CN112441797A - 一种环保掺合料混凝土及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本申请涉及混凝土的领域，具体公开了一种环保掺合料混凝土及其制备方法，包括以下重量份的原料：水80‑110份，普通硅酸盐水泥220‑260份，人工砂500‑600份，工业废石700‑900份，钢渣粉20‑35份，矿渣粉15‑30份，减水剂2‑6份，吸附净化料45‑80份，透水调节剂2‑6份。环保掺合料混凝土的制备方法包括以下步骤：步骤一，制备透水调节剂；步骤二，对工业废石进行预处理：步骤三，制备吸附净化料，步骤四，按配方量将水、普通硅酸盐水泥、人工砂、工业废石、钢渣粉、矿渣粉、吸附净化料和透水调节剂混合搅拌均质，制得混凝土。本申请采用工业废弃原料进行混凝土的制备，其制得的混凝土抗压强度好，可去除水质的COD，改善水质情况，改善城市生态环境。

Description

一种环保掺合料混凝土及其制备方法

技术领域

本申请涉及混凝土的领域，更具体地说，它涉及一种环保掺合料混凝土及其制备方法。

背景技术

混凝土，简称为"砼"，通常讲的混凝土是指用水泥作胶凝材料，砂、石作集料，与水(可含外加剂和掺合料)按一定比例配合，经搅拌而得的水泥混凝土。混凝土作为一种重要的建筑材料，对我国经济社会发展具有重要意义,在土木工程、水利水电、交通运输等领域具有广泛的应用。

目前，申请公布号为CN106830773A的专利公开了一种建筑垃圾再生混凝土，包括再生粗骨料24％-36.5％、再生细骨料36.5％-48％、水泥18％和水10％，将建筑垃圾转化成再生粗骨料和再生细骨料，制备成再生混凝土，一定程度上解决了建筑垃圾引起的环境问题，推动资源可持续利用，促进再生混凝土商品化发展。

针对上述中的相关技术，发明人认为将建筑垃圾作为再生骨料制备的混凝土，其强度性能不佳，形成的是透水透气性差的路面结构，而日益严重的城市污染对城市的水质影响很严重。

发明内容

为了提高通过废弃料制得的混凝土的强度和透水性能，提高对水质的COD去除率，本申请提供一种环保掺合料混凝土及其制备方法。

本申请提供的一种环保掺合料混凝土采用如下的技术方案：

一种环保掺合料混凝土，包括以下重量份的原料：水80-110份，普通硅酸盐水泥220-260份，人工砂500-600份，工业废石700-900份，钢渣粉20-35份，矿渣粉15-30份，减水剂2-6份，吸附净化料45-80份，透水调节剂2-6份，所述吸附净化料包括壳聚糖溶液5-12份和生物炭粉40-68份。

通过采用上述技术方案，采用工业废石作为粗骨料，节省资源，缓解资源紧张，提高经济效益。钢渣粉和矿渣粉不仅能够作为骨料进行填充，还能充当混凝土的活性材料，在混凝土中加入矿渣粉和钢渣粉后，在混凝土水化时的碱性环境中，矿渣粉和钢渣粉吸收水泥水化时形成的Ca(OH)₂，进一步水化形成 C-S-H 凝胶，使界面区的Ca(OH)₂晶粒变小，改善了混凝土的微观结构，使水泥浆体的空隙率下降，强化了集料界面的粘结力，使得混凝土的力学性能提高。碱-骨料反应是指骨料中的活性氧化硅和水泥中的碱发生反应，生成吸水产物，体积增大，导致混凝土的膨胀和开裂，而钢渣粉与矿渣粉的加入可抑制碱-骨料反应，以使得粗骨料与细骨料颗粒之间相互填充更加密实，因此可以进一步减少集料颗粒间的空隙，使的混凝土更加密实，并且可以使得水泥颗粒间的水分得以释放，形成自由水，提高混凝土的流动性。

透水调节剂的加入主要可改善混凝土内部的透水性能，在颗粒表面形成透水膜，与其它原料复配相容，保证混凝土的抗压强度。

壳聚糖溶液中含有一定浓度的壳聚糖，壳聚糖在溶液中是带正电荷的多聚电解质，具有很强的吸附性，可以凝聚和吸附带负电荷的悬浮物和有机物等，提高对路表水的处理效果。壳聚糖中含有一定的氨基、羟基，能够与路表水中的阳离子起螯合作用。壳聚糖因其独特的分子结构，对许多有机物具有极高的亲合力，同时壳聚糖分子结构上含有大量的伯氨基，通过配位键结合，形成极好的高分子螯合剂，因此它既可凝集废水中的有机物，提高COD去除率。生物炭深具有多孔结构，具有良好的弹性和韧性，有较大的比表面积和内部孔隙率，分散在混凝土内部结构中，可对透过的水质进行过滤吸附，改善水质情况。同时生物炭可作为壳聚糖溶液的载体，协同分散在混凝土内部结构内，延缓城市生态的环境压力。

优选的，所述透水调节剂包括醋酸纤维素和二甲基甲硅烷基化硅石，所述醋酸纤维素和二甲基甲硅烷基化硅石的质量比为1:(1-5)。

通过采用上述技术方案，醋酸纤维素作为多孔膜材料，具有透水量大、加工简单的特点，而二甲基甲硅烷基化硅石具有良好的增稠和分散性，与醋酸纤维素复配后，提高透水调节剂在混凝土体系内的分散性能，同时二甲基甲硅烷基化硅石具有良好的成膜性，与醋酸纤维素后在集料颗粒表面形成透水膜，调节混凝土的透水性能。

优化醋酸纤维素和二甲基甲硅烷基化硅石的配比，改善混凝土的透水性能，同时协同其他原料组分提高混凝土的抗压强度。

优选的，所述人工砂的表观密度≥2500㎏/m³，所述矿渣粉的比表面积350-450㎡/㎏，所述钢渣粉的比表面积为200-300㎡/㎏，生物炭粉的密度为1.5-1.6㎏/m³。

通过采用上述技术方案，优化原料组分的性能参数，进一步改善混凝土的抗压强度。

优选的，所述壳聚糖溶液的浓度为8-11%。

通过采用上述技术方案，优化壳聚糖溶液的浓度，进一步提高对水质的吸附净化情况，提高COD去除率。

优选的，所述钢渣粉和矿渣粉的质量比为1.2:1。

通过采用上述技术方案，优化钢渣粉与矿渣粉的配比，协同改善混凝土的抗压强度，改善混凝土的性能。

第二方面，本申请提供一种环保掺合料混凝土的制备方法，采用如下的技术方案：

一种环保掺合料混凝土的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤一，制备透水调节剂；

步骤二，对工业废石进行预处理：将工业废石进行破碎，破碎至粒径为5-20mm，将破碎后的废石进行脱水处理，脱水后的废石含水量不超过8%，再将脱水后的废石浸泡在聚乙烯醇胶水中，然后进行烘干处理，烘干后的废石表面形成厚度为0.5-1mm的聚乙烯醇胶水层；

步骤三，制备吸附净化料，包括以下步骤：

步骤1，将生物炭粉在温度为180-190℃，空气相对湿度为20-30%的条件下进行紫外线辐照，辐照时间为1-2天，制得改性生物炭粉；

步骤2，按配方量将改性生物炭粉和壳聚糖溶液混合搅拌均质，静置养护50-70min，制得吸附净化料；

步骤四，按配方量将水、普通硅酸盐水泥、人工砂、工业废石、钢渣粉、矿渣粉、吸附净化料和透水调节剂混合搅拌均质，制得混凝土。

通过采用上述技术方案，对工业废石进行预处理破碎后，将废石进行脱水处理，减少废石的含水量，提高废石的质量，将废石浸泡在聚乙烯醇胶水中，从而在废石表面裹覆有聚乙烯醇胶水，烘干的废石表面形成厚度适中的聚乙烯醇胶水层，以使得与水和其他骨料混合反应时，可快速实现颗粒间的粘结，达到良好的充填效果，提高混凝土的抗压强度。

将生物炭粉进行改性处理，进一步提高生物炭粉对有机物的吸附性能，提高COD去除率，将壳聚糖与生物炭粉复配后，在特定条件下养护，提高两者对水质的吸附净化性能，进而提高COD去除率。

优选的，所述调节剂的制备包括以下步骤：按配方量将醋酸纤维素和二甲基甲硅烷基化硅石进行研磨，然后挤出造粒，制得粒径为0.5mm以下的颗粒。

通过采用上述技术方案，将醋酸纤维素与二甲基甲硅烷基化硅石进行研磨，在研磨中改善两者的表面性能，起到一定的活化作用，经过挤出造粒后使用，以使得在集料颗粒表面形成透水膜，改善混凝土的透水性能。

优选的，步骤二中，所述聚乙烯醇胶水的浓度为6-10%。

通过采用上述技术方案，优化聚乙烯醇胶水的浓度，改善颗粒间的粘结强度，从而提高混凝土的抗压强度。

优选的，在步骤2中，养护条件为：温度为160-170℃，空气相对湿度为30-40%。

通过采用上述技术方案，采用合适的养护条件，进一步提高两者对水质的吸附净化性能，提高COD去除率。

综上所述，本申请具有以下有益效果：

1、由于本申请采用工业废弃料作为原料进行混凝土的制备，节省资源，环保可持续发展，缓解资源紧张，提高经济效益。

2、本申请将醋酸纤维素与二甲基甲硅烷基化硅石进行研磨，在研磨中改善两者的表面性能，起到一定的活化作用，经过挤出造粒后使用，以使得在集料颗粒表面形成透水膜，改善混凝土的透水性能。

3、本申请将生物炭粉进行改性处理，进一步提高生物炭粉对有机物的吸附性能，提高COD去除率，将壳聚糖与生物炭粉复配后，在特定条件下养护，提高两者对水质的吸附净化性能，进而提高COD去除率。

具体实施方式

以下结合实施例对本申请作进一步详细说明。

以下实施例和对比例的原料均为普通市售原料。

实施例

实施例1

一种环保掺合料混凝土，包括以下重量的原料：水80kg，普通硅酸盐水泥220kg，人工砂350 kg，工业废石550 kg，钢渣粉20 kg，矿渣粉15- kg，减水剂2 kg，吸附净化料45 kg，透水调节剂2 kg，所述吸附净化料包括壳聚糖溶液5 kg和生物炭粉40 kg；

其中普通硅酸盐水泥为P.O42.5，减水剂为聚羧酸减水剂，固含量为25%；人工砂的表观密度为2600㎏/m³，矿渣粉的比表面积430㎡/㎏，钢渣粉的比表面积为300㎡/㎏，生物炭粉的密度为1.56㎏/m³，生物炭粉选用椰壳活性炭，壳聚糖溶液的浓度为8%；

环保掺合料混凝土的制备方法包括以下步骤：

步骤一，制备透水调节剂：将醋酸纤维素1kg和二甲基甲硅烷基化硅石1kg置于球磨机中研磨，研磨转速为100r/min，研磨时间为15min，然后送入挤出机中挤出造粒，制得粒径为0.5mm以下的颗粒；

步骤二，对工业废石进行预处理：将工业废石送入破碎机中破碎至粒径为5-20mm并进行连续级配，将破碎后的废石进行脱水处理，脱水后的废石含水量不超过8%，再将脱水后的废石浸泡在聚乙烯醇胶水中，浸泡15min，然后于70℃进行恒温烘干处理，烘干后的废石表面形成厚度为0.8mm的聚乙烯醇胶水层；其中聚乙烯醇胶水的浓度为8%；

步骤三，制备吸附净化料，包括以下步骤：

步骤1，将生物炭粉在温度为190℃，空气相对湿度为20%的条件下，用300W的紫外线灯进行紫外线辐照，辐照时间为2天，制得改性生物炭粉；

步骤2，按配方量将改性生物炭粉和壳聚糖溶液混合搅拌均质，在温度为165℃，空气湿度为30%的条件下静置养护65min，制得吸附净化料；

步骤四，按配方量将水、普通硅酸盐水泥、人工砂、步骤二中的工业废石、钢渣粉、矿渣粉、吸附净化料和透水调节剂混合搅拌均质，制得混凝土。

实施例2-4与实施例1的区别仅在于部分原料组分的不同，其余均与实施例1相同，实施例1-4的部分原料组分如表1所示。

表1 实施例1-4部分原料组分

	实施例1	实施例2	实施例3	实施例4
					水	80	110	90	90
水泥	150	185	177	177
					人工砂	350	500	415	415
废石	550	700	600	600
					减水剂	2	6	4.5	4.5
钢渣粉	20	35	25	30
					矿渣粉	15	30	25	25

实施例5

与实施例4的区别在于，醋酸纤维素为1kg，二甲基甲硅烷基化硅石5kg，其余均与实施例4相同。

实施例6

与实施例4的区别在于，醋酸纤维素为1kg，二甲基甲硅烷基化硅石3.5kg，其余均与实施例4相同。

实施例7

与实施例4的区别在于，醋酸纤维素为1kg，二甲基甲硅烷基化硅石3kg，其余均与实施例4相同3。

实施例8

与实施例7的区别在于，壳聚糖的浓度为11%，其余均与实施例7相同。

实施例9

与实施例7的区别在于，壳聚糖的浓度为10%，其余均与实施例7相同。

对比例

对比例1

与实施例1的区别在于，步骤一中，不加入醋酸纤维素，其余均与实施例1相同。

对比例2

与实施例1的区别在于，步骤一中，透水调节剂的制备步骤具体为：直接将醋酸纤维素和二甲基甲硅烷基化硅石混合均质，其余均与实施例1相同。

对比例3

与实施例1的区别在于，不加入壳聚糖溶液，其余均与实施例1相同。

对比例4

与实施例1的区别在于，步骤三中，省略步骤1，吸附净化料的制备具体步骤为：按配方量将生物炭和壳聚糖溶液混合搅拌均质，在温度为165℃，空气湿度为30%的条件下静置养护65min，制得吸附净化料；其余均与实施例1相同。

对比例5

与实施例1的区别在于，步骤三中，吸附净化料的制备方法包括以下步骤：步骤1，将生物炭粉在温度为190℃，空气相对湿度为20%的条件下进行紫外线辐照，辐照时间为2天，制得改性生物炭粉；

步骤2，按配方量将改性生物炭粉和壳聚糖溶液混合搅拌均质，制得吸附净化料；

其余均与实施例1相同。

对比例6

与实施例1的区别在于，在步骤二中，将工业废石送入破碎机中破碎至5-20mm并进行连续级配即可；其余均与实施例1相同。

性能检测试验

将实施例1-9和对比例1-6制得的混凝土试块按照JTG E30-2005《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》和GB/T 25993-2010《透水路面砖和透水路面板》测试混凝土产品28天的抗压强度和混凝土的透水系数，试验结果如表2所示。

COD去除率测试：采用COD=60ppm的水样，对实施例1-9和对比例1-6制得的混凝土试样进行渗透，通过COD测定仪分析渗透在相同水质和水量的情况下，透过混凝土后的水质中的COD，计算COD去除率，结果如表2所示。

表2 试验结果

	抗压强度/MPa	透水系数/(mm/s)	COD去除率/%
				实施例1	35.2	10	50.2
实施例2	35.5	10	50.2
				实施例3	36.3	10.1	50.3
实施例4	37	10.1	50.3
				实施例5	37.1	10.7	50.5
实施例6	37.3	10.5	50.8
				实施例7	37.5	11	51.3
实施例8	37.5	11.1	51.4
				实施例9	37.8	11.5	51.9
对比例1	34.5	5	35.4
				对比例2	34.6	7	40
对比例3	34	9	20.9
				对比例4	34.1	9	30.7
对比例5	34.2	9	37
				对比例6	27.3	9	45.9

结合实施例1-4并结合表2可以看出，调整部分原料组分配比，在一定程度上改善混凝土的抗压强度，当钢渣粉和矿渣粉的质量比为1.2:1时，制得的混凝土的抗压强度最佳。结合实施例4-7并结合表2可以看到，醋酸纤维素与二甲基甲硅烷基化硅石的质量比的调整对混凝土的透水性能影响较大，当醋酸纤维素与二甲基甲硅烷基化硅石的质量比1:3时，混凝土的透水率最佳。同时透水调节剂与其它原料组分协同改善混凝土对水质的吸附处理效果，提高COD去除率，改善城市生态环境。结合实施例7-9并结合表2可以看到，调整壳聚糖的浓度，与生物炭协同改善混凝土的COD去除率，改善城市生态的环境。

结合实施例1和对比例1并结合表2可以看到，不加入醋酸纤维素后，混凝土的透水效果显著下降，透水系数低，透水效果差。同时结合对比例2可以看到，不将醋酸纤维素和二甲基甲硅烷基化硅石进行挤出造粒，直接混合均质后加入后续的原料组分中，其对比例2制得的混凝土的透水系数也降低，可见二甲基甲硅烷基化硅石与醋酸纤维素协同作用，同时本申请对透水调节剂的制备方法可改善透水调节剂的透水性能，这是由于将醋酸纤维素与二甲基甲硅烷基化硅石进行研磨后，对两者起到一定的活化作用，经过挤出造粒后使用，以使得在集料颗粒表面形成透水膜，改善混凝土的透水性能。

结合实施例1和对比例3并结合表2可以看到，不加入壳聚糖溶液的混凝土，其COD去除率明显下降，可见壳聚糖溶液可激发生物炭的吸附净化性能，提高混凝土的COD去除率。

结合实施例1与对比例4并结合表2可以看到，不对生物炭进行改性，混凝土整体的COD去除率也下降，这是由于。

结合实施例1和对比例5并结合表2可以看到，将改性生物炭粉和壳聚糖溶液直接混合，不进行相应的养护，混凝土的COD去除率也降低，这是由于。

结合实施例1和对比例6并结合表2可以看到，工业废石进行粉碎后直接使用，不在废石表面形成聚乙烯醇胶水层，对比例6制得的混凝土的抗压强度显著降低，实施例1制得的混凝土的抗压强度高，这是由于废石表面形成厚度适中的聚乙烯醇胶水层，以使得与水和其他骨料混合反应时，可快速实现颗粒间的粘结，达到良好的充填效果，提高混凝土的抗压强度。

通过实施例1-9并结合表2可以看到，通过本申请制得的混凝土抗压强度好，具有一定的透水性能，COD去除率好，对水质具有净化效果。

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 (9)

1.一种环保掺合料混凝土，其特征在于，包括以下重量份的原料：水80-110份，普通硅酸盐水泥220-260份，人工砂350-500份，工业废石550-700份，钢渣粉20-35份，矿渣粉15-30份，减水剂2-6份，吸附净化料45-80份，透水调节剂2-6份，所述吸附净化料包括壳聚糖溶液5-12份和生物炭粉40-68份。

2.根据权利要求1所述的一种环保掺合料混凝土，其特征在于：所述透水调节剂包括醋酸纤维素和二甲基甲硅烷基化硅石，所述醋酸纤维素和二甲基甲硅烷基化硅石的质量比为1:(1-5)。

3.根据权利要求1所述的一种环保掺合料混凝土，其特征在于：所述人工砂的表观密度≥2500㎏/m³，所述矿渣粉的比表面积350-450㎡/㎏，所述钢渣粉的比表面积为200-300㎡/㎏，生物炭粉的密度为1.5-1.6㎏/m³。

4.根据权利要求1所述的一种环保掺合料混凝土，其特征在于：所述壳聚糖溶液的浓度为8-11%。

5.根据权利要求1所述的一种环保掺合料混凝土，其特征在于：所述钢渣粉和矿渣粉的质量比为1.2:1。

6.如权利要求1-5任一项所述的一种环保掺合料混凝土的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤一，制备透水调节剂；

步骤二，对工业废石进行预处理：将工业废石进行破碎，破碎至粒径为5-20mm，将破碎后的废石进行脱水处理，脱水后的废石含水量不超过8%，再将脱水后的废石浸泡在聚乙烯醇胶水中，然后进行烘干处理，烘干后的废石表面形成厚度为0.5-1mm的聚乙烯醇胶水层；

步骤三，制备吸附净化料，包括以下步骤：

步骤1，将生物炭粉在温度为180-190℃，空气相对湿度为20-30%的条件下进行紫外线辐照，辐照时间为1-2天，制得改性生物炭粉；

步骤2，按配方量将改性生物炭粉和壳聚糖溶液混合搅拌均质，静置养护50-70min，制得吸附净化料；

步骤四，按配方量将水、普通硅酸盐水泥、人工砂、工业废石、钢渣粉、矿渣粉、吸附净化料和透水调节剂混合搅拌均质，制得混凝土。

7.根据权利要求6所述的一种环保掺合料混凝土的制备方法，其特征在于：所述调节剂的制备包括以下步骤：按配方量将醋酸纤维素和二甲基甲硅烷基化硅石进行研磨，然后挤出造粒，制得粒径为0.5mm以下的颗粒。

8.根据权利要求6所述的一种环保掺合料混凝土的制备方法，其特征在于：步骤二中，所述聚乙烯醇胶水的浓度为6-10%。

9.根据权利要求6所述的一种环保掺合料混凝土的制备方法，其特征在于：在步骤2中，养护条件为：温度为160-170℃，空气相对湿度为30-40%。