一种绿超高性能水泥基复合材料及其制备方法

1.本发明涉及固体废弃物资源化利用技术领域，具体涉及一种绿超高性能水泥基复合材料及其制备方法。

背景技术：

2.地下空间的利用是城市基础建设的重要组成部分，在施工过程中不可避免的产生大量的工程渣土。混合填埋是现行主要的处理处置方式，填埋处置不仅占用了稀缺的城市土地资源，若处理不当还会造成重大安全责任事故。同时，工程渣土在产生、现场管理、运输、填埋全过程中由于机械设备、车辆等的使用，产生了大量的温室气体。
3.由于工程渣土传统处置方式为填埋处置，资源化利用率不足5％，与传统处置方式相比，工程渣土在资源化利用过程中(占比不足5％)可减排的co2量约为6.0
×
107kg，即每立方米工程渣土资源化利用可减排的co2量约为118kg。因此，实现工程渣土的资源化利用有利于减少碳排放及实现建筑业的可持续发展。
4.超高强水泥基复合材料是一种高强度、高韧性、低孔隙率的水泥基复合材料，其抗压强度最高可达800mpa，抗折强度大于30mpa，设计工作寿命为100年以上。对水泥基复合材料的研究，人们认识到水泥基复合材料作为一种多孔的不均匀材料，孔结构是影响其强度的主要因素，而固体混合物的颗粒体系所具有的高堆积密实度是水泥基复合材料获得高强度的关键。因此，减小孔隙率、优化孔结构、提高密实度和掺入纤维是制备超高强水泥基复合材料的主要方法。超高强水泥基复合材料在高层建筑、大跨度结构、国防工程及海洋工程等领域具有广阔的应用前景。
5.但在超高强水泥基复合材料中，高昂的施工成本是影响其推广应用的一个重要因素，据统计其原材料成本大约在4000元/m3以上，最高可达8000元/m3，远远高于单位立方米水泥基复合材料的价格，大约为水泥基复合材料的10倍；同时，为了达到高强的目的，超高强水泥基复合材料中水泥用量通常为600～1000kg/m3，大约是水泥基复合材料水泥用量的两倍。水泥业是一个碳排放和能源消耗均很高的行业，水泥在生产过程中排放的co2占人类活动总co2排放的5～8％，能源消耗占工业能源消耗的12～15％。co2所产生的温室效应引起全球变暖，从而导致冰川融化海平面上升，土地荒漠化进一步加重，破坏地球生态平衡。

技术实现要素：

6.本发明的目的在于提供一种绿超高性能水泥基复合材料及其制备方法，本发明采用煅烧后工程渣土替代部分水泥，能够在保证较好的力学性能的基础上，减少水泥的用量，降低生产成本，同时实现对工程渣土的资源化利用。
7.为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：
8.本发明提供了一种绿超高性能水泥基复合材料，按重量份数计，制备原料包括水泥324～720份，煅烧后工程渣土1～396份，硅灰100～260份，砂450～1350份，水120～250份，减水剂25～50份，石子0～600份，钢纤维0～300份。
9.优选地，所述煅烧后工程渣土的制备方法包括：将工程渣土依次进行破碎、研磨和筛分，得到工程渣土粉末；将所述工程渣土粉末进行煅烧，得到煅烧后工程渣土。
10.优选地，所述工程渣土粉末的粒径为0.1mm以下。
11.优选地，所述工程渣土粉末的平均粒径为18μm。
12.优选地，所述硅灰的比表面积为20000～28000kg/m3。
13.优选地，所述钢纤维为平直型钢纤维或端钩型钢纤维；所述钢纤维的长度为3～20mm；所述钢纤维的直径为0.1～0.3mm。
14.优选地，所述绿超高性能水泥基复合材料的抗压强度为141～165mpa。
15.本发明提供了上述技术方案所述绿超高性能水泥基复合材料的制备方法，包括以下步骤：
16.将水泥、煅烧后工程渣土、硅灰、砂和石子混合，得到干混料；
17.将所述干混料和水以及减水剂混合，得到湿混料；
18.将所述湿混料和钢纤维混合，得到浆料；
19.将所述浆料进行振动成型和养护，得到绿超高性能水泥基复合材料。
20.优选地，所述干混料和水以及减水剂混合包括：将水和减水剂混合，得到混合溶液；将所述混合溶液加入所述干混料中。
21.优选地，所述混合溶液分两步加入所述干混料中。
22.本发明提供了一种绿超高性能水泥基复合材料，按重量份数计，制备原料包括水泥324～720份，煅烧后工程渣土1～396份，硅灰100～260份，砂450～1350份，水120～250份，减水剂25～50份，石子0～600份，钢纤维0～300份。本发明将工程渣土作为水泥掺合料，首先，可以减少水泥用量，从而减少碳排放和能源消耗，实现碳达峰与碳中和；其次，可以实现工程渣土的资源化利用，节约因填埋浪费的土地资源，实现可持续发展；而且，可在一定程度降低水泥基复合材料的成本，扩大超高强水泥基复合材料的应用范围。
23.本发明基于最紧密堆积理论，利用修正后的andreasen和andersen紧密堆积模型(modified andreasen and andersen,maa)如式1所示，设计绿超高性能水泥基复合材料的配合比，使其达到最紧密堆积状态。
[0024][0025]
式1中，p(d)为累积筛下颗粒百分含量，即尺寸小于d的所有粒径的体积分数；d为当前粒径；d
max
为最大粒径；d
min
为最小粒径；q为分布模量，根据超高性能水泥基复合材料相关文献，分布模量取值范围在0.16～0.25。
附图说明
[0026]
图1为工程渣土的实物图；
[0027]
图2为工程渣土粉末的实物图；
[0028]
图3为煅烧后工程渣土的实物图；
[0029]
图4为煅烧后工程渣土的制备流程图；
[0030]
图5为跳桌的实物图；
[0031]
图6为不同替代率超高性能水泥基复合材料的流动度对比图；
[0032]
图7为不同替代率超高性能水泥基复合材料的抗压强度对比图；
[0033]
图8为不同替代率超高性能水泥基复合材料的抗折强度对比图。
具体实施方式
[0034]
本发明提供了一种绿超高性能水泥基复合材料，按重量份数计，制备原料包括水泥324～720份，煅烧后工程渣土1～396份，硅灰100～260份，砂450～1350份，水120～250份，减水剂25～50份，石子0～600份，钢纤维0～300份。
[0035]
按重量份数计，本发明提供的绿超高性能水泥基复合材料的制备原料包括水泥324～720份，优选为450～650份。
[0036]
在本发明中，所述水泥优选为42.5r硅酸盐水泥，具体成分如表1所示。
[0037]
表1水泥熟料的化学成分
[0038]
化学成分sio2al2o3caofe2o3mgoso3质量分数(％)10～252～850～703～51～20～1
[0039]
以所述水泥的重量份数为基准，本发明提供的绿超高性能水泥基复合材料的制备原料包括煅烧后工程渣土1～396份，优选为120～160份。在本发明中，所述煅烧后工程渣土替代水泥的替代率优选为20～40％。
[0040]
在本发明中，所述煅烧后工程渣土的制备方法优选包括：将工程渣土依次进行破碎、研磨和筛分，得到工程渣土粉末；将所述工程渣土粉末进行煅烧，得到煅烧后工程渣土。在本发明中，所述工程渣土粉末的粒径优选为0.1mm以下，平均粒径优选为18μm。在本发明中，所述工程渣土粉末的粒径较小，因此具有填充效应，能够提高超高性能水泥基复合材料内部结构的致密性。
[0041]
在本发明中，所述工程渣土优选为花岗岩残积土；所述工程渣土优选包括35wt％的高岭土和50wt％的石英。
[0042]
在本发明中，所述煅烧的气氛优选为空气；所述煅烧的温度优选为700～900℃，更优选为800℃；所述煅烧的时间优选为0.5～6h，更优选为1.5～3h。本发明通过煅烧使工程渣土内的氧化铝含有大量活性，因此具有火山灰效应，能够提高超高性能水泥基复合材料的水化程度。在本发明的具体实施例中，所述工程渣土处理前后的实物图如图1～3所示。
[0043]
本发明较为充分地利用了工程渣土，利用率高达50％，达到减少水泥用量的目的；其次，处理工程渣土的过程相对简单，可操作性和可复制性强；再者，工程渣土的处理过程中并未使用和产生对环境有害的物质，符合绿环保的要求。本发明采用煅烧后工程渣土作为水泥掺合料，部分替代水泥熟料后，所得到的掺工程渣土水泥可作为制备超高性能水泥基复合材料的胶凝材料。
[0044]
以所述水泥的重量份数为基准，本发明提供的绿超高性能水泥基复合材料的制备原料包括硅灰100～260份，更优选为180～200份。在本发明中，所述硅灰的比表面积优选为20000～28000kg/m3。
[0045]
以所述水泥的重量份数为基准，本发明提供的绿超高性能水泥基复合材料的制备原料包括砂450～1350份，优选为900～1000份。在本发明中，所述砂的粒径优选为0.01～1.2mm。
[0046]
以所述水泥的重量份数为基准，本发明提供的绿超高性能水泥基复合材料的制
备原料包括水120～250份，优选为197～230份。
[0047]
以所述水泥的重量份数为基准，本发明提供的绿超高性能水泥基复合材料的制备原料包括减水剂25～50份，优选为37～45份。在本发明中，所述减水剂的组成优选为聚羧酸高性能减水剂。
[0048]
以所述水泥的重量份数为基准，本发明提供的绿超高性能水泥基复合材料的制备原料包括石子0～600份，优选为435～500份。在本发明中，所述石子的粒径优选为3～20mm。
[0049]
以所述水泥的重量份数为基准，本发明提供的绿超高性能水泥基复合材料的制备原料包括钢纤维0～300份，优选为117～200份。在本发明中，所述钢纤维优选为平直型钢纤维或端钩型钢纤维；所述钢纤维的长度优选为3～20mm；所述钢纤维的直径优选为0.1～0.3mm。
[0050]
在本发明中，所述绿超高性能水泥基复合材料的抗压强度优选为141～165mpa；抗折强度优选为26～28mpa；流动度优选为185～220mm。
[0051]
本发明还提供了上述技术方案所述绿超高性能水泥基复合材料的制备方法，包括以下步骤：
[0052]
将水泥、煅烧后工程渣土、硅灰、砂和石子混合，得到干混料；
[0053]
将所述干混料和水以及减水剂混合，得到湿混料；
[0054]
将所述湿混料和钢纤维混合，得到浆料；
[0055]
将所述浆料进行振动成型和养护，得到绿超高性能水泥基复合材料。
[0056]
本发明将水泥、煅烧后工程渣土、硅灰、砂和石子混合，得到干混料。在本发明中，所述混合优选在低速搅拌条件下进行；所述低速搅拌的速率优选为50～200r/min，更优选为160r/min。在本发明中，所述混合的时间优选为60～300s，更优选为240s。
[0057]
得到干混料后，本发明将所述干混料和水以及减水剂混合，得到湿混料。在本发明中，所述干混料和水以及减水剂混合优选包括：将水和减水剂混合，得到混合溶液；将所述混合溶液加入所述干混料中。在本发明中，所述混合溶液优选分两步加入所述干混料中，更优选为先向所述干混料中加入70wt％的混合溶液，搅拌120s，再将剩余的混合溶液加入干混料中，搅拌120s。
[0058]
得到湿混料后，本发明将所述湿混料和钢纤维混合，得到浆料。在本发明中，所述混合优选在高速搅拌条件下进行；所述高速搅拌的速率优选为200～300r/min，更优选为280r/min。在本发明中，所述混合的时间优选为200～400s，更优选为300s。
[0059]
得到浆料后，本发明将所述浆料进行振动成型和养护，得到绿超高性能水泥基复合材料。在本发明中，所述养护的条件优选包括：蒸压养护；温度为180～210℃；压力为1～2mpa；时间为6～12h。
[0060]
下面将结合本发明中的实施例，对本发明中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。
[0061]
对比例1和实施例1～2
[0062]
采用如图4所示的工艺流程制备煅烧后工程渣土：将工程渣土依次进行粉碎、研磨
和筛分，保证所有颗粒均可通过0.1mm的筛网，得到工程渣土粉末：将所述工程渣土粉末在800℃煅烧2h，得到煅烧后工程渣土。
[0063]
按照表2的用量，将水泥熟料(具体成分如表3所示)、煅烧后工程渣土、硅灰、砂和石子倒入搅拌锅中，把搅拌锅放在搅拌机的固定架上，上升至固定位置；启动搅拌机，低速(搅拌速度为160r/min)搅拌240s；将水和减水剂混合搅拌均匀，得到混合溶液，先在搅拌锅中倒入70wt％的所述混合溶液，搅拌120s，再将剩余30wt％的混合溶液倒入搅拌锅中，搅拌120s；搅拌完成后，将钢纤维缓慢加入搅拌锅中，加入钢纤维后，调整至高速搅拌，搅拌速度为280r/min，搅拌时间为300s得到浆料；将所述浆料进行振动成型和养护，得到绿超高性能水泥基复合材料。其中振动成型和养护的具体工艺在下文测试例中进行介绍。
[0064]
表2绿超高性能水泥基复合材料的配合比设计(kg/m3)
[0065][0066]
表3对比例和实施例采用的水泥熟料的化学成分
[0067][0068]
测试例
[0069]
根据gb/t17671-1999《水泥胶砂强度检验方法(iso法)》测试对比例1和实施例1～2制备的绿超高性能水泥基复合材料的强度；根据gb/t2419-2005《水泥胶砂流动度测定方法》测试对比例1和实施例1～2制备的浆料的流动度。
[0070]
(1)测试流动度：跳桌第一次使用时先空跳一个周期25次，随后将拌好的浆料分两层迅速装入试模(由截锥圆模和模套组成，金属材料制成，内表面加工光滑。圆模尺寸为：高度60mm
±
0.5mm，上口内径70mm
±
0.5mm；下口内径100mm
±
0.5mm；下口外径120mm；模壁厚大于5mm)，第一层装至截锥圆模高度约三分之二处，用小刀在相互垂直两个方向各划5次，用捣棒由边缘至中心均匀捣压15次；随后，装第二层胶砂，装至高出截锥圆模约20mm，用小刀在相互垂直两个方向各划5次，再用捣棒由边缘至中心均匀捣压10次。捣压后胶砂应略高于试模。捣压深度，第一层捣至胶砂高度的二分之一，第二层捣实不超过已捣实底层表面。装胶砂和捣压时，用手扶稳试模，不要使其移动。捣压完毕，取下模套，将小刀倾斜，从中间向边缘分两次以近水平的角度抹去高出截锥圆模的浆体，并擦去落在桌面上的浆体。将截锥圆模垂直向上轻轻提起，立刻开动跳桌，以每秒钟一次的频率，在25s
±
1s内完成25次跳动。所述跳桌如图5所示。
[0071]
(2)将对比例1和实施例1～2制备的浆料用振动台成型：将搅拌锅内的浆料倒入40mm
×
40mm
×
160mm的棱柱体模具中，将模具放到振动台上，启动振动台；振动完毕后，取下
棱柱体模具，用刮平尺刮去其高出试模的浆体并抹平；接着在试模上做标记或用字条表明试件编号；待浆料初凝后盖上塑料薄膜；试件静置24h后拆模；养护方式采用蒸压养护，拆模后样品放入蒸压釜中，以1.0mpa、180℃的条件，养护8h，测定其2天的抗压强度与抗折强度。
[0072]
结果显示，流动度随着工程渣土替代率的增加，有一定程度的下降，不同替代率的流动度如图6所示；掺工程渣土的超高性能水泥基复合材料经过蒸压养护后，即使替代率达到40％，2天的抗压强度仍能达到140mpa，2天的抗折强度与不掺工程渣土粉末的对照组相比，基本持平，满足超高性能水泥基复合材料对掺工程渣土粉末水泥作为胶凝材料的强度要求，不同替代率的强度性能指标如图7～8所示。
[0073]
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

技术特征：

1.一种绿超高性能水泥基复合材料，其特征在于，按重量份数计，制备原料包括水泥324～720份，煅烧后工程渣土1～396份，硅灰100～260份，砂450～1350份，水120～250份，减水剂25～50份，石子0～600份，钢纤维0～300份。2.根据权利要求1所述的绿超高性能水泥基复合材料，其特征在于，所述煅烧后工程渣土的制备方法包括：将工程渣土依次进行破碎、研磨和筛分，得到工程渣土粉末；将所述工程渣土粉末进行煅烧，得到煅烧后工程渣土。3.根据权利要求2所述的绿超高性能水泥基复合材料，其特征在于，所述工程渣土粉末的粒径为0.1mm以下。4.根据权利要求2或3所述的绿超高性能水泥基复合材料，其特征在于，所述工程渣土粉末的平均粒径为18μm。5.根据权利要求1所述的绿超高性能水泥基复合材料，其特征在于，所述硅灰的比表面积为20000～28000kg/m3。6.根据权利要求1所述的绿超高性能水泥基复合材料，其特征在于，所述钢纤维为平直型钢纤维或端钩型钢纤维；所述钢纤维的长度为3～20mm；所述钢纤维的直径为0.1～0.3mm。7.根据权利要求1所述的绿超高性能水泥基复合材料，其特征在于，所述超高性能水泥基复合材料的抗压强度为141～165mpa。8.权利要求1～7任一项所述绿超高性能水泥基复合材料的制备方法，包括以下步骤：将水泥、煅烧后工程渣土、硅灰、砂和石子混合，得到干混料；将所述干混料和水以及减水剂混合，得到湿混料；将所述湿混料和钢纤维混合，得到浆料；将所述浆料进行振动成型和养护，得到绿超高性能水泥基复合材料。9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，所述干混料和水以及减水剂混合包括：将水和减水剂混合，得到混合溶液；将所述混合溶液加入所述干混料中。10.根据权利要求9所述的制备方法，其特征在于，所述混合溶液分两步加入所述干混料中。

技术总结

本发明提供了一种绿超高性能水泥基复合材料及其制备方法，涉及固体废弃物资源化利用技术领域。本发明提供的绿超高性能水泥基复合材料，按重量份数计，制备原料包括水泥324～720份，煅烧后工程渣土1～396份，硅灰100～260份，砂450～1350份，水120～250份，减水剂25～50份，石子0～600份，钢纤维0～300份。本发明将工程渣土作为水泥掺合料，首先，可以减少水泥用量，从而减少碳排放和能源消耗，实现碳达峰与碳中和；其次，可以实现工程渣土的资源化利用，节约因填埋浪费的土地资源，实现可持续发展；而且，可在一定程度降低水泥基复合材料的成本，扩大超高强水泥基复合材料的应用范围。围。围。