碱激发铜渣基透水混凝土的制备方法及该碱激发铜渣基透水混凝土

1.本发明属于建筑材料的技术领域，具体涉及一种碱激发铜渣基透水混凝土的制备方法、以及由该方法制得的碱激发铜渣基透水混凝土。


背景技术：

2.随着城镇化的快速发展，城市地面多用不透水混凝土，但夏季的高温雨水、降水量大导致的城市内涝、地下水位下降等都严重影响到人们正常生活，普通混凝土路面为了保证强度内部孔隙数量少，缺乏透水性和透气性，使得城市空气湿度降低，极易导致热岛效应的形成。在“海绵城市”建设背景下诞生出了一种具有透气、透水以及质量较轻的透水混凝土，透水混凝土属于绿色环保材料，是由骨料、水泥和水拌制而成的一种多孔混凝土，能使雨水渗入地下，及时补充地下水资源，保持土壤的湿度，还可调节城市空间的温度和湿度，改善城市热循环，缓解热岛效应。
3.目前市场上大部分的透水混凝土主要以水泥为主要胶凝材料，在保证透水性好的同时，其强度无法满足实际使用要求，一些加入粉煤灰、硅灰等具有火山灰性的掺合料替代水泥的制备方法中，没使用碱激发，使其水化反应不完全无法做到最大化利用；或者使用碱激发，但忽略了其早期抗压强度低、抗折强度低的特点，碱激发作用下也会使混凝土发生收缩，破坏骨料之间界面处的粘结力，导致强度破坏，影响透水混凝土的正常使用。而且极易造成资源的浪费和破坏环境。
4.专利cn111807763a中公开了一种碱激发透水混凝土的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)按照生产原料比例备料，所述生产原料包括粗骨料、水泥、矿物掺合料、增强剂、碱激发剂、减水剂和水；(2)将矿物掺合料、碱激发剂和一半的水混合搅拌均匀后，静置10-120min；(3)向步骤(2)的混合物中加入粗骨料和1/4的水搅拌30-60s；(4)向步骤(3)所得的混合物中加入水泥、增强剂、减水剂和剩余的水，搅拌均匀后，即得碱激发透水混凝土。该方法通过将矿物掺和料与碱激发剂混合后静置，然后再与其他粗细骨料混合，虽然所获得的透水混凝土强度得到提高，凝结时间得到了保证，但是其透水性，耐磨性和抗折强度并未得到满足，且其经济成本较高。
5.专利cn113698228a中公开了一种利用麦秸秆灰做集料的透水混凝土及其制备方法，该方法通过添加小麦秸秆灰、以及将产生的二氧化碳通入到混合罐内，对回收碎骨料加水反应，生成碳酸钙，从而增强混凝土的抗压、抗折强度，但是在燃烧小麦秸秆时产生的二氧化碳无法保证得到全部收集，而且大量燃烧消耗能源，经济损失较大，制备成本较高。


技术实现要素：

6.本发明为了克服上述方法制得的碱激发铜渣基透水混凝土的耐磨性和抗压强度、抗折强度差、透水混凝土的骨料容易脱落以及生产方式不经济环保等缺点，提供一种在保证透水性和凝结时间的前提下，具有耐磨性好、抗折强度高并且骨料粘结强度高的碱激发
铜渣基透水混凝土的制备方法。
7.本发明提供一种碱激发铜渣基透水混凝土的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
8.(1)分别将铜渣、电石渣用滚筒干磨机干磨，得到铜渣粉、电石渣粉；将赤泥用破碎机破碎，再用滚筒干磨机干磨，得到赤泥粉；
9.(2)取195-205重量份所述铜渣粉、95-105重量份水，加入0.1-0.2重量份减水剂，用立式球磨机湿磨15-25min，得到铜渣浆料，记作浆料a；取80-83重量份所述赤泥粉，160-165重量份水，湿磨20-40min，得到赤泥浆料，记作浆料b；
10.(3)将酒石酸铵、硫酸钠、木质磺酸盐、羟丙基甲基纤维素以及木质纤维按照1:2:3:1:1的比例混合，制备增强剂；
11.(4)分别取步骤(1)中制得的电石渣粉20-40重量份、步骤(2)中制得的所述a浆料50-60重量份和所述b浆料30-40重量份，碳酸钠2-8重量份，水5-15重量份、步骤(3)中制得的所述增强剂2-3重量份、减水剂1-2重量份、作为细骨料的河沙120-160重量份和铜渣粉40-80重量份、作为粗骨料的煤矸石250-350重量份，搅拌均匀，得到碱激发铜渣透水混凝土，其中河沙和铜渣粉的总量为200重量份。
12.其中，步骤(1)中所述的铜渣为铜工业废渣，含铁量为49％-53％；所得到的铜渣粉的密度3.5-4.0kg/m3，颜色为灰黑色，比表面积为350-400m2/kg，铜渣粉的粒径为32-35μm。
13.步骤(1)中所述的电石渣是工业生产乙炔产生的废渣，中值粒径为1-2μm。
14.步骤(1)中所述的赤泥是铝土矿生产产生的废渣，磨碎的赤泥的中值粒径为3-4μm。
15.步骤(2)中所述的减水剂为聚羧酸和萘系减少剂按照重量比1:1混合而得到的混合减水剂，目的是改善浆料的流动性，减少用水量。所述萘系减少剂是常规的萘系减少剂，可以通过购买而获得。
16.步骤(2)中所述的铜渣浆料中的铜渣的中值粒径为2-2.5μm，赤泥浆料中的赤泥的中值粒径为2.5-2.9μm；
17.步骤(2)中所述的立式球磨机的转速为300-500r/s。
18.步骤(4)中所述的铜渣粉为细骨料，其粒径范围为32-35μm、表观密度为2800-3500kg/m3；所使用的河沙为天然河沙，表观密度为2300-3000kg/m3。
19.步骤(4)中所述的煤矸石是煤炭生产伴随的废渣，粒径范围为5-30mm。
20.本发明还提供一种由上述方法制得的碱激发铜渣基透水混凝土。
21.本发明的有益效果如下：
22.1.本发明采用湿磨处理铜渣和赤泥，可以有效地激发铜渣和赤泥粉末潜在的胶凝特性；
23.2.采用全固废作为胶凝材料替代水泥，碳酸钠和电石渣等弱碱激发制备透水混凝土，有效地促进工业废物的循环利用，节省自然资源并降低材料成本；
24.3.弱碱激发保证了透水混凝土的凝结时间；
25.4.在弱碱激发条件下，湿磨铜渣、赤泥作为胶凝材料可以提高抗压强度，因为铜渣含有高量的sio2；赤泥也具有高含量的非晶态sio2和al2o3，保证水化反应的持续进行，提高抗压强度；同时含铁量较高的铜渣粉作为细骨料，可以提高耐磨性；赤泥、铜渣和碳酸钠、电
石渣粉反应生成碳酸钙沉淀，进一步提高了抗折强度；
26.5.在碱激发条件下，与现有的全部用河沙作为细骨料的方法相比，掺20％-40％的铜渣作为细骨料来替代部分河沙，可以明显改善透水混凝土的自收缩和干燥收缩，提高透水混凝土的耐磨性。这是因为铜渣粉较于天然河沙而言，表面光滑，减小了集料对胶凝材料水化反应的影响；
27.6.煤矸石作为粗骨料，其重金属含量高，胶凝材料水化过程中产生的硅酸根离子与煤矸石骨料中的部分重金属离子结合，提高重金属离子的固定率，这在保证混凝土耐磨性的同时，提高了骨料和胶凝材料的粘结力。
28.7.湿磨处置的铜渣改善了其表面亲水性能，增强了铜渣颗粒与水化产物的粘结效果，显著改善了界面性能，在受到外力时，能够保障足够的力学性能，不至于发生破坏。
29.8.本发明人自制的增强剂中的酒石酸铵可促使生成细长状形貌的钙矾石，提高了骨料粘结点的粘结性能，提升骨料外力作用下的抗脱落性能，使得透水混凝土的强度进一步得到提高；
30.9.增强剂中的木质纤维有很强的防冻防热能力，这使得本发明有更加广泛的应用范围，在温度较低的环境下也有其使用价值。
具体实施方式
31.为更好的理解本发明，用下面的实施例来对本发明进行进一步说明，但本发明的内容并不局限于下面的实施例。
32.本发明提供以下技术方案来制备全固废铜渣基透水混凝土，达到以下技术效果：在保证透水率的基础上，在碱激发的作用下有效激发铜渣和赤泥的潜在火山灰活性，使得透水混凝土有更高的抗压和抗折强度，还能有更高的耐磨性，煤矸石骨料里的重金属与碳酸盐结合生成的沉淀，提高金属离子固定率，提高骨料与胶凝材料之间的粘结力，加入的酒石酸铵可促使生成细长状形貌的钙矾石，提高骨料粘结点的粘结性能，提升骨料外力作用下的抗脱落性能，进一步提高透水混凝土的强度。
33.实施例
34.本发明的实施例以及对比例中的铜渣、煤矸石、赤泥均从工厂废物提炼，减水剂通过将聚羧酸和萘系减水剂混合而得到，电石渣是工厂利用电石制造乙炔产生的，碳酸钠可直接从网上购买。
35.实施例1：
36.一种碱激发铜渣基透水混凝土的制备方法，步骤如下：
37.1)分别将铜渣(为铜工业废渣，含铁量为49％)、电石渣(为工业生产乙炔产生的废渣，中值粒径为1μm)用滚筒干磨机干磨，得到铜渣粉(铜渣粉的密度3.5kg/m3，颜色为灰黑色，比表面积为350m2/kg，铜渣粉的粒径为32μm)、电石渣粉；将赤泥(为铝土矿生产产生的废渣)用破碎机破碎，再用滚筒干磨机干磨，得到赤泥粉(磨碎的赤泥的中值粒径为3μm)；
38.2)取200重量份的上述铜渣粉，100重量份水，加入0.2重量份减水剂(减水剂为聚羧酸和萘系减水剂按照重量比1:1混合而得到的混合减水剂)，用立式球磨机(转速为300r/s)湿磨20min，得到铜渣浆料(铜渣浆料中的铜渣的中值粒径为2μm)，记作浆料a；取80重量份的上述赤泥，160重量份水，湿磨30min，得到赤泥浆料(赤泥浆料中的赤泥的中值粒径为
2.5μm)，记作浆料b；
39.3)将酒石酸铵、硫酸钠、木质磺酸盐、羟丙基甲基纤维素以及木质纤维按照1:2:3:1:1的比例混合，制备增强剂；
40.4)分别取步骤(1)中制得的电石渣粉30重量份、取步骤(2)中制得的a浆料50重量份和b浆料30重量份、碳酸钠2重量份、水10重量份、步骤(3)中制得的增强剂2重量份、减水剂1重量份、作为细骨料的河沙(为天然河沙，表观密度为2300kg/m3)160重量份和铜渣粉(铜渣粉的粒径范围为32μm、表观密度为2800kg/m3)40重量份、作为粗骨料的煤矸石(为煤炭生产伴随的废渣，粒径范围为5mm)300重量份，搅拌均匀，得到碱激发铜渣透水混凝土。
41.实施例2：
42.一种碱激发铜渣基透水混凝土的制备方法，步骤如下：
43.1)分别将铜渣(为铜工业废渣，含铁量为53％)、电石渣(为工业生产乙炔产生的废渣，中值粒径为2μm)用滚筒干磨机干磨，得到铜渣粉(铜渣粉的密度4.0kg/m3，颜色为灰黑色，比表面积为400m2/kg，铜渣粉的粒径为35μm)、电石渣粉；将赤泥(为铝土矿生产产生的废渣)用破碎机破碎，再用滚筒干磨机干磨，得到赤泥粉(磨碎的赤泥的中值粒径为4μm)；
44.2)取195重量份上述铜渣粉、95重量份水，加入0.1重量份减水剂(减水剂为聚羧酸和萘系减水剂按照重量比1:1混合而得到的混合减水剂)，用立式球磨机(转速为500r/s)湿磨15min，得到铜渣浆料(铜渣浆料中的铜渣的中值粒径为2.5μm)，记作浆料a；取上述80重量份赤泥，160重量份水，湿磨20min，得到赤泥浆料(赤泥浆料中的赤泥的中值粒径为2.9μm)，记作浆料b；
45.3)酒石酸铵、硫酸钠、木质磺酸盐、羟丙基甲基纤维素以及木质纤维按照1:2:3:1:1的比例混合，制备增强剂；
46.4)分别取步骤(1)中制得的电石渣粉20重量份、取步骤(2)中制得的a浆料55重量份和b浆料35重量份、碳酸钠5重量份、水5重量份、步骤(3)中制得的增强剂3重量份、减水剂2重量份、作为细骨料的河沙(为天然河沙，表观密度为3000kg/m3)120重量份和铜渣粉(铜渣粉的粒径范围为35μm、表观密度为3500kg/m3)80重量份、作为粗骨料的煤矸石(为煤炭生产伴随的废渣，粒径范围为30mm)250重量份，搅拌均匀，得到碱激发铜渣透水混凝土。
47.实施例3：
48.一种碱激发铜渣基透水混凝土的制备方法，步骤如下：
49.1)分别将铜渣(为铜工业废渣，含铁量为51％)、电石渣(为工业生产乙炔产生的废渣，中值粒径为1μm)用滚筒干磨机干磨，得到铜渣粉(铜渣粉的密度3.8kg/m3，颜色为灰黑色，比表面积为380m2/kg，铜渣粉的粒径为33μm)、电石渣粉；将赤泥(为铝土矿生产产生的废渣)用破碎机破碎，再用滚筒干磨机干磨，得到赤泥粉(磨碎的赤泥的中值粒径为3μm)；
50.2)取205重量份上述铜渣粉、105重量份水，加入0.2重量份减水剂(减水剂为聚羧酸和萘系减水剂按照重量比1:1混合而得到的混合减水剂)，用立式球磨机(转速为400r/s)湿磨25min，得到铜渣浆料(铜渣浆料中的铜渣的中值粒径为2.3μm)，记作浆料a；取83重量份上述赤泥粉，165重量份水，湿磨40min，得到赤泥浆料(赤泥浆料中的赤泥的中值粒径为2.7μm)，记作浆料b；
51.3)将酒石酸铵、硫酸钠、木质磺酸盐、羟丙基甲基纤维素以及木质纤维按照1:2:3:1:1的比例混合，制备增强剂；
52.4)分别取步骤(1)中制得的电石渣粉40重量份、步骤(2)中制得的a浆料60重量份和b浆料40重量份、碳酸钠8重量份、水15重量份、步骤(3)中制得的增强剂2重量份、减水剂1重量份、作为细骨料的河沙(为天然河沙，表观密度为2700kg/m3)120重量份和铜渣粉(铜渣粉的粒径范围为33μm、表观密度为3100kg/m3)80重量份、作为粗骨料的煤矸石(为煤炭生产伴随的废渣，粒径范围为20mm)350重量份，搅拌均匀，得到碱激发铜渣透水混凝土。
53.在以下实施例4-8中，步骤4)中所使用的作为细骨料的河沙和铜渣粉、作为粗骨料的煤矸石与实施例1中相同。
54.实施例4：
55.一种碱激发铜渣基透水混凝土的制备方法，步骤如下：
56.步骤1)～步骤3)与实施例1完全相同。
57.4)分别取步骤(1)中制得的电石渣粉30重量份、取步骤(2)中制得的a浆料50重量份和b浆料30重量份、碳酸钠2重量份、水10重量份、取步骤(3)中制得的增强剂3重量份、减水剂1重量份、作为细骨料的河沙160重量份和铜渣40重量份，作为粗骨料的煤矸石300重量份，搅拌均匀，得到碱激发铜渣透水混凝土。
58.实施例5：
59.一种碱激发铜渣基透水混凝土的制备方法，步骤如下：
60.步骤1)～步骤3)与实施例1完全相同。
61.4)分别取步骤(1)中制得的电石渣粉30重量份、步骤(2)中制得的a浆料50重量份和b浆料30重量份、碳酸钠4重量份、水10重量份、步骤(3)中制得的增强剂2重量份、减水剂1重量份、作为细骨料的河沙160重量份和铜渣粉40重量份、作为粗骨料的煤矸石300重量份，搅拌均匀，得到碱激发铜渣透水混凝土。
62.实施例6：
63.一种碱激发铜渣基透水混凝土的制备方法，步骤如下：
64.步骤1)～步骤3)与实施例1完全相同。
65.4)分别取步骤(1)中制得的电石渣粉30重量份、步骤(2)中制得的a浆料50重量份和b浆料30重量份、碳酸钠6重量份、水10重量份、步骤(3)中制得的增强剂2重量份、减水剂1重量份、作为细骨料的河沙160重量份和铜渣粉40重量份、作为粗骨料的煤矸石300重量份，搅拌均匀，得到碱激发铜渣透水混凝土。
66.实施例7：
67.一种碱激发铜渣基透水混凝土的制备方法，步骤如下：
68.步骤1)～步骤3)与实施例1完全相同。
69.4)分别取步骤(1)中制得的电石渣粉30重量份、取步骤(2)中制得的a浆料50重量份和b浆料30重量份，碳酸钠8重量份，水10重量份、步骤(3)中制得的增强剂2重量份、减水剂1重量份、作为细骨料的河沙160重量份和铜渣粉40重量份、作为粗骨料的煤矸石300重量份，搅拌均匀，得到碱激发铜渣透水混凝土。
70.实施例8：
71.一种碱激发铜渣基透水混凝土的制备方法，步骤如下：
72.步骤1)～步骤3)与实施例1完全相同。
73.4)分别取步骤(1)中制得的电石渣粉30重量份、取步骤(2)中制得的a浆料60重量
份和b浆料40重量份、碳酸钠2重量份、水10重量份、步骤(3)中制得的增强剂2重量份、减水剂1重量份、作为细骨料的河沙160重量份和铜渣粉40重量份、作为粗骨料的煤矸石300重量份，搅拌均匀，得到碱激发铜渣透水混凝土。
74.对比例1
75.对比例1，用于与实施例8相比，说明在制备碱激发铜渣基透水混凝土时，未添加增强剂时，制得的碱激发铜渣基透水混凝土的抗脱落性能较差。
76.在对比例1，除了省略步骤3)、并且在步骤4)中未添加增强剂以外，其他方法与实施例8相同，制得碱激发铜渣透水混凝土。
77.对比例2：
78.对比例2，用于与实施例8相比，说明在制备碱激发铜渣基透水混凝土时，未添加碳酸钠时，制得的碱激发铜渣基透水混凝土的抗折强度较差。
79.在对比例2，除了在步骤4)中未添加碳酸钠以外，其他方法与实施例8相同，制得碱激发铜渣透水混凝土。
80.对比例3
81.对比例3，用于与实施例8对比，说明在制备碱激发铜渣基透水混凝土时，全部使用河沙作为细骨料，制得的碱激发铜渣基透水混凝土的耐磨性较差。
82.在对比例3，除了在步骤4)中未添加铜渣粉、而是采用200重量份的河沙作为细骨料以外，其他方法与实施例8相同，制得碱激发铜渣透水混凝土。
83.对比例4
84.对比例4，用于与本发明实施例1-8相比，说明利用本发明的方法制得的碱激发透水混凝土在保证透水率(即：透水系数)的基础上，具有更好的耐磨性(即：质量耗损率更低)、抗压强度、抗折强度，而且更经济环保。
85.在对比例4中，利用专利cn111807763a中公开的方法，制备对比例4的碱激发透水混凝土。
86.下面对实施例1～8和对比例1～4所制备的碱激发铜渣透水混凝土试件进行如下实验，实验结果如表1所示。
87.将试件在标准养护室下养护，将试块称好重量、放到磨耗机中、用50r/min的速率旋转500转，再测其剩余质量，计算得到质量损耗率；
88.采用落水头法测定试件的透水系数，具体步骤为(1)将试块的四周用水泥均匀涂抹，用亚克力板将试件四周密封起来做成简易的测试装备；(2)将测试装备架在烧杯上面，在亚克力板内倒入2l水，记录这些水渗透完毕所需的时间；(3)用单位时间内的透水量与试块面积乘以单位时间的比值，得到透水系数；
89.根据《混凝土物理力学性能试验方法标准》(gb/t50081-2019)规对试件进行抗压和抗折强度试验，并记录其7天和28天强度值。
90.表1
[0091][0092]
从以上数据可以看出，与利用现有技术制备碱激发透水混凝土的对比例4的方法相比，在制备实施例1-8的碱激发铜渣透水混凝土的本发明的方法中，电石渣、碳酸钠两种弱碱激发剂很好地激发了铜渣-赤泥胶凝材料的活性，本发明用全固废替代水泥，大量消耗铜渣，减少了环境的污染，节约了经济成本，在保证透水率的基础上，在碱激发的作用下有效激发铜渣和赤泥的潜在火山灰活性，使得透水混凝土有更高的抗压强度和抗折强度，还能有更高的耐磨性；煤矸石骨料里的重金属与碳酸盐结合生成的沉淀，提高金属离子固定率，提高骨料与胶凝材料之间的粘结力，加入的酒石酸铵可促使生成细长状形貌的钙矾石，提高了骨料粘结点的粘结性能，提升骨料外力作用下的抗脱落性能，进一步提高透水混凝土的强度。
[0093]
另外，从表1中还可以看出，与实施例8相比，在对比例1中在制备碱激发铜渣基透水混凝土时，未添加增强剂时，制得的碱激发铜渣基透水混凝土的抗脱落性能较差，即抗压强度和抗折强度差。
[0094]
与实施例8相比，在对比例2中在制备碱激发铜渣基透水混凝土时，未添加碳酸钠时，制得的碱激发铜渣基透水混凝土的抗折强度较差。
[0095]
与实施例8对比，在对比例3中在制备碱激发铜渣基透水混凝土时，全部使用河沙作为细骨料，制得的碱激发铜渣基透水混凝土的耐磨性较差，即质量耗损率高。
[0096]
以上所述是本发明的优选实施方式而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，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变动，这些改进和变动也视为本发明的保护范围。