CN113831152B - 一种全固废高强透水地聚合物混凝土及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及固废资源化利用以及地聚物混凝土制备技术领域，特别是指一种全固废高强透水地聚合物混凝土及其制备方法；质量份数计，原料包括再生粗骨料60～70份，胶凝材料30～40份，松香树脂型发泡剂，纳米碳化硅和碱激活剂；质量分数计，所述胶凝材料包括粉煤灰20～30％，矿渣60～70％，硅灰5～10％。本发明全固废高强透水地聚合物混凝土在实现高透水率的同时能够保持较高的强度，同时使用工业废弃物和/或建筑废弃物作为粗骨料，并用矿渣和粉煤灰作为胶凝材料来降低二氧化碳排放，在材料层面为海绵城市建设和建筑行业绿色可持续发展提供支持。
Description
技术领域
本发明涉及固废资源化利用以及地聚物混凝土制备技术领域，特别是指一种全固废高强透水地聚合物混凝土及其制备方法。
背景技术
随着全球季候变化加剧，推进海绵城市建设成为构建水弹性城市的创新表现。同时，由于传统硅酸盐水泥工业带来的大量温室气体排放以及自然资源消耗，使用矿渣、粉煤灰等替代物作为胶凝材料为行业可持续绿色发展提供了可能。另外，随着废弃建筑物的拆除，大量建筑固体废物急需处理。因此，研发一种全固废高强透水地聚合物混凝土可以更好的服务海绵城市建设，实现混凝土产业绿色可持续发展规划，以及满足建筑废弃物处理需求。
文献1(李仰根,伍根伙,肖益春,等；一种高强透水混凝土及其制备方法；公开号：CN113185238A)公开了一种高强透水混凝土的制备方法。虽然木质素磺酸盐减水剂能够提高混凝土抗压强度，但是仍有部分实施案例中混凝土强度不能到达预期标准，且孔隙率未能达到20％以起到预期的透水效果。
文献2(谢玲丽；一种高强透水混凝土及其制备方法；公开号：CN113354361A)公开了一种高强透水混凝土及其制备方法。其中氧化铝、纳米二氧化钛和碳化硼等增强剂的掺入可以有效提升混凝土的强度和透水系数。然而，氧化铝的处理较为繁琐，需要升温至700和750℃之间，实际应用较为困难。
文献3(顾连林，袁冬生，张耀；一种透水混凝土及其制备方法；公开号：CN111393101A)公开了一种透水混凝土及其制备方法。其中纤维可以包裹在骨料表面并有效提升混凝土的强度。而且发泡剂的引入在提高透水性的同时也改善了施工和易性，更加方便实际应用。然而，其透水系数未能达到4.0mm/s。
基于上述内容，亟需提供一种透水系数高、孔隙率高、制备方法简便、原料来源广泛的混凝土。
发明内容
本发明的目的在于提供一种全固废高强透水地聚合物混凝土及其制备方法。所述全固废高强透水地聚合物混凝土在实现高透水率的同时能够保持较高的强度，同时使用工业废弃物和/或建筑废弃物作为粗骨料，并用矿渣和粉煤灰作为胶凝材料来降低二氧化碳排放，在材料层面为海绵城市建设和建筑行业绿色可持续发展提供支持。
本发明的技术方案之一，一种全固废高强透水地聚合物混凝土，质量份数计，原料包括再生粗骨料60～70份，胶凝材料30～40份，松香树脂型发泡剂，纳米碳化硅和碱激活剂；
质量分数计，所述胶凝材料包括粉煤灰20～30％，矿渣60～70％，硅灰5～10％。
本发明方案中，粉煤灰过量则活性低，过少则流动性差；矿渣过量则闪凝，过低则早期强度差；硅灰过量则经济性差，过低则体系密实度不够。
进一步地，所述松香树脂型发泡剂的加入量为再生粗骨料和胶凝材料总质量的0.5～5％。
松香树脂型发泡剂能与地聚合物体系相容。
进一步地，纳米碳化硅的加入量为再生粗骨料和胶凝材料总质量的1～3％。
纳米碳化硅具有化学稳定性高，热胀系数低，导热系数高，耐磨耐高温耐腐蚀，可均匀附着于粗骨料的表面，使得成品表面致密疏水，不易磨损。从而实现雨水可储存或经骨料间的缝隙快速排出而不被吸收，具有极强的可持续性。但是，添加量过多，易于结团，过少则无法形成纤维网络，因此，本发明限定纳米碳化硅的加入量为再生粗骨料和胶凝材料总质量的1～3％。
进一步地，再生粗骨料、胶凝材料总质量和碱激活剂的比例为1kg：300～500mL。
进一步地，所述再生粗骨料为工业废弃物和/或建筑废弃物，粒径为5～20mm；
进一步地，所述纳米碳化硅莫氏硬度为9.5，显微硬度2840～3320kg/mm2。
进一步地，所述碱激活剂为8mol/L的氢氧化钠水溶液和硅酸钠水溶液按照3:7质量比复配而成，其中，所述硅酸钠水溶液为Na2O·nSiO2，n选自1.5～3.5。
进一步地，所述粉煤灰中Al2O3和SiO2占比50wt％以上，比表面积为600～800m2/kg,45μm方孔筛筛余1％以下。
进一步地，所述矿渣含水率小于1％，比表面积380～410m2/kg。
进一步地，所述硅灰粒径0.1～0.3μm，比表面积15000～30000m2/kg。
本发明的技术方案之二，上述全固废高强透水地聚合物混凝土的制备方法，包括以下步骤：
(1)将粉煤灰、矿渣、硅灰、松香树脂型发泡剂、纳米碳化硅低速搅拌混匀后加入再生粗骨料，搅拌混匀后得到固体混合物；
(2)向固体混合物中加入碱激活剂搅拌混匀后得到全固废地聚物混凝土浆；
(3)全固废地聚物混凝土浆转入模具中养护后脱模得到所述全固废高强透水地聚合物混凝土。
进一步地，所述步骤(1)中低速搅拌具体为300-500r/min；
进一步地，所述步骤(3)中养护条件为常温养护24h。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
本发明通过使用一定配比的粉煤灰、硅灰以及矿渣混合物作为胶凝材料，与再生粗骨料形成透水地聚合物混凝土。地聚合物胶凝材料作为一种无机胶凝材料，与再生粗骨料具有良好的粘结性能，从而兼顾了透水性和强度。搭配松香树脂型发泡剂可以提高地聚合物混凝土的孔隙率，起到保证混凝土强度的前提下提高材料孔隙率从而保证混凝土的透水效果。
本发明可以充分利用工业废弃物和建筑废弃物，实现废弃物再利用。原材料采集方便，相较传统硅酸盐混凝土具有绿色环保的优势。
本发明可以发挥地聚物混凝土粘结性强的优势，实现再生粗骨料之间的粘结，相较传统透水混凝土具有高强的优点。而且地聚物作为一种有机高分子，其长分子结构及大分子中的链节或链段的自旋转性，使其具有一定的弹性和塑性。
本发明采用地聚物混凝土，由于地聚物胶凝材料中存在着大量的介孔，孔中水溶液冰点大大降低，大大降低了因为水结冰而产生冻融病害的可能性，提升了透水混凝土在严寒地区的适用性。
采用上述技术方案制得的透水混凝土的透水性高于普通透水混凝土，且此制备过程不涉及加热等条件，操作简单，适合大规模生产使用。
附图说明
图1为本发明实施例1中高强透水地聚合物混凝土的制备方法流程示意图。
具体实施方式
现详细说明本发明的多种示例性实施方式，该详细说明不应认为是对本发明的限制，而应理解为是对本发明的某些方面、特性和实施方案的更详细的描述。
应理解本发明中所述的术语仅仅是为描述特别的实施方式，并非用于限制本发明。另外，对于本发明中的数值范围，应理解为还具体公开了该范围的上限和下限之间的每个中间值。在任何陈述值或陈述范围内的中间值以及任何其他陈述值或在所述范围内的中间值之间的每个较小的范围也包括在本发明内。这些较小范围的上限和下限可独立地包括或排除在范围内。
除非另有说明，否则本文使用的所有技术和科学术语具有本发明所述领域的常规技术人员通常理解的相同含义。虽然本发明仅描述了优选的方法和材料，但是在本发明的实施或测试中也可以使用与本文所述相似或等同的任何方法和材料。本说明书中提到的所有文献通过引用并入，用以公开和描述与所述文献相关的方法和/或材料。在与任何并入的文献冲突时，以本说明书的内容为准。
在不背离本发明的范围或精神的情况下，可对本发明说明书的具体实施方式做多种改进和变化，这对本领域技术人员而言是显而易见的。由本发明的说明书得到的其他实施方式对技术人员而言是显而易见得的。本发明说明书和实施例仅是示例性的。
关于本文中所使用的“包含”、“包括”、“具有”、“含有”等等，均为开放性的用语，即意指包含但不限于。
本发明以下实施例中，所用原料：
粉煤灰：来源发电厂，比表面积为600～800m2/kg,45μm方孔筛筛余1％以下；
矿渣：来源炼铁厂，烘干至含水率小于1％，粉磨至比表面积380～410m2/kg；
硅灰：颗粒分布范围为0.1～0.3μm，比表面积为15000～30000m2/kg；
再生粗骨料：再生机制砂，来源为建筑拆除物，破碎至粒径在5-20mm之间；
松香树脂型发泡剂：市场购买；
纳米碳化硅：来源为市场购买，莫氏硬度9.5，显微硬度为3100kg/mm2；
碱激活剂：配制8mol/L NaOH溶液按3:7质量比和Na2O·2SiO2水溶液复配得到。
实施例1
按照以下质量份数称取原料：胶凝材料(质量分数计，粉煤灰30％，矿渣60％，硅灰10％)30份，再生粗骨料70份，松香树脂型发泡剂(胶凝材料和再生粗骨料总质量的2％)，纳米碳化硅(胶凝材料和再生粗骨料总质量的2％)，碱激活剂(再生粗骨料、胶凝材料总质量和碱激活剂的比例为1kg：500mL)。
制备方法如下(具体流程图见图1)：
(1)将粉煤灰、矿渣、硅灰、发泡剂和纳米碳化硅加入搅拌器300rpm搅拌2分钟；再加入再生粗骨料搅拌均匀后缓慢加入碱激活剂，同时均匀搅拌6min得到全固废地聚物混凝土浆。
(2)全固废地聚物混凝土浆转入70.7×70.7×70.7mm规格的钢模中，使用台式震动器震动60秒以去除气泡，并用泥刀抹平表面。
(3)常温下养护24小时即可脱模(由于矿渣的作用，地聚合物的早期强度较高，不需要养护)。
实施例2
同实施例1，区别在于，按照以下质量份数称取原料：胶凝材料(质量分数计，粉煤灰32％，矿渣62％，硅灰6％)30份，再生粗骨料70份，松香树脂型发泡剂(胶凝材料和再生粗骨料总质量的2％)，纳米碳化硅(胶凝材料和再生粗骨料总质量的2％)，碱激活剂(再生粗骨料、胶凝材料总质量和碱激活剂的比例为1kg：500mL)。
实施例3
同实施例1，区别在于，按照以下质量份数称取原料：胶凝材料(质量分数计，粉煤灰34％，矿渣64％，硅灰2％)30份，再生粗骨料70份，松香树脂型发泡剂(胶凝材料和再生粗骨料总质量的2％)，纳米碳化硅(胶凝材料和再生粗骨料总质量的2％)，碱激活剂(再生粗骨料、胶凝材料总质量和碱激活剂的比例为1kg：500mL)。
实施例4
同实施例1，区别在于，按照以下质量份数称取原料：胶凝材料(质量分数计，粉煤灰30％，矿渣60％，硅灰10％)40份，再生粗骨料60份，松香树脂型发泡剂(胶凝材料和再生粗骨料总质量的2％)，纳米碳化硅(胶凝材料和再生粗骨料总质量的2％)，碱激活剂(再生粗骨料、胶凝材料总质量和碱激活剂的比例为1kg：500mL)。
实施例5
同实施例1，区别在于，按照以下质量份数称取原料：胶凝材料(质量分数计，粉煤灰32％，矿渣62％，硅灰6％)40份，再生粗骨料60份，松香树脂型发泡剂(胶凝材料和再生粗骨料总质量的2％)，纳米碳化硅(胶凝材料和再生粗骨料总质量的2％)，碱激活剂(再生粗骨料、胶凝材料总质量和碱激活剂的比例为1kg：500mL)。
实施例6
同实施例1，区别在于，按照以下质量份数称取原料：胶凝材料(质量分数计，粉煤灰34％，矿渣64％，硅灰2％)40份，再生粗骨料60份，松香树脂型发泡剂(胶凝材料和再生粗骨料总质量的2％)，纳米碳化硅(胶凝材料和再生粗骨料总质量的2％)，碱激活剂(再生粗骨料、胶凝材料总质量和碱激活剂的比例为1kg：500mL)。
实施例7
同实施例1，区别在于，按照以下质量份数称取原料：胶凝材料(质量分数计，粉煤灰20％，矿渣70％，硅灰10％)30份，再生粗骨料70份，松香树脂型发泡剂(胶凝材料和再生粗骨料总质量的2％)，纳米碳化硅(胶凝材料和再生粗骨料总质量的2％)，碱激活剂(再生粗骨料、胶凝材料总质量和碱激活剂的比例为1kg：500mL)。
实施例8
同实施例1，区别在于，按照以下质量份数称取原料：胶凝材料(质量分数计，粉煤灰25％，矿渣70％，硅灰5％)30份，再生粗骨料70份，松香树脂型发泡剂(胶凝材料和再生粗骨料总质量的2％)，纳米碳化硅(胶凝材料和再生粗骨料总质量的2％)，碱激活剂(再生粗骨料、胶凝材料总质量和碱激活剂的比例为1kg：500mL)。
实施例9
同实施例1，区别在于，按照以下质量份数称取原料：胶凝材料(质量分数计，粉煤灰25％，矿渣70％，硅灰5％)45份，再生粗骨料55份，松香树脂型发泡剂(胶凝材料和再生粗骨料总质量的2％)，纳米碳化硅(胶凝材料和再生粗骨料总质量的2％)，碱激活剂(再生粗骨料、胶凝材料总质量和碱激活剂的比例为1kg：500mL)。
实施例10
同实施例1，区别在于，按照以下质量份数称取原料：胶凝材料(质量分数计，粉煤灰25％，矿渣70％，硅灰5％)25份，再生粗骨料75份，松香树脂型发泡剂(胶凝材料和再生粗骨料总质量的2％)，纳米碳化硅(胶凝材料和再生粗骨料总质量的2％)，碱激活剂(再生粗骨料、胶凝材料总质量和碱激活剂的比例为1kg：500mL)。
实施例11
同实施例1，区别在于，按照以下质量份数称取原料：胶凝材料(质量分数计，粉煤灰25％，矿渣70％，硅灰5％)30份，再生粗骨料70份，松香树脂型发泡剂(胶凝材料和再生粗骨料总质量的5％)，纳米碳化硅(胶凝材料和再生粗骨料总质量的2％)，碱激活剂(再生粗骨料、胶凝材料总质量和碱激活剂的比例为1kg：500mL)。
实施例12
同实施例1，区别在于，按照以下质量份数称取原料：胶凝材料(质量分数计，粉煤灰25％，矿渣70％，硅灰5％)30份，再生粗骨料70份，松香树脂型发泡剂(胶凝材料和再生粗骨料总质量的0.5％)，纳米碳化硅(胶凝材料和再生粗骨料总质量的2％)，碱激活剂(再生粗骨料、胶凝材料总质量和碱激活剂的比例为1kg：500mL)。
实施例13
同实施例1，区别在于，按照以下质量份数称取原料：胶凝材料(质量分数计，粉煤灰25％，矿渣70％，硅灰5％)30份，再生粗骨料70份，松香树脂型发泡剂(胶凝材料和再生粗骨料总质量的6％)，纳米碳化硅(胶凝材料和再生粗骨料总质量的2％)，碱激活剂(再生粗骨料、胶凝材料总质量和碱激活剂的比例为1kg：500mL)。
实施例14
同实施例1，区别在于，按照以下质量份数称取原料：胶凝材料(质量分数计，粉煤灰25％，矿渣70％，硅灰5％)30份，再生粗骨料70份，松香树脂型发泡剂(胶凝材料和再生粗骨料总质量的2％)，纳米碳化硅(胶凝材料和再生粗骨料总质量的1％)，碱激活剂(再生粗骨料、胶凝材料总质量和碱激活剂的比例为1kg：500mL)。
实施例15
同实施例1，区别在于，按照以下质量份数称取原料：胶凝材料(质量分数计，粉煤灰25％，矿渣70％，硅灰5％)30份，再生粗骨料70份，松香树脂型发泡剂(胶凝材料和再生粗骨料总质量的2％)，纳米碳化硅(胶凝材料和再生粗骨料总质量的3％)，碱激活剂(再生粗骨料、胶凝材料总质量和碱激活剂的比例为1kg：500mL)。
实施例16
同实施例1，区别在于，按照以下质量份数称取原料：胶凝材料(质量分数计，粉煤灰25％，矿渣70％，硅灰5％)30份，再生粗骨料70份，松香树脂型发泡剂(胶凝材料和再生粗骨料总质量的2％)，纳米碳化硅(胶凝材料和再生粗骨料总质量的4％)，碱激活剂(再生粗骨料、胶凝材料总质量和碱激活剂的比例为1kg：500mL)。
实施例17
同实施例1，区别在于，省略纳米碳化硅的加入。
实施例18
同实施例1，区别在于，省略松香树脂型发泡剂的加入。
实施例19
同实施例1，区别在于，按照以下质量份数称取原料：胶凝材料(质量分数计，粉煤灰40％，矿渣60％)30份，再生粗骨料70份，松香树脂型发泡剂(胶凝材料和再生粗骨料总质量的2％)，纳米碳化硅(胶凝材料和再生粗骨料总质量的2％)，碱激活剂(再生粗骨料、胶凝材料总质量和碱激活剂的比例为1kg：500mL)。
实施例20
同实施例1，区别在于，按照以下质量份数称取原料：胶凝材料(质量分数计，硅灰40％，矿渣60％)30份，再生粗骨料70份，松香树脂型发泡剂(胶凝材料和再生粗骨料总质量的2％)，纳米碳化硅(胶凝材料和再生粗骨料总质量的2％)，碱激活剂(再生粗骨料、胶凝材料总质量和碱激活剂的比例为1kg：500mL)。
实施例21
同实施例1，区别在于，按照以下质量份数称取原料：胶凝材料(质量分数计，粉煤灰15％，矿渣60％，硅灰25％)30份，再生粗骨料70份，松香树脂型发泡剂(胶凝材料和再生粗骨料总质量的2％)，纳米碳化硅(胶凝材料和再生粗骨料总质量的2％)，碱激活剂(再生粗骨料、胶凝材料总质量和碱激活剂的比例为1kg：500mL)。
实施例22
同实施例1，区别在于，按照以下质量份数称取原料：胶凝材料(质量分数计，粉煤灰40％，矿渣50％，硅灰10％)30份，再生粗骨料70份，松香树脂型发泡剂(胶凝材料和再生粗骨料总质量的2％)，纳米碳化硅(胶凝材料和再生粗骨料总质量的2％)，碱激活剂(再生粗骨料、胶凝材料总质量和碱激活剂的比例为1kg：500mL)。
效果验证例
性能测试实验：按照各实施例和各对比例中的方法制备高强透水混凝土，并进行如下性能测试：
(1)透水系数按照CJJ/T135-2009《透水水泥混凝土路面技术规程》中规定的测试方法进行检测；
(2)抗压强度按照GB/T500-81-2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》进行测试；
(3)孔隙率按照DB11/T775-2010《透水混凝土路面技术规程》进行测试。
(4)冻融实验按照《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法》(GBJ82-85)进行测试。
测试结果见表1。
表1
通过对比实施例1-3或者实施例4-6可以发现，随着粉煤灰和硅灰质量比值的逐渐增大，材料的强度有所提升，但是其所对应的渗透系数和孔隙率均有所下降。因此，粉煤灰与硅灰质量比在3:1左右时可以使得透水率达到4.0mm/s以上，且孔隙率在23％左右。另外，通过对比实施例1和实施例4(或者实施例2与实施例5，实施例3与实施例6)可以发现，随着粗骨料质量分数的减少，混凝土强度略微有所下降，但是并不明显。粗骨料体积分数的减少也会导致透水系数和孔隙率的下降。因此，想要得到具有较高孔隙率和透水率的材料，建议使用质量分数为70％左右的粗骨料。此外，省略松香树脂型发泡剂将严重降低材料的孔隙率，省略纳米碳化硅会降低材料的抗压强度。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种全固废高强透水地聚合物混凝土，其特征在于，质量份数计，原料包括再生粗骨料60～70份，胶凝材料30～40份，松香树脂型发泡剂，纳米碳化硅和碱激活剂；
质量分数计，所述胶凝材料包括粉煤灰20～30％，矿渣60～70％，硅灰5～10％；
纳米碳化硅的加入量为再生粗骨料和胶凝材料总质量的1～3％。
2.根据权利要求1所述的全固废高强透水地聚合物混凝土，其特征在于，
所述松香树脂型发泡剂的加入量为再生粗骨料和胶凝材料总质量的0.5～5％；
再生粗骨料、胶凝材料总质量和碱激活剂的比例为1kg：300～500mL。
3.根据权利要求1所述的全固废高强透水地聚合物混凝土，其特征在于，所述再生粗骨料为工业废弃物和/或建筑废弃物，粒径为5～20mm；所述纳米碳化硅莫氏硬度为9.5，显微硬度2840～3320kg/mm2；所述碱激活剂为8mol/L的氢氧化钠水溶液和硅酸钠水溶液按照3:7质量比复配而成。
4.根据权利要求1所述的全固废高强透水地聚合物混凝土，其特征在于，
所述粉煤灰中Al2O3和SiO2占比50wt％以上，比表面积为600～800m2/kg,45μm方孔筛筛余1％以下；
所述矿渣含水率小于1％，比表面积380～410m2/kg；
所述硅灰粒径0.1～0.3μm，比表面积15000～30000m2/kg。
5.一种根据权利要求1-4任一项所述的全固废高强透水地聚合物混凝土的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将粉煤灰、矿渣、硅灰、松香树脂型发泡剂、纳米碳化硅低速搅拌混匀后加入再生粗骨料，搅拌混匀后得到固体混合物；
(2)向固体混合物中加入碱激活剂搅拌混匀后得到全固废地聚物混凝土浆；
(3)全固废地聚物混凝土浆转入模具中养护后脱模得到所述全固废高强透水地聚合物混凝土；
所述步骤(3)中养护条件为常温养护24h。
6.根据权利要求5所述的全固废高强透水地聚合物混凝土的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中低速搅拌具体为300-500r/min。
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