使用固体废弃物人工细骨料制备高性能建筑砂浆的方法与流程

本发明涉及固体废弃物循环再生和新型建筑材料制备领域，具体涉及一种使用固体废弃物人工细骨料制备高性能建筑砂浆的方法。

背景技术

进入本世纪以来，随着我国国民经济的快速发展，道路、桥梁、机场、港口码头、海底隧道、跨海大桥等大型基础设施的建设速度不断加快，高性能建筑砂浆作为最广泛使用的土木工程材料，其使用量日益增加。一般来说，高性能建筑砂浆主要是由水泥、矿物掺和料、粗骨料、细骨料、外加剂等组分构成，细骨料在建筑砂浆中主要起填充和骨架作用，一立方米建筑砂浆中细骨料质量占建筑砂浆总质量的50-60％左右，细骨料是构成高性能建筑砂浆的重要部分。据2007年英国地质调查局的统计数据显示，1997-2005年，欧洲各国用于建筑砂浆的细骨料总需要量为13.3-15.6亿吨。2006年细骨料的需求量剧烈增加到30亿吨。2007-2017年，建筑砂浆中的细骨料使用量以每10-12.6％速度增加。作为世界第一建筑材料消费国的中国，2008年全国建筑砂浆中细骨料消费量约为56亿吨，2010年更是达到74亿吨，2011-2012年我国建筑砂浆用细骨料总量已达到84.5-86.8亿吨，2015年更是创纪录的达到100亿吨的规模。一般来说，天然细骨料主要来源为开采矿山产生的石粉和清理河道所产生的河砂。天然细骨料大量使用消耗了天然砂石细骨料资源，致使很多地区优质天然河砂细骨料资源枯竭，细骨料的价格持续上涨。天然细骨料需求量的持续增加也加剧了天然细骨料的开采，这导致了天然绿色植被大量破坏、水土的流失现象严重，更使人担心的是导致山体滑坡，给我国的生态环境造成巨大负担。

近几十年来，世界各国已经开始着手研究解决这个问题的方法。使用固体废弃物制备人工细骨料代替天然细骨料，是解决天然细骨料短缺的很好方法。目前国内外普遍使用的固体废弃物人工细骨料主要包括：粉碎轮胎、废弃玻璃、粉碎贝壳、粉碎椰子壳、粉碎油棕壳等。使用固体废弃物作为人工细骨料，一方面，扩大了细骨料的来源，减少了天然河砂细骨料的使用量和依赖。另一方面，消耗了大量的固体废弃物，减少了固体废弃物堆积而对周围环境造成的负面影响。但是在人工细骨料的实际使用过程中，还存在下面几个问题：(1)人工细骨料与天然细骨料相比有不同的物理与化学性能，制备高性能建筑砂浆时人工细骨料只能部分代替天然细骨料，而不能完全取代天然细骨料；(2)单一种类人工细骨料代替天然细骨料使用在高性能建筑砂浆中，会对材料的相关性能带来负面的影响，如使用废弃玻璃细骨料制备高性能建筑砂浆易发生碱硅酸反应使砂浆膨胀开裂和材料体积稳定性变差，从而导致建筑砂浆的长期性能劣化；单一种类的农业固体废弃物(贝壳、椰子壳、油棕壳)人工细骨料掺加到高性能建筑砂浆中会降低砂浆的力学性能、增加砂浆材料的渗透性能。以上这些不足制约了单一种类固体废弃物人工细骨料在高性能建筑砂浆材料中广泛应用。

技术实现要素：

针对人工细骨料不能完全取代天然细骨料制备高性能建筑砂浆、掺加单一品种人工细骨料的高性能建筑砂浆性能有所降低等难题，本发明公开了一种完全使用固体废弃物复合人工细骨料制备高性能建筑砂浆的方法，此种高性能建筑砂浆以水泥、偏高岭土作为胶凝材料，粉碎玻璃和表面强化的贝壳粉复合人工细骨料取代河砂作为细骨料来制备高性能建筑砂浆。

为实现上述目的，本发明提供的技术方案是：

一种使用固体废弃物人工细骨料制备高性能建筑砂浆的方法，包括以下步骤：

1)将废弃玻璃分拣、清洗、晾干后，对废弃玻璃进行粉碎处理，粉碎后的废弃玻璃通过5mm方孔筛，去除杂质与形状不规则的废弃玻璃颗粒；分析粉碎废弃玻璃细骨料的颗粒尺寸分布；

2)使用稀盐酸溶液除去废弃贝壳表面残留的有机物质，对清洗、晾干后的废弃贝壳进行粉碎处理；将粉碎的废弃贝壳放入球磨机中研磨10-15分钟，球磨后废弃贝壳粉过0.6mm圆孔筛，保留颗粒尺寸小于0.6mm废弃贝壳细颗粒；随后将废弃贝壳粉低温热处理去除结合水；最后将烘干的废弃贝壳粉放入复合化学溶液中浸泡，取出强化处理过的废弃贝壳砂，在空气中晾干进行密封备用；

3)将粉碎废弃玻璃细骨料和表面强化处理过的废弃贝壳粉细骨料按比例放入搅拌器，在一定搅拌速度下搅拌均匀，制得固体废弃物复合人工细骨料；

4)将水泥、偏高岭土、混合均匀的复合人工细骨料分别放入装有搅拌器的容器中，在一定搅拌速度下干混几分钟；加入含有定量减水剂的拌合水溶液，继续搅拌几分钟，使用铁铲对砂浆浆体进行人工搅拌几次，最后将砂浆浆体以较快的搅拌速度继续拌合几分钟；

5)将新拌的建筑砂浆放入砂浆流动度测试模中进行新拌砂浆浆体的初始流动度检测，控制含有人工细骨料的建筑砂浆初始流动度在一定范围内；

6)将建筑砂浆浆体浇筑到40mm×40mm×160mm和25mm×25mm×285mm试模中，放到振捣台上进行振捣密实，成型后的砂浆试样带模养护24小时；1天后将试样从试模中移除，试样放置在标准养护水槽中养护到规定的龄期；

7)在规定龄期里对掺加人工细骨料的建筑砂浆抗压强度、抗折强度、吸水率、干燥收缩值、碱硅酸反应膨胀值进行测定。

步骤2)中将废弃贝壳粉放入300℃温度干燥箱中低温热处理24小时，除去废弃贝壳粉中的结合水。

步骤2)中使用的球磨机为振动式球磨机，研磨速度为500-1000转/分钟：步骤2)所述的复合化学溶液为:5％聚乙烯醇和23％水玻璃混合溶液，5％聚乙烯醇溶液与23％水玻璃溶液重量比为1:1，浸泡时间为2-3小时，浸泡温度为30-40℃。

步骤3)中粉碎废弃玻璃细骨料和表面强化处理过的废弃贝壳粉细骨料按质量比：(30-70)：(70-30)，放入搅拌器，搅拌速度为：60-100转/分钟。

步骤4)中水泥、偏高岭土、混合均匀的复合人工细骨料按质量比：(0.8-0.6)：(0.2-0.4)：(2.4-2.6)放入搅拌器，搅拌速度为：30-60转/分钟。

步骤4)中拌合水溶液中减水剂量为(水泥+偏高岭土)用量的0.5-1.0％(重量百分比)，减水剂浓度为：99.5％，拌合水的加入量为270-275kg/m³。

步骤5)中控制含有人工细骨料的建筑砂浆初始流动度在170±10mm范围内。

步骤6)将成型后试模放置在温度25℃，湿度55-65％环境中养护24小时；1天后将试样从试模中移除，试样放置在标准养护水槽中(温度为20℃，湿度为90±5％)养护到规定的龄期。

步骤7)中规定龄期为3天、7天、28天、90天。

本发明首先对废弃玻璃进行分拣、清洗、晾干、粉碎处理后过5mm方孔筛，得到废弃玻璃细骨料。同时将废弃贝壳粉碎成具有一定颗粒尺寸的废弃贝壳粉，将粉碎的废弃贝壳粉低温热处理一段时间，去除残留在废弃贝壳粉中的结合水，将废弃贝壳粉浸泡在复合化学溶液中进行表面强化处理，使复合化学溶液充分渗透到多孔废弃贝壳粉材料内部且在废弃贝壳粉表面覆盖上一层高分子膜，经过表面强化处理减少了粉碎废弃贝壳粉的空隙率，使得废弃贝壳粉的内部更加致密。最后，将废弃玻璃细骨料与表面强化的粉碎废弃贝壳粉细骨料按一定比例进行混合，得到固体废弃物复合人工细骨料，偏高岭土取代30％水泥作为胶凝材料，制备出一种具有良好的流动性能、力学性能、低渗透性的高性能建筑砂浆。

这种完全使用固体废弃物人工细骨料制备的高性能建筑砂浆减少了天然细骨料的使用，避免了天然细骨料的开采过程中对周围环境与生态所产生的负面影响。偏高岭土辅助胶凝材料的使用还减少了建筑砂浆中的水泥用量，降低了水泥生产过程中co2等温室气体和工业粉尘的排放对环境的影响。废弃玻璃和废弃贝壳固体废弃物的使用避免了采用传统填埋方法处理固体废弃物需占用大量土地和对周围环境产生严重污染的问题。对废弃贝壳粉细骨料进行表面强化处理显著降低了粉碎废弃贝壳粉的吸水率，再加上低吸水率的废弃玻璃的使用，使得复合固体废弃物人工细骨料具有较低的水渗透性。复合固体废弃物人工细骨料的使用弥补了单一种类的农业固体废弃物人工细骨料渗透性能差的问题。偏高岭土辅助胶凝材料和软质粉碎废弃贝壳粉细骨料的使用能有效减少掺加废弃玻璃细骨料发生碱硅酸反应膨胀的可能性。使用此种方法制备的高性能建筑砂浆具有比传统天然河砂细骨料高性能建筑砂浆更好的工作性能、力学性能与耐久性能、渗透性能。对固体废弃物进行人工细骨料化的循环再生利用，具有广阔的应用领域，能产生良好的技术、经济、社会和环保效益。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)废弃玻璃和废弃贝壳作为固体废弃物价格比较低廉，作为人工细骨料只需要粉碎与简单处理费用。与普通的天然河砂细骨料相比，使用一立方米人工细骨料的高性能建筑砂浆，仅仅细骨料材料的费用就可节约15元。以每年生产此种高性能建筑砂浆10万方计算，可节约原材料成本近150万元。

(2)与普通天然河砂高性能建筑砂浆相比，偏高岭土辅助胶凝材料取代30％的水泥，每生产一立方米掺加偏高岭土的人工细骨料高性能建筑砂浆，可节约原材料费用0.5元以上。以每年生产此种高性能建筑砂浆10万方计算，可节约原材料成本近5万元。

(3)使用废弃玻璃、废弃贝壳固体废弃物制备高性能建筑砂浆消耗了大量固体废弃物，避免了传统填埋方法处理固体废弃物需占用大量土地和对周围环境产生严重污染的问题。每使用一吨固体废弃物人工细骨料，可节约环境处理费用8元，每生产一立方米人工细骨料高性能建筑砂浆，可产生12.16元的效益，以每年生产10万方此种高性能建筑砂浆计，可增加经济效益达近121.6万元。

(4)使用粉碎废弃玻璃和废弃贝壳粉复合人工细骨料制备高性能建筑砂浆，因废弃贝壳粉细骨料比表面积比较大，相同的初始流动度下需要掺加更多的减水剂，废弃玻璃细骨料的使用能降低减水剂的用量。综合考虑，相同掺量减水剂情况下，与传统天然河砂高性能砂浆相比，完全使用复合固体废弃物人工细骨料高性能建筑砂浆呈现略微低的初始砂浆流动度。

(5)使用废弃玻璃和废弃贝壳作为细骨料大量消耗了固体废弃物，避免了传统填埋方法处理固体废弃物需占用大量土地和对周围环境产生严重污染的问题。固体废弃物作为一种资源，制备高性能建筑砂浆是处理固体废弃物的最佳途径。

(6)使用人工复合细骨料和偏高岭土制备高性能建筑砂浆，不但弥补了使用单一种类人工细骨料易发生碱硅酸反应和砂浆抗渗透性能差的缺点，而且能有效的改善高性能建筑砂浆的工作性能、力学性能与耐久性能、渗透性能，进一步扩大了人工细骨料高性能砂浆的使用范围。

附图说明

图1：使用固体废弃物人工细骨料的高性能建筑砂浆制备流程图。

图2：r-mortar、g60og40-mortar、g40og60-mortar建筑砂浆流动度随时间变化。

图3：r-mortar、g60og40-mortar、g40og60-mortar建筑砂浆抗压强度。

图4：r-mortar、g60og40-mortar、g40og60-morta建筑砂浆抗折强度。

图5：r-mortar、g60og40-mortar、g40og60-mortar建筑砂浆吸水率。

图6：r-mortar、g60og40-mortar、g40og60-mortar建筑砂浆干燥收缩值。

图7：r-mortar、g60og40-mortar、g40og60-mortar建筑砂浆碱硅酸反应膨胀值。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。

采用本发明的方法制备一立方米掺加固体废弃物人工细骨料的高性能建筑砂浆，并与相同配合比下使用天然河砂细骨料制备的高性能建筑砂浆试样进行对比。

1、固体废弃物复合人工细骨料的制备

1.1、粉碎废弃玻璃细骨料的制备

将废弃的白色玻璃饮料瓶进行分拣、清洗、晾干、机械粉碎处理，粉碎的废弃玻璃过5mm方孔筛，去除杂质与形状不规则的废弃玻璃颗粒。控制粉碎废弃玻璃细骨料的颗粒尺寸小于5mm，并分析粉碎废弃玻璃细骨料的颗粒尺寸分布。

1.2、表面强化处理的废弃牡蛎壳粉细骨料的制备

本发明使用的废弃贝壳为牡蛎壳。首先，将来源于中国东南沿海地区的废弃牡蛎壳分拣去除其中的杂质，使用5％(重量百分比浓度)稀盐酸溶液(稀盐酸溶液/废弃牡蛎壳重量比例为3:1)去除废弃牡蛎壳表面残留物质。然后，将清洗、晾干后的废弃牡蛎壳使用谔式机械破碎机进行粉碎处理，控制粉碎废弃牡蛎壳的颗粒尺寸为5-8mm左右。随后，将粉碎废弃牡蛎壳颗粒放入容积为80ml振动式球磨机中以500-1000转/分钟速度研磨15分钟，球磨后的废弃牡蛎壳通过0.6mm圆孔筛，去除杂质与形状不规则废弃牡蛎壳颗粒，保留颗粒尺寸小于0.6mm的废弃牡蛎壳细颗粒。将废弃牡蛎壳粉放入300℃温度干燥箱下低温热处理24小时，除去废弃牡蛎壳粉中的结合水。最后，将2500kg废弃牡蛎壳粉浸泡在7500kg温度为35-40℃复合强化溶液中(固/液比例1:3)2小时，复合强化溶液为5％聚乙烯醇(广州市新稀冶金化工有限公司，pva-1788)和23％水玻璃(宜兴市建东化工有限公司，模数2.3)混合溶液，5％聚乙烯醇溶液与23％水玻璃溶液重量比为1:1。将复合强化溶液处理过的粉碎牡蛎壳细颗粒晾干后作为细骨料待用。

1.3、混合人工细骨料的制备

将按上述方法准备的粉碎废弃玻璃细骨料和表面强化处理过的废弃牡蛎壳粉细骨料按60:40和按40:60两种重量比例进行称重并且放入一定容积的搅拌器中，以60-100转/分钟搅拌速度快速混合5-10分钟，使得两种人工细骨料充分混合，形成均一的复合人工细骨料。

2、高性能建筑砂浆的制备

2.1、高性能建筑砂浆配合比

以配制砂浆28d强度40mpa以上的m40高性能建筑砂浆为目标。使用中国水泥厂pⅱ级42.5海螺牌普通硅酸盐水泥，辅助胶凝材料为湖南超牌科技有限公司的偏高岭土(k-1100)。高效减水剂为江苏建筑科学研究院高浓萘系减水剂(snf)，拌和水为饮用水。高性能建筑砂浆的各组分配比为细骨料:胶凝材料(水泥+偏高岭土):水＝2.5:1:0.45(重量比)。一立方米高性能建筑砂浆中胶凝材料用量为608kg/m³，偏高岭土为胶凝材料用量30％，高效减水剂为胶凝材料用量0.6％(重量百分比)。制备二组完全使用人工细骨料的高性能建筑砂浆(粉碎废弃玻璃细骨料:表面强化处理过废弃牡蛎壳粉细骨料＝60:40和40:60)。掺天然河砂细骨料的高性能建筑砂浆作为对比样品(河砂细度模数为2.46)。所有高性能建筑砂浆初始流动度控制在170±10mm，三组高性能建筑砂浆配合比如表1。

表1.使用天然河砂细骨料和固体废弃物人工细骨料的高性能建筑砂浆的配合比

2.2、高性能建筑砂浆的制备与养护

将400-450kg水泥和180-200kg偏高岭土放入搅拌器中，以30转/分钟搅拌速度混合1-2分钟，然后加入1500-1550kg天然河砂或按一定比例复合的人工细骨料，以30转/分钟搅拌速度混合1-2分钟。最后，将3.64-3.65kg固体萘系减水剂溶解到270-275kg拌和水中，将含有萘系减水剂的水溶液全部加到搅拌器，30转/分钟搅拌速度下搅拌2分钟。为避免建筑砂浆浆体在容器底部层积，使用铁铲对砂浆浆体进行人工搅拌1-2次。最后，将砂浆浆体在60转/分钟的搅拌速度下继续加速拌合2分钟。取部分新拌r-mortar砂浆浆体放入砂浆流动度测试模中，检测砂浆初始流动度。然后将其他新拌r-mortar砂浆浆体浇筑到40mm×40mm×160mm三联模中，制备12块试样进行3,7,28,90天抗压强度、抗折强度检测，制备12块试样进行3,7,28,90天吸水率检测。剩余的新拌r-mortar砂浆浆体浇筑2个25mm×25mm×285mm三联模中制备6块试样，进行不同龄期砂浆的干燥收缩值、碱硅酸反应膨胀值检测。浇铸振捣砂浆完成后，r-mortar砂浆的试模用湿麻袋覆盖，放置在温度25℃，湿度55-65％室内养护24小时，1天后砂浆拆摸，拆摸后试样放置在养护室(温度为20℃和湿度为90±5％)中养护到测试龄期。制备相同的g60og40-mortar和g40og60-mortar高性能建筑砂浆进行对比实验。

3、高性能建筑砂浆的性能

测定掺天然河砂细骨料建筑砂浆和掺人工细骨料的两种建筑砂浆流动度保持性、抗压强度、抗折强度、吸水率、干燥收缩值、碱硅酸反应膨胀值。

图2所示为掺天然河砂细骨料的建筑砂浆与掺加人工细骨料的两种建筑砂浆流动度保持性。从图2中可看出，相同萘系减水剂掺量下，人工细骨料建筑砂浆具有比天然河砂细骨料的建筑砂浆稍微低的初始流动度与稍微差的流动保持性。

图3所示为掺天然河砂细骨料的建筑砂浆与掺人工细骨料的两种建筑砂浆抗压强度的发展。从图3中可看出，在相同养护龄期里，人工细骨料建筑砂浆具有比天然河砂细骨料的建筑砂浆更高的抗压强度。

图4所示掺天然河砂细骨料的建筑砂浆与掺人工细骨料的两种建筑砂浆抗折强度的发展。从图4中可看出，在相同养护龄期里，人工细骨料建筑砂浆具有比天然河砂细骨料的建筑砂浆更高的抗折强度。

图5所示为所示掺天然河砂细骨料的建筑砂浆与掺人工细骨料的两种建筑砂浆吸水率。从图5中可看出，人工细骨料建筑砂浆具有比天然河砂细骨料的建筑砂浆更低的吸水率。

图6所示为所示掺天然河砂细骨料的建筑砂浆与掺人工细骨料的两种建筑砂浆干燥收缩值。从图6中可看出，人工细骨料建筑砂浆具有比天然河砂细骨料的建筑砂浆稍微高的干燥收缩值。

图7所示为所示掺天然河砂细骨料的建筑砂浆与掺人工细骨料的两种建筑砂浆碱硅酸反应膨胀值。从图7中可看出，人工细骨料建筑砂浆具有比天然河砂细骨料的建筑砂浆稍微高的碱硅酸反应膨胀值。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，依据本发明的技术实质，对以上实施例所作的任何简单的修改、等同替换与改进等，均仍属于本发明技术方案的保护范围之内。