一种江河湖库泥沙高性能环保地聚合物混凝土及其制备方法与流程

本发明涉及固体废弃物资源化利用领域，具体涉及一种江河湖库泥沙高性能环保地聚合物混凝土及其制备方法。

背景技术：

1、江河湖库泥沙淤积会造成河床不断抬升、河道过流能力减小、水库有效库容淤损、水生态环境恶化等问题，直接影响防洪、防凌、供水、生态、发电、通航等功能的发挥。江河湖库淤积泥沙是一种常见的矿物资源，粒径大于0.15mm的泥沙可直接用于建设用砂；粒径小于0.15mm的泥沙难分选且无法直接在建筑材料领域应用，其利用率较低造成处置困难。

2、利用江河湖库泥沙及固体废弃物制备高性能环保地聚合物混凝土材料相比传统的水泥基材料，具有较高的强度、韧性、耐久性以及绿色环保、节能等优点，已在水利工程、建筑工程、道路工程等领域广泛应用。

技术实现思路

1、为克服现有技术的不足，本发明的目的是提供一种江河湖库泥沙高性能环保地聚合物混凝土及其制备方法。

2、为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：

3、一种江河湖库泥沙高性能环保地聚合物混凝土，按重量百分比计，原料组成为：江河湖库泥沙50％-55％、矿粉20％-40％、na2co3 1％-3％、水玻璃8％-10％、钢纤维2％-4.5％、pp纤维0.5％-2％、减水剂0.5％-0.8％、阻泥剂0.2％-0.6％。

4、所述江河湖库泥沙为中值粒径小于0.15mm的免分选泥沙。

5、所述江河湖库泥沙的主要成分为：sio2 50％-84％、al2o3 8％-20％、cao3％-13％、fe2o3 1％-8％、mgo 1％-4％、k2o 1％-4％、na2o 1％-4％、tio2 0.1％-2％，泥沙ph值为7.5-9。

6、所述矿粉为s105级矿粉，主要化学组成为：cao 41.34％、sio2 30.60％、al2o315.22％、mgo 7.52％、mno 0.80％、fe2o3 0.28％、k2o 0.38％、na2o 0.27％、tio21.25％，中值粒径为12.38μm，勃氏比表面积≥468.8m2/kg、水硬性系数≤2.12、活性系数≥0.5、碱性系数≤1.14、质量系数≤2.02。

7、所述水玻璃中sio2含量≥29.11％、na2o含量≥13.78％，模数为2.18，波美度为49.5。

8、所述钢纤维为圆柱形、表面镀铜的短细钢纤维，平均长度为13mm，平均直径为0.22mm，抗拉强度为2800mpa。

9、所述pp纤维长度为6-18mm，断裂延伸率为30％，抗拉强度为1830mpa，密度为1.29g/cm3，弹性模量为40gpa，直径为40μm。

10、所述减水剂为jm-pca(ⅰ)型聚羧酸类减水剂。

11、所述阻泥剂为lm-z1型阻泥剂。

12、所述江河湖库泥沙高性能环保地聚合物混凝土的制备方法，包括以下步骤：

13、(1)泥沙预处理

14、将江河湖库泥沙干燥至含水率小于2％，选取细度模数低至0.001的全级配免分选泥沙；

15、(2)混料

16、按比例称量各原料，先将江河湖库泥沙、矿粉、pp纤维、钢纤维置入搅拌机中搅拌均匀，将配置好的na2co3、水玻璃、减水剂、阻泥剂加入其中，加水搅拌均匀；

17、(3)振动成型

18、将混合料置于混凝土振动台，振动5min，脱模；

19、(4)覆膜、自然养护

20、将脱模后的地聚合物混凝土块覆膜养护48h，然后自然养护28d。

21、本发明有益效果：

22、(1)本发明选用江河湖库泥沙为中值粒径小于0.15mm免分选泥沙，避免了清淤泥沙资源利用过程中必须先分选再使用的问题，以及分选过程中可能造成二次污染(例如重金属、有害物质等)等问题，解决了粒径小于建设用砂的极细颗粒泥沙处置难、规模化利用难的问题，降低了清淤泥沙综合利用成本，实现了清淤泥沙全级配免分选利用。

23、(2)本发明利用江河湖库泥沙制备高性能环保地聚合物混凝土，制备过程中无需额外掺入水泥，实现了泥沙资源的高效生态环保利用，为江河湖库清淤泥沙良性循环持续利用提供了新途径，具有广阔应用前景。

24、(3)本发明选用s105矿粉，比表面积大，可以提供更多的活性硅源、铝源，经碱激发剂激发能够在较短时间内生成水化产物；矿粉具有较高活性，在加速泥沙中钙离子、铝离子溶出参与水化反应的同时，增加体积稳定性，矿粉中的碱性成分也能促使泥沙中硅源、铝源更快参与水化反应；矿粉的加入还能发挥胶凝作用，水化过程中生成大量硅酸二钙、硅酸三钙等物质，增强其他物料的横向黏结性，提高产品的抗压、抗折强度；矿粉作为地聚合物混凝土掺合料不仅可提高产品的力学性能，同时将工业固体废弃物矿粉作为资源进行有效利用。

25、(3)加入pp纤维可提高地聚合物混凝土的机械性能，弥补地聚合物混凝土内部缺陷，但是只加入pp纤维对地聚合物混凝土的性能提升有限，采用pp纤维与钢纤维协同使用，可有效增强非水泥基地聚合物混凝土的力学性能；经试验，选用长度为13mm，平均直径为0.22mm型号的钢纤维，所得的地聚合物混凝土的抗压强度、弯曲强度、轴心拉伸应力等性能较为优异，尤其是可以赋予地聚合物混凝土优异的弯曲强度。

26、(4)原料中na2co3、水玻璃的单项激发效果对非水泥基地聚合物混凝土的性能提升有限，经试验，选取na2co3、水玻璃共同作用复合激发，地聚合物混凝土的强度有很大提升；这是由于在na2co3、水玻璃复合激发的作用下地聚合物混凝土中有大量水化产物c-s-h生成，形成了网状拓扑结构的胶凝物质，实现泥沙中重金属离子的有效固化。

27、水化产物c-s-h生成的机理为：泥沙、矿粉的主要成分均为sio2、al2o3、cao等。原材料中si-o键和a1-o键是以硅氧四面体、铝氧四面体及铝氧六面体的形式存在，在碱激发剂中oh-离子和碱金属离子的作用下，原材料结构中的si-o-si和a1-o-a1共价键逐渐断裂，在碱溶液中形成游离的硅氧单体和铝氧单体结构，钠离子、钙离子在此过程中溶解出来，之后溶解出的单体结构与钠离子及钙离子聚合，由低聚物逐渐形成高聚物(c-s-h)，形成网状拓扑结构。

28、(5)采用聚羧酸类高性能减水剂，减水率可达30％，可在地聚合物混凝土基体内充分发挥静电斥力和空间位阻作用，从而有效改善地聚合物混凝土拌合物的流动性，有效降低用水量，增大水胶比，更易形成性能优异的地聚合物混凝土。

29、(6)选用lm-z1型阻泥剂，能与jm-pca(ⅰ)型减水剂很好兼容，并且可以优先吸附在粘土颗粒表面，中和泥沙中粘土中电荷，有效降低泥沙中粘土对聚羧酸分子的吸附，减小黏土对聚羧酸减水剂性能的影响。

30、(7)本发明的方法，生产过程简单，易操作，实用性强。

31、(8)本发明的地聚合物混凝土性能优异，抗压强度75mpa以上，抗折强度10mpa以上，劈裂抗拉强度8mpa以上，干密度2.0g/cm3～2.4g/cm3，软化系数0.82～0.85，抗冻性不小于20次冻融循环，性能指标均符合有关标准。

32、(9)本发明大量利用江河湖库泥沙及矿粉，两种主要成分用量超过75％，为非水泥基材料，实现了高性能环保地聚合物混凝土的技术创新，相比传统水泥基材料，具有较高的强度、韧性、耐久性以及绿色环保、节能等优点，可在水利工程、建筑工程、道路工程等领域广泛应用，能缓解这些领域大量使用水泥带来的高成本、高能耗、高污染等问题，为实现绿色低碳发展提供了有力支撑，具有较好的经济和社会效益。

技术特征：

1.一种江河湖库泥沙高性能环保地聚合物混凝土，其特征在于，按重量百分比计，原料组成为：江河湖库泥沙50％-55％、矿粉20％-40％、na2co3 1％-3％、水玻璃8％-10％、钢纤维2％-4.5％、pp纤维0.5％-2％、减水剂0.5％-0.8％、阻泥剂0.2％-0.6％。

2.如权利要求1所述的江河湖库泥沙高性能环保地聚合物混凝土，其特征在于，所述江河湖库泥沙为中值粒径小于0.15mm的免分选泥沙。

3.如权利要求2所述的江河湖库泥沙高性能环保地聚合物混凝土，其特征在于，所述江河湖库泥沙的主要成分为：sio2 50％-84％、al2o3 8％-20％、cao3％-13％、fe2o3 1％-8％、mgo 1％-4％、k2o 1％-4％、na2o 1％-4％、tio2 0.1％-2％，泥沙ph值为7.5-9。

4.如权利要求1所述的江河湖库泥沙高性能环保地聚合物混凝土，其特征在于，所述矿粉为s105级矿粉，主要化学组成为：cao 41.34％、sio2 30.60％、al2o315.22％、mgo7.52％、mno 0.80％、fe2o3 0.28％、k2o 0.38％、na2o 0.27％、tio21.25％，中值粒径为12.38μm，勃氏比表面积≥468.8m2/kg、水硬性系数≤2.12、活性系数≥0.5、碱性系数≤1.14、质量系数≤2.02。

5.如权利要求1所述江河湖库泥沙高性能环保地聚合物混凝土，其特征在于，所述水玻璃中sio2含量≥29.11％、na2o含量≥13.78％，模数为2.18，波美度为49.5。

6.如权利要求1所述江河湖库泥沙高性能环保地聚合物混凝土，其特征在于，所述钢纤维为圆柱形、表面镀铜的短细钢纤维，平均长度为13mm，平均直径为0.22mm，抗拉强度为2800mpa。

7.如权利要求1所述江河湖库泥沙高性能环保地聚合物混凝土，其特征在于，所述pp纤维长度为6-18mm，断裂延伸率为30％，抗拉强度为1830mpa，密度为1.29g/cm3，弹性模量为40gpa，直径为40μm。

8.如权利要求1所述江河湖库泥沙高性能环保地聚合物混凝土，其特征在于，所述减水剂为jm-pca(ⅰ)型聚羧酸类减水剂。

9.如权利要求1所述江河湖库泥沙高性能环保地聚合物混凝土，其特征在于，所述阻泥剂为lm-z1型阻泥剂。

10.一种权利要求1-9任一项所述的江河湖库泥沙高性能环保地聚合物混凝土的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

技术总结
本发明涉及一种江河湖库泥沙高性能环保地聚合物混凝土及其制备方法，原料组成为：江河湖库泥沙50％‑55％、矿粉20％‑40％、Na<subgt;2</subgt;CO<subgt;3</subgt;1％‑3％、水玻璃8％‑10％、钢纤维2％‑4.5％、PP纤维0.5％‑2％、减水剂0.5％‑0.8％、阻泥剂0.2％‑0.6％。制备方法为：将江河湖库泥沙经预处理、混料、振动成型，然后覆膜+自然养护。本发明的产品符合《胶结泥沙人工防汛石材》性能要求，具有较高韧性，可广泛用于水利工程、建筑工程、道路工程等领域，实现了江河湖库清淤泥沙全级配免分选高效利用，具有广阔应用前景。

技术研发人员：李昆鹏,江恩慧,陈琛,张戈,石华伟,李丽珂,黎思恒,董泽鲲,王远见,马怀宝,王婷,任智慧,杨飞,王子路,张阔,李佳岭,李新杰,李洁玉,张翎,张世安,闫振峰,郭秀吉,颜小飞,王强,唐凤珍,孙龙飞,王欣,李东林,贾梦豪
受保护的技术使用者：黄河水利委员会黄河水利科学研究院
技术研发日：
技术公布日：2024/9/23