[0001] 本发明属于建筑材料技术领域，具体涉及一种高效低碳耐蚀型超高性能混凝土及其制备方法

[0002] 传统的污水处理设施中，沉淀池扮演着重要角色，用于沉淀和处理废水中的固体颗粒。然而，传统混凝土在这种腐蚀性和高湿度环境中容易受到化学品、微生物和潮湿条件的影响，导致快速磨损和降解，需要频繁的维护和更换。与此同时，污泥的任意排放和填埋堆放，一方面对周围的环境又造成二次污染，另一方面，其中含有的许多有益成分不加利用，又造成资源浪费。

[0003] 超高性能混凝土是经过优化颗粒级配以形成堆积密实的基体，并采取适当的成型养护工艺而获得一种超高性能水泥基材料，因其优异的力学性能、耐久性能而广受关注。因此为了提高污水沉淀池的使用效率和减少维护成本，就地取材、最大资源化充分利用其中的污泥，提高污泥的水化活性，降低成本，减少碳排放。开发一种适用于污水环境下高效低碳耐蚀型超高性能混凝土材料具有重要意义。

[0004] 为改善这些不足，目前已有一些适用污水环境下超高性能混凝土专利，CN116003075B采用嗜碱性微生物或微生物牙孢控制污水中PH值，加速碳酸钙沉淀。CN113896488A引入抗菌剂酞菁蓝，同时使用部分铝酸钙水泥替代普通硅酸盐水泥提高超高性能混凝土耐侵蚀期限。以上专利制备的适用于污水环境下的超高性能混凝土均是基于引进微生物设计而成，虽然在一定程度可以起到很好的耐蚀作用，但是污水环境本身较于复杂，无法长期提供一种稳定适于微生物生存环境。

[0025] 为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

[0026] 污泥活性改性剂的原料和原料用量如表1所示，按照表1中的用量称量各原料，然后将各原料搅拌均匀，即可得污泥活性改性剂。

[0027] 表1制备例1‑4原料及各原料用量(kg)

[0028]制备例1 制备例2 制备例3 制备例4
氧化钙 20 40 60 80
硅酸钠 80 60 40 20

[0029] 以下实施例中所用复配水泥的组成及各原料中化学成分含量，如下表2所示。

[0030] 表2复配水泥化学成分含量百分比

[0031]名称 CaO SiO2 Al2O3 Fe2O3 SO3 K2O MgO Na2O
高贝利特硫铝酸盐水泥 46.63 7.01 22.10 1.02 21.12 0.21 1.81 0.10
硅酸盐水泥 70.11 18.04 4.52 3.31 2.14 0.39 1.44 0.05

[0032] 以下实施例中所用污泥、硅灰和粒化高炉矿渣中的化学成分百分含量，如下表3所示。

[0033] 表3污泥固废基掺合料化学成分百分含量表

[0034] 名称 CaO SiO2 Al2O3 Fe2O3 SO3 K2O MgO Na2O污泥 1.84 68.27 20.24 5.21 0.11 1.98 1.12 1.23
硅灰 1.12 97.79 0.15 0.19 0.08 0.30 0.31 0.06
粒化高炉矿渣 42.61 30.25 17.81 0.78 1.92 0.11 6.48 0.04

[0035] 实施例1‑4

[0036] 实施例1‑4的一种高效低碳耐蚀型超高性能混凝土，其原料及其原料用量如表4所示，其制备方法如下：

[0037] 1)将污水沉淀池中污泥打捞过滤，并静置干燥研磨，研磨至500m2/kg以上，得到预处理后污泥；

[0038] 2)将预处理后污泥与硅灰、粒化高炉矿渣混合倒入搅拌机，在600rpm搅拌60min均匀，得到污泥固废基掺合料；

[0039] 3)将氧化钙和硅酸钠倒入容器中，在800rpm下搅拌30min，得到污泥活性改性剂；

[0040] 4)将复配水泥、污泥固废基掺合料、污泥活性改性剂、粒径范围为2.36～4.75mm的河砂、粒径范围为0.075～1.18mm的石英砂混合均匀，之后将外加剂聚羧酸减水剂、改性聚醚类消泡剂、水一次加入搅拌机内，搅拌均匀后，得到拌合物，将拌合物倒入模具中，在振动台上振动30s，表面抹平、覆膜，放入标准养护室中养护24h后拆模，最后养护至规定龄期即可。

[0041] 其中污泥活性改性剂中氧化钙和硅酸钠的用量如表1中制备例1所示，复配水泥中硅酸盐水泥和高贝利特硫铝酸盐水泥的质量比为1:0.05，污泥固废掺合料中预处理污泥、硅灰、粒化高炉矿渣质量比为1:1:0.5。

[0042] 表4实施例1‑4的原料及原料用量(kg)

[0043]

[0044]

[0045] 实施例5

[0046] 一种高效低碳耐蚀型超高性能混凝土，与实施例3的区别在于，复配水泥中硅酸盐水泥和高贝利特硫铝酸盐水泥质量比为1：0.08。其余步骤与实施例3均相同。

[0047] 实施例6

[0048] 一种高效低碳耐蚀型超高性能混凝土，与实施例3的区别在于，复配水泥中硅酸盐水泥和高贝利特硫铝酸盐水泥质量比为1：0.1。其余步骤与实施例3均相同。

[0049] 实施例7

[0050] 一种高效低碳耐蚀型超高性能混凝土，与实施例5的区别在于，污泥活性改性剂中氧化钙和硅酸钠的用量如表1中制备例2所示。其余步骤与实施例5均相同。

[0051] 实施例8

[0052] 一种高效低碳耐蚀型超高性能混凝土，与实施例5的区别在于，污泥活性改性剂中氧化钙和硅酸钠的用量如表1中制备例3所示。其余步骤与实施例5均相同。

[0053] 实施例9

[0054] 一种高效低碳耐蚀型超高性能混凝土，与实施例5的区别在于，污泥活性改性剂中氧化钙和硅酸钠的用量如表1中制备例4所示。其余步骤与实施例5均相同。

[0055] 实施例10

[0056] 一种高效低碳耐蚀型超高性能混凝土，与实施例7的区别在于，污泥活性改性剂的掺量为30kg。其余步骤与实施例7均相同。

[0057] 实施例11

[0058] 一种高效低碳耐蚀型超高性能混凝土，与实施例7的区别在于，污泥活性改性剂的掺量为45kg。其余步骤与实施例7均相同。

[0059] 实施例12

[0060] 一种高效低碳耐蚀型超高性能混凝土，与实施例10的区别在于，污泥固废基掺合料中预处理污泥、硅灰和粒化高炉矿渣的质量比为1:1:1。其余步骤与实施例10均相同。

[0061] 实施例13

[0062] 一种高效低碳耐蚀型超高性能混凝土，与实施例10的区别在于，污泥固废基掺合料中预处理污泥、硅灰和粒化高炉矿渣的质量比为1:1.5:0.5。其余步骤与实施例10均相同。

[0063] 实施例14

[0064] 一种高效低碳耐蚀型超高性能混凝土，与实施例10的区别在于，污泥固废基掺合料中预处理污泥、硅灰和粒化高炉矿渣的质量比为1:1.5:1。其余步骤与实施例10均相同。

[0065] 对比例1

[0066] 一种高效低碳耐蚀型超高性能混凝土，与实施例3的区别在于，复配水泥中高贝利特硫铝酸盐水泥的掺量为0kg。其余步骤与实施例3均相同。

[0067] 对比例2

[0068] 一种高效低碳耐蚀型超高性能混凝土，与实施例10的区别在于，污泥活性改性剂的掺量为0kg。其余步骤与实施例10均相同。

[0069] 对比例3

[0070] 一种高效低碳耐蚀型超高性能混凝土，与实施例14的区别在于，污泥固废基掺合料中硅灰和粒化高炉矿渣掺量为0kg。其余步骤与实施例14均相同。

[0071] 一、性能检测

[0072] 对实施例1‑14和对比例1‑3制得的超高性能混凝土材料，执行标准为《混凝土物理力学性能试验方法标准》(GB/T 50081‑2019)测试超高性能混凝土28d、84d、140d抗压强度和《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法》(GB/T 50081‑2019)抗压强度耐蚀系数测定，测试结果如下：

[0073]

[0074] 结合实施例1‑4的性能指标数据可以看出，实施例3中污泥固废基掺合料在超高性能混凝土中起到了微集料效应，预处理污泥、硅灰和粒化高炉矿渣尺寸和颗粒的优选，有助于改善孔隙率，形成更致密的孔结构，掺合料的活性激发加速了水泥中硅酸三钙、硅酸二钙水化，生成大量水化硅酸钙凝胶和氢氧化钙，导致骨料‑浆体界面处粘结更紧密，使得超高性混凝土具有较高的抗压强度、耐蚀性能。经混凝土抗压强度测试后，其28d、84d、140d的抗压强度和耐蚀系数均较高。

[0075] 结合实施例3、实施例5‑6和对比例1的性能指标数据可以看出，随着复配水泥中高贝利特硫铝酸盐水泥掺量的增加，其抗压强度先增加后降低，但其耐蚀系数都有所增加，本发明实施例中掺入的高贝利特硫铝酸盐水泥，在早期水化阶段，高贝利特硫铝酸盐水泥中硫铝酸钙和硬石膏反应水化反应，快速水化，生成钙矾石和氢氧化铝，2种水泥的水化反应相互作用。高贝利特硫铝酸盐水泥和硅酸盐水泥水化产生的氢氧化钙迅速发生水化反应，形成具有致密结构的钙矾石。高贝利特硫铝酸盐水泥的掺入可以促进水泥反应物的水化，生成水化硅酸钙凝胶和氢氧化钙，从而进一步促进钙矾石的形成。说明复配水泥中高贝利特硫铝酸盐水泥的掺入有助于提高其力学性能和耐蚀性能。

[0076] 结合实施例5和实施例7‑11的性能指标可以看出，制备例2的污泥活性改性剂的配比较好，当掺量为30kg时，其28d、84d、140d的抗压强度和耐蚀系数均较高。氧化钙可以与预处理污泥中的石膏反应生成钙矾石，预处理污泥溶解出的硅氧四面体和铝氧四面体在碱性环境下缩聚生成C(N)‑A‑S‑H凝胶；钙矾石和C(N)‑A‑S‑H凝胶有利于基体形成致密的结构，促进力学性能发展和耐蚀性能提高。说明本发明实施例中污泥活性改性剂的掺入有助于提高其力学性能和耐蚀性能。

[0077] 结合实施例10和实施例12‑14的性能指标可以看出，污泥固废基掺合料中预处理污泥、硅灰和粒化高炉矿渣的质量比为1:1.5:1时，其28d、84d、140d的抗压强度和耐蚀系数均较高。硅灰和粒化高炉矿渣的掺入有利于其力学性能和耐蚀性能的提高，主要因为富含2+
Ca 的矿渣更容易溶解，具有较高的力学性能，硅灰的二次水化能够持续提高超高性能混凝土强度，并改善其耐久性。

[0078] 综上所述，本发明实施例的一种高效低碳耐蚀型超高性能混凝土通过复配水泥、污泥活性改性剂、污泥固废基掺合料、外加剂协同作用，调整其个组分之间比例，使得本发明超高性能混凝土不仅具有良好的力学性能，同时具有优异的耐蚀性。此外，本发明中污泥固废基掺合料合理采用污泥等废弃物，就地取材，最大化合理利用资源，显著减少了资源消耗，实现了固废资源的再利用，节约了成本，具有很好的经济效益和社会效益。

[0079] 上面结合具体实施例对本发明的实施方式作了详细的说明，但是本发明不限于上述实施方式，在所属技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。