一种多源固废基预压水泥土节段及其制备方法与应用

本发明属于固体废弃物资源化利用与绿色土木工程材料，具体涉及一种多源固废基预压水泥土节段及其制备方法与应用。

背景技术：

1、建设工程开挖、建筑拆除、冶金生产和矿产开采等活动产生了大量工程渣土、废旧混凝土、废砖、钢渣、煤矸石及尾矿等不同来源的固体废弃物（以下统称为多源固废），目前多采用堆放、填埋或低值回填等方式处置。与此同时，天然砂石骨料开采量巨大，加剧了天然资源消耗，并且水泥生产过程的二氧化碳排放约占全球二氧化碳排放总量的8%，环境负荷高。因此，有必要开发能够协同利用多源固废、减少天然砂石骨料用量和水泥掺量并具有较高力学性能的工程材料。

2、现有多源固废资源化利用方式通常根据不同固废的性质，将其用于取代混凝土中的粗、细骨料或胶凝材料。然而，固废取代率与混凝土力学性能通常难以兼顾。取代率较低时，混凝土性能较易保证，但固废消纳量有限；提高取代率虽可增加固废利用量，却往往导致混凝土力学性能明显下降。

3、水泥土能够直接利用工程渣土，且水泥掺量较低，具有提高固废取代率的潜力。但常规水泥土无侧限轴心抗压强度通常不足1 mpa，主要用于地基处理和边坡支护等岩土工程。已有的夯实、静压等物理压密技术对水泥土的力学性能增强效果有限，进一步提高强度通常仍需较高水泥掺量或掺加固化剂、化学激发剂和辅助胶凝材料；在水泥土中掺入再生骨料、钢渣等固废材料以提升力学性能，其增强效果同样有限。因此，如何将工程渣土、固废骨料、水泥和水组成的原料体系与预压处理有机结合，使物理压密作用与固废骨料的骨架承载作用相互促进，产生显著超过二者单独作用的协同增强效应，是现有技术需要解决的问题。

4、此外，多源固废含水率差异较大，烘干处理会增加生产能耗和原料处理时间；另一方面，若预压后需要持续保压或模内静置，还会延长施力装置和模具占用时间，显著降低周转效率和企业经济效益。如何降低预处理能耗，缩短预处理时间，提高施力装置和模具周转效率，是多源固废基预压水泥土节段连续化、批量化生产中需要解决的问题。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服现有技术存在的不足，提供一种多源固废基预压水泥土节段及其制备方法与应用。

2、本发明所述的一种多源固废基预压水泥土节段及其制备方法与应用，通过将工程渣土、固废骨料、水泥和水组成的原料体系与预压处理有机结合，使预压产生的物理压密作用与固废骨料的骨架承载作用相互促进，形成协同增强效应。在不掺加天然砂石骨料，不依赖较高水泥掺量或掺加固化剂、化学激发剂和辅助胶凝材料，且无需依赖钢管或frp管等长期外部侧向约束的条件下，使所述节段28天无侧限轴心抗压强度达到20-50 mpa。同时，通过降低预处理能耗，缩短预处理时间以及减少施力装置和模具的占用时间，有利于实现多源固废基预压水泥土节段的连续化和批量化生产。

3、本发明的目的通过如下技术方案实现。

4、本发明所述多源固废，是指建设工程开挖、建筑拆除、冶金生产和矿产开采等不同活动产生的固体废弃物的统称，包括工程渣土、废旧混凝土、废砖、钢渣、煤矸石及尾矿等。

5、本发明所述多源固废基预压水泥土，是指以工程渣土、固废骨料、水泥和水为原料，经搅拌、预压及养护形成的水泥基复合材料。

6、本发明所述节段，是指由所述多源固废基预压水泥土通过模具预压制备，可作为土木工程中的预制构件或结构组成单元使用，其形状和尺寸可根据实际工程需求确定。所述模具仅作为预压处理工具，预压处理完成后立即脱模，不作为长期外部约束保留于节段外周。

7、本发明提供的一种多源固废基预压水泥土节段的制备方法，所采用的原料包括工程渣土、固废骨料、水泥和水；各原料质量份数为：

8、扣除所含水分之后的工程渣土40-70份；

9、扣除所含水分之后的固废骨料25-45份；

10、水泥5-15份；

11、水5-15份；

12、其中，所述水包括工程渣土和固废骨料中所含水分以及外加水；水泥采用粉状水泥，通常认为不含水分。

13、进一步地，所述工程渣土为建设工程施工过程中产生的工程开挖土。

14、进一步地，所述固废骨料来源于废旧混凝土、废砖、钢渣、煤矸石或尾矿中的一种或几种，所述固废骨料按照粒径分为粗骨料和细骨料，所述粗骨料粒径范围为4.75-31.5mm，所述细骨料粒径范围为0.15-4.75 mm。

15、本发明提供的一种多源固废基预压水泥土节段的制备方法，包括以下步骤：

16、（1）含水率测定：分别对工程渣土和固废骨料中取代表性样品，测定工程渣土和固废骨料的含水率，以确定两类原料中所含水分的质量；

17、进一步地，步骤（1）中含水率按照下式计算：，式中，

w为原料含水率，单位为百分比（%）；

m0为原料样品烘干前质量；

md为原料样品烘干至恒重后的质量。

18、（2）原料称量：按照所述质量份数和含水率分别称取工程渣土、固废骨料和水泥；根据步骤（1）测得的含水率，计算工程渣土和固废骨料中所含水分质量；从所述水的质量份数中扣除所述工程渣土和固废骨料中所含水分质量后得到外加水的质量；称取外加水；

19、（3）搅拌处理：将步骤（2）中称取的水泥和外加水搅拌为水泥净浆，然后加入工程渣土和固废骨料搅拌均匀，得到拌合物；

20、进一步地，步骤（3）中的水泥和外加水搅拌为水泥净浆的搅拌时间为0.5-2 min，加入工程渣土和固废骨料之后的搅拌时间为0.5-2 min。

21、（4）预压处理：将步骤（3）中得到的拌合物按预定装料量装入具有侧向约束的模具中，采用配有力传感器的施力装置，以预压应力为控制指标，通过与拌合物受压端面接触的加载部件沿模具轴向施加预压力，加载部件与模具内壁之间的净距不超过1 mm。预压过程中，将力传感器测得的预压力与拌合物受压端面的面积之比作为预压应力；加载至目标预压应力后立即卸载至零。当采用多次预压时，重复上述加载和卸载过程，直至完成设定的预压次数。

22、进一步地，所述加载部件为压头或压板，加载部件与拌合物受压端面充分接触，其形状和尺寸与模具内壁横截面相适配。

23、进一步地，所述拌合物的装入量根据模具内壁横截面尺寸及节段的设计尺寸确定。

24、进一步地，步骤（4）中，所述具有侧向约束的模具仅在预压处理阶段用于限制拌合物在预压过程中的侧向变形，并承受由拌合物侧向膨胀产生的作用力；预压完成后立即脱模，所述模具不构成所得节段的一部分。

25、进一步地，预压应力按照“预压应力＝力传感器测得的预压力÷拌合物受压端面面积”计算。

26、进一步地，所述加载至目标预压应力后立即卸载至零，是指预压应力达到目标值后不设置保压阶段，随即将预压力卸载至零。该方式能够缩短单次预压处理时间，减少施力装置的占用时间，提高预压效率。

27、进一步地，步骤（4）中所述多次预压的次数为2-4次；步骤（4）中所述目标预压应力为25-75 mpa。

28、进一步地，步骤（4）中所述具有侧向约束的模具的形状可根据实际工程需求选取，包括但不限于圆柱形、棱柱形等；所述模具可采用钢材、铝合金等具有足够强度和刚度的材料制成，其尺寸根据节段设计及实际工程需求确定。

29、进一步地，步骤（4）中所述施力装置包括千斤顶、压力机和试验机等。

30、（5）脱模与养护：步骤（4）所述预压处理完成后立即脱模，然后进行养护，养护结束即可得到所述多源固废基预压水泥土节段。

31、进一步地，步骤（5）中，所述立即脱模是指最后一次预压达到目标预压应力并卸载后，无需等待水泥初凝，也无需在模具内静置，可直接脱模并进行养护，缩短了制备周期，减少模具占用时间，提高模具周转效率，便于节段的连续化和批量化生产。

32、进一步地，步骤（5）中，所述养护为自然养护或标准养护。其中自然养护是在室内环境中进行，避免雨淋和暴晒；标准养护是指在20±2 ℃、相对湿度不低于95%的环境中进行，养护龄期均为28天。

33、本发明还提供由上述原料经上述制备方法制得的多源固废基预压水泥土节段。所述多源固废基预压水泥土节段以工程渣土和固废骨料为主要固体原料，不掺加天然砂石骨料，且不掺加固化剂、化学激发剂或辅助胶凝材料，无需依赖钢管或frp管等外部侧向约束提供的长期约束效应，其28天无侧限轴心抗压强度为20-50 mpa。

34、本发明提供的多源固废基预压水泥土节段可应用于土木工程领域，特别是用于制备高力学性能的工程材料。

35、与现有技术相比，本发明具有如下优点和有益效果：

36、（1）本发明以工程渣土和固废骨料为主要原料，所述固废骨料可来源于建筑拆除、冶金生产或矿产开采等活动产生的废旧混凝土、废砖、钢渣、煤矸石或尾矿中的一种或几种，能够实现不同来源固体废弃物的协同资源化利用。所制备的多源固废基预压水泥土节段不掺加天然砂石骨料，有利于提高固体废弃物的消纳量，减少对天然砂石资源的消耗。

37、（2）本发明将工程渣土、固废骨料、水泥和水组成的原料体系与预压处理有机结合。预压促进节段内部颗粒重排和孔隙压缩，通过物理压密作用形成密实基体；固废骨料的引入有助于形成骨架承载作用从而提高荷载传递能力，二者相互促进，产生协同增强效应。该增强方式不依赖较高水泥掺量，也不依赖掺加固化剂、化学激发剂或辅助胶凝材料等传统增强手段，且无需依赖钢管或frp管等长期外部侧向约束。所制得节段的28天无侧限轴心抗压强度可达20-50 mpa，能够兼顾高固废利用率、低水泥掺量和较高力学性能。

38、（3）本发明通过测定工程渣土和固废骨料的含水率，将原料所含水分计入总用水量，并据此确定外加水质量，无需对用于制备节段的全部原料进行预先烘干，即可控制实际用水量，从而减少原料预处理时间和能耗。

39、（4）本发明采用单次或多次预压，达到目标预压应力后不设置保压阶段，立即卸载，并在预压处理完成后立即脱模，无需在模具内静置，能够缩短制备周期，减少施力装置和模具的占用时间，提高设备利用率和模具周转效率，有利于节段的连续化和批量化生产。