1 | 制备例2 | 制备例3 | 制备例4 | 制备例5 |
| 单体摩尔比 | 1.5:1 | 2.5:1 | 4:1 | 6:1 | 8:1 |
载铁机制砂的制备例
以下以制备例6为例说明。
制备例6
本制备例中，载铁机制砂按照以下方法制备：
(1)将废弃粘土砖破碎后进行筛分，得到粘土砖机制砂；将硫酸铁加入水中，得到硫酸铁质量分数为4％的机制砂改性液；
(2)将粘土砖机制砂和机制砂改性液按照1:4的重量比混合，静置6h后进行过滤，对过滤得到的机制砂进行烘干，得到符合《GB/T 14684-2022建设用砂》关于2区机制砂规定的载铁机制砂。
如表2，制备例6-10的不同之处在于机制砂改性液中的硫酸铁质量分数不同。
表2硫酸铁质量分数
| 样本 | 制备例6 | 制备例7 | 制备例8 | 制备例9 | 制备例10 |
| 硫酸铁质量分数/％ | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 |
制备例11
本制备例与制备例10的不同之处在于，在配制铁盐水溶液时，将甲氧基聚醚和铁盐共同加入水中溶解，甲氧基聚醚的平均分子量为1200，甲氧基聚醚的用量为粘土砖机制砂重量的1.6％。
如表3，制备例11-15的不同之处在于甲氧基聚醚的平均分子量不同。
表3甲氧基聚醚的平均分子量
如表4，制备例15-19的不同之处在于甲氧基聚醚的用量占粘土砖机制砂重量的百分比(以下简称为甲氧基聚醚占比)不同。
表4甲氧基聚醚占比
| 样本 | 制备例15 | 制备例16 | 制备例17 | 制备例18 | 制备例19 |
| 甲氧基聚醚占比 | 1.6 | 2.4 | 3.2 | 4.0 | 4.8 |
实施例
实施例1-5
以下以实施例1为例进行说明。
实施例1
本实施例中，固废物混凝土的拌和物由如下原料组成：水泥300kg，固废矿物掺合料80kg，粗骨料1150kg，制备例6的载铁机制砂580kg，制备例1的改性矿棉纤维200kg，水156kg，聚羧酸减水剂3.8kg。水泥为P.O52.5硅酸盐水泥，固废矿物掺合料为游离氧化钙含量2％的粉煤灰，粗骨料为5-31.5mm连续级配天然碎石；聚羧酸减水剂按照《GB8076—2008混凝土外加剂》记载的检测方法检测，在掺量为基准水泥重量的1％时测得的减水率为31.7％；本实施例中，固废物混凝土按照以下步骤制备：
(1)将水泥、固废矿物掺合料、粗骨料、载铁机制砂、改性矿棉纤维混合，得到干料；将聚羧酸减水剂和水混合，得到减水剂溶液；
(2)对干料进行干拌，然后将减水剂溶液加入干料中继续搅拌，得到混凝土拌和物；
(3)对混凝土拌和物进行入模养护，到达指定龄期后得到固废物混凝土。
如表5,实施例1-5的不同之处主要在于固废物混凝土的拌和物原料配比不同
表5固废物混凝土拌和物的原料配比
实施例6-10
如表6，实施例6-10与实施例5的不同之处在于，粉煤灰的游离氧化钙含量不同。
表6游离氧化钙含量
| 样本 | 实施例5 | 实施例6 | 实施例7 | 实施例8 | 实施例9 | 实施例10 |
| 游离氧化钙含量/％ | 2 | 3 | 4 | 6 | 8 | 10 |
实施例11-14
如表7，实施例11-14与实施例10的不同之处在于，改性矿棉纤维的制备例不同。
表7改性矿棉纤维的制备例
| 样本 | 制备例 |
| 实施例10 | 制备例1 |
| 实施例11 | 制备例2 |
| 实施例12 | 制备例3 |
| 实施例13 | 制备例4 |
| 实施例14 | 制备例5 |
实施例14-27
如表8，实施例14-27的不同之处在于，载铁机制砂的制备例不同。
表8载铁机制砂的制备例
| 样本 | 制备例 | 样本 | 制备例 |
| 实施例14 | 制备例6 | 实施例21 | 制备例13 |
| 实施例15 | 制备例7 | 实施例22 | 制备例14 |
| 实施例16 | 制备例8 | 实施例23 | 制备例15 |
| 实施例17 | 制备例9 | 实施例24 | 制备例16 |
| 实施例18 | 制备例10 | 实施例25 | 制备例17 |
| 实施例19 | 制备例11 | 实施例26 | 制备例18 |
| 实施例20 | 制备例12 | 实施例27 | 制备例19 |
对比例
对比例1
本实施例提供一种固废物混凝土，其拌和物由如下原料组成：水泥300kg，固废矿物掺合料80kg，粗骨料1150kg，机制砂780kg，水156kg，聚羧酸减水剂3.8kg。水泥为P.O52.5硅酸盐水泥，固废矿物掺合料为游离氧化钙含量2％的粉煤灰，粗骨料为5-31.5mm连续级配天然碎石，机制砂为废弃粘土砖的破碎产物，其废弃粘土砖的来源与制备例6相同。聚羧酸减水剂按照《GB8076—2008混凝土外加剂》记载的检测方法检测，在掺量为基准水泥重量的1％时测得的减水率为31.7％。
本实施例中，固废物混凝土按照以下步骤制备：
(1)将水泥、固废矿物掺合料、粗骨料、机制砂混合，得到干料；将聚羧酸减水剂和水混合，得到减水剂溶液；
(2)对干料进行干拌，然后将减水剂溶液加入干料中继续搅拌，得到混凝土拌和物；
(3)对混凝土拌和物进行入模养护，到达指定龄期后得到固废物混凝土。
对比例2
本对比例与实施例1的不同之处在于，将改性矿棉纤维替换为载铁机制砂。
对比例3
本对比例与实施例1的不同之处在于，将载铁机制砂替换为对比例1的机制砂。
性能检测试验方法
参照《GB/T 50080-2016普通混凝土拌合物性能试验方法标准》记载的方法，检测实施例1-27、对比例1-3的混凝土拌和物的扩展度，然后计算实施例1-27、对比例1-3的混凝土扩展度与对比例1的混凝土扩展度的比值，将该比值定义为相对扩展度，结果见表9。
表9相对扩展度
| 样本 | 相对扩展度/％ | 样本 | 相对扩展度/％ |
| 实施例1 | 112.4 | 实施例16 | 125.6 |
| 实施例2 | 113.5 | 实施例17 | 126.3 |
| 实施例3 | 113.8 | 实施例18 | 126.8 |
| 实施例4 | 114.6 | 实施例19 | 128.5 |
| 实施例5 | 115.2 | 实施例20 | 129.9 |
| 实施例6 | 115.7 | 实施例21 | 130.5 |
| 实施例7 | 116.5 | 实施例22 | 131.2 |
| 实施例8 | 117.9 | 实施例23 | 131.7 |
| 实施例9 | 119.2 | 实施例24 | 132.6 |
| 实施例10 | 119.8 | 实施例25 | 133.8 |
| 实施例11 | 120.7 | 实施例26 | 135.1 |
| 实施例12 | 121.5 | 实施例27 | 136.4 |
| 实施例13 | 122.8 | 对比例1 | 100.0 |
| 实施例14 | 124.4 | 对比例2 | 102.7 |
| 实施例15 | 124.9 | 对比例3 | 104.4 |
结合实施例1-5和对比例1并结合表9可以看出，实施例1-5测得的相对扩展度均大于对比例1，说明本申请的固废物混凝土的流动性大，相对而言具有更好的施工性能。
结合实施例1和对比例2-3并结合表9可以看出，当改性矿棉纤维和载铁机制砂未配合使用时，得到的混凝土拌和物的浆体流动性较差，说明改性矿棉纤维和载铁机制砂在改善混凝土拌和物的浆体流动性时具有协同作用。推测其原因，可能是因为对比例2虽然使用了载铁机制砂，但是在缺少改性矿棉纤维的情况下，聚羧酸减水剂仍然较容易在机制砂表面吸附。对比例3虽然使用了改性矿棉纤维，但是在缺少载铁机制砂的情况下难以充分抑制机制砂的吸水。
结合实施例5和实施例6-10并结合表9可以看出，随着粉煤灰游离氧化钙含量的升高，相对扩展度逐渐增大，其中当粉煤灰的游离氧化钙含量为6-10％时，相对扩展度较大，说明在此范围内混凝土拌和物的浆体流动性较好。
结合实施例10-14并结合表9可以看出，通过增加丙烯酸的用量，混凝土拌和物的流动性能够得到一定程度的改善。当丙烯酸与乙烯基三乙氧基硅烷的摩尔比为(4-8):1时，混凝土拌和物的流动性较好。
结合实施例14-18并结合表9可以看出,通过增加硫酸铁的浓度，混凝土拌和物的流动性能够得到一定程度的改善，当铁盐改性液中的硫酸铁质量分数为6-8％时，机制砂携带的硫酸铁总量较高，有利于硫酸铁与氢氧化钙充分反应，从而改善了对机制砂孔隙结构的封闭效果，降低了机制砂的吸水率，因此混凝土拌和物的流动性较好。
结合实施例19-23、实施例18并结合表9可以看出，在制备载铁机制砂时，向铁盐改性液中加入甲氧基聚醚后，改善了混凝土拌和物浆体的流动性，说明甲氧基聚醚能够代替聚羧酸减水剂的侧链与机制砂发生吸附，有助于减少机制砂对聚羧酸减水剂的吸附。当甲氧基聚醚的平均分子量为600-1000时，混凝土拌和物的浆体流动性较好。
结合实施例23-27并结合表9可以看出，当甲氧基聚醚的用量为粘土砖机制砂重量的3.2-4.8％时，混凝土拌和物的浆体流动性较好。
本具体实施例仅仅是对本申请的解释，其并不是对本申请的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本申请的权利要求范围内都受到专利法的保护。
Claims (10)
1.一种固废物混凝土，其特征在于，所述固废物混凝土的拌和物包括如下重量份的组分：水泥300-320份，固废矿物掺合料80-100份，粗骨料1150-1250份，载铁机制砂580-620份，改性矿棉纤维200-240份，水156-160份，聚羧酸减水剂3.8-4.2份，所述改性矿棉纤维为表面接枝有丙烯酸聚合物的矿棉纤维，所述载铁机制砂由粘土砖机制砂在机制砂改性液中浸渍之后经过干燥得到，所述机制砂改性液中的溶质包括硫酸铁。
2.根据权利要求1所述的固废物混凝土，其特征在于，所述固废矿物掺合料选用游离氧化钙含量6-10%的粉煤灰。
3.根据权利要求1所述的固废物混凝土，其特征在于，所述改性矿棉纤维按照如下方法制备：
（1）将矿棉纤维洗涤后烘干，备用；将乙醇、水和乙烯基三乙氧基硅烷混合，得到硅烷改性液，备用；将丙烯酸加入水中，得到单体分散液，备用；
（2）将矿棉纤维与硅烷改性液混合，在65℃搅拌加热4h，然后进行抽滤和烘干，得到乙烯基改性纤维；
（3）将乙烯基改性纤维、单体分散液和引发剂混合，在80℃加热5h，然后进行抽滤和烘干，得到改性矿棉纤维。
4.根据权利要求3所述的固废物混凝土，其特征在于，所述丙烯酸与乙烯基三乙氧基硅烷的摩尔比为(4-8):1。
5.根据权利要求1所述的固废物混凝土，其特征在于，所述载铁机制砂按照如下方法制备：
（1）将废弃粘土砖破碎后进行筛分，得到粘土砖机制砂；将硫酸铁加入水中，得到机制砂改性液；
（2）将粘土砖机制砂和机制砂改性液按照1:4的重量比混合，静置一段时间后进行过滤，对过滤得到的机制砂进行烘干，得到载铁机制砂。
6.根据权利要求5所述的固废物混凝土，其特征在于，所述机制砂改性液中，硫酸铁的质量分数为6-8%。
7.根据权利要求5所述的固废物混凝土，其特征在于，在配制所述机制砂改性液时，将甲氧基聚醚和铁盐共同加入水中溶解。
8.根据权利要求7所述的固废物混凝土，其特征在于，所述甲氧基聚醚的平均分子量为600-1000。
9.根据权利要求8所述的固废物混凝土，其特征在于，所述甲氧基聚醚的用量为粘土砖机制砂重量的3.2-4.8%。
10.根据权利要求1-9任一所述的固废物混凝土的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）将水泥、固废矿物掺合料、粗骨料、载铁机制砂、改性矿棉纤维混合，得到干料；将聚羧酸减水剂和水混合，得到减水剂溶液；
（2）对干料进行干拌，然后将减水剂溶液加入干料中继续搅拌，得到混凝土拌和物；
（3）对混凝土拌和物进行入模养护，到达指定龄期后得到固废物混凝土。
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| CN202311202651.4A CN117229020A (zh) | 2023-09-18 | 2023-09-18 | 一种固废物混凝土及其制备方法 |
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2023
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