CN112430040A - 一种自来水厂污泥粉和珊瑚细骨料制备的公路用混凝土 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自来水厂污泥粉和珊瑚细骨料制备的公路用混凝土，其按重量份计，包括以下组分，水泥370‑430份，自来水厂污泥粉36‑43份，河砂570‑590份，珊瑚细骨料36‑46份，碎石1120‑1170份，生石灰粉4‑16份，石膏粉1‑4份，水166‑183份，减水剂5‑9份，水胶比为0.35‑0.45。本发明将自来水厂污泥粉作为矿物掺合料取代部分水泥，为进一步激发提高自来水厂污泥粉活性，同时掺用生石灰粉和石膏粉；将珊瑚细骨料取代部分河砂，进一步改善骨料颗粒级配，珊瑚骨料的“微泵”效应，可调节骨料表面局部水胶比，改善公路用混凝土性能。从胶凝材料和骨料优化设计的角度，制备了公路用混凝土，不仅改善了混凝土性能，也有利于自来水厂污泥粉和珊瑚细骨料的高附加值绿色应用，综合效益高。

Description

一种自来水厂污泥粉和珊瑚细骨料制备的公路用混凝土

技术领域

本发明涉及建筑材料技术领域，具体为一种自来水厂污泥粉和珊瑚细骨料制备的公路用混凝土。

背景技术

混凝土自问世以来，很大程度上加速了国家基建工程的发展，特别是公路建设的发展。公路用混凝土设计强度一般采用水泥混凝土28天弯拉强度，相比于采用28天立方体抗压强度作为设计强度的普通混凝土，其强度要求指标更高，交通荷载等级为轻级的设计弯拉强度为4.0MPa，中等等级的为4.5MPa，重、特重、极重等级为5.0MPa以上。随着我国基建规模越来越大，水泥及天然骨料等传统原材料已无法满足建设需求，因此亟需寻找新的绿色材料替代部分传统原材料，设计出一种满足公路用混凝土设计要求，同时减少自然资源消耗的混凝土。

随着城市人口的不断增多，自来水厂的增设也与日俱增。自来水厂污泥不同于管道污泥，污水污泥，淤泥等固体废弃物，它是自来水处理过程中的二次产物，含有大量的有机物、丰富的氮、磷等营养物、重金属以及病菌等。城市常常因为没有经过无害化处理的污泥大量丢弃、随意堆放，造成土地的二次污染。因此，急需找寻一种安全且经济高效的大量处理污泥的方法。珊瑚细骨料属于天然轻骨料材料，主要成分为碳酸钙，表面凹凸多孔，具有孔隙率大和吸水率大等特点，其储量丰富，可用于制备混凝土，其粗糙表面可增加骨料之间的机械摩擦力，同时可紧紧吸附水泥浆体，其多孔和强吸水特征，在混凝土搅拌初期可吸收一部分水分，降低实际有效水胶比，而在养护后期逐渐释放早期吸收的水分，从而保证胶凝材料地持续水化反应。这一吸水、释水的“微泵”效应调节了细骨料表面的局部水胶比，改善了珊瑚细骨料与水泥浆之间的界面过渡区，提高了混凝土强度。

综上所述，如果能把污泥和珊瑚细骨料用于混凝土工业中，特别是公路建设中，既有利于污泥的无害化处理，也能减少水泥和天然河砂等资源的消耗。

为了解决上述问题，本案由此而生。

发明内容

(一)解决的技术问题

针对现有技术的不足，本发明提供了一种自来水厂污泥粉和珊瑚细骨料制备的公路用混凝土，解决了上述背景技术中提出的问题。

(二)技术方案

为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：一种自来水厂污泥粉和珊瑚细骨料制备的公路用混凝土，按照重量份计，包括以下组分，

水泥370-430份，自来水厂污泥粉36-43份，河砂570-590份，珊瑚细骨料36-46份，碎石1120-1170份，生石灰粉4-16份，石膏粉1-4份，水166-183份，减水剂5-9份混合组成。

其中将自来水厂污泥粉作为矿物掺合料取代部分常规使用水泥，为进一步激发提高自来水厂污泥粉活性，同时掺用生石灰粉和石膏粉，并且在开始时对自来水厂污泥粉进行蒸汽养护；其次将珊瑚细骨料取代部分河砂，进一步改善骨料颗粒级配，珊瑚骨料的“微泵”效应，可调节骨料表面局部水胶比，对珊瑚细骨料进行蒸汽养护，使得珊瑚细骨料的有害物质挥发，同时保证吸水率达到相应范围，改善公路用混凝土性能。从胶凝材料和骨料优化设计的角度，制备了公路用混凝土，不仅改善了混凝土性能，也有利于自来水厂污泥粉和珊瑚细骨料的高附加值绿色应用，综合效益高。

在以下优选方案的条件下，可以获得更好的性能：

优选的，所述的水泥为P·O 52.5的水泥。

优选的，所述的河砂细度模数为2.4-3.0，颗粒级配为Ⅱ区，含泥量小于0.4％。

优选的，所述的减水剂为氨基磺酸减水剂，所述减水剂中的固含量不小于25％。

优选的，所述的碎石粒径为5-25mm的连续级配，其针片状含量小于碎石总质量的5％，含泥量小于0.5％。

应用于自来水厂污泥粉和珊瑚细骨料制备的公路用混凝土的自来水厂污泥粉的制备方法为：

选取自来水厂的沉淀池污泥经工厂化集中离心脱水得到污泥颗粒原样通过蒸汽养护-干燥处理-分级煅烧-机械粉磨的多重工艺制备得到自来水厂污泥粉：

具体地(1)将自来水厂污泥颗粒原样经养护制度为静停3h，均匀升温2h，恒温6h，恒温温度为70±5℃；(2)降温1h后进行干燥并筛除大于5mm粒径的污泥颗粒；(3)将粒径小于3mm污泥颗粒在600-800℃的温度条件下煅烧1-2小时，粒径在3-5mm污泥颗粒在800-1000℃的温度条件下煅烧2-3小时；(4)自然冷却后按质量比为1：1混合后粉磨制得自来水厂污泥粉。

优选的，所述自来水厂污泥粉其比表面积≥650m²/kg，28d活性指数≥90％，其主要化学成分中SiO₂+A1₂O₃总量超过75％。

污泥中SiO₂+A1₂O₃的含量较高，从而使污泥具有较高的火山灰活性。根据粒径对污泥进行分级煅烧制度，一方面有利于节约能耗，另一方面对污泥进行高温煅烧可得到含有大量无机物(活性SiO₂和活性A1₂O₃)。

应用于自来水厂污泥粉和珊瑚细骨料制备的公路用混凝土的珊瑚骨料的制备方法：

选取颗粒级配为II区的中砂珊瑚细骨料进行蒸汽养护，先后经过静养4h、20℃/h均匀升温、80±5℃的环境下恒温放置4h，最后均匀降至室温。

优选的，所述的珊瑚细骨料为中砂，颗粒级配为Ⅱ区，其吸水率为3％-10％，空隙率为20％-28％，氯离子含量为0.02％-0.2％。

优选的，生石灰粉的主要成分为CaO，而CaO是一种常见的污泥改性剂，它可以破坏胞外聚合物物质并水解主要由蛋白质和碳水化合物组成的细胞壁和组织。污泥变性促进结合水和细胞水的释放，并改善污泥的成浆性。所以通过添加生石灰粉对污泥进行改性，有效提高污泥处理能力，且较为便宜实惠。

优选的，所述的石膏粉为一级或特级二水石膏粉，其比表面积≥420m²/kg。

石膏粉是一种常见的激发剂，能够在一定程度上促进AFt的生成，提高混凝土材料的早期强度。此外，石膏粉也可以促进水泥中硅酸三钙的水化，形成结构更加稳定的水化硅酸钙凝胶。由于石膏粉是一种比较便宜实惠且能有效激发自来水厂污泥粉活性的材料，所以加入适量石膏粉作为激发剂能大大增强自来水厂污泥粉的火山灰活性，进而增加污泥掺合料取代水泥的用量，从而大大降低水泥用量提高污泥的利用率。

(三)有益效果

采用上述技术方案后，本发明与现有技术相比，具备以下优点：

1、取用自来水厂污泥粉取代部分水泥，同时加入生石灰粉和石膏粉作为激发剂，极大地降低了公路用混凝土原材料中水泥的用量。通过对自来水厂的沉淀池污泥进行工厂化集中脱水干燥分级煅烧，按质量比1：1混合后得到的自来水厂污泥粉具有一定的活性。自来水厂污泥粉中的SiO₂和A1₂O₃大部分以“玻璃体”惰性状态存在，通过加入石膏粉作为激发剂对自来水厂污泥粉进行化学激发，同时加入生石灰粉对污泥进行改性，可以很大程度上提高自来水厂污泥粉的火山灰活性，并且通过进行蒸汽养护大大激发了后期机械粉磨时自来水厂污泥粉的活性，提高了水泥自来水厂污泥粉复合胶凝材料的水化速度，对提高公路用混凝土早期强度有很大的作用，所制备的混凝土能够达到公路用混凝土对强度的要求。

2、珊瑚细骨料储量丰富，将其适量取代天然河砂，可改善骨料颗粒级配，其粗糙表面可增强骨料之间的机械摩擦力，吸附水泥浆体，其“微泵”效应可调节了细骨料表面的局部水胶比，改善了珊瑚细骨料与水泥浆之间的界面过渡区，对珊瑚细骨料进行蒸汽养护，使得珊瑚细骨料的有害物质挥发，同时保证吸水率达到相应范围，提高了混凝土强度；因此，本发明的公路用混凝土从骨料优化设计的角度，将河砂部分替代为珊瑚细骨料制备的公路用混凝土，不仅改善了混凝土性能，也有利于珊瑚细骨料的高附加值绿色应用，减少了天然河砂的使用，综合效益高。

3、自来水厂污泥粉作为矿物掺合料取代部分混凝土原材料中的水泥，解决了自来水厂过多废弃污泥的处理问题，既有利于污泥的无害化处理，同时减少水泥等资源的消耗，实现了污泥在公路用混凝土中的无害化高附加值利用，拓展了污泥的资源化回收再利用途径，相比于同等效果的公路用混凝土技术，其具有更好的环保效应，符合国家提倡的绿色可持续发展战略。珊瑚细骨料表面粗糙，增加了骨料机械咬合力、改善了颗粒级配；同时，其表面粗糙，可吸附浆体；珊瑚细骨料还能发挥“微泵”效应，调节有效水胶比，提高混凝土强度。用珊瑚细骨料部分取代混凝土原材料中的天然河砂，既能减少天然河砂的大量使用，同时也实现了珊瑚细骨料的高附加值利用，保证混凝土可持续发展。

具体实施方式

下面通过具体实施例对本发明作进一步详细阐述。

本发明提供的一种自来水厂污泥粉和珊瑚细骨料制备的公路用混凝土：按照重量份计，由水泥370-430份，自来水厂污泥粉36-43份，河砂570-590份，珊瑚细骨料36-46份，碎石1120-1170份，生石灰粉4-16份，石膏粉1-4份，水166-183份，减水剂5-9份组成，水胶比为0.35-0.45。

其中将自来水厂污泥粉作为矿物掺合料取代部分常规使用水泥，为进一步激发提高自来水厂污泥粉活性，同时掺用生石灰粉和石膏粉，并且在开始时对自来水厂污泥粉进行蒸汽养护；其次将珊瑚细骨料取代部分河砂，进一步改善骨料颗粒级配，并对珊瑚细骨料进行蒸汽养护。自来水厂污泥粉其比表面积≥650m²/kg，28d活性指数≥90％。砂珊瑚细骨料选取颗粒级配为II区、吸水率为3％-10％、空隙率为20％-28％、氯离子含量为0.02％-0.2％。

基于上述配方，调整不同组分的用量得到实施例1-4及常规组分的用量得到对比实施例1-3，并分别检测不同公路用混凝土的28d弯拉强度。

具体的公路用混凝土弯拉强度试验方法参照JTG E30-2005《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》进行。

实施例1：

采用自来水厂污泥粉和珊瑚细骨料制备的公路用混凝土，按重量组分计算，包括以下组分，

P·O 52.5的水泥370份、自来水厂污泥粉36份、河砂590份、珊瑚细骨料38份，碎石1170份、生石灰粉4份、石膏粉1份、水183份、减水剂5份，水胶比0.45。

本实施例采用自来水厂污泥粉制备的公路用混凝土的技术指标：28d弯拉强度为4.3MPa。

实施例2：

采用自来水厂污泥粉和珊瑚细骨料制备的公路用混凝土，按重量组分计算，包括以下组分，

P·O 52.5的水泥390份、自来水厂污泥粉38份、河砂585份、珊瑚细骨料37份，碎石1150份、生石灰粉8份、石膏粉2份、水180份、减水剂6份，水胶比0.42。

本实施例采用自来水厂污泥粉制备的公路用混凝土的技术指标：28d弯拉强度为4.6MPa。

实施例3：

采用自来水厂污泥粉和珊瑚细骨料制备的公路用混凝土，按重量组分计算，包括以下组分，

P·O 52.5的水泥410份、自来水厂污泥粉41份、河砂570份、珊瑚细骨料46份，碎石1135份、生石灰粉12份、石膏粉3份、水176份、减水剂7份，水胶比0.39。

本实施例采用自来水厂污泥粉制备的公路用混凝土的技术指标：28d弯拉强度为4.9MPa。

实施例4：

采用自来水厂污泥粉和珊瑚细骨料制备的公路用混凝土，按重量组分计算，包括以下组分，

P·O 52.5的水泥430份、自来水厂污泥粉43份、河砂575份、珊瑚细骨料36份，碎石1120份、生石灰粉16份、石膏粉4份、水166份、减水剂9份，水胶比0.35。

本实施例采用自来水厂污泥粉制备的公路用混凝土的技术指标：28d弯拉强度为5.4MPa。

对比实施例1：

采用水泥和河砂制备的公路用混凝土，按重量组分计算，包括以下组分，

P·O 52.5的水泥406份、河砂628份、碎石1170份、生石灰粉4份、石膏粉1份、水183份、减水剂5份，水胶比0.45。

本对比实施例采用水泥和河砂制备的公路用混凝土的技术指标：28d弯拉强度为3.8MPa。

对比实施例2：

采用自来水厂污泥粉和河砂制备的公路用混凝土，按重量组分计算，包括以下组分，

P·O 52.5的水泥370份、自来水厂污泥粉36份、河砂628份、碎石1170份、生石灰粉4份、石膏粉1份、水183份、减水剂5份，水胶比0.45。

本对比实施例采用自来水厂污泥粉和河砂制备的公路用混凝土的技术指标：28d弯拉强度为4.2MPa。

对比实施例3：

采用水泥和珊瑚细骨料制备的公路用混凝土，按重量组分计算，包括以下组分，

P·O 52.5的水泥406份、河砂590份、珊瑚细骨料38份、碎石1170份、生石灰粉4份、石膏粉1份、水183份、减水剂5份，水胶比0.45。

本对比实施例采用水泥和珊瑚细骨料制备的公路用混凝土的技术指标：28d弯拉强度为4.0MPa。

表一：实施例1-4重量组分及试验技术指标汇总表

表二：对比例1-3重量组分及试验技术指标汇总表

根据检测结果可知，自来水厂污泥粉和珊瑚细骨料可以提高本发明公路用混凝土的28d弯拉强度，两者缺一不可。同时，本方案采用自来水厂污泥粉，并将珊瑚细骨料取代部分河砂，两者适配使用，经过蒸汽养护等一系列的制备工艺，对提升混凝土28d弯拉强度具有较好的效果。

以上所述依据实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项使用新型的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其保护的范围。

Claims (8)

1.一种自来水厂污泥粉和珊瑚细骨料制备的公路用混凝土，其特征在于：按重量份计，包括以下组分，水泥370-430份，自来水厂污泥粉36-43份，河砂570-590份，珊瑚细骨料36-46份，碎石1120-1170份，生石灰粉4-16份，石膏粉1-4份，水166-183份，减水剂5-9份，水胶比为0.35-0.45。

2.根据权利要求1所述的一种自来水厂污泥粉和珊瑚细骨料制备的公路用混凝土，其特征在于：所述水泥为P·O 52.5的水泥；河砂细度模数为2.4-3.0，颗粒级配为II区，含泥量小于0.4％；碎石粒径为5-25mm的连续级配，其针片状含量小于碎石总质量的5％，含泥量小于0.5％；减水剂为氨基磺酸减水剂，所述减水剂中的固含量不小于25％。

3.根据权利要求1所述的一种自来水厂污泥粉和珊瑚细骨料制备的公路用混凝土，其特征在于：所述自来水厂污泥粉其比表面积≥650m²/kg，28d活性指数≥90％，其主要化学成分中SiO₂+A1₂O₃总量超过75％。

4.一种应用于自来水厂污泥粉和珊瑚细骨料制备的公路用混凝土的自来水厂污泥粉的制备方法，其特征在于：选取自来水厂的沉淀池污泥经工厂化集中离心脱水得到污泥颗粒原样，通过蒸汽养护-干燥处理-分级煅烧-机械粉磨工艺制备得到自来水厂污泥粉，

具体步骤(1)将自来水厂污泥颗粒原样经养护制度为静停3h，均匀升温2h，恒温6h，恒温温度为70±5℃；(2)降温1h后进行干燥并筛除大于5mm粒径的污泥颗粒；(3)将粒径小于3mm污泥颗粒在600-800℃的温度条件下煅烧1-2小时，粒径在3-5mm污泥颗粒在800-1000℃的温度条件下煅烧2-3小时；(4)自然冷却按质量比为1：1混合后粉磨制得自来水厂污泥粉。

5.根据权利要求1所述的一种自来水厂污泥粉和珊瑚细骨料制备的公路用混凝土，其特征在于：所述珊瑚细骨料为中砂，颗粒级配为II区，其吸水率为3％-10％，空隙率为20％-28％，氯离子含量为0.02％-0.2％。

6.一种应用于自来水厂污泥粉和珊瑚细骨料制备的公路用混凝土的珊瑚骨料的制备方法，其特征在于：选取颗粒级配为II区的中砂珊瑚细骨料进行蒸汽养护，具体为先后经过静养4h、20℃/h均匀升温、80±5℃的环境下恒温放置4h，最后均匀降至室温。

7.根据权利要求1所述的一种自来水厂污泥粉和珊瑚细骨料制备的公路用混凝土，其特征在于：所述生石灰粉为CL90-QP型生石灰，其比表面积不小于400m²/kg。

8.根据权利要求1所述的一种自来水厂污泥粉和珊瑚细骨料制备的公路用混凝土，其特征在于：所述石膏粉为一级或特级二水石膏粉，其比表面积≥420m²/kg。