一种低碳复合胶凝材料稳定固废无机混合料及其制备方法和用途与流程

本发明属于固废资源再利用，特别是低碳复合胶凝材料稳定固废无机混合料，尤其涉及一种利用工程渣土、再生集料等固废制备的低碳复合胶凝材料稳定固废无机混合料及其制备方法和用途。

背景技术：

1、近年来，随着上海市城市建设的持续推进，由此产生的工程渣土数量快速攀升，2021年已达1.31亿吨。由于工程渣土含水量高、性能差异性大，其资源化利用难度大。目前以填埋为主的处置技术资源转化率低，占用大量的土地资源，难以实现全量化利用，亟需科学、合理的处置与资源化利用。考虑到工程渣土的理化性质，若能将工程渣土取代细集料制备低碳复合胶凝材料稳定固废无机混合料应用于道路基层，不仅可以解决工程渣土的堆放、占地等问题，还能推动工程渣土、再生集料等固体废弃物的资源化利用，具有显著的社会、经济和环境效益。

2、利用再生集料、工程渣土复配调控混合料级配，低碳复合胶凝材料中al2o3、sio2组分对低碳复合胶凝材料稳定固废无机混合料的力学性能有提高作用，但目前制备低碳复合胶凝材料稳定固废无机混合料仍需要考虑以下问题：(1)低碳复合胶凝材料稳定固废无机混合料所采用的原料以及原料配比；(2)低碳复合胶凝材料稳定固废无机混合料是否能满足jtg/t f20-2015《公路路面基层施工技术细则》的相关性能要求(7d无侧限抗压强度3.0～5.0mpa)。

3、鉴于上述情况，业界亟待研发一种低碳复合胶凝材料稳定固废无机混合料，该混合料不仅能减少资源消耗、降低生产成本，解决再生集料、工程渣土产生安全和环境等问题，而且具有显著的社会、经济和环境效益。

技术实现思路

1、针对现有技术中存在的缺陷，根据本发明的一个方面，本发明的一个主要目的是提供一种低碳复合胶凝材料稳定固废无机混合料，该低碳复合胶凝材料为硅酸盐水泥、钢渣粉、工业副产石膏、矿物掺合料、表面活性剂等原料一定比例复配经加工磨细后制备的水硬性胶凝材料，通过配比优化实现低碳复合胶凝材料凝结时间可调控，以工程渣土、再生粗集料、低碳复合胶凝材料等为原材料制备低碳复合胶凝材料稳定固废无机混合料。提高工程渣土、再生粗集料、钢渣粉、工业副产石膏等固废的资源化利用水平，利用再生集料、工程渣土复配调节级配，掺入低碳复合胶凝材料，基于多源固废协同效应，形成大量的片状ch凝胶、针片状钙矾石以及非晶态的紧密堆积的水化硅酸钙(c-s-h)、水化硅铝酸钙(c-a-s-h)凝胶和类沸石相，使整个体系具有良好的密实度、力学性能、水稳定性和抵抗环境侵蚀的性能。

2、本发明的另一目的是提供上述低碳复合胶凝材料稳定固废无机混合料的制备方法，通过对低碳复合胶凝材料稳定固废无机混合料的原材料及配比的选择，制备出满足jtg/tf20-2015《公路路面基层施工技术细则》相关性能要求的低碳复合胶凝材料稳定固废无机混合料，推动工程渣土、再生粗集料的资源化利用，具有显著的社会、经济和环境效益。

3、为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

4、本发明的第一方面提供了一种低碳复合胶凝材料稳定固废无机混合料，按重量份计包括低碳复合胶凝材料45～80份和再生集料900～1000份，其中所述再生集料包括再生粗集料a 250～385份、再生粗集料b 250～485份、工程渣土90～285份。

5、作为优选的技术方案，按照重量份计，所述低碳复合胶凝材料稳定固废无机混合料包括以下组分：再生粗集料a 282份；再生粗集料b 376份；工程渣土282份；低碳复合胶凝材料60份。

6、作为优选的技术方案，按照重量份计，所述低碳复合胶凝材料稳定固废无机混合料包括以下组分：再生粗集料a 276份；再生粗集料b 372份；工程渣土279份；低碳复合胶凝材料70份。

7、作为优选的技术方案，按照重量份计，所述低碳复合胶凝材料稳定固废无机混合料包括以下组分：再生粗集料a 276份；再生粗集料b 368份；工程渣土276份；低碳复合胶凝材料80份。

8、作为优选的技术方案，按照重量份计，所述低碳复合胶凝材料稳定固废无机混合料包括以下组分：再生粗集料a 376份；再生粗集料b 376份；工程渣土188份；低碳复合胶凝材料60份。

9、作为优选的技术方案，按照重量份计，所述低碳复合胶凝材料稳定固废无机混合料包括以下组分：再生粗集料a 372份；再生粗集料b 372份；工程渣土186份；低碳复合胶凝材料70份。

10、所述再生粗集料a的粒径为15～37.5mm，所述再生粗集料b的粒径为5～15mm。

11、所述低碳复合胶凝材料按照重量百分百计包括以下材料：硅酸盐水泥：15％～30％，钢渣粉：15％～30％，工业副产石膏：10％～30％，复合掺合料：30％～50％，ph调控剂：0.01％～3％。

12、作为优选的技术方案，按照重量份计，所述低碳复合胶凝材料包括以下组分：硅酸盐水泥20份；钢渣粉20份；脱硫石膏20份；复合掺合料37份；氢氧化钙3份。

13、作为优选的技术方案，按照重量份计，所述低碳复合胶凝材料包括以下组分：硅酸盐水泥20份；钢渣粉15份；脱硫石膏20份；复合掺合料42份；氢氧化钙3份。

14、作为优选的技术方案，按照重量份计，所述低碳复合胶凝材料包括以下组分：硅酸盐水泥30份；钢渣粉15份；脱硫石膏20份；复合掺合料33份；氢氧化钙2份。

15、优选地，所述低碳复合胶凝材料中所述复合掺合料为由粉煤灰、矿渣粉、石灰石粉与激发剂复配粉磨而成；其中，按照重量百分百计，所述粉煤灰为20％～50％，所述矿渣粉为50％～80％，石灰石粉为0.01％～10％，所述激发剂为0.01％～1％；其中所述激发剂选自cao、naoh或者石膏，优选为cao。

16、所述低碳复合胶凝材料的初凝时间为4～15h，终凝时间为5～20h，胶砂7d抗压强度为20～35mpa，胶砂28d抗压强度为30～55mpa。

17、优选地，所述工程渣土含水量为15％～30％，塑性指数为7～15，有机质含量<3％。

18、优选地，所述再生集料a和b按照如下生产工艺获得：“建筑垃圾原料→初分拣→鄂破→筛分→破碎→筛分→风选”。原料为废弃混凝土、道路破碎混凝土块等，人工分拣后，物料首先经过ⅰ级破碎机(颚式破碎机)进行初级破碎，初级破碎后的再生集料送至研磨装置进行整形，然后进行ⅰ级筛分，大于37.5mm的再生集料送至ⅱ级破碎机，进行二次破碎后再进行ii级筛分，如此循环，得到平均粒径为5～15mm、15～37.5mm的再生集料以及≤4.75mm的再生细集料。所述再生粗集料的a和b吸水率为3％～8％，针片状含量为1％～4％，表观密度为2500～2700kg/m3，压碎指标为10％～25％。

19、本发明的第二方面提供了所述低碳复合胶凝材料稳定固废无机混合料的制备方法，包括以下步骤：

20、(1)原材料预处理：

21、工程渣土为低液限粉土，天然含水量为20％～40％，需晾晒处理，控制渣土的含水量低于15％，测试渣土含水量ws。

22、用于制备所述再生集料a和b的建筑垃圾原料经破碎、分选、筛分得到平均粒径为15～37.5mm、5～15mm的再生粗集料a和b，测试再生粗集料a和b的含水量wa、wb。

23、(2)再生集料级配优化

24、选择低碳复合胶凝材料稳定固废无机混合料的级配设计方法时，应先考虑结构类型。在低碳复合胶凝材料稳定固废无机混合料中，为提高工程渣土在低碳复合胶凝材料稳定固废无机混合料的掺入比例，采用悬浮密实结构，采用n法设计理论，确定无机混合料级配范围；通过原材料比例调整进行级配优化，使其形成的级配曲线满足目标级配曲线要求，此级配即为再生集料实验级配记为a:b:c。

25、(3)配制低碳复合胶凝材料：按比例将硅酸盐水泥、钢渣粉、工业副产石膏、复合掺合料、ph调控剂加料至搅拌机中搅拌2～3min，混合均匀，出料，得到低碳复合胶凝材料。

26、(4)测定最佳含水量、最大干密度：

27、将再生粗集料a和b、工程渣土按照(2)中的实验级配配制级配集料1，根据级配集料的吸水率，估算低碳复合胶凝材料稳定固废无机混合料的最佳含水量，预定5个不同含水量，依次相差1％～2％，且其中至少有两个大于和两个小于最佳含水量；

28、将每份级配集料与一定量的水(应加水量myu—级配集料含水量—剩余加水量2％)混合均匀，密封浸润备用，浸润时间为12～30h；进行击实试验前，将一份级配集料1与低碳复合胶凝材料混合形成混合料2；称取剩余加水量2％，均匀喷洒于混合料2上，拌和均匀，并在2h之内完成击实试验，通过击实试验测定最佳含水量和最大干密度。其中应加水量按下式计算：

29、

30、式中：myu——无机混合料中应加水质量(g)；

31、ma——无机混合料中再生粗集料a质量(g)，其含水量为wa(％)；

32、mb——无机混合料中再生粗集料b质量(g)，其含水量为wb(％)；

33、ms——无机混合料中工程渣土质量(g)，其含水量为ws(％)；

34、mc——无机混合料中低碳复合胶凝材料质量(g)，其含水量为wc(％)；

35、w——无机混合料按要求达到的含水量(％)；

36、以含水量为横坐标，湿密度、干密度为纵坐标，绘制含水量-湿密度、干密度曲线，采用二次曲线方法拟合曲线，曲线的峰值点对应的含水量及干密度即为最佳含水量ωopt和最大干密度ρmax。

37、(5)试块成型：

38、根据无机混合料最佳含水量和最大干密度，以及(2)中级配集料1的比例，计算每个试件成型所需各粒级再生粗集料a和b、工程渣土、低碳复合胶凝材料质量及加水量。

39、单个试件的标准质量：m0＝v×ρmax×(1+ωopt)×γ

40、每个试件的干料总质量：

41、每个试件中的低碳复合胶凝材料质量(外掺法)：

42、每个试件中的干集料质量：m3＝m1-m2

43、其中，每个试件中再生粗集料a质量：

44、每个试件中再生粗集料b质量：

45、每个试件中渣土质量：

46、每个试件的加水量：mω＝m0-m2-m4-m5-m6

47、式中：v——试件的体积(cm3)；

48、ωopt——无机混合料最佳含水量(％)；

49、ρmax——无机混合料最大干密度(g/cm3)；

50、γ——无机混合料压实度(％)；

51、α——低碳复合胶凝材料的掺量(％)；

52、mω——加水质量(g)。

53、按比例称量再生粗集料a和b、工程渣土，加水拌和均匀(预留2％左右的水)，装入塑料袋中密封浸润12～30h；在试件成型前，加入预定质量的低碳复合胶凝材料和预留的水并拌和均匀成型，并于2～5h后脱模。

54、(6)试块养护：

55、将试块脱模后，立刻装入塑料袋密封，放入养护室内，温度为20±2℃，湿度≥95％，于规定龄期提前一天将试块取出，放置于温度为20±2℃的水中浸泡24h后。

56、本发明的第三方面提供了所述低碳复合胶凝材料稳定固废无机混合料在道路基层中的用途，可用于高速公路和一级公路中、轻交通以及二级及二级以下公路重交通基层材料。

57、与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

58、(1)本发明通过对低碳复合胶凝材料稳定固废无机混合料的组分选择，基于多源固废协同效应，采用工程渣土、再生粗集料、低碳复合胶凝材料，通过配方调整制备出满足jtg/tf20-2015《公路路面基层施工技术细则》相关性能要求的低碳复合胶凝材料稳定固废无机混合料，降低生产成本，提高工程渣土、再生粗集料、钢渣粉、工业副产石膏等固废的资源化利用水平。

59、(2)本发明的再生粗集料、工程渣土复配，可以调控混合料的级配从而提高低碳复合胶凝材料稳定固废无机混合料性能；基于多源固废协同效应，耦合硫酸盐激发与碱激发，开发凝结时间可控的低碳复合胶凝材料，掺入无机混合料，形成大量的片状ch凝胶、针片状钙矾石以及非晶态的紧密堆积的水化硅酸钙(c-s-h)、水化硅铝酸钙(c-a-s-h)凝胶和类沸石相，使整个体系具有良好的密实度、力学性能、水稳定性和抵抗环境侵蚀的性能。