一种用于制备再生骨料透水混凝土的改性泥沙及其制备方法和应用

1.本发明属于建筑材料领域，具体涉及一种用于制备再生骨料透水混凝土的改性泥沙及其制备方法和应用。


背景技术：

2.采用再生骨料制备透水混凝土是实现固废资源化利用的一种重要途径。然而再生骨料与天然骨料相比，其表观密度低、吸水率和含水率高、坚固性差、表面粗糙，内部甚至往往会因破碎过程产生大量微裂缝，采用其制备的透水混凝土相对于天然骨料制备的透水混凝土性能较差。因此，利用再生骨料制备透水混凝土时，往往需要通过采用再生骨料优化补强、使用化学增强剂、添加细骨料等增强辅料的方法提高透水混凝土的强度。
3.黄河泥沙作为一种石英、长石类矿物砂砾颗粒，主要堆积于黄河中下游河道，其存量不断增加，导致河床升高，危及周边安全，其资源化利用和无害化处理已经成为治理黄河泥沙的研究热点。研究表明，黄河泥沙颗粒均匀，黏土质含量低，磨圆度高，性能稳定，通过技术改性和火山灰活性激发，因此可以将其作为透水混凝土增强辅料使用。然而，目前尚无这方面的研究。


技术实现要素：

4.针对现有技术中存在的问题和不足，本发明的目的在于提供一种用于制备再生骨料透水混凝土的改性泥沙及其制备方法和应用。
5.基于上述目的，本发明采用如下技术方案：本发明第一方面提供了一种改性泥沙的制备方法，包括如下步骤：（1）将泥沙与四硼酸钠溶液混合均匀，得到混合物a；将混合物a采用冷凝回流的方式进行煮沸处理，煮沸处理后干燥得到泥沙b；（2）将泥沙b加入水玻璃中，在40～80℃条件下浸泡，取出得到改性泥沙。
6.优选地，所述四硼酸钠溶液为四硼酸钠的水溶液；所述四硼酸钠溶液中四硼酸钠的质量分数为0.5wt%～15wt%。
7.优选地，步骤（1）中所述泥沙与四硼酸钠溶液的质量比为1∶（1～3）。
8.优选地，步骤（1）中所述煮沸处理时间为4～6h。
9.优选地，所述水玻璃模数为1～2.5，密度为1.05～1.25kg/m3。
10.优选地，步骤（2）中所述浸泡时间为4～6h。
11.优选地，所述泥沙为黄河泥沙。
12.本发明第二方面提供了一种利用上述第一方面任一所述制备方法制备的改性泥沙产品。
13.本发明第三方面提供了一种上述第二方面所述的改性泥沙产品在透水混凝土中的应用。优选地，尤其是在再生骨料透水混凝土中的应用。
14.本发明第四方面提供了一种再生骨料透水混凝土，所述再生骨料透水混凝土由改性泥沙、矿化菌群、再生骨料、水泥、水和外加剂制备而成；所述改性泥沙为权利要求7所述的改性泥沙产品；所述矿化菌群加入量为改性泥沙质量的0.005wt%～0.02wt%；所述改性泥沙、再生骨料、水泥、水的质量比为（0.15～0.2）∶（4～6）∶1∶（0.3～0.4）；外加剂掺量为水泥质量的0.5%～3%。
15.更加优选地，所述再生骨料为符合gb/t 25177-2010《混凝土用再生粗骨料》要求的单粒级骨料，尺寸为5～10mm或者10～20mm。更加优选地，所述再生骨料为废弃混凝土块破碎后制得。
16.优选地，所述矿化菌群为碳酸盐矿化菌群。更加优选地，所述碳酸盐矿化菌群为碳酸钙矿化菌群。
17.更加优选地，所述外加剂为胶接剂。所述外加剂主要成分以聚羧酸盐或其他减水组分、可再分散性乳胶粉等成分为主。
18.本发明第五方面提供了一种上述第四方面所述再生骨料透水混凝土的制备方法，包括如下步骤：将改性泥沙与矿化菌群混合均匀，得到泥沙c；将泥沙c加水润湿后，与再生骨料混合均匀，再依次加入水泥、水和外加剂搅拌均匀，得到再生骨料透水混凝土。
19.与现有技术相比，本发明的有益效果如下：（1）本技术对黄河泥沙改性过程如下：先采用四硼酸钠溶液煮沸冷凝回流的方式使黄河泥沙中钙铝氧化物实现较好的表面溶解，并进一步释放出二氧化硅，实现活性的激发；然后将其进一步与相对应模数的水玻璃在一定的温度条件下相互作用，实现黄河泥沙中更多的可溶性硅铝离子的溶出，并且在表面可以形成大量的硅酸盐网状结构，使得黄河泥沙颗粒表面具有胶黏性；还可利用黄河泥沙颗粒的胶黏性粘附碳酸钙矿化菌群、再生骨料和水泥，辅助其相互结合，减少水泥用量缩减成本的同时提高产品质量。
20.（2）本技术通过对惰性的黄河泥沙改性，得到一种有活性的、微碱性的、与生物菌混合的改性黄河泥沙；然后将改性后的黄河泥沙用于再生骨料透水混凝土的制备。本技术将活化的黄河泥沙与再生骨料混合制备含砂透水混凝土时，黄河泥沙因为颗粒较细，填充堵塞再生骨料凹凸不平的表面或者缝隙，而且改性后的黄河泥沙具有胶黏性，可以粘附在再生骨料上，在水溶液和水泥浆的作用下其上的硅酸盐网状结构溶解并参与水泥水化反应，同时碳酸钙矿化菌群释放出来沉积生物碳酸钙进一步起到补强作用，弥补再生骨料颗粒表面的缺陷，因此能在完善骨料的同时，提高骨料间的粘接强度，同时提高再生骨料透水混凝土的性能。在其中一项实施例中，本技术制备的透水混凝土在28d的抗压强度达到42.5mpa，抗折强度达到8.4mpa。综上，本技术不仅实现了黄河泥沙和再生骨料的性能互补优化，而且实现了黄河泥沙的资源化利用，促使再生骨料透水混凝土性能得到进一步提升。
具体实施方式
21.为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下通过实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
22.需要说明的是，在不冲突的情况下，本技术中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将结合实施例来详细说明本技术。
23.需要说明的是，本技术实施例所用黄河泥沙粒径集中分布于0.005mm～0.075mm，其中黏粒质量分数为2.8%，烧失量为4.5%，其主要化学组分如表1所示。
24.表1 黄河泥沙主要化学组分实施例1：制备改性黄河泥沙本实施例提供一种改性黄河泥沙，其制备方法包括如下步骤：（1）将黄河泥沙与四硼酸钠溶液按质量比1∶1混合均匀，得到混合物a；将混合物a升温至沸腾，采用冷凝回流方式煮沸4～6h，沥干形成泥沙b。
25.（2）将泥沙b浸泡在水玻璃溶液中，恒温保持在40～80℃，浸泡4～6h，捞出形成改性黄河泥沙。
26.本实施例制备的改性黄河泥沙样品涉及到的具体参数值如表2所示。
27.表2 本实施例制备的改性黄河泥沙样品具体参数值实施例2：制备再生骨料透水混凝土本实施例提供一种再生骨料透水混凝土，其中，每立方米的透水混凝土的制备原料包括：50kg改性黄河泥沙，364kg普通硅酸盐水泥，1590kg再生骨料，0.3水灰比，胶接剂（日照弗尔曼，透水混凝土专用添加剂）用量为水泥质量的3wt%。所述再生骨料为废弃混凝土块破碎后制得，符合gb/t 25177-2010《混凝土用再生粗骨料》要求的单粒级骨料。
28.所述再生骨料透水混凝土的制备方法包括如下步骤：（a）将实施例1制备的改性黄河泥沙与碳酸钙矿化菌群胶囊（天津城建大学材料科学与工程学院的实验室用的矿化菌）混合均匀，晾干后得到泥沙c。其中，碳酸钙矿化菌群胶囊的加入量为改性黄河泥沙质量的0.005wt%～0.02wt%。
29.（b）将泥沙c加入少量水润湿后，与再生骨料混合均匀，加入水泥进一步搅拌，并加入剩余的水和外加剂，搅拌均匀制备成再生骨料透水混凝土。
30.本实施例制备的再生骨料透水混凝土样品涉及到的具体参数值如表3所示，其中，本实施例2-1对应使用实施例1-1制备的改性黄河泥沙，本实施例2-2对应使用实施例1-2制
备的改性黄河泥沙，依次类推，本实施例2-8对应使用实施例1-8制备的改性黄河泥沙；本实施例2-9使用未改性的黄河泥沙。按gb/t 50081-2019《混凝土物理力学性能试验方法标准》规定的方法，测试本实施例制备的再生骨料透水混凝土样品的28d抗压强度和28d抗折强度，测试结果如表3所示。
31.表3 本实施例制备的再生骨料透水混凝土样品具体参数值从表3中可以看出，相比于实施例2-9（未进行改性的黄河泥沙），采用本发明改性的黄河泥沙制备的再生骨料透水混凝土抗压强度和抗折强度均出现了明显的提高。实施例2-2中，采用高浓度的四硼酸钠溶液、模数较高的水玻璃对黄河泥沙进行改性，28d抗压强度和28d抗折强度最高，分别达到44.2mpa和9.1mpa。
32.对比实施例2-1、2-7和2-8我们发现，当黄河泥沙不进行四硼酸钠改性（实施例2-7）或者不进行水玻璃溶液改性（实施例2-8）时，再生骨料混凝土28d抗压强度和28d抗折强度均没有发生较为明显的提升。因此，我们优选对黄河泥沙同时进行四硼酸钠和水玻璃改性处理。
33.对比实施例2-3和2-4，实施例2-1和2-5时我们发现，当四硼酸钠溶液质量分数小于0.5wt%或大于15wt%时，再生骨料混凝土28d抗压强度和28d抗折强度会比四硼酸钠溶液质量分数在0.5wt%-15wt%范围时有所降低。这是因为四硼酸钠浓度较低则起不到改性效果，而浓度太高又会出现四硼酸钠溶解效果不好的情况。因此，我们优选质量分数为0.5wt%-15wt%的四硼酸钠溶液对黄河泥沙进行改性。
34.对比实施例2-1和2-6我们发现，当水玻璃溶液模数大于2.5时，再生骨料混凝土28d抗压强度和28d抗折强度会降低。这是因为模数高的水玻璃易发粘，混凝土成型效果不好。
35.实施例3一种改性黄河泥沙内容与实施例1-2的内容基本相同，其不同之处在于：步骤（1）中将黄河泥沙与四硼酸钠溶液按质量比1∶3混合均匀。
36.实施例4一种再生骨料透水混凝土内容与实施例2-2的内容基本相同，其不同之处在于：所述改性黄河泥沙为实施例3制备的改性黄河泥沙。
37.工业生产中，四硼酸钠和水玻璃在使用过程中会因反应消耗引起浓度下降，而引起制备的再生骨料透水混凝土的抗压强度和抗折强度随之降低。若要保证一定的混凝土强度，需要维持一定的四硼酸钠溶液浓度和水玻璃模数，因此，我们可以通过控制二者浓度和模数实现混凝土强度的可控性。而且就成本而言，模数更大的水玻璃成本更低，更适于实际生产。
38.综上所述，本发明有效克服了现有技术中的不足，且具高度产业利用价值。上述实施例的作用在于说明本发明的实质性内容，但并不以此限定本发明的保护范围。本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和保护范围。