CN118324458A - 一种固废无水泥混凝土材料及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明属于工程材料混凝土领域，尤其涉及一种固废无水泥混凝土材料及其制备方法和应用。一种固废无水泥混凝土材料，以每立方计，混凝土材料的原料包括废砂500‑600kg、碎石1000‑1200kg、石英混合粉465‑500kg、凝胶360‑400kg、缓凝剂0.2‑0.5kg和消泡剂5‑10kg。本发明还提供了制备方法，包括以下步骤：将混凝土材料的原料按重量称重后进行高速搅拌，搅拌均匀后，将混料浇筑至模具振捣成型，进行覆膜养护，脱模，覆膜静养即得。本发明公开的固废无水泥混凝土材料，用于解决无水泥材料的抗折性能不佳，强度不足以及材料表面易出现碎裂、贯穿裂缝、曲翘、泛碱的问题。
Description
技术领域
本发明属于工程材料混凝土技术领域，尤其涉及一种固废无水泥混凝土材料及其制备方法和应用。
背景技术
无水泥混凝土材料是一种利用废土、渣土或其他材料代替水泥作为原材料，通过加入碎石、改性粉末和一定比例的外加剂，然后经过振实压实和固化加工后制备而成的新型材料，广泛应用于道路、桥梁、市政、装饰景观等建筑领域。但其材料抗折性能不如水泥混凝土，稍有不慎就会产生强度不足、碎裂、贯穿裂缝、表面曲翘、表面泛碱等现象，且制造生产工艺还不够成熟，无法进行批量化生产。
发明内容
本发明的目的是为了解决上述无水泥材料的抗折性能不佳，强度不足以及材料表面易出现碎裂、贯穿裂缝、曲翘、泛碱的问题，提供了一种固废无水泥混凝土材料及其制备方法和应用。
第一方面，一种固废无水泥混凝土材料，采用如下技术方案：
一种固废无水泥混凝土材料，以每立方计，所述混凝土材料的原料包括废砂500-600kg、碎石1000-1200kg、石英混合粉465-500kg、凝胶360-400kg、缓凝剂0.2-0.5kg和消泡剂5-10kg。
通过掺入的硅基纳米凝胶与废砂、石英混合粉等原料中的溶出的Si、Al等元素进行化学反应，从而产生的SiO2、Al2O3等凝胶体，再经过搅拌、振捣等物理手段，增加拌合物组成材料之间的粘聚力和附着力，使其能形成更致密的微观结构，显著提高固废无水泥混凝土的抗压强度、抗折强度和刚度。同时在消泡剂、缓凝剂的共同作用下，消除过多气泡、减缓凝结速度，有效控制裂缝的数量及扩张，进而降低浆体的孔隙率，增加固废无水泥混凝土的机械性能和表面耐久性。
优选的，所述石英混合粉由硅微粉、钛白粉和填充剂组成，硅微粉、钛白粉和填充剂的重量比为8：3：1。
石英混合粉和凝胶有凝结骨架，代替水泥浆的作用；钛白粉和石英粉是改善外观作用，废砂和碎石起到骨架填充作用；消泡剂是消除过多气泡，改善表观质量；缓凝剂防止凝胶混合料凝结过快，影响成型。
优选的，所述凝胶为硅基纳米凝胶；所述缓凝剂为聚羟基羧酸及其盐；所述消泡剂为有机聚醚类消泡剂。
硅基纳米凝胶是一种新型的纳米材料，由硅基纳米颗粒和聚合物凝胶网络组成，具有大比表面积、高孔隙度和可调节的孔径大小的效果；消泡剂能帮助减少混凝土和砂浆在拌合及施工过程中所夹带或产生的大气泡；缓凝剂能推迟水泥水化反应，从而延长混凝土的凝结时间，使新拌混凝土较长时间保持塑性，方便浇注，提高施工效率，同时，对混凝土后期各项性能不会造成不良影响的外加剂。
优选的，所述废砂粒径为0-5mm；所述石英混合粉粒径为0.01-0.5mm。
优选的，所述碎石为粒径为5-10mm连续级配碎石。
第二方面，一种固废无水泥混凝土材料的制备方法，采用如下技术方案：
一种固废无水泥混凝土材料的制备方法，包括以下步骤：将所述混凝土材料的原料按重量称重后进行高速搅拌，搅拌均匀后，将混料浇筑至模具振捣成型，进行覆膜养护，脱模，覆膜静养即得所述固废无水泥混凝土材料。
固废无水泥混凝土材料是以硅基纳米凝胶、消泡剂和固废等原料在常温状态或特定养护条件下，按一定比例混合后进行一系列搅拌、振捣，经过“溶解－单体重构－缩聚”的反应凝结硬化过程，最终形成具有类沸石结构的新型胶凝材料。
优选的，所述搅拌时间为1.5-3min，搅拌转速为1500r/min；所述振捣成型时间为1.5-2min，振动频率为50Hz。
优选的，所述覆膜养护过程中，在高温温度为55-65℃养护3.5-4.5h；在低温温度为30-40℃养护3.5-4.5h。
优选的，所述覆膜静养过程中，常温养护温度为25-35℃，养护时间为7-8d。
第三方面，一种固废无水泥混凝土材料的应用，采用如下技术方案：
一种固废无水泥混凝土材料的应用，所述固废无水泥混凝土材料应用于隧道内装饰板材。
本发明的有益效果：
本发明通过使用凝胶替代水泥，从而达到水泥混凝土的效果，挑选不同的含水量、粒径、含泥量的废砂，分别与改性粉末、凝胶、外加剂进行材料适配，经过配合比不断调整优化，研究试验检测数据，进行材料性能分析，很好的解决材料强度不足，表面易开裂、曲翘，制造工艺复杂等问题。
本发明合理利用废砂变废为宝、凝胶代替水泥，既具有比水泥更优异的性能，又具有工艺简单、能耗少、环境污染小等优点，大幅降低了施工成本，有利于建筑行业的可持续发展。
具体实施方式
以下结合实施例，对本发明所述的一种固废无水泥混凝土材料及其制备方法和应用作进一步具体描述。为描述简便需要，本文件无法穷举本发明所包含的所有可替代技术特征和实施方案，因此本领域的技术人员应知晓，本实施例内的任何技术特征和实施方案均不限制本发明的保护范围，该保护范围包括所有本领域技术人员不付出创造性劳动所采取的任何替代技术特征和实施方案。具体来说，将本发明中的任意技术特征进行替换或将本发明提供的任意两个及以上技术特征进行相互组合所得到的实施方案均应在本发明的保护范围内。
实施例中未注明具体技术和条件者，按照本领域内文献所描述的技术和条件或按照产品说明书进行，所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市购得到的常规产品。
以下实施例所使用的凝胶、缓凝剂以及消泡剂，均来源于市购得到的常规产品。
实施例
实施例1
实施例1提供一种固废无水泥混凝土材料，以每立方计，混凝土材料的原料包括废砂500kg、碎石1080kg、石英混合粉486kg、凝胶378kg、缓凝剂0.3kg和消泡剂9kg。
其中，废砂为盾构废砂；石英混合粉由硅微粉、钛白粉和填充剂组成，硅微粉、钛白粉和填充剂的重量比为8：3：1；碎石为粒径为5-10mm连续级配碎石；废砂粒径范围为0-5mm；石英混合粉粒径范围为0.01-0.5mm；凝胶为硅基纳米凝胶；缓凝剂为聚羟基羧酸及其盐；消泡剂为有机聚醚类消泡剂。
实施例1还提供一种固废无水泥混凝土材料的制备方法，包括以下步骤：
将混凝土材料的原料按重量称重后进行高速搅拌，搅拌时间为2min，搅拌转速为1500r/min，搅拌均匀后，将混料浇筑至模具振捣成型，振捣成型时间为100s，振动频率为50Hz，进行覆膜养护，在高温温度为60℃养护4h；在低温温度为35℃养护4h，脱模，覆膜静养，常温养护温度为25℃，养护时间为7d，即得固废无水泥混凝土材料。
实施例2
实施例2提供一种固废无水泥混凝土材料与实施例1的区别在于，所述废砂为机制砂。
实施例2提供的一种固废无水泥混凝土材料与实施例1相同。
实施例3
实施例3提供一种固废无水泥混凝土材料与实施例1的区别在于，所述废砂为黄沙。
实施例3提供的一种固废无水泥混凝土材料与实施例1相同。
对比例
对比例1-3提供的固废无水泥混凝土材料与实施例1的区别在于，碎石的粒径范围分别为5-15mm、5-20mm、5-30mm连续级配碎石。
对比例4-7提供的固废无水泥混凝土材料与实施例1的区别在于，盾构废砂和碎石用量不同，具体如下：
对比例4：废砂400kg、碎石1180kg；
对比例5：废砂450kg、碎石1130kg；
对比例6：废砂550kg、碎石1030kg；
对比例7：废砂600kg、碎石980kg。
对比例8-12提供的固废无水泥混凝土材料与实施例1的区别在于，石英混合粉和凝胶用量不同，具体如下：
对比例8：石英混合粉460kg、凝胶400kg；
对比例9：石英混合粉470kg、凝胶390kg；
对比例10：石英混合粉480kg、凝胶380kg；
对比例11：石英混合粉490kg、凝胶370kg；
对比例12：石英混合粉500kg、凝胶360kg。
对比例13-16提供的固废无水泥混凝土材料原料与实施例1相同，制备方法与实施例1的区别在于，搅拌时间分别为60s、90s、150s、180s。
对比例17-20提供的固废无水泥混凝土材料原料与实施例1相同，制备方法与实施例1的区别在于，振捣时间分别为60s、80s、120s、140s。
对比例21-25提供的固废无水泥混凝土材料原料与实施例1相同，制备方法与实施例1的区别在于，高温养护温度分别为45℃、50℃、55℃、65℃、70℃。
对比例26-28提供的固废无水泥混凝土材料原料与实施例1相同，制备方法与实施例1的区别在于，高温养护时间为3h、3.5h、4.5h。
对比例29-30提供的固废无水泥混凝土材料原料与实施例1相同，制备方法与实施例1的区别在于，低温养护温度分别为30℃、40℃。
对比例31-33提供的固废无水泥混凝土材料原料与实施例1相同，制备方法与实施例1的区别在于，低温养护时间为3h、3.5h、4.5h。
对比例34-36提供的固废无水泥混凝土材料原料与实施例1相同，制备方法与实施例1的区别在于，常温养护温度分别为20℃、22℃、28℃。
对比例37-40提供的固废无水泥混凝土材料原料与实施例1相同，制备方法与实施例1的区别在于，常温养护时间为3d、6d、10d、28d。
性能测试
将实施例1-3以及对比例1-40提供的固废无水泥混凝土材料样板进行性能测试，检测依据包括如下：
JC/T 940-2004(2017)《玻璃纤维增强水泥(GRC)装饰制品》；
GB/T50081-2019《混凝土物理力学性能试验方法标准》中5；
GB/T 50082-2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》中4、7、14；
GB/T 9266-2009《建筑涂料涂层耐洗刷性的测定》；
GB8624-2012《建筑材料及制品燃烧性能分级》；
GB/T 9978.1-2008《建筑构件耐火试验方法第1部分：通用要求》；
经检验，送检样品的燃烧性能等级的检验结果符合标准GB8624-2012中平板状建筑材料及制品的燃烧性能等级A(A1)级的技术指标要求：耐火极限试验进行30min，试件未丧失完整性和隔热性，体积密度、抗弯极限强度、抗冲击强度、吸水率、抗压强度、抗冻性(快冻法)、抗氯离子渗透试验、抗硫酸盐侵蚀试验、耐洗刷性的结果见表1-13。
表1实施例1-3样品材料的性能测试
表2对比例1-3样品材料的性能测试
表3对比例4-7样品材料的性能测试
表4对比例8-12样品材料的性能测试
表5对比例13-16样品材料的性能测试
表6对比例17-20样品材料的性能测试
表7对比例21-25样品材料的性能测试
表8对比例26-28样品材料的性能测试
表9对比例29-30样品材料的性能测试
表10对比例31-33样品材料的性能测试
表11对比例34-36样品材料的性能测试
表12对比例37-40样品材料的性能测试
通过试验数据表明，实施例1制备的固废无水泥混凝土材料均满足国家标准及行业规范中的各项材料性能指标要求。通过与在实施例1相比，在实施例2、实施例3中改变混凝土材料中废砂的组分，主要是采用机制砂、黄沙分别代替盾构废砂，通过数据结果表明实施例1的各项材料性能指标稍逊色于实施例2、实施例3，但盾构废砂属于建筑工程废渣，相比于机制砂、黄沙而言，能实现废物循环利用，具有节能减排、低碳环保的特点，大大降低材料制备的经济成本。此外，通过调整实施例中的骨料粒径、骨料重量、胶凝材料重量、搅拌时长、振捣时长、养护温度、养护时间等工艺参数，得到了40组对比例数据，针对其材料性能测试数据进行分析，发现均有几项不符合规范中的产品性能指标要求，且未有效解决材料强度不足，表面易开裂、曲翘，制造工艺复杂等实质性问题。故此，证明实施例1为最优的制备方法，具体为将混凝土材料的原料按重量称重后进行高速搅拌，搅拌时间为2min，搅拌转速为1500r/min，搅拌均匀后，将混料浇筑至模具振捣成型，振捣成型时间为100s，振动频率为50Hz，进行覆膜养护，在高温温度为60℃养护4h；在低温温度为35℃养护4h，脱模，覆膜静养，常温养护温度为25℃，养护时间为7d。
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变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举，而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造权利要求的保护范围之中。
Claims (10)
1.一种固废无水泥混凝土材料，其特征在于，以每立方计，所述混凝土材料的原料包括废砂500-600kg、碎石1000-1200kg、石英混合粉465-500kg、凝胶360-400kg、缓凝剂0.2-0.5kg和消泡剂5-10kg。
2.根据权利要求1所述的一种固废无水泥混凝土材料，其特征在于，所述石英混合粉由硅微粉、钛白粉和填充剂组成，硅微粉、钛白粉和填充剂的重量比为8：3：1。
3.根据权利要求1所述的一种固废无水泥混凝土材料，其特征在于，所述凝胶为硅基纳米凝胶；所述缓凝剂为聚羟基羧酸及其盐；所述消泡剂为有机聚醚类消泡剂。
4.根据权利要求1所述的一种固废无水泥混凝土材料，其特征在于，所述废砂粒径为0-5mm；所述石英混合粉粒径为0.01-0.5mm。
5.根据权利要求1所述的一种固废无水泥混凝土材料，其特征在于，所述碎石为粒径为5-10mm连续级配碎石。
6.一种固废无水泥混凝土材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：将所述混凝土材料的原料按重量称重后进行高速搅拌，搅拌均匀后，将混料浇筑至模具振捣成型，进行覆膜养护，脱模，覆膜静养即得所述固废无水泥混凝土材料。
7.根据权利要求6所述一种固废无水泥混凝土材料的制备方法，其特征在于，所述搅拌时间为1.5-2min，搅拌转速为1500r/min；所述振捣成型时间为1.5-2min，振动频率为50Hz。
8.根据权利要求6所述一种固废无水泥混凝土材料的制备方法，其特征在于，所述覆膜养护过程中，在高温温度为55-65℃养护3.5-4.5h；在低温温度为30-40℃养护3.5-4.5h。
9.根据权利要求6所述一种固废无水泥混凝土材料的制备方法，其特征在于，所述覆膜静养过程中，常温养护温度为25-35℃，养护时间为7-8d。
10.一种固废无水泥混凝土材料的应用，其特征在于，所述固废无水泥混凝土材料应用于隧道内装饰板材。
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