技术领域
[0001] 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。
相关背景技术
[0002] 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。
[0003] 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。
具体实施方式
[0042] 以下结合实施例对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。如无特别说明，实施例中所涉及的仪器设备均为常规仪器设备，涉及原料均为市售常规原料，涉及试验方法均为常规方法。
[0043] 实施例1一种江河湖库泥沙高性能环保地聚合物混凝土及制备方法
[0044] 原料组成按重量百分比计：江河湖库泥沙51.3％、矿粉30％、Na2CO3 2％、水玻璃10％、钢纤维3.5％、PP纤维2％、减水剂0.8％、阻泥剂0.4％。
[0045] 江河湖库泥沙的主要组成：SiO2 68.08％、Al2O3 12.07％、CaO 8.10％、Fe2O33.49％、MgO 1.65％、K2O 1.98％、Na2O 1.97％、TiO2 1.07％，该泥沙pH值为8.75，中值粒径为0.08mm，其颗粒级配见图1；
[0046] 所述矿粉为S105级矿粉，中值粒径为12.38μm，其颗粒级配见图2；其主要成分、性能指标如表1、表2。
[0047] 表1矿粉的主要化学成分(wt％)
[0048] 类别 CaO SiO2 Al2O3 MgO MnO Fe2O3 K2O Na2O TiO2S105级 41.34 30.60 15.22 7.52 0.80 0.28 0.38 0.27 1.25
[0049] 表2矿粉的性能指标
[0050]类别 S105级
水硬性系数 2.09
活性系数 0.50
碱性系数 1.07
质量系数 1.96
2
勃氏比表面积(m/kg) 470
[0051] 水玻璃中SiO2含量29.11％、Na2O含量13.78％，模数2.18，波美度49.5。
[0052] 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。
[0053] 所述PP纤维长度为12mm，断裂延伸率为30％，抗拉强度为1830MPa，密度为1.29g/3
cm，弹性模量为40GPa，直径40μm。
[0054] 所述减水剂为JM‑PCA(Ⅰ)型聚羧酸类高性能减水剂(购于江苏苏博特新材料股份有限公司)，按掺量使用的减水剂混凝土性能如下：减水率为29.6％，含气量为2.0％，压力泌水率比为28％，28d抗压强度比为178％，坍落度1h经时变化量为10mm，初凝、终凝时间差分别为150min、185min。
[0055] 所述阻泥剂为LM‑Z1阻泥剂(购于广州市洛美建材有限公司)，该产品以聚醚型阻泥剂为主要原料，同时加入保塑剂、消泡剂等复合而成。
[0056] 制备方法包括以下步骤：
[0057] (1)泥沙预处理
[0058] 将江河湖库泥沙干燥，使其含水率小于2％，选取细度模数低至0.001的全级配免分选泥沙；
[0059] (2)混料
[0060] 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、减水剂和阻泥剂加入其中，加水并搅拌均匀；
[0061] (3)振动成型
[0062] 将混合料置于混凝土振动台，振动5min，脱模后得到地聚合物混凝土块；
[0063] (4)覆膜、自然养护
[0064] 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。
[0065] 实施例2一种高韧性非水泥基环保地聚合物混凝土及制备方法
[0066] 原料组成：江河湖库泥沙52.3％、矿粉30％、Na2CO3 2％、水玻璃10％、钢纤维3.5％、PP纤维1％、减水剂0.8％、阻泥剂0.4％。
[0067] 江河湖库泥沙、矿粉、水玻璃、钢纤维、PP纤维、减水剂、阻泥剂的性能和要求如实施例1，制备方法如实施例1。
[0068] 实施例3一种高韧性非水泥基环保地聚合物混凝土及制备方法
[0069] 原料组成：江河湖库泥沙52.3％、矿粉30％、Na2CO3 1％、水玻璃10％、钢纤维3.5％、PP纤维2％，减水剂0.8％、阻泥剂0.4％。
[0070] 各原料的性能和要求、制备方法同实施例1。
[0071] 实施例4一种江河湖库泥沙高韧性非水泥基环保地聚合物混凝土的制备方法[0072] 原料组成：江河湖库泥沙51.7％、矿粉30％、Na2CO3 2％、水玻璃10％、钢纤维3.5％、PP纤维2％、减水剂0.5％、阻泥剂0.3％。
[0073] 各原料的性能和要求、制备方法同实施例1。
[0074] 实施例5一种江河湖库泥沙高韧性非水泥基环保地聚合物混凝土的制备方法[0075] 原料组成：江河湖库泥沙50％、矿粉30.3％、Na2CO3 2％、水玻璃10％、钢纤维4.5％、PP纤维2％、减水剂0.8％、阻泥剂0.4％。
[0076] 各原料的性能和要求、制备方法同实施例1。
[0077] 实施例6一种高韧性非水泥基环保地聚合物混凝土的制备方法
[0078] 原料组成：江河湖库泥沙50.3％、矿粉30％、Na2CO3 3％、水玻璃10％、钢纤维3.5％、PP纤维2％，减水剂0.8％、阻泥剂0.4％。
[0079] 各原料的性能和要求、制备方法同实施例1。
[0080] 将实施例1‑6得到的产品，按照《胶结泥沙人工防汛石材》(T/CHES23‑2019)标准进行性能测试，结果如表3，产品性能符合该标准。
[0081] 表3实施例的地聚合物混凝土性能指标
[0082]抗压强度(MPa) 75.2‑80.5
抗折强度(MPa) 10.1‑11
劈裂抗拉强度(MPa) 8.12‑11.5
3
干密度(g/cm) 2.0‑2.4
软化系数 0.82‑0.85
抗冻性 不小于20次冻融循环
[0083] 以实施例1、实施例2制备的地聚合物混凝土为例进行XRD分析，结果如图3所示，由图3可看出，PP纤维的引入并不影响泥沙及掺合料与碱激发剂之间的化学反应及反应产物，仅在地聚合物混凝土结构内部起到填充作用。地聚合物混凝土的主要矿物组成包含石英SiO2(Quartz)、斜长石Na[AlSi3O8]‑Ca[Al2Si2O8](Plagioclase)、方解石(Calcite)，石英的最强峰出现在26.7°(2θ)附近，斜长石的最强峰出现在28.0°(2θ)附近，方解石的最强峰出现在29.5°(2θ)附近。还含有少量伊利石(K,H3O)Al2Si3AlO10(OH)2(Illite)、绿泥石Y3[Z4O10](OH)2·Y3(OH)6(Chlorite)、硅钙石Ca3Si3O8(OH)2(Rankinite)及沸石类物质2+ 3‑ 3+ 4‑
ZrSi24O50(ZSM‑5)。泥沙、矿粉在碱激发剂作用下，内部的Ca 、AlO3 、Al 、SiO4 释放，反应生成无定形态C‑(A)‑S‑H凝胶，水化产物的衍射峰在30°(2θ)左右出现。图4是实施例1地聚合物混凝土的SEM图，从图中可以看到柳叶状水化产物(C‑S‑H)，水化产物彼此穿插，其中红圈部分是反应生成的胶凝物质。
[0084] 本发明制备的地聚合物混凝土TG‑DTA测试结果见图5，该曲线为不同参量的1％‑3％的Na2CO3对应的曲线，其他原料的用量和制备工艺均同实施例1。
[0085] 由图5可知，不同参量的1％‑3％的Na2CO3对应不同曲线，DTA曲线均在103℃附近出现明显的吸热峰，而Tg曲线同样伴随有明显的质量损失，此处的吸热峰和质量损失是由地聚合物混凝土孔隙结构及水化产物自由水脱出导致的。在100℃‑450℃左右时，失重曲线逐渐变缓，近似于匀速下降，此阶段初期自由水减少，与此同时产物中的结合水受热脱出。另外TG/DTA曲线在573℃及780℃附近出现吸热峰和质量损失，此处的变化是由于水化产物中沸石(780℃)、硅钙石(573℃)等矿物分阶段失去结晶水，转为非晶化产物导致的，加热到800℃之后，地聚合物混凝土质量趋于平衡。DTA曲线在800℃‑1100℃出现的放热峰主要是由水化硅酸钙转化为β‑硅灰石引起的，未引起地聚合物混凝土内部质量变化，因此TG曲线未出现质量损失。当Na2CO3掺量为1％时，地聚合物混凝土在第一失重阶段的失重率较高，这可能是由于地聚合物混凝土内部结构缺陷自由水含量增多引起的。
