一种惰性混凝土废浆固化体材料及其制备方法

摘要

本发明涉及建筑材料技术领域，尤其涉及一种惰性混凝土废浆固化体材料及其制备方法。本发明中，二级粉煤灰和S95级矿渣是活性原料，是被激发原料；激发剂是无水碳酸钠粉末和五水偏硅酸钠粉末，碱激发剂在含水废浆中溶解并激发被激发原料的活性，从而发展强度形成固化体，而经均质化处理的混凝土废浆作为辅助原料，其内在颗粒可以均匀填充于固化体中的孔，从而实现混凝土废浆的无害化处置。同时，本发明对混凝土废浆的固化效果相比于传统水泥材料更加优良，固化体材料的孔隙率低、微观结构更密实、力学强度高且高温稳定性能较优。

说明书

技术领域

本发明涉及建筑材料技术领域，尤其涉及一种惰性混凝土废浆固化体材料及其制备方法。

背景技术

惰性混凝土废浆主要产自商品混凝土搅拌站中，是由废弃混凝土浆体经循环再生系统（砂石分离和沉淀池过滤），堆积在沉淀池底部的一种高碱性、高含水颗粒型废弃物，主要成分包括水、细集料（细砂、砂石集料中的硅铝酸盐矿物，例如云母类矿物等杂质）、水泥水化产物、矿物掺合料（粉煤灰、矿渣等）以及少部分粗集料（卵石、碎石），成分来源复杂。废浆碱性一般在11.5~12.5，由于长期存储在高碱性的含水沉淀池中，此类废浆的可反应活性较低（活性指数<60%），难以有效再生利用，尽管部分混凝土搅拌厂站可做到“零排放”，但仍有部分厂站将其从沉淀池挖出后运往填埋场进行堆埋，造成了资源的浪费和环境的污染。

目前，除堆埋外，对惰性混凝土废浆的处理手段主要是将其再生用于水泥混凝土结构（集料和水泥的取代品）：

（1）将混凝土废浆风干（烘干）、破碎、过筛用作混凝土结中构粗、细骨料的替代品，但由于其成分复杂、品质低、强度低、孔隙率高，会劣化成型得到混凝土的流动性能、力学性能和耐久性能，且可替代率较低（<30%）、废浆的预处理“费时费能”。对于部分刚产出的新鲜、尚存在反应活性的混凝土废浆（活性指数>70%），可降级使用在一些次要的、非结构性的水泥混凝土材料中或结合碳化技术制备新型混凝土制品等，但这并非本发明所针对的废浆类型。

（2）将混凝土废浆风干（烘干）、研磨至一定细度后，用于替代水泥和粉煤灰作为胶凝材料用于普通混凝土结构，但同样存在预处理能耗高（研磨细度要求高，一般认为细度越高，可反应活性越高），取代率较低等问题。

发明内容

有鉴于此，本发明要解决的技术问题在于提供一种惰性混凝土废浆固化体材料及其制备方法，本发明提供的惰性混凝土废浆固化体材料有效利用了废弃资源惰性混凝土废浆液，且得到的惰性混凝土废浆固化体材料的力学性能和高温稳定性能相比于相同配合比下的水泥材料均较优。

本发明提供了一种惰性混凝土废浆固化体材料的制备方法，包括以下步骤：

A）将惰性混凝土废浆液进行均质化处理；

B）将步骤A）处理后的浆液、二级粉煤灰、S95级矿渣粉、无水碳酸钠粉末和五水偏硅酸钠粉末搅拌混合，得到混合浆体；

C）将所述混合浆体成型，得到惰性混凝土废浆固化体材料。

优选的，所述惰性混凝土废浆液的浓度为40 wt%~60 wt%；

惰性混凝土废浆液的pH值为11.5~12.5；

惰性混凝土废浆的28d活性指数为50%~60%。

优选的，所述均质化处理为涡旋均质化处理；均质化处理后的混凝土废浆液的D

优选的，所述均质化处理包括：

将混凝土废浆液在不低于20℃、转速频率为35~45 Hz的条件下搅拌45~60 min。

优选的，所述二级粉煤灰的D

所述S95级矿渣粉的D

所述二级粉煤灰和S95级矿渣粉的质量比为2~5：5~8；

所述无水碳酸钠粉末和五水偏硅酸钠粉末的质量比为1~2：0.5~1.5。

优选的，所述无水碳酸钠粉末和五水偏硅酸钠粉末的总质量与所述二级粉煤灰和S95矿渣粉的总质量比为15~25：100。

优选的，所述惰性混凝土废浆液的质量与所述二级粉煤灰和S95矿渣粉的总质量比为0.5~1.5：0.5~1.5。

优选的，步骤B）中，搅拌混合的转速频率为40~45 Hz。

优选的，步骤C）中，所述成型后，还包括：自然养护；

所述自然养护的温度为20~30℃。

本发明还提供了一种上文所述的制备方法制得惰性混凝土废浆固化体材料。

本发明提供了一种惰性混凝土废浆固化体材料的制备方法，包括以下步骤：A）将惰性混凝土废浆液进行均质化处理；B）将步骤A）处理后的浆液、二级粉煤灰、S95级矿渣粉、无水碳酸钠粉末和五水偏硅酸钠粉末搅拌混合，得到混合浆体；C）将所述混合浆体成型，得到惰性混凝土废浆固化体材料。本发明中，二级粉煤灰和S95级矿渣是活性原料，是被激发原料；激发剂是无水碳酸钠粉末和五水偏硅酸钠粉末，碱激发剂在含水废浆中溶解并激发被激发原料的活性，从而发展强度形成固化体，而经均质化处理的混凝土废浆作为辅助原料，其内在颗粒可以均匀填充于固化体中的孔，从而实现混凝土废浆的无害化处置。同时，本发明对混凝土废浆的固化效果相比于传统水泥材料更加优良，固化体材料的孔隙率低、微观结构更密实、力学强度高且高温稳定性能较优。

附图说明

图1为本发明实施例1的惰性混凝土废浆液的XRD图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做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。

本发明提供了一种惰性混凝土废浆固化体材料的制备方法，包括以下步骤：

A）将惰性混凝土废浆液进行均质化处理；

B）将步骤A）处理后的浆液、二级粉煤灰、S95级矿渣粉、无水碳酸钠粉末和五水偏硅酸钠粉末搅拌混合，得到混合浆体；

C）将所述混合浆体成型，得到惰性混凝土废浆固化体材料。

惰性混凝土废浆液主要来源于商品混凝土搅拌站，是由废弃混凝土浆体经砂石分离和沉淀池过滤，堆积在沉淀池底部的一种高含水颗粒型废弃物。惰性混凝土废浆包括水、细集料、水泥水化产物、矿物掺合料和粗集料。细集料包括细砂和硅铝酸盐矿物。矿物掺合料包括少部分低反应活性的粉煤灰和矿渣颗粒。粗集料包括卵石和碎石。

在本发明的某些实施例中，所述惰性混凝土废浆液的浓度为40 wt%~60 wt%。在某些实施例中，所述惰性混凝土废浆液的浓度为50 wt%。对于含水率较高的惰性混凝土废浆液，可以先进行自然风干处理，当所述惰性混凝土废浆液的浓度满足40 wt%~60 wt%时，进行均质化处理。

在本发明的某些实施例中，惰性混凝土废浆液的pH值为11.5~12.5。在某些实施例中，惰性混凝土废浆液的pH值为12.0。

在本发明的某些实施例中，惰性混凝土废浆液的D

在本发明的某些实施例中，惰性混凝土废浆液的28d活性指数为50%~60%（依据GB/T17671标准测定得到）。在某些实施例中，惰性混凝土废浆液的28d活性指数为55%。

在本发明的某些实施例中，所述均质化处理为涡旋均质化处理。

在本发明的某些实施例中，所述均质化处理包括：

将惰性混凝土废浆液在不低于20℃、转速频率为35~45 Hz的条件下搅拌45~60min。

均质化处理可以使得惰性混凝土废浆液充分分散，从团聚、粘稠的状态重新变为可流动态。

在本发明的某些实施例中，均质化处理后的混凝土废浆液的D

均质化处理完成后，将所述均质化处理后的浆液、二级粉煤灰、S95级矿渣粉、无水碳酸钠粉末和五水偏硅酸钠粉末搅拌混合，得到混合浆体。

在本发明的某些实施例中，所述二级粉煤灰为低钙粉煤灰，所述二级粉煤灰的钙含量<10 wt%。

在本发明的某些实施例中，所述二级粉煤灰的D

在本发明的某些实施例中，所述S95级矿渣粉的D

本发明中，二级粉煤灰和S95级矿渣粉是活性原料。在本发明的某些实施例中，所述二级粉煤灰和S95级矿渣粉的质量比为2~5：5~8。在某些实施例中，所述二级粉煤灰和S95级矿渣粉的质量比为1：1。

本发明中，所述无水碳酸钠粉末和五水偏硅酸钠粉末是碱激发剂。在本发明的某些实施例中，所述无水碳酸钠粉末为试剂级，纯度>99.8%。在本发明的某些实施例中，所述五水偏硅酸钠粉末为试剂级，模数为0.93，模数等于氧化钠与二氧化硅分子量之比。

在本发明的某些实施例中，所述无水碳酸钠粉末和五水偏硅酸钠粉末的质量比为1~2：0.5~1.5。在某些实施例中，所述无水碳酸钠粉末和五水偏硅酸钠粉末的质量比为1.5：1。

在本发明的某些实施例中，所述无水碳酸钠粉末和五水偏硅酸钠粉末的总质量与所述二级粉煤灰和S95矿渣粉的总质量比为15~25：100。在某些实施例中，所述无水碳酸钠粉末和五水偏硅酸钠粉末的总质量与所述二级粉煤灰和S95矿渣粉的总质量比为20：100、15：100或25：100。

在本发明的某些实施例中，所述惰性混凝土废浆液的质量与所述二级粉煤灰和S95矿渣粉的总质量比为0.5~1.5：0.5~1.5。在某些实施例中，所述惰性混凝土废浆液的质量与所述二级粉煤灰和S95矿渣粉的总质量比为1：1。

在本发明的某些实施例中，搅拌混合的转速频率为40~45 Hz。

具体的，包括：

b1）在所述均质化处理后的浆液中加入二级粉煤灰和S95级矿渣粉，搅拌混合；

b2）再加入无水碳酸钠粉末和五水偏硅酸钠粉末，搅拌混合，得到混合浆体。

b1）中：

在本发明的某些实施例中，所述搅拌混合的转速频率为40~45 Hz，时间为1~2min。在某些实施例中，搅拌混合的转速频率为42 Hz。在某些实施例中，搅拌混合的时间为1min。

b2）中：

在本发明的某些实施例中，所述搅拌混合的转速频率为40~45 Hz，时间为1~2min。在某些实施例中，搅拌混合的转速频率为42 Hz。在某些实施例中，搅拌混合的时间为1min。

得到混合浆体后，将所述混合浆体成型，得到惰性混凝土废浆固化体材料。

在本发明的某些实施例中，所述混合浆体成型在模具中进行。

在本发明的某些实施例中，所述成型后，还包括：自然养护。

在本发明的某些实施例中，所述自然养护的温度为20~30℃。

在本发明的某些实施例中，所述自然养护可以为室外养护。

当自然养护的温度高于30℃，需加铺麻袋或遮阳物，避免阳光直射，夏季需避免正午时施工。

本发明对上文采用的原料来源并无特殊的限制，可以为一般市售。

本发明还提供一种上文所述的制备方法制得的惰性混凝土废浆固化体材料。

本发明中，二级粉煤灰和S95级矿渣是活性原料，是被激发原料；激发剂是无水碳酸钠粉末和五水偏硅酸钠粉末，碱激发剂在含水废浆中溶解并激发被激发原料的活性，从而发展强度形成固化体，而经均质化处理的混凝土废浆作为辅助原料，其内在颗粒可以均匀填充于固化体中的孔，从而实现混凝土废浆的无害化处置。

惰性混凝土废浆液从沉淀池抽出，仅需5~10 min的均质化处理即可再生利用，处理效率和利用效率大幅提升。

本发明以工业废弃物和惰性混凝土废浆液为主要组成成分，以无水碳酸钠粉末和五水偏硅酸钠粉末为碱激发剂固化惰性混凝土废浆，不仅实现了惰性混凝土废浆的再生利用，还大量处理了工业废弃物，避免了水泥的消耗（水泥生产能耗高，排碳量高，不环保）。

相比于传统废浆再生用于水泥体系的方式，本发明对混凝土废浆的固化效果相比于传统水泥材料更加优良，固化体材料的孔隙率低、微观结构更密实、、力学强度高且高温稳定性能较优。

为了进一步说明本发明，以下结合实施例对本发明提供的一种惰性混凝土废浆固化体材料及其制备方法进行详细描述，但不能将其理解为对本发明保护范围的限定。

以下实施例中所用的原料均为一般市售。

实施例中，所述二级粉煤灰的28d活性指数为70%~75%；所述S95级矿渣粉为S95级别粒化高炉矿渣粉，28d活性指数为95%~98%。

实施例1

从商品混凝土搅拌站的沉淀池底部抽取混凝土废浆液，经过干燥，得到浓度为50wt%的惰性混凝土废浆液，混凝土废浆液的pH值为12.0，28d活性指数为55%（依据GB/T17671标准测定得到），D

将惰性混凝土废浆液在25℃、转速频率为38 Hz的条件下搅拌50 min，得到均质化处理后的惰性混凝土废浆液（D

均质化处理完成后，在所述均质化处理后的浆液中加入二级粉煤灰（所述二级粉煤灰的钙含量<10 wt%，D

将所述混合浆体置于模具中成型，室外养护，温度为20~35℃，高于30℃需加铺麻袋或遮阳物，避免阳光直射；夏季需避免正午时施工；得到惰性混凝土废浆固化体材料。

表1为本发明实施例1的惰性混凝土废浆液的XRF成分含量测定表。

表1 本发明实施例1的惰性混凝土废浆液的XRF成分含量测定表

从表1中可以看出，混凝土废浆液中的二氧化硅、氧化铝、氧化铁均高于水泥，LOI值较大表明其内部存在较多的碳酸盐物质。

利用X射线衍射仪对惰性混凝土废浆液进行分析，得到实施例1的惰性混凝土废浆液（CSW）的XRD图，如图1所示。图1为本发明实施例1的惰性混凝土废浆液的XRD图。

图1中，FA是粉煤灰，BFS是矿渣，结晶度良好表示CSW中的物质很稳定，常温常压下反应活性较低；而无定型区域指的是衍射图中隆起的部分，表示物质中存在玻璃体，易在特定条件下与外界发生反应（本发明中的特定条件就是本发明中的碱激发剂粉末）。

比较例1

从商品混凝土搅拌站的沉淀池底部抽取惰性混凝土废浆液，经过干燥，得到浓度为50 wt%的惰性混凝土废浆液，惰性混凝土废浆液的pH值为11.5，28d活性指数为52%，D

将惰性混凝土废浆液在25℃、转速频率为38 Hz的条件下搅拌50 min，得到均质化处理后的惰性混凝土废浆液（D

均质化处理完成后，在所述均质化处理后的浆液中加入水泥，水泥为P‧O 42.5级普通硅酸盐水泥，在42 Hz下搅拌混合1 min，得到混合浆体；所述惰性混凝土废浆液的质量与所述水泥的质量比为1：1；

将所述混合浆体置于模具中成型，室外养护，温度为20~35℃，高于30℃需加铺麻袋或遮阳物，避免阳光直射；夏季需避免正午时施工；得到惰性混凝土废浆固化体材料。

比较例2

将实施例1中惰性混凝土废浆液的质量与所述二级粉煤灰和S95矿渣粉的总质量比改为4：1，其他的步骤均与实施例1相同，制得惰性混凝土废浆固化体材料。

比较例3

将实施例1中无水碳酸钠粉末和五水偏硅酸钠粉末的总质量与所述二级粉煤灰和S95级矿渣粉的总质量比改为10：100，其他的步骤均与实施例1相同，制得惰性混凝土废浆固化体材料。

实施例2

将实施例1中的无水碳酸钠粉末和五水偏硅酸钠粉末的总质量与所述二级粉煤灰和S95矿渣粉的总质量比改为15：100；其他的步骤均与实施例1相同，制得惰性混凝土废浆固化体材料。

实施例3

将实施例1中的无水碳酸钠粉末和五水偏硅酸钠粉末的总质量与所述二级粉煤灰和S95矿渣粉的总质量比改为25：100；其他的步骤均与实施例1相同，制得惰性混凝土废浆固化体材料。

对实施例1~3和比较例1~3制得的惰性混凝土废浆固化体材料的高温稳定性进行检测，结果如表2所示。

检测的温度为20~1000℃，升温速率为10℃/min，氮气测试环境，惰性混凝土废浆固化体材料的试块尺寸1cm

其中，失重率为高温下试块减少的质量与试块原质量的比值×100%。

表2 实施例1~3和比较例1~3的混凝土废浆固化体材料的高温稳定性检测结果

从表2中可以看出，本发明制备的惰性混凝土废浆固化体材料在高温作用下，失重率较低，稳定性较好。

虽然比较例2和比较例3的总失重率低，但在力学性能远低于比较例1（水泥固化体材料）的前提下，并不能说明其高温稳定性优良，相反其制备出的固化体材料在强度不够时，在高温失水环境下会极其容易开裂。且当激发剂掺量相同时（20：100），比较例2中来自碳酸盐和水化产物的失水率快速下降，说明当混凝土废浆质量：（粉煤灰+矿渣）总质量=4：1时，废浆质量的增加严重抑制了激发剂的激发效果，而导致产物减少，甚至低于比较例3中激发剂质量比为10：100对应产物的失水率，而产物的生成直接影响固化体材料的强度发展。

对实施例1~3和比较例1~3制得的惰性混凝土废浆固化体材料的力学性能进行检测，结果如表3所示。

表3 实施例1~3和比较例1~3的混凝土废浆固化体材料的力学性能检测结果

从表3中可以看出，28d后，本发明制备的惰性混凝土废浆固化体材料的力学性能基本达到（实施例28d抗压与抗折强度基本达到比较例1的90%）或超过水泥固化体系。且惰性混凝土废浆固化体材料在7~28天的强度增长率明显高于水泥固化体系，表明本发明的惰性混凝土废浆固化体材料的后期强度发展具有明显的优势。

而比较例2的力学强度结果远远小于比较例1以及其他在本发明中出现的任何一实施例，在与实施例1的结果进行比较时，可发现相同激发剂掺量下（20：100），该固化体材料28d抗压强度不及实施例1的十分之一，说明混凝土废浆与（粉煤灰+矿渣）的配比是存在限定范围的；而比较例3中，当激发剂掺量降低为10：100时，其力学强度也出现了大幅度下降，与比较例1不可比，因而当相关配比参数指标超出或低于本发明中提出的范围时，制备得到的废浆固化体材料是不能够达到或可比于水泥的固化效果的；同样的，在强度不具备可比性的情况下，比较高温稳定性/失重率也是没有任何意义的。

将实施例1~3和比较例1~3制得的惰性混凝土废浆固化体材料自然养护28 d后，分析所述惰性混凝土废浆固化体材料的孔径分布（依据压汞试验得到），结果如表4所示。

表4 实施例1~3和比较例1~3的混凝土废浆固化体材料自然养护28 d后的孔径分布

从表4中可以看出，本发明的惰性混凝土废浆固化体材料自然养护28 d后，拥有更小的孔隙和平均孔径。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。