CN115321933A - 一种含有新型抗结团剂的胶结料、模袋混凝土及其制备与应用 - Google Patents

Abstract

本发明涉及胶结料技术领域，具体涉及一种模袋混凝土用胶结料、相关模袋混凝土及其制备与应用。本发明合理选配水泥、工业副产石膏、抗结团剂、矿物外加剂、焚烧灰作为原料，尤其是抗结团剂采用了新型抗结团剂，水泥含量降低到30%以下，并且在加入5%‑15%焚烧灰的情况下，仍然能够满足应用中对性能的要求。模袋混凝土的制备过程中，没有使用传统的粗骨料、细骨料，而是就地取材，使用施工地的土体，并且在合理配方选择下，能够使得混凝土28天无侧限抗压强度在5MPa以上。

Description

一种含有新型抗结团剂的胶结料、模袋混凝土及其制备与 应用

技术领域

本发明涉及胶结料技术领域，具体的为一种含有新型抗结团剂的胶结料，适用于模袋混凝土，相关模袋混凝土及其制备与应用。

背景技术

模袋混凝土以双层高强度机织化学纤维织物制成连续(或单独)的袋状体作为柔性模板并由高压泵将混凝土充灌于袋中形成的防护结构。可用作土石坝,堤防护坡,河流、湖泊、海岸的护岸和护底等结构。其厚度、形状按需要设计,如可设置排水滤点以排除坡内积水、以铰链状连接各单元以适应坡面不均匀沉降、以框格状种植草皮以改善环境。具有设计灵活、施工便捷、质量可靠和可水下施工而无需构筑围堰等特点。

现有的模袋混凝土一般使用粗骨料、细骨料、水泥、外加剂（如减水剂、调凝剂、引气剂、保塑剂）为原料制备得到，配方沿用传统混凝土配方思路。但是该类配方水泥消耗量大，对粗骨料、细骨料资源依赖性强。目前水泥价格不断攀升，已涨至近800元/吨，黄砂、石子等粗骨料资源匮乏短缺，原材料供应问题日趋严峻。

目前，已经有研究尝试添加各种固废到模袋混凝土配方中，例如CN106904916A公开了一种填海围堰用模袋固化土及其制备方法和应用方法，该专利中模袋固化土以废泥浆、复合絮凝剂、泥浆结构剂和生物质纤维为原料制备而成。废泥浆采用地挖隧道工程的泥水盾构机掘进过程中形成的废泥浆或桩基工程和地下连续墙工程施工中形成的废泥浆，虽然可以达到固废的有效利用，但是为了利用废泥浆，必须将废泥浆进行临时储存，而且使用时需要运送到施工现场，增加存储和运送环节会提升成本，操作也不便利。另外，其还需要使用复合絮凝剂、泥浆结构剂和生物质纤维，成分较为复杂。

CN101456705A公开了一种使用工业固体废弃物的水工模袋混凝土，由粗集料、细集料、胶结料、增强纤维、水五部分经过搅拌混合、注入模袋等工序制备而成。所述的粗集料为钢渣或尾矿，所述的细集料为尾矿砂或粉煤灰粗渣或河砂组成，其沿用的仍然是传统的模袋混凝土配方思路，需要使用粗集料、细集料，而粗集料、细集料无法就地取材。对于河岸护堤来说，河沙/河砂可以就地取材，但是也面临着河沙/河砂资源日益枯竭的问题。

CN105130293A公开了一种新型生态护岸材料的制作方法，原料包含129～133份水、206～213份水泥，52～53份粉煤灰，647～653份砂，1330～1342份石，2.06～2.13份减水剂和0.015～0.016份引气剂，通过利用河道中泥沙与水作为原材料、并辅以碎石或粗砂及水泥等材料制作出适合河道岸坡防护的材料。该专利虽然添加了一定量粉煤灰固废，但同样需要使用粗集料、细集料，原材料获取仍然受到限制。

CN106242482A公开了一种高流动度吹填海泥防渗固化材料及其制备方法，由A组分和B组分组成：A组分由如下组分组成：活性无机矿物30-60份；胶凝材料10-30份；工业副产石膏10-20份；速溶水玻璃5-12份；生石灰2-5份；稳定剂1-3份；所述A组分中各组分皆为磨细粉状，含水率小于或等于1%。该专利无机矿物中包含钢渣、矿渣等固废，还添加有工业副产石膏，但均需要严格控制所有原料的含水率。

综上所述，传统的模袋混凝土需要大量使用粗骨料、细骨料、水泥，虽然已经有研究尝试添加固废，但是大多仍然需要加入粗骨料、细骨料，无法充分就地取材。另外，对原料含水率的控制需要经历干燥等工序，能源消耗较大。

发明内容

有鉴于此，一方面，本发明的目的在于提供一种胶结料，尤其是一种模袋混凝土用胶结料，通过合理选配原料，掺入多种固废、降低水泥用量的同时，还能够保证材料的强度，并且尤其重要的是，本发明的胶结料能够特别适配于和岸边土结合制备满足护坡、护岸、固堤、填海、围堰、造田等工程要求的模袋混凝土。

在城市化不断深入之下，生活垃圾数量不断增加，为了实现生活垃圾的无害化处理，垃圾焚烧与利用技术得到广泛应用。2019年全国共有5932t生活垃圾进行焚烧，产生520-780万t的炉渣，飞灰量约13万t，在无形中增加了炉渣的处理难度，填埋场的用地资源日益紧张。为了节约填埋用地、降低处理成本，可通过炉渣再利用的方式来实现。现有的利用方式主要集中在制作环保砖或制成路基填充料。

如专利CN113149589A中所述，城市污水污泥处置是保证城市稳定运行的重要民生工程，预计在2023年我国污泥产生量将达9772万吨。干化焚烧不仅能够大大减少污泥的体积，而且具有处理速度快、杀死病原体等优势，成为目前处置污泥的主流方式。将污泥焚烧灰有效利用起来，将产生巨大的经济价值。

但是目前的问题是，一旦加入污泥焚烧灰、垃圾焚烧灰等各种焚烧灰，往往导致材料性能大幅下降。本发明即要解决该问题，确保在加入一定量焚烧灰后，仍然能够满足相关应用领域的性能要求。

另一方面，本发明的目的在于提供一种模袋混凝土，该模袋混凝土不使用传统的粗骨料和细骨料，并且大大降低水泥的用量。

在江河湖海的护坡、护岸、固堤等使用场景中，岸边的土资源几乎无需开采、运送、存储成本，可以随挖随用。但是如果将粗骨料、细骨料换成岸边的土体，则往往导致强度的大幅度下降。因此，本发明旨在通过配方的合理调配，使得制备模袋混凝土时，能够就地取材，直接使用施工地的土体作为原料。

为达到上述目的，一方面，本发明提供如下技术方案：

一种模袋混凝土用胶结料，其包含水泥、工业副产石膏、抗结团剂、矿物外加剂、焚烧灰；其中，抗结团剂仅包含分散组分，不包含功能组分，所述分散组分为惰性组分，不与水反应；所述功能组分为水反应性组分。

出于性能的考虑，前述胶结料包含如下重量百分比的原料：水泥15%-30%、工业副产石膏15%-25%、抗结团剂10%-20%、矿物外加剂25%-40%、焚烧灰5%-15%。如无特别说明，本发明所述含量均为重量百分含量，并且各成分含量相加为100%。

在一个实施方式中，胶结料分为A料和B料，其中，A料包含水泥、矿物外加剂、焚烧灰；B料包含工业副产石膏、抗结团剂。进一步的，A料和B料质量比为3:1至1:2，优选2:1至1.2:1，最优选1.5:1。

进一步的，矿物外加剂选自铜渣粉、磷渣粉、矿渣粉、粉煤灰、钢渣、天然沸石、硅灰中的一种或多种，优选矿粉。焚烧灰选自污泥焚烧灰、垃圾焚烧灰中的一种或多种。工业副产石膏选自脱硫石膏、磷石膏、钛石膏、氟石膏、柠檬酸石膏、盐石膏中的一种或多种。

进一步的，抗结团剂仅包含分散组分，不包含功能组分，所述分散组分为惰性组分，不与水反应；所述功能组分为水反应性组分。进一步的，本发明的抗结团剂不包含游离氧化钙和游离氧化镁。

在一个实施方式中，分散组分选自轻质多孔材料、介孔材料中的一种或多种。进一步的，所述轻质多孔材料选自硅藻土。所述介孔材料选自介孔碳或介孔硅。进一步的，轻质多孔材料细度为500目以上，优选600目、800目、900目或1000目以上。介孔材料细度为500目以上，优选600目、800目、900目或1000目以上。

在一个实施方式中，分散组分选自石英粉、膨润土、高岭土、重质碳酸钙、轻质碳酸钙、微硅粉中的一种或多种。本发明的上述组分可以自己制备，也可以从市售途径获得，如通过西陇化工、科密欧、国药、圣迈等。

进一步的，分散组分细度为200目以上，优选300目以上。由于各分散组分物理性能有差异，所以其优选的细度并不完全相同。例如对于石英粉，细度为400目以上有一定效果，优选500目、600目或800目以上。对于轻质碳酸钙，细度为200目以上有一定效果，优选300目以上。对于重质碳酸钙，细度为300目以上有一定效果，优选400目以上。对于高岭土，细度为600目以上有一定效果，优选800目、900目或1000目以上。对于微硅粉，细度为500目以上有一定效果，优选800目以上。

在一个实施方案中，提供一种胶结料的制备方法，包含如下步骤：（1）将工业副产石膏与抗结团剂预混获得预混物；（2）将预混物与水泥、矿物外加剂、焚烧灰混合。

在另外一个实施方案中，提供一种胶结料的制备方法，包含如下步骤：（1）将水泥、矿物外加剂、焚烧灰混合得到A料；（2）将工业副产石膏与抗结团剂预混获得B料；（3）将A料与B料混合。

本发明还涉及上述胶结料的用途，即，将其用于模袋混凝土的制备。

本发明还涉及一种模袋混凝土，其包含前述胶结料、土体、水。胶结料的详细描述参见上文，在此，不再赘述。

当然，如果使用的工业副产石膏不含水，则可以不使用抗结团剂，在此种情况下，模袋混凝土包含胶结料、土体、水；其中，胶结料包含如下重量百分比的原料：水泥15%-30%、工业副产石膏15%-25%、矿物外加剂25%-40%、焚烧灰5%-15%。各成分含量相加为100%。也就是说，在工业副产石膏含水时，可以选择去采用前述的实施方式，当工业副产石膏含水率较低如1%以下，也完全可以选择不使用抗结团剂，这时候，只需要适当调配一下各组分的用量即可。

进一步的，土体能够就地取材对成本是有优势的，具体选用施工现场土体；优选为岸边土。进一步优选为海岸土、湖岸土、江岸土、河岸土。例如在海边制作模袋混凝土，则直接使用海岸边的土体作为固化土；又例如在江边制作模袋混凝土，则直接使用江岸边的土体作为固化土；又例如在湖边制作模袋混凝土，则直接使用湖岸边的土体作为固化土；以此类推。

进一步的，所述土体含水率10%-40%，优选15%-30%，进一步优选20%-25%。进一步的，土体、胶结料、水的加入重量比为土体：胶结料：水=1400-1800:400-800:650-750，在该比例下，有利于提升模袋混凝土性能。

进一步的，胶结料用量为土体的35%-50%，这样能够保证足够的强度。优选36%、37%、38%、39%以上；优选49%、48%、47%、46%、45%以下；最优选40%。

作为优选的，模袋混凝土应当满足下述条件中的一种或多种：（1）胶砂流动度130-160mm；（2）扩展度不小于500mm；（3）固化时间在24h以内；（4）7天无侧限抗压强度在2.4MPa以上，优选3MPa以上，进一步优选4MPa以上，如达到4.5MPa；（5）28天无侧限抗压强度在5MPa以上。最优选各条件均能够满足。

本发明还提供一种模袋混凝土的制备方法，具体包含如下步骤：将包含胶结料、施工现场土体（如岸边土）、水的原料搅拌混合，注入模袋。进一步的，采用三点泵入法。进一步的，所述模袋长10-20米，宽5-15米，厚10-30厘米。

本发明提供一种模袋混凝土的用途，其用于护坡、护岸、固堤、填海、围堰、造田等工程中。

有益效果

采用本发明提供的技术方案，与现有技术相比，具有如下显著效果：

（1）以水泥、工业副产石膏、抗结团剂、矿物外加剂、焚烧灰为原料，配方适宜制备模袋混凝土的胶结料。该胶结料无需使用粗骨料、细骨料。

（2）胶结料中将水泥含量降低到30%以下，并且加入了多种固废，尤其是在加入5%-15%焚烧灰的情况下，仍然能够满足后续应用中对性能的要求。

（3）模袋混凝土的制备过程中就地取材，使用施工现场的土体，并且在合理配方选择下，能够使得混凝土28天无侧限抗压强度在5MPa以上，扩展度不小于500mm，满足模袋混凝土各项性能的要求。

（4）对于含水率较高的原料容易产生结团从而影响性能的问题，本发明创新性的加入了新型抗结团剂，非常好的解决了抗结团问题。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1：

胶结料配方选择实验。

抗结团剂：只有惰性组分，不含功能组分；主要为石英（400目），硅藻土（800目），轻质碳酸钙（800目）。

依据水泥胶砂强度检验方法（ISO法）GB/T 17671-2021进行成型、抗压强度测试，进行胶结料配方选择试验。

表1 不同胶结料配方抗压强度试验

从上表可知，污泥焚烧掺量增加，对胶结料强度不利；水泥用量与胶结料强度无直接相关性；相同配比下，轻质碳酸钙做抗结团剂时，胶结料的强度最高。因此选择J3作为后续实例的胶结料。

实施例2：

固化剂掺量选择实验。

抗结团剂：轻质碳酸钙（800目）。

胶结料配方如下：

表2 不同胶结料掺量抗压强度试验

从试验结果来看，单独使用惰性组分（不添加氧化钙），与混合抗结团剂类似，25%的掺量并不足够，当增加到35%时，28d抗压强度达到了5Mpa以上，可以满足模袋混凝土的性能要求。

实施例3：

模袋混凝土配方优化实验。每方河岸土(含水率19%）所需固化剂的量。从试验结果来看，水的用量不宜过多，否则影响28d抗压强度。水的用量为650kg-750kg时，较为适宜。

表3 模袋混凝土配方抗压强度试验

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (21)

1.一种模袋混凝土用胶结料，其特征在于，包含水泥、工业副产石膏、抗结团剂、矿物外加剂、焚烧灰；其中，抗结团剂仅包含分散组分，不包含功能组分；所述分散组分为惰性组分，不与水反应；所述功能组分为水反应性组分。

2.根据权利要求1所述的胶结料，其特征在于，包含如下重量百分比的原料：水泥15%-30%、工业副产石膏15%-25%、抗结团剂10%-20%、矿物外加剂25%-40%、焚烧灰5%-15%。

3.根据权利要求1或2所述的胶结料，其特征在于，胶结料分为A料和B料，其中，A料包含水泥、矿物外加剂、焚烧灰；B料包含工业副产石膏、抗结团剂。

4.根据权利要求3所述的胶结料，其特征在于，A料和B料质量比为3:1至1:2，优选2:1至1.2:1，最优选1.5:1。

5.根据权利要求1-4任一项所述的胶结料，其特征在于，所述胶结料满足下述条件中的一种或多种：

（1）矿物外加剂选自铜渣粉、磷渣粉、矿渣粉、粉煤灰、钢渣、天然沸石、硅灰中的一种或多种；

（2）焚烧灰选自污泥焚烧灰、垃圾焚烧灰中的一种或多种；

（3）工业副产石膏选自脱硫石膏、磷石膏、钛石膏、氟石膏、柠檬酸石膏、盐石膏中的一种或多种。

6.根据权利要求1-5任一项所述的胶结料，其特征在于，所述抗结团剂不含游离氧化钙和游离氧化镁；所述分散组分为不溶于水或难溶于水的物质，所述不溶于水或难溶于水是指在20℃下水中溶解度小于0.01g/100g，优选小于0.001g/100g。

7.根据权利要求1-6任一项所述的胶结料，其特征在于，分散组分选自轻质多孔材料、介孔材料中的一种或多种；优选的，轻质多孔材料选自硅藻土；介孔材料选自介孔碳或介孔硅；优选的，轻质多孔材料、介孔材料细度为500目以上，优选800目以上。

8.根据权利要求1-6任一项所述的胶结料，其特征在于，所述分散组分选自石英粉、高岭土、重质碳酸钙、轻质碳酸钙、微硅粉中的一种或多种；和/或，分散组分细度为200目以上，优选300目以上。

9.根据权利要求1-8任一项所述的胶结料，其特征在于，分散组分为石英粉，细度为400目以上，优选600目以上；

或，分散组分为微硅粉，细度为500目以上，优选800目以上；

或，分散组分为高岭土，细度为800目以上，优选1000目以上；

或，分散组分为重质碳酸钙，细度为300目以上，优选400目以上；

或，分散组分为轻质碳酸钙，细度为200目以上，优选300目以上；

或，分散组分为硅藻土，细度为500目以上，优选800目以上。

10.一种权利要求1-9任一项所述胶结料的制备方法，其特征在于：包含如下步骤：（1）将工业副产石膏与抗结团剂预混获得预混物；（2）将预混物与水泥、矿物外加剂、焚烧灰混合；

或，包含如下步骤：（1）将水泥、矿物外加剂、焚烧灰混合得到A料；（2）将工业副产石膏与抗结团剂预混获得B料；（3）将A料与B料混合。

11.权利要求1-10任一项所述胶结料的用途，用于模袋混凝土。

12.一种模袋混凝土，其特征在于，包含权利要求1-10任一项所述胶结料、土体、水。

13.根据权利要求12所述的模袋混凝土，其特征在于，所述土体为施工现场土体。

14.根据权利要求13所述的模袋混凝土，其特征在于，所述施工现场土体为海岸土、湖岸土、江岸土、河岸土中一种或多种。

15.根据权利要求12-14任一项所述的模袋混凝土，其特征在于，所述土体含水率10%-40%，优选15%-30%，进一步优选20%-25%。

16.根据权利要求12所述的模袋混凝土，其特征在于，胶结料用量为土体的35%-50%。

17.根据权利要求12所述的模袋混凝土，其特征在于，土体、胶结料、水的加入重量比为土体：胶结料：水=1400-1800:400-800:650-750。

18.根据权利要求12-17任一项所述的模袋混凝土，其特征在于，混凝土满足下述条件中的一种或多种：

（1）胶砂流动度130-160mm;

（2）扩展度不小于500mm；

（3）固化时间在24h以内；

（4）7天无侧限抗压强度在2.4MPa以上；

（5）28天无侧限抗压强度在5MPa以上。

19.一种权利要求12-18任一项所述模袋混凝土的制备方法，其特征在于：将包含胶结料、土体、水的原料搅拌混合，注入模袋。

20.根据权利要求19所述的模袋混凝土的制备方法，其特征在于：模袋长10-20米，宽5-15米，厚10-30厘米。

21.一种权利要求12-18任一项所述模袋混凝土的用途，其特征在于：用于护坡、护岸、固堤、填海、围堰、造田工程。