一种预制构件用工业固废混凝土及其制备方法和应用

技术领域

本发明涉及混凝土预制构件制备技术领域，尤其涉及一种预制构件用固废混凝土及其制备方法和应用。

背景技术

混凝土预制构件通过在工厂中标准化方式加工生产，制得多种多样的产品，并运输至现场进行吊装拼接，可以实现建筑物的快速、低污染建造。因此，以预制混凝土构件为基础的装配式建筑方式体现了现代建筑的工业化发展趋势和先进水平，也成为现代建筑实现绿色可持续发展的重要途径。

在装配式PC(Precast concrete)构件的生产制备中，实现冶金废渣、矿山尾矿/废石与城市建筑垃圾的资源化利用是进一步提高建筑节能水平的一种方式。PC对原材料的品质要求较高，尽管以钢渣和粉煤灰为主的复合混凝土掺和料的28天活性指数可达85％，并已在日本和欧洲的部分预制构件生产中得以应用，但目前制备预制构件的混凝土中矿物掺和料主要以粉煤灰和矿渣为主且矿物掺和料占总胶凝材料占比较低。CN 109437718 A中给出了一种C40级固废混凝土，复合掺和料掺量50％，使用强化再生粗骨料全部替代粗骨料，然而其所用再生强化粗骨料为钾水玻璃强化后的再生粗骨料，因此经济性不强。CN111362631 A中给出了一种全固废胶凝材料混凝的制备方法，但需水玻璃等碱性激发剂及蒸汽养护，因此增加了制备成本，不利于工业化生产。

发明内容

本发明实施例提供一种预制构件用工业固废混凝土。本发明提供的预制构件用工业固废混凝土，在满足预制构件混凝土使用性能要求的前提下，采用大掺量多元多尺度工业固废，开发出制备经济、环保和可工业化生产的预制构件用固废混凝土。

本发明实施例提供一种预制构件用工业固废混凝土，包括以重量份计的以下原料：水泥200～300份、复合掺和料80～300份、细骨料700～800份、粗骨料1000～1200份、外加剂5～10份和水100～200份；其中，所述复合掺和料包含重量比为16～35：5～10：2～4：0.5～1的粉煤灰、钢渣、再生粉料和脱硫石膏。

在一些优选实施例中，所述复合掺和料中，所述粉煤灰为Ⅱ级粉煤灰；和/或，所述钢渣粉为一级钢渣粉；和/或，所述再生粉料为再生微粉和/或石粉；和/或，所述脱硫石膏为二水石膏。

在一些优选实施例中，所述复合掺和料中，所述粉煤灰45mm方孔筛余≤30％，需水量比≤105％，三氧化硫含量≤3％，28天强度活性指数≥75％；和/或，所述钢渣粉为比表面积＞400m

本发明通过优化掺和料的组成和配比提高了胶凝材料中掺和料所占的比例，从而降低了胶凝材料中水泥的用量。尤其是，通过采用再生微粉、尾矿废石粉等低价值充填料，进一步密实了混凝土，在减少胶凝材料的同时保证了混凝土的密实度。

在一些优选实施例中，所述细骨料由天然河砂、尾矿细骨料和再生细骨料组成；其中，按所述细骨料的重量份数为100份计，所述尾矿细骨料与所述再生细骨料的重量份数的和≥60份，所述尾矿细骨料≥30份。

在一些优选实施例中，所述粗骨料由天然碎石、尾矿废石和再生粗骨料组成；其中，按所述粗骨料总质量份数为100份计，尾矿废石与再生粗骨料的重量份数的和≥80份，所述尾矿废石的份数≥50份。

在一些优选实施例中，所述细骨料：所述天然河砂细度模数为2.7～3.1，含泥量为小于1.0％的Ⅱ类砂；和/或，所述尾矿细骨料为铁尾矿废石经破碎筛分得到的机制砂，细度模数为2.5～3.0，石粉含量≤5％；和/或，所述再生细骨料为微粉含量小于7％，MB值小于1.4的Ⅱ类再生细骨料，细度模数为2.5～3.0；和/或

在一些优选实施例中，所述粗骨料：所述天然碎石中，微粉含量≤2％，吸水率≤2％，压碎指标≤20％；和/或，所述尾矿废石中，微粉含量≤2％，吸水率≤2％，压碎指标≤20％；和/或，所述再生粗骨料中，微粉含量≤2％，吸水率≤5％，压碎指标≤14％。

根据本发明，经研究发现通过上述粗骨料和细骨料，混凝土性能保持的前提下，能有效提高其经济性，进一步通过与上述符合掺和料配合使用，能够密实化混凝土，从而保持混凝土的耐久性等。

在一些优选实施例中，所述外加剂为聚羧酸减水剂；和/或，所用水泥为42.5普通硅酸盐水泥。

在一些优选实施例中，水泥220～280份、复合掺和料90～200份、细骨料740～790份、粗骨料1070～1130份、外加剂7.5～8份和水140～160份；优选的，水泥228～240份、复合掺和料160～200份、细骨料740～780份、粗骨料1070～1130份、外加剂7.6～8份和水144～152份。

发明人经研究发现，通过采用上述配比的固废复合掺和料、多元多尺度混合骨料等相互配合，开发出了基于性能设计的预制构件用大掺量工业固废混凝土，尤其是，本发明通过采用多元多尺度工业固体废弃物，及再生建筑固废等，既能够解决砂石骨料供应紧张、固体废物大量堆存造成的环境压力等问题，同时采用全骨料粒级优化以及多组份掺和料配伍，不仅能够提高固废混凝土中的固废掺量，而且能够提升固废混凝土的密实度，从而保证其耐久性，在保持混凝土质量的前提下，进一步提高混凝土的经济性与环保性。

本发明实施例还提供一种所述的预制构件用工业固废混凝土的制备方法，按配比将所述水泥、所述复合掺和料、所述细骨料、所述粗骨料、所述外加剂和所述水混合，优选的，其制备包括：

1)按配比将所述钢渣粉、所述粉煤灰、所述再生粉料和所述脱硫石膏进行混合，得所述复合掺和料；

2)将所述尾矿细骨料、所述再生细骨料、所述天然河砂、所述复合掺和料和所述水泥混合，经一次搅拌后，加入所述再生粗骨料、所述尾矿废石和所述天然碎石，进行二次搅拌，得干料；

3)向所述干料中加入适量水和外加剂，进行一次搅拌；再加入剩下的水和外加剂，进行二次搅拌，出料，即得。

在一些优选实施例中，步骤2)中，按尾矿细骨料、再生细骨料、天然河砂、所述复合掺和料和水泥的顺序进行投料；和/或，一次搅拌时间为20～40s；和/或，二次搅拌时间为20～40s；和/或

步骤3)中，第一次加水的量为50～70％；和/或，第一次加外加剂的量为50～70％；和/或，一次搅拌时间为0.5～1.5min；和/或，二次搅拌时间为1～3min。

本发明实施例还提供所述的预制构件用工业固废混凝土或所述制备方法得到的预制构件用工业固废混凝土在制备大掺量固废混凝土预制楼梯、大掺量固废混凝土预制叠合板等预制构件中的应用。

本发明的有益效果至少在于：与现有技术相比较，本发明所得预制构件用大掺量固废混凝土所用总固废掺量百分比可达70％，有利于缓解目前天然砂石骨料供应紧缺现状，同时大批消纳煤电、冶金、矿产行业产出的固体废弃物，缓解环境压力。而且该大掺量固废混凝土性能优异、所制备的预制构件完全满足结构设计要求，且降低预制构件的生产成本。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中需要使用的附图作简单介绍，显而易见，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的预制楼梯检测加载百分表布置的示意图；

图2为本发明实施例提供的预制叠合板荷载(含自重)挠度曲线图；

图3为本发明实施例提供的预制叠合板检测加载百分表布置的示意图；

图4为本发明实施例提供的预制楼梯荷载(含自重)挠度曲线图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。实施例中未注明具体技术或条件者，按照本领域内的文献所描述的技术或条件，或者按照产品说明书进行。

本发明中，所用仪器等未注明生产厂商者，均为可通过正规渠道商购买得到的常规产品。所述方法如无特别说明均为常规方法，所述原材料如无特别说明均能从公开商业途径而得。实施例中未注明具体技术或条件者，按照本领域内的文献所描述的技术或条件，或者按照产品说明书进行。

本发明以下实例中，所述粉煤灰为符合《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》GB/T1596-2017中的Ⅱ级粉煤灰，45mm方孔筛余≤30％，需水量比≤105％，三氧化硫含量≤3％，28天强度活性指数不低于75％；所述钢渣粉为比表面积应大于400m

本发明的以下实施例中，在复合掺和料中，粉煤灰占总掺和料质量的70％，钢渣份占20％，再生微粉+石粉占总掺和料质量的8％(再生微粉：石粉为1:1)，脱硫石膏占总掺和料质量的2％。在细骨料中，尾矿细骨料与再生细骨料取代天然河砂的总量占总细骨料质量分数的70％，其中再生细骨料占30％。在粗骨料中，尾矿废石与再生粗骨料的总量占总粗骨料质量分数的80％，其中再生粗骨料占20％。所用外加剂为聚羧酸减水剂；所用水泥为P.O42.5普通硅酸盐水泥；所用水为自来水。

实施例1

本实施例提供的大掺量预制构件用多元多尺度工业固废混凝土，混凝土配比设计(水泥、复合掺合料、细骨料、粗骨料、外加剂和水)如表1所示。然后将称量好的各组分按照上述加料顺序和制备方法制备得到新拌混凝土。

本发明实施例提供一种大掺量预制(PC)构件用多元多尺度工业固废混凝土的制备方法，包括以下步骤：

步骤1)，按所述复合掺和料的组成称取钢渣粉、粉煤灰、再生微粉/石粉和脱硫石膏，加入混合容器中充分混合，制得复合掺和料；

步骤2)，按所述固废混凝土的配比组成称取细骨料和粗骨料，按尾矿细骨料、再生细骨料、天然河砂、步骤1)中所得复合掺和料和水泥的投料顺序加料，搅拌30s后，加入再生粗骨料、尾矿废石和天然碎石，搅拌30s，使所得干料混合均匀；

步骤3)，向步骤2)中混合后的干料中加入部分水(50～70％)和外加剂(50～70％)，搅拌1min，使骨料表面料浆包裹均匀；再加入剩下的水和外加剂，搅拌2min，出料。

实施例2-12

采用同实施例1的材料及方法制备新拌混凝土，区别仅在于以下混凝土配比不同(见表1)。

表1实施例1-12中的混凝土配比

实验例1

按照《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》GB/T 50080、《普通混凝土力学性能试验方法标准》GB/T 50081和《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法》GB/T 50082中的测试方法测试新拌混凝土坍落度、硬化混凝土力学性能、抗氯离子渗透和抗冻性，实施例1-12中的混凝土各项性能测试结果如表2所示。

表2实施例1-12性能参数

根据本发明实施例1-12的测试结果，混凝土中固废含量≥65％，28天抗压强度均大于40MPa，28天电通量在546～934C之间，满足装配式结构混凝土指标要求，力学性能和耐久性指标优越。同时，由于大量掺入城市和工业固废，使得混凝土成本大幅下降，产品更加经济、环保，克服了技术障碍，同时具有很好的社会经济价值。

实验例2大掺量固废混凝土预制楼梯

以实施例1中所配制的混凝土为例，制备得到的的预制楼梯依据GB/T 50204-2015《混凝土结构工程施工质量验收规范》测试其挠度、裂缝、承载力，测试结果如图1所示。实施例1中复合掺和料比例较高，所配制的混凝土工作性及耐久性等各项性能也满足使用要求。

大掺量固废混凝土预制楼梯在整个加载过程中楼梯板底未见裂缝，未出现承载能力极限状态标志，承载力检验系数为1.2，至少满足一般预制楼梯的设计要求。

实验例3大掺量固废混凝土预制叠合板

以实施例1中所配制的混凝土为例，制备得到的预制叠合板依据GB/T 50204-2015《混凝土结构工程施工质量验收规范》测试其挠度、裂缝、承载力，测试结果如图2所示。

大掺量固废混凝土预制楼梯在总外加荷载在达到荷载标准组合值之前板底未见裂缝，挠度显著小于限值设计要求，承载力检验系数为1.22，至少满足一般叠合板的设计要求。

虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施方案对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。