一种利用建筑弃土烧结微粉制备的生态混凝土及其混凝土制品的制备方法
技术领域
本发明属于土木工程材料技术领域，涉及一种利用建筑弃土烧结微粉制备的生态混凝土及其混凝土制品的制备方法
背景技术
随着我国经济快速发展和城镇化建设的推进，建筑物的新建和拆除过程中产生了大量的建筑垃圾，并且建筑垃圾排放量呈逐年增加的趋势。传统建筑垃圾的处置主要以堆放和填埋为主，这种粗放的建筑垃圾处置方式不可避免地产生了一系列环境和社会问题；因此，近年来我国对建筑垃圾进行资源化处置，实现其资源化产品的再生和再利用。现阶段，我国建筑垃圾的资源化处置技术，主要是将建筑垃圾中的废混凝土和废砖经过破碎和筛分处置，制备成不同粒径的再生骨料和再生粉体等再生原料，进而制备再生混凝土，我国在再生原料和再生混凝土领域已积累了较为丰富的理论基础和工程实践经验，取得显著成效。但是，对于建筑垃圾中占比超过50％的弃土的处置，现阶段我国仍主要以回填和露天堆放为主，存在较大的安全隐患，如深圳弃土滑坡事故频频发生。因此，急需研发针对建筑垃圾中弃土的高效资源化利用技术，实现建筑垃圾弃土的再利用。
建筑行业中混凝土材料及其制品应用广泛，而制备混凝土的主要原料是水泥，因此建筑行业对水泥工业有着严重的依赖性，但传统水泥工业具有高能耗和高CO2排放等特点，不满足建筑行业绿色可持续的发展理念；同时，随着混凝土产业对粉煤灰等传统辅助胶凝材料的需求增大，传统辅助胶凝材料供应略显不足，且供应缺口将逐年增大。因此，急需研发一种绿色辅助胶凝材料，并可以较好的适用于混凝土的制备。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷，并结合我国建筑垃圾中弃土资源化利用技术与新型辅助胶凝材料研发的紧迫性，而提供一种利用建筑弃土烧结微粉制备生态混凝土的方法，具体为提供一种利用建筑弃土制备的、可以作为辅助胶凝材料的活性弃土烧结微粉，并进一步提供基于该活性弃土烧结微粉的混凝土配方以及混凝土制品的制备方法，从而获得一种全新的、具有较高的环境效益与社会效益的建筑弃土应用路径，进而提高建筑弃土的资源化利用率，并解决建筑弃土用于混凝土制备的技术难题。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种利用建筑弃土烧结微粉制备的生态混凝土，包括以下组分及重量份含量：
上述技术方案中，河砂、碎石作为骨料，弃土烧结微粉作为部分填充胶凝材料，纳米CaCO3、再生PET纤维作为性能补充材料，相互配合，有助于混凝土性能的提升。其中，一定量弃土烧结微粉能够减小内摩擦阻力，增加混合物体系流动性，提升本发明中生态混凝土的抗碳化性。高活性的纳米CaCO3参与生态混凝土中的水化反应，并与水化硅酸钙键合，促使混凝土结构更为紧密。再生PET纤维能够增加抗拉强度，抑制本发明中混凝土收缩，并提高混凝土的延性。
基于生态混凝土的力学性能和工作性能考虑，对配方进行优化，所述的混凝土混合料的优化配方包括以下组分及重量份含量：
基于制备混凝土的性能优选，对配方做进一步优化，所述的混凝土混合料的进一步优化配方包括以下组分及重量份含量：
进一步地，所述的组分包括以下条件中任一项或多项：
A1)所述的弃土烧结微粉的原料为建筑垃圾中占比巨大的建筑弃土，并且该建筑弃土为粘性土(黏土)、粉土、砂土中的至少一种，其主要化学成分为硅质及其氧化物；
A2)所述的弃土烧结微粉作为辅助胶凝材料的活性指数≥70％；
A3)所述的水泥为普通硅酸盐水泥或硫铝酸盐水泥中的一种；其中，所述的普通硅酸盐水泥是在硅酸盐水泥熟料中加入6-20％的混合材料以及石膏后磨细制成的；在一定的条件下，普通硅酸盐水泥与硫铝酸盐水泥可相互替换使用，但若要求快硬、高强的混凝土，一般优先采用硫铝酸盐水泥；
A4)所述的纳米CaCO3为粉末状晶体，并且该纳米CaCO3的纯度≥99.9％；
A5)所述的纳米CaCO3的粒径≤200nm；纳米CaCO3加入到混凝土中，会对水泥基材料的收缩带来较大的影响，通过选择合适的粒径尺寸(≤200nm)，有助于提高本发明中生态混凝土早期水化速率，并减少收缩，优化孔结构；
A6)所述的再生PET纤维为纤维长度≤2cm的聚酯纤维，其中PET为聚对苯二甲酸乙二醇酯；应用于混凝土中的纤维长度并非越长越好，纤维长度过长会影响混凝土内部的粘结性能，此外，研究表明混凝土的抗拉、抗折强度增长率随纤维长度呈现先增加后减小的趋势，因此本发明所用的再生PET纤维的纤维长度不应小于2cm；
A7)所述的氢氧化钠激发剂为粉末状晶体，并且该氢氧化钠激发剂的纯度≥99.9％；
A8)所述的水为自来水。
通过对比不同建筑弃土制备的弃土烧结微粉的化学组分及活性指数，发现黏土制备的烧结微粉具有更高活性；作为优选的技术方案，条件A1)中，为保证制备混凝土所用弃土烧结微粉具有满足要求的活性，可作为辅助胶凝材料使用，当建筑弃土中含有黏土与其他土质时，黏土的含量不小于50wt％。
作为优选的技术方案，条件A3)中，所述的水泥强度等级≥32.5级。
作为优选的技术方案，条件A3)中，所述的水泥强度等级≥42.5级。
基于纳米CaCO3对水泥材料孔隙结构的优化，同时考虑CaCO3粒径级的影响，对纳米CaCO3的粒径进行优选：条件A5)中，所述的纳米CaCO3的粒径≤80nm。
作为优选的技术方案，条件A5)中，所述的纳米CaCO3的粒径≤30nm。
针对再生PET纤维与混凝土间的桥联和粘结作用，对再生PET纤维长度进行优选：条件A6)中，所述的再生PET纤维的纤维长度≤20mm。
作为优选的技术方案，条件A6)中，所述的再生PET纤维的纤维长度≤10mm。
作为进一步优选的技术方案，条件A6)中，所述的再生PET纤维的纤维长度≤2mm。
作为优选的技术方案，所述的聚羧酸减水剂为SBTJM-10型聚羧酸减水剂。
一种基于上述生态混凝土制备混凝土制品的制备方法，包括以下步骤：
1)将建筑弃土依次经过研磨、筛分后，得到弃土颗粒；
2)将步骤1)中的弃土颗粒与水混合，并通过机械搅拌得到弃土拌合物，再将弃土拌合物制成弃土粗胚；
3)将步骤2)中的弃土粗胚进行陈化，得到弃土陈化粗胚；
4)将步骤3)中的弃土陈化粗胚进行烧结固化，得到弃土烧结粗胚；
5)将步骤4)中的弃土烧结粗胚冷却至室温，再通过机械研磨设备进行精细化研磨，得到具有辅助胶凝材料基本特性的弃土烧结微粉；
6)将步骤5)中的弃土烧结微粉与水泥、天然砂、天然粗骨料、纳米CaCO3、再生PET纤维、氢氧化钠激发剂、聚羧酸减水剂、水进行二次拌和，即得到混凝土拌合物；
7)将步骤6)中的混凝土拌合物依次经过浇筑、成型、脱模、养护过程后，即制得混凝土制品。
进一步地，弃土粒径大小对粗胚的制备工艺和煅烧有显著影响，且所用弃土颗粒不应过大，因此步骤1)中，所述的弃土颗粒的粒径≤10mm。
作为优选的技术方案，步骤1)中，所述的弃土颗粒的粒径≤5mm。
作为优选的技术方案，步骤1)之前，所述的建筑弃土应和其他杂物分离，以保证其土质纯净，且建筑弃土中不应含有有机质、重金属等污染物。
进一步地，粗胚尺寸与烧结效率密切相关，较小尺寸的粗胚更易于其成型和烧结，并使烧结过程中的烧结效率提高，能耗降低，因此步骤2)中，所述的弃土粗胚的最大尺寸≤20mm。
作为优选的技术方案，步骤2)中，所述的弃土粗胚的最大尺寸≤5mm。
进一步地，步骤3)中，陈化过程为将弃土粗胚在干燥通风环境下静置6-48h。
进一步地，一定的烧结温度、烧结时间会使得弃土发生类似高炉矿渣的活化效应，有助于进一步提高烧结微粉的活性，并且还能够使得弃土中作为水泥主要成分的SiO2、CaO等氧化物含量增加，因此步骤4)中，烧结过程中，烧结温度为600-1200℃，烧结时间为1-24h。
此外，不同烧结温度下建筑弃土的固相组分和化学组成不同，制备的烧结微粉活性差异较大；因此，综合考虑不同烧结温度下弃土烧结微粉的化学组分和活性指数，对煅烧温度进行控制。
作为优选的技术方案，步骤4)中，烧结过程中，烧结温度为800-1200℃，烧结时间为2-5h。
作为进一步优选的技术方案，步骤4)中，烧结过程中，烧结温度为1000-1100℃，烧结时间为2.5-3h。
作为优选的技术方案，步骤4)中，烧结过程在高温炉内进行，并且该高温炉内装配有产生不同风向的多个鼓风机。
进一步地，步骤5)中，所述的弃土烧结微粉的粒径≤0.15mm。
作为优选的技术方案，步骤5)中，所述的弃土烧结微粉的粒径≤0.075mm。
作为进一步优选的技术方案，步骤5)中，所述的弃土烧结微粉的粒径≤0.042mm。
作为优选的技术方案，步骤5)中，所述的机械研磨设备为高能行星球磨机。
进一步地，步骤6)包括以下条件中任一项或多项：
B1)所述的二次拌和通过机械搅拌完成；
B2)所述的二次拌和的搅拌时间≥2min；
B3)所述的混凝土拌合物的坍落度为20-200mm。
作为优选的技术方案，条件B3)中，所述的混凝土拌合物的坍落度为50-150mm。
作为优选的技术方案，条件B3)中，所述的混凝土拌合物的坍落度为80-120mm。
步骤6)中，所述的二次拌和具体包括如下步骤：
6-1)将步骤5)中的弃土烧结微粉与水泥、天然砂、天然粗骨料、纳米CaCO3、再生PET纤维、氢氧化钠激发剂混合，并置于机械搅拌机内进行第一次搅拌，得到初步拌合物；
6-2)将聚羧酸减水剂与水混合，得到水合物，并将该水合物与步骤6-1)中的初步拌合物进行第二次机械搅拌，即得到混凝土拌合物。
步骤6-1)中，第一次搅拌的搅拌时间≥1min。
作为优选的技术方案，步骤6-1)中，第一次搅拌的搅拌时间为2min。
步骤6-2)中，第二次搅拌的搅拌时间≥2min。
作为优选的技术方案，步骤6-2)中，第一次搅拌的搅拌时间为3min。
进一步地，步骤7)还包括以下条件中任一项或多项：
C1)所述的浇筑过程的浇筑条件为温度≥5℃，相对湿度≥50％；
C2)所述的成型过程的成型方式为机械压制成型；
C3)所述的养护过程为自然养护或标准养护中的至少一种；
C4)所述的养护过程的养护时间≥7天。
作为优选的技术方案，条件C2)中，所述的成型方式为机械振捣后浇筑成型。
作为优选的技术方案，条件C3)中，当养护过程为自然养护时，养护温度≥20℃，养护相对湿度≥60％，养护天数≥14天。
作为优选的技术方案，条件C3)中，当养护过程为标准养护时，养护温度≥20℃，养护相对湿度≥95％，养护天数≥28天。
本发明提出了一种建筑弃土新的资源化利用途径，提出了利用建筑弃土烧结微粉制备混凝土的方法，该技术不仅实现了建筑弃土的高效和高附加值的资源化利用，所制备的混凝土具有满足要求的工作性能、力学性能与耐久性能，同时降低了对水泥和粉煤灰等胶凝材料的需求，是一种绿色可持续建筑材料，满足我国绿色建筑的发展理念。
与现有技术相比，本发明具有以下特点：
1)本发明提出了一种建筑弃土资源化新技术，即通过烧结活化将建筑弃土制备成具有辅助胶凝材料特性的活性弃土烧结微粉，并用于混凝土的制备，本发明的应用推广可实现建筑弃土的高效、高附加值应用，加快我国建筑垃圾资源化处置效率，具有较高的环境效益和社会效益，满足我国绿色建筑发展新理念；
2)本发明提供了一种通过弃土烧结活化制备辅助胶凝材料的方法，缓解了建筑行业对水泥产业的过度依赖，降低水泥使用量，减少产业能耗和CO2排放量；同时，作为辅助胶凝材料的弃土烧结微粉的应用，也解决了我国粉煤灰等传统辅助胶凝材料供应不足的难题；
3)本发明优化了弃土烧结机制和配套研磨机制，最大限度地降低了弃土烧结微粉的生产成本，制备的弃土烧结微粉具有70％以上活性，是一种高活性辅助胶凝材料；
4)针对弃土烧结粉体的特异性，本发明提出了适用的混凝土制备配方和制备方法，使成产的混凝土制品具有优异的工作性能、力学性能和耐久性能，可满足不同混凝土制品的工程应用需求。
附图说明
图1为本发明中通过建筑弃土制备混凝土的流程示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
以下实施例中利用建筑弃土制备混凝土的方法如下：
如图1所示，首先利用机械筛分设备，将建筑垃圾中的弃土分离，获得粒径≤10mm的弃土颗粒；然后加水拌和并利用机械搅拌，获得黏性土料混合物，即弃土拌合物，然后将黏性土料混合物制备成最大尺寸≤20mm的弃土粗胚，并置于干燥通风环境下陈化6-48h，获得弃土陈化粗胚。将弃土陈化粗胚置于高温炉内进行烧结固化，烧结温度600-1200℃，烧结时间1-24h，其中优选方案为烧结温800-1200℃，烧结时间2-5h；最优选方案为烧结温度1000-1100℃，烧结时间2.5-3h，获得弃土烧结粗胚。将弃土烧结粗胚冷却置室温后，利用机械研磨设备对弃土烧结粗胚进行精细化研磨，获得粒径≤0.15mm的活性弃土烧结微粉，优选地，弃土烧结微粉的最大粒径≤0.075mm；最优选地弃土烧结微粉的最大粒径≤0.042mm。
按照弃土烧结微粉混凝土的配方比例，计取水泥100份、弃土烧结微粉5-100份、天然砂200-1200份、天然粗骨料200-2000份、纳米CaCO3 0.1-5份、再生PET纤维0.01-10份和氢氧化钠激发剂0.01-20份进行第一次机械搅拌，搅拌时间≥1分钟，获得初步拌合物。其中，优选方案为，水泥100份、弃土烧结微粉20-80份、天然砂200-800份、天然粗骨料300-1500份、纳米CaCO3 0.5-2份、再生PET纤维0.1-5份和氢氧化钠激发剂0.05-10份。最优选方案为，水泥100份、弃土烧结微粉40-60份、天然砂300-500份、天然粗骨料400-800份、纳米CaCO3 0.8-1份、再生纤维0.5-2份、氢氧化钠激发剂1-3份。计量取水30-150份和聚羧酸减水剂0.1-5份，并相互混合，加入到初步拌合物中进行第二次搅拌混合，搅拌时间≥2分钟，获得混凝土拌合物，该混凝土拌合物的坍落度为20-200mm，较佳为50-150mm，优选为80-120mm。其中，优选方案为水50-100份和聚羧酸减水剂1-2份；最优选方案为，水60-80份和聚羧酸减水剂1.2-1.5份。
其中，所述用于制备弃土烧结微粉的建筑弃土，应和其他杂物分离，保证其土质纯净，且建筑弃土中不应含有有机物和重金属等污染物；优选地，所述制备弃土烧结微粉的建筑弃土，可以是粘性土(黏土)、粉土和砂土单一土质，或者是混合土质，主要化学组分为硅质及其氧化物；优选地，所述制备弃土烧结微粉的建筑弃土，粘性土(黏土)，或者黏土和其他类型土的混合土(且黏土占比≥50％)，最大粒径≤10mm；更优选地，所述制备弃土烧结微粉的建筑弃土为粘性土(黏土)，最大粒径≤5mm。所述建筑弃土的烧结机制，优选地，所述弃土烧结温度600-1200℃，烧结时间1-24h；优选地，所述弃土烧结温度800-1200℃，烧结时间2-5h；更优选地，所述弃土烧结温度1000-1100℃，烧结时间2.5-3h。所述制备的建筑弃土烧结微粉，优选地，所述弃土烧结微粉的最大粒径≤0.15mm；优选地，所述弃土烧结微粉的最大粒径≤0.075mm；更优选地，所述弃土烧结微粉的最大粒径≤0.042mm。
其中，水泥选自普通硅酸盐水泥或硫铝酸盐水泥中的任意一种，在一定的条件下可以替换，如要求快硬、高强的混凝土，一般优先采用硫铝酸盐水泥，也可采用普通硅酸盐水泥；优选地，所述水泥的强度等级≥32.5级；更优选地，所述水泥的强度等级≥42.5级。所述纳米CaCO3最大粒径≤200nm；优选地，纳米CaCO3最大粒径≤80nm；更优选地，纳米CaCO3最大粒径≤30nm。所述再生纤维为PET再生纤维，纤维长度≤20mm；优选地，所述再生纤维长度≤10mm；更优选地，所述再生纤维长度≤2mm。所述NaOH碱性激发剂为分析纯晶体(纯度≥99.9％)。所述减水剂为聚羧酸减水剂，具体来说，所述减水剂为由江苏苏博特新材料股份有限公司生产的SBTJM-10型聚羧酸减水剂。所述水为自来水。
将所得混凝土拌合物进行浇筑成型，脱模后即得所需的弃土烧结微粉混凝土。优选地所述成型的方式为机械振捣后浇筑成型。所述养护选自自然养护或标准养护中的一种或两种组合；更优选地，所述自然养护的温度≥20℃，养护相对湿度≥60％，养护时间≥14天；更优选地，所述标准养护的温度≥于20℃，养护相对湿度≥95％，养护时间为≥28天。
对比例：
普通混凝土试件：按混凝土的配方称量原材料，量取第一组材料：水泥100份，天然砂200份、天然粗骨料300份，对第一组材料进行慢速搅拌1分钟。然后量取第二组材料，水50份，聚羧酸减水剂0.5份，将第二组材料混合后分3次加入第一组材料中，在此过程中采用快速搅拌，持时2分钟，获得弃土烧结微粉混凝土拌合料，并将获得的拌合料成型，成型24h后脱模置于标准养护室内养护至28d。测得普通混凝土试件的标准抗压强度为38.6MPa，抗折强度为5.4MPa。
实施例1：
弃土烧结微粉混凝土试件：按混凝土的配方称量原材料，量取第一组材料：水泥100份，弃土烧结微粉50份(最大粒径0.15mm)，天然砂200份、天然粗骨料300份，纳米CaCO31份，氢氧化钠激发剂5份，再生PET纤维2份(6mm)，对第一组材料进行慢速搅拌1分钟。然后量取第二组材料，水50份，聚羧酸减水剂0.7份，将第二组材料混合后分3次加入第一组材料中，在此过程中采用快速搅拌，搅拌时间2分钟，获得弃土烧结微粉混凝土拌合物，并将获得的混凝土拌合物浇筑成型，成型24h后脱模并置于标准养护室内养护至28d。测得弃土烧结微粉混凝土试件的标准抗压强度为32.41MPa，抗折强度为5.82MPa。
实施例2：
弃土烧结微粉混凝土试件：按混凝土的配方称量原材料，量取第一组材料：水泥100份，弃土烧结微粉50份(最大粒径0.075mm)，天然砂200份、天然粗骨料300份，纳米CaCO31份，氢氧化钠激发剂5份，再生PET纤维2份(6mm)，对第一组材料进行慢速搅拌1分钟。然后量取第二组材料，水50份，聚羧酸减水剂0.8份，将第二组材料混合后分3次加入第一组材料中，在此过程中采用快速搅拌，搅拌时间2分钟，获得弃土烧结微粉混凝土拌合物，并将获得的混凝土拌合物浇筑成型，成型24h后脱模并置于标准养护室内养护至28d。测得试件的标准抗压强度为37.38MPa，抗折强度为6.11MPa。
实施例3：
弃土烧结微粉混凝土试件：按混凝土的配方称量原材料，量取第一组材料：水泥100份，弃土烧结微粉50份(最大粒径0.042mm)，天然砂200份、天然粗骨料300份，纳米CaCO31份，氢氧化钠激发剂5份，再生PET纤维2份(6mm)，对第一组材料进行慢速搅拌1-2分钟。然后量取第二组材料，水50份，聚羧酸减水剂1.0份，将第二组材料混合后分3次加入第一组材料中，在此过程中采用快速搅拌，搅拌时间2分钟，获得弃土烧结微粉混凝土拌合物，并将获得的混凝土拌合物浇筑成型，成型24h后脱模并置于标准养护室内养护至28d。测得试件的标准抗压强度为40.72MPa，抗折强度为6.41MPa。
实施例4：
弃土烧结微粉混凝土试件：按混凝土的配方称量原材料，量取第一组材料：水泥100份，弃土烧结微粉50份(最大粒径0.042mm)，天然砂200份、天然粗骨料300份，纳米CaCO33份，氢氧化钠激发剂5份，再生PET纤维2份(6mm)，对第一组材料进行慢速搅拌1分钟。然后量取第二组材料，水50份，聚羧酸减水剂0.8份，将第二组材料混合后分3次加入第一组材料中，在此过程中采用快速搅拌，搅拌时间2分钟，获得弃土烧结微粉混凝土拌合物，并将获得的混凝土拌合物浇筑成型，成型24h后脱模并置于标准养护室内养护至28d。测得试件的标准抗压强度为42.80MPa，抗折强度为6.53MPa。
实施例5：
弃土烧结微粉混凝土试件：按混凝土的配方称量原材料，量取第一组材料：水泥100份，弃土烧结微粉50份(最大粒径0.042mm)，天然砂200份、天然粗骨料300份，纳米CaCO33份，氢氧化钠激发剂10份，再生PET纤维2份(6mm)，对第一组材料进行慢速搅拌1分钟。然后量取第二组材料，水50份，聚羧酸减水剂1份，将第二组材料混合后分3次加入第一组材料中，在此过程中采用快速搅拌，搅拌时间2分钟，获得弃土烧结微粉混凝土拌合物，并将获得的混凝土拌合物浇筑成型，成型24h后脱模并置于标准养护室内养护至28d。测得试件的标准抗压强度为45.24MPa，抗折强度为6.76MPa。
实施例6：
本实施例将实施例1至5与对比例中的数据进行对比分析，结果如表1所示。
表1混凝土性能检测结果
由表1可以看出，实施例3、实施例4和实施例5中混凝土强度都比对比例要高，在抗折强度方面，通过加入一定量的纳米CaCO3、氢氧化钠激发剂及再生PET纤维后，混凝土的抗折强度都获得提升。
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。
