CN112321222A - 采用自来水厂污泥粉制备的超高性能混凝土 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及建筑材料技术领域，具体公开了一种采用自来水厂污泥粉制备的超高性能混凝土，按重量份计，包括以下组分，水泥650～850份，复合矿物掺合料200～400份，标准砂1010～1020份，钢纤维150～180份，减水剂18～25份，水140～190份；水泥和复合矿物掺合料组成胶凝材料，胶凝材料不低于1010份；所述水胶比为0.14～0.16。本发明具有原料易得、对环境较为友好、水泥用量较少、制造成本较低和组分组成较为完善的特点。
Description
技术领域
本发明涉及建筑材料技术领域，特别涉及一种采用自来水厂污泥粉制备的超高性能混凝土。
背景技术
超高性能混凝土一般是指抗压强度超过150MPa的混凝土，其作为一种新型的水泥基复合材料，具有超高强度和韧性，还具有优异的耐久性，在大跨度桥梁、军事工程和海洋工程等不同领域有着较为广阔的应用前景。但由于其造价远远高于普通混凝土，进而极大地影响了其推广应用，若从全寿命周期和节能环保综合考虑，超高性能混凝土将会具有更高的综合实用价值。随着超高性能混凝土技术的不断发展和进步，各种矿物掺合料，如粉煤灰、矿粉、石灰石粉、偏高岭土或稻壳灰等，也被用来取代部分水泥或硅灰制备超高性能混凝土，极大地降低了超高性能混凝土的制造成本，同时也改善了其部分性能，极大地推动了超高性能混凝土地应用。
自来水厂污泥是不同于管道污泥、城市污水污泥和商品混凝土搅拌站污泥等的一种固体废弃物，一般自来水厂在处理原水生产自来水时，产生的含泥废水，经管道废水池收集、浓缩、脱水和干燥等***处理，得到的污泥副产物。其中原水污染物性质、自来水厂生产工艺流程、混凝剂种类和用量等对自来水厂污泥化学成分影响较大。当前使用的混凝剂主要为新型铝盐混凝剂，从而导致污泥中含有较多的铝元素，因此该类污泥也常常被称为自来水厂污泥。随着城市建设地不断发展，每年自来水的需求量也在急剧增加，世界各地也都兴建了越来越多的自来水厂，同步产生的污泥也呈指数级增加，我国每年产生的自来水厂污泥已超过15亿立方米，如不对其加以合理处置和利用，不仅会造成资源浪费，也会引起严重的环境污染。随着环保意识的提高，亟需尽快高效地资源化处置量大面广的自来水厂污泥。
当前处置自来水厂污泥的技术方法主要为卫生填埋、干化焚烧和净化污水等，对自来水厂污泥利用率不高，没有很好地发挥其最大价值。研究表明，自来水厂污泥具有一定的化学活性，可用于生产建材，如陶粒、砖和一些水泥基材料等。随着我国经济的快速发展，基本建设工程节奏的加快，超高性能混凝土的需求量不断提升，水泥是制备超高性能混凝土的主要成分之一，随着超高性能混凝土需求的提升，水泥的消耗量越来越大，导致超高性能混凝土的成本不断提升。因此，需要对超高性能混凝土的组分进行改进，来在减小水泥用量和降低成本。
因此，现有的超高性能混凝土，存在水泥用量较多和制造成本较高的问题。
发明内容
本发明为了解决现有超高性能混凝土所存在的上述技术问题，提供了一种采用自来水厂污泥粉制备的超高性能混凝土，它具有水泥用量较少和制造成本较低的特点。
本发明的技术方案：采用自来水厂污泥粉制备的超高性能混凝土，按重量份计，包括以下组分，
水泥650～850份，复合矿物掺合料200～400份，标准砂1010～1020份，钢纤维150～180份，减水剂18～25份，水140～190份；所述水泥和复合矿物掺合料组成胶凝材料，所述胶凝材料不低于1010份；所述水胶比为0.14～0.16。
本发明使用复合矿物掺合料代替部分水泥后，重新完善了制备超高性能混凝土的组分组成和配比，进而减少了水泥的用量，降低了需要大量水泥而产生的生产成本；本发明通过掺入适量份数的钢纤维，来使得制得的超高性能混凝土具有更好的韧性；本发明通过掺入适量份数的胶凝材料，来改善超高性能混凝土的内部微观结构，来使制得的超高性能混凝土具有更好的抗压强度；本发明将复合矿物掺合料取代部分水泥后形成胶凝材料，在胶凝材料中由于复合矿物掺合料颗粒相比于水泥较细，可以起到微集料填充效应，随着龄期地增长，由于胶凝材料中的复合矿物掺合料慢慢发挥其活性效应，使得胶凝材料中的活性成分与水泥水化产物生成更多额外的二次水化产物C-S-H、C-A-H和CA-SH等，进一步细化了混凝土内部孔结构，从而更好的改善超高性能混凝土性能。
作为优选，按重量份计，包括以下组分，
水泥700～800份，复合矿物掺合料250～350份，标准砂1012～1018份，钢纤维160～170份，减水剂20～23份，水160～180份；所述水泥和复合矿物掺合料组成胶凝材料，所述胶凝材料不低于1010份；所述水胶比为0.14～0.16。
作为优选，按重量份计，包括以下组分，
水泥730～760份，复合矿物掺合料280～320份，标准砂1014～1016份，钢纤维163～167份，减水剂21～22份，水165～175份；所述水泥和复合矿物掺合料组成胶凝材料，所述胶凝材料不低于1010份；所述水胶比为0.14～0.16。
作为优选，所述复合矿物掺合料的制备方法为，
选取自来水厂污泥，干燥后，在600～800℃的温度条件下煅烧1～3小时，再与硅灰混合，共同粉磨后制得。
本发明使用自来水厂污泥粉取代部分水泥，减少了水泥的用量，从而降低了制造成本；本发明将污泥粉与硅灰按一定比例进一步粉磨，制成复合矿物掺合料，由于水泥、自来水厂污泥粉和硅灰颗粒尺寸大小不一，可以相互填充搭配，有效改善了粉体的颗粒级配，更加完善了组分组成，有效改善了超高性能混凝土内部结构，具有了更紧密的堆积密度，拓展了自来水厂污泥的应用范围；同时硅灰具有较高的化学活性，而自来水厂污泥粉也具有一定的化学活性，并且其后期活性较高，将自来水厂污泥粉和硅灰，粉磨制成复合矿物掺合料，自来水厂污泥粉和硅灰在展现微集料效应的同时，也有助于激发不同龄期的化学活性，呈现超叠加效应，从而制备出超高性能混凝土，实现了自来水厂污泥粉在超高性能混凝土中的高附加值资源化利用，符合国家倡导的可持续发展绿色之路。
更优选，选取自来水厂的污泥，干燥后，在650～750℃的温度条件下煅烧1.5～2.5小时，再与硅灰混合后，共同粉磨后制得。
本发明通过选用自来水厂的污泥来制备自来水厂污泥粉，原料易得，能够最大规模地资源化再生回收利用自来水厂产生的自来水厂污泥，属于资源的合理化处置再利用，避免了资源浪费，也避免了污泥直接排入环境中造成的污染，具有了对环境较为友好的特点；本发明通过将自来水厂的污泥在适宜的温度条件下煅烧合适的时间，例如在700℃的温度条件下煅烧2小时，可更有效地消除污泥中的有机物和杂质，从而进一步降低烧失量，在此基础上粉磨成自来水厂污泥粉，进一步提高了其化学活性；本发明使用自来水厂污泥粉取代部分水泥，减少了水泥的用量，从而降低了制造成本；本发明将污泥粉与硅灰按一定比例进一步粉磨，制成复合矿物掺合料，由于水泥、自来水厂污泥粉和硅灰颗粒尺寸大小不一，可以相互填充搭配，有效改善了粉体的颗粒级配，更加完善了组分组成，有效改善了超高性能混凝土内部结构，具有了更紧密的堆积密度，拓展了自来水厂污泥的应用范围；同时限定纯度的硅灰具有更高的化学活性，而自来水厂污泥粉也具有一定的化学活性，并且其后期活性较高，将自来水厂污泥粉和硅灰，粉磨制成复合矿物掺合料，自来水厂污泥粉和硅灰在展现微集料效应的同时，也有助于激发不同龄期的化学活性，呈现超叠加效应，从而制备出超高性能混凝土，实现了自来水厂污泥粉在超高性能混凝土中的高附加值资源化利用，符合国家倡导的可持续发展绿色之路。
作为优选，所述硅灰纯度大于94％；所述自来水厂污泥粉中Al2O3和SiO2的质量分数均大于35％。
作为优选，所述复合矿物掺合料中硅灰和自来水厂污泥粉的质量比为(1～3)：1。更优选，所述复合矿物掺合料中硅灰和自来水厂污泥粉的质量比为(1.5～2.5)：1。本发明将自来水厂污泥粉与硅灰按一定比例配合后粉磨，制成复合矿物掺合料，由于水泥、自来水厂污泥粉和硅灰颗粒尺寸大小不一，可以相互填充搭配，有效改善了粉体的颗粒级配，更加完善了组分组成，有效改善了超高性能混凝土内部结构，拓展了自来水厂污泥的应用范围。
作为优选，所述复合矿物掺合料粉磨后的比表面积≥900m2/kg；所述复合矿物掺合料粉磨后的28天活性指数≥95％。通过对复合矿物掺合料的性能要求，从而保证了本发明中的超高性能混凝土具有更好的抗压强度。
作为优选，所述钢纤维为镀铜圆直形微细钢纤维，所述钢纤维的直径为0.18～0.22mm，所述钢纤维的长度为12～16mm，所述钢纤维的弹性模量≥200GPa，所述钢纤维的抗拉强度≥2700MPa。更优选，所述钢纤维为镀铜圆直形微细钢纤维，所述钢纤维的直径为0.19～0.21mm，所述钢纤维的长度为13～15mm，所述钢纤维的弹性模量≥200GPa，所述钢纤维的抗拉强度≥2700MPa。通过对钢纤维的性能要求，使得制得的超高性能混凝土具有更好的韧性。
作为优选，所述减水剂为氨基磺酸减水剂，所述减水剂中的固含量不小于30％。减水剂总固含量的限定，能够提高水泥的和易性和施工性，从而保证超高性能混凝土的强度和密实度。
作为优选，所述水泥为P·I的52.5水泥或P·II的52.5水泥。
作为优选，所述超高性能混凝土的28天抗压强度不低于150MPa；所述标准砂为ISO标准砂。
本发明具有如下有益效果：
(1)使用复合矿物掺合料代替部分水泥后，重新完善了制备超高性能混凝土的组分组成和配比，进而减少了水泥的用量，降低了需要大量水泥而产生的生产成本；
(2)通过掺入适量份数的钢纤维，来使得制得的超高性能混凝土具有更好的韧性；
(3)通过掺入适量份数的胶凝材料，来改善超高性能混凝土的内部微观结构，来使得制得的超高性能混凝土具有更好的抗压强度；
(4)将复合矿物掺合料取代部分水泥后形成胶凝材料，在胶凝材料中由于复合矿物掺合料颗粒相比于水泥较细，可以起到微集料填充效应，随着龄期地增长，由于胶凝材料中的复合矿物掺合料慢慢发挥其活性效应，使得胶凝材料中的活性成分与水泥水化产物生成更多额外的二次水化产物C-S-H、C-A-H和CA-SH等，进一步细化了混凝土内部孔结构，从而更好的改善超高性能混凝土性能。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步的说明，但并不作为对本发明限制的依据。
采用自来水厂污泥粉制备的超高性能混凝土，按重量份计，包括以下组分，
水泥650～850份，复合矿物掺合料200～400份，标准砂1010～1020份，钢纤维150～180份，减水剂18～25份，水140～190份；所述水泥和复合矿物掺合料组成胶凝材料，所述胶凝材料不低于1010份；所述水胶比为0.14～0.16。
采用自来水厂污泥粉制备的超高性能混凝土，按重量份计，包括以下组分，
水泥700～800份，复合矿物掺合料250～350份，标准砂1012～1018份，钢纤维160～170份，减水剂20～23份，水160～180份；所述水泥和复合矿物掺合料组成胶凝材料，所述胶凝材料不低于1010份；所述水胶比为0.14～0.16。
采用自来水厂污泥粉制备的超高性能混凝土，按重量份计，包括以下组分，
水泥730～760份，复合矿物掺合料280～320份，标准砂1014～1016份，钢纤维163～167份，减水剂21～22份，水165～175份；所述水泥和复合矿物掺合料组成胶凝材料，所述胶凝材料不低于1010份；所述水胶比为0.14～0.16。
水泥和复合矿物掺合料组成胶凝材料，所述胶凝材料不低于1010份；所述水胶比为0.14～0.16。
复合矿物掺合料的制备方法为，
选取自来水厂污泥，干燥后，在600～800℃的温度条件下煅烧1～3小时，再与硅灰混合，共同粉磨后制得。
硅灰纯度大于94％；自来水厂污泥粉中Al2O3和SiO2的质量分数均大于35％。
复合矿物掺合料中硅灰和自来水厂污泥粉的质量比为(1～3)：1。
复合矿物掺合料粉磨后的比表面积≥900m2/kg；复合矿物掺合料粉磨后的28天活性指数≥95％。
钢纤维为镀铜圆直形微细钢纤维，钢纤维的直径为0.18～0.22mm，钢纤维的长度为12～16mm，钢纤维的弹性模量≥200GPa，钢纤维的抗拉强度≥2700MPa。
减水剂为氨基磺酸减水剂，减水剂中的固含量不小于30％。
水泥为P·I的52.5水泥或P·II的52.5水泥。
超高性能混凝土的28天抗压强度不低于150MPa；标准砂为ISO标准砂。
实施例1：
采用自来水厂污泥粉制备的超高性能混凝土，按重量份计，包括以下组分，
水泥650份，复合矿物掺合料400份，标准砂1010份，钢纤维150份，减水剂18.8份，水168份；水泥和复合矿物掺合料组成胶凝材料，水胶比为0.16。
复合矿物掺合料的制备方法为，
选取自来水厂污泥，干燥后，在600℃的温度条件下煅烧1小时，再与硅灰混合后，共同粉磨后制得。
硅灰纯度大于94％；自来水厂污泥粉中Al2O3和SiO2的质量分数均大于35％。
复合矿物掺合料中硅灰和自来水厂污泥粉的质量比为1：1。
复合矿物掺合料粉磨后的比表面积≥900m2/kg；复合矿物掺合料粉磨后的28天活性指数≥95％。
钢纤维为镀铜圆直形微细钢纤维，钢纤维的直径为0.18mm，钢纤维的长度为12mm，钢纤维的弹性模量≥200GPa，钢纤维的抗拉强度≥2700MPa。
减水剂为氨基磺酸减水剂，减水剂中的固含量不小于30％。
水泥为P·I的52.5水泥。
超高性能混凝土的28天抗压强度不低于150MPa；标准砂为ISO标准砂。
本实施例得到的超高性能混凝土28天抗压强度为150.5MPa。
实施例2：
采用自来水厂污泥粉制备的超高性能混凝土，按重量份计，包括以下组分，
水泥850份，复合矿物掺合料200份，标准砂1020份，钢纤维180份，减水剂24.2份，水150份；水泥和复合矿物掺合料组成胶凝材料，水胶比为0.14。
复合矿物掺合料的制备方法为，
选取自来水厂污泥，干燥后，在800℃的温度条件下煅烧3小时，再与硅灰混合后，共同粉磨后制得。
硅灰纯度大于94％；自来水厂污泥粉中Al2O3和SiO2的质量分数均大于35％。
复合矿物掺合料中硅灰和自来水厂污泥粉的质量比为3：1。
复合矿物掺合料粉磨后的比表面积≥900m2/kg；复合矿物掺合料粉磨后的28天活性指数≥95％。
钢纤维为镀铜圆直形微细钢纤维，钢纤维的直径为0.22mm，钢纤维的长度为16mm，钢纤维的弹性模量≥200GPa，钢纤维的抗拉强度≥2700MPa。
减水剂为氨基磺酸减水剂，减水剂中的固含量不小于30％。
水泥为P·II的52.5水泥。
超高性能混凝土的28天抗压强度不低于150MPa；标准砂为ISO标准砂。
本实施例得到的超高性能混凝土28天抗压强度为167.6MPa。
实施例3：
采用自来水厂污泥粉制备的超高性能混凝土，按重量份计，包括以下组分，
水泥700份，复合矿物掺合料400份，标准砂1012份，钢纤维160份，减水剂22.1份，水176份；水泥和复合矿物掺合料组成胶凝材料，水胶比为0.15。
复合矿物掺合料的制备方法为，
选取自来水厂污泥，干燥后，在600℃的温度条件下煅烧1小时，再与硅灰混合后，共同粉磨后制得。
硅灰纯度大于94％；自来水厂污泥粉中Al2O3和SiO2的质量分数均大于35％。
复合矿物掺合料中硅灰和自来水厂污泥粉的质量比为1：1。
复合矿物掺合料粉磨后的比表面积≥900m2/kg；复合矿物掺合料粉磨后的28天活性指数≥95％。
钢纤维为镀铜圆直形微细钢纤维，钢纤维的直径为0.18mm，钢纤维的长度为12mm，钢纤维的弹性模量≥200GPa，钢纤维的抗拉强度≥2700MPa。
减水剂为氨基磺酸减水剂，减水剂中的固含量不小于30％。
水泥为P·I的52.5水泥。
超高性能混凝土的28天抗压强度不低于150MPa；标准砂为ISO标准砂。
本实施例得到的超高性能混凝土28天抗压强度为160.3MPa。
实施例4：
采用自来水厂污泥粉制备的超高性能混凝土，按重量份计，包括以下组分，
水泥800份，复合矿物掺合料300份，标准砂1018份，钢纤维170份，减水剂23.5份，水154份；水泥和复合矿物掺合料组成胶凝材料，水胶比为0.14。
复合矿物掺合料的制备方法为，
选取自来水厂污泥，干燥后，在800℃的温度条件下煅烧3小时，再与硅灰混合后，共同粉磨后制得。
硅灰纯度大于94％；自来水厂污泥粉中Al2O3和SiO2的质量分数均大于35％。
复合矿物掺合料中硅灰和自来水厂污泥粉的质量比为3：1。
复合矿物掺合料粉磨后的比表面积≥900m2/kg；复合矿物掺合料粉磨后的28天活性指数≥95％。
钢纤维为镀铜圆直形微细钢纤维，钢纤维的直径为0.22mm，钢纤维的长度为16mm，钢纤维的弹性模量≥200GPa，钢纤维的抗拉强度≥2700MPa。
减水剂为氨基磺酸减水剂，减水剂中的固含量不小于30％。
水泥为P·II的52.5水泥。
超高性能混凝土的28天抗压强度不低于150MPa；标准砂为ISO标准砂。
本实施例得到的超高性能混凝土28天抗压强度为169.8MPa。
实施例5：
采用自来水厂污泥粉制备的超高性能混凝土，按重量份计，包括以下组分，
水泥750份，复合矿物掺合料350份，标准砂1015份，钢纤维165份，减水剂21.5份，水160份；水泥和复合矿物掺合料组成胶凝材料，水胶比为0.15。
复合矿物掺合料的制备方法为，
选取自来水厂污泥，干燥后，在700℃的温度条件下煅烧2小时，再与硅灰混合后，共同粉磨后制得。
硅灰纯度大于94％；所述自来水厂污泥粉中Al2O3和SiO2的质量分数均大于35％。
复合矿物掺合料中硅灰和自来水厂污泥粉的质量比为2：1。
复合矿物掺合料粉磨后的比表面积≥900m2/kg；所述复合矿物掺合料粉磨后的28天活性指数≥95％。
钢纤维为镀铜圆直形微细钢纤维，钢纤维的直径为0.2mm，钢纤维的长度为14mm，钢纤维的弹性模量≥200GPa，钢纤维的抗拉强度≥2700MPa。
减水剂为氨基磺酸减水剂，减水剂中的固含量不小于30％。
水泥为P·I的52.5水泥。
超高性能混凝土的28天抗压强度不低于150MPa；标准砂为ISO标准砂。
本实施例得到的超高性能混凝土28天抗压强度为164.7MPa。
Claims (10)
1.采用自来水厂污泥粉制备的超高性能混凝土，其特征是：按重量份计，包括以下组分，
水泥650～850份，复合矿物掺合料200～400份，标准砂1010～1020份，钢纤维150～180份，减水剂18～25份，水140～190份；所述水泥和复合矿物掺合料组成胶凝材料，所述胶凝材料不低于1010份；所述水胶比为0.14～0.16。
2.根据权利要求1所述的采用自来水厂污泥粉制备的超高性能混凝土，其特征是：按重量份计，包括以下组分，
水泥700～800份，复合矿物掺合料250～350份，标准砂1012～1018份，钢纤维160～170份，减水剂20～23份，水160～180份；所述水泥和复合矿物掺合料组成胶凝材料，所述胶凝材料不低于1010份；所述水胶比为0.14～0.16。
3.根据权利要求1所述的采用自来水厂污泥粉制备的超高性能混凝土，其特征是：按重量份计，包括以下组分，
水泥730～760份，复合矿物掺合料280～320份，标准砂1014～1016份，钢纤维163～167份，减水剂21～22份，水165～175份；所述水泥和复合矿物掺合料组成胶凝材料，所述胶凝材料不低于1010份；所述水胶比为0.14～0.16。
4.根据权利要求1所述的采用自来水厂污泥粉制备的超高性能混凝土，其特征是：所述复合矿物掺合料的制备方法为，
选取自来水厂污泥，干燥后，在600～800℃的温度条件下煅烧1～3小时，再与硅灰混合，共同粉磨后制得。
5.根据权利要求4所述的采用自来水厂污泥粉制备的超高性能混凝土，其特征是：所述硅灰纯度大于94％；所述自来水厂污泥粉中Al2O3和SiO2的质量分数均大于35％。
6.根据权利要求4所述的采用自来水厂污泥粉制备的超高性能混凝土，其特征是：所述复合矿物掺合料中硅灰和自来水厂污泥粉的质量比为(1～3)：1。
7.根据权利要求4所述的采用自来水厂污泥粉制备的超高性能混凝土，其特征是：所述复合矿物掺合料粉磨后的比表面积≥900m2/kg；所述复合矿物掺合料粉磨后的28天活性指数≥95％。
8.根据权利要求1所述的采用自来水厂污泥粉制备的超高性能混凝土，其特征是：所述钢纤维为镀铜圆直形微细钢纤维，所述钢纤维的直径为0.18～0.22mm，所述钢纤维的长度为12～16mm，所述钢纤维的弹性模量≥200GPa，所述钢纤维的抗拉强度≥2700MPa。
9.根据权利要求1所述的采用自来水厂污泥粉制备的超高性能混凝土，其特征是：所述减水剂为氨基磺酸减水剂，所述减水剂中的固含量不小于30％。
10.根据权利要求1所述的采用自来水厂污泥粉制备的超高性能混凝土，其特征是：所述水泥为P·I的52.5水泥或P·II的52.5水泥；所述超高性能混凝土的28天抗压强度不低于150MPa；所述标准砂为ISO标准砂。
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