阅读说明：本技术 改进型渣土再生回填材料及其制备方法 (Improved slag soil regeneration backfill material and preparation method thereof ) 是由 薛信恺 徐浩 蒋自胜 邱礼城 苏良缘 陈秋宇 俞静雯 于 2019-09-24 设计创作，主要内容包括：本申请提供了一种改进型渣土再生回填材料及其制备方法,将渣土作为主要成分,掺入适量的水泥、水、粉煤灰、早强剂,混合搅拌制备成改进型渣土再生回填材料；该制备方法包括以下步骤：除去异物、污染变质部分,按照配方分别称取各组分,将称取好的各组分进行混合搅拌至质地均匀,即得成品。上述改进型渣土再生回填材料及其制备方法实现了对渣土的再利用,减小了管道开挖作业对环境的污染,降低了回填作业的工程造价,在保证回填材料具备足够流动性的同时提高了回填材料的后期强度。(The application provides an improved muck regeneration backfill material and a preparation method thereof, wherein muck is used as a main component, and is mixed with a proper amount of cement, water, fly ash and an early strength agent to prepare the improved muck regeneration backfill material by mixing and stirring; the preparation method comprises the following steps: removing foreign matters and polluting deteriorated parts, respectively weighing the components according to the formula, and mixing and stirring the weighed components until the texture is uniform to obtain the finished product. The improved muck regeneration backfill material and the preparation method thereof realize the reutilization of muck, reduce the pollution of pipeline excavation operation to the environment, reduce the construction cost of backfill operation, ensure that the backfill material has enough fluidity and simultaneously improve the later strength of the backfill material.)

改进型渣土再生回填材料及其制备方法

技术领域

本申请涉及土木工程材料领域，特别涉及一种改进型渣土再生回填材料及其制备方法。

背景技术

目前，我国处于高速建设发展期，城市管网施工将产生大量需填充修复的基槽或管沟，因此，基槽回填、管沟回填是本领域需要经常面对的问题。

现有技术中，人们通常将管道施工开挖渣土作建筑垃圾处理，并采用石粉渣类回填材料进行回填作业。

现有技术的缺陷在于，其会产生大量建筑垃圾污染环境，且需购买大量的回填材料及运送建筑垃圾和石粉渣类回填材料，造成巨大交通运输压力，影响施工效率，工程造价较高。

发明内容

本申请提供一种改进型渣土再生回填材料及其制备方法，其以渣土为主要材料大大降低了回填材料的制备成本，且该改进型渣土回填材料具备良好的流动性及后期强度。

为了实现上述技术效果，本申请第一方面提供了一种改进型渣土再生回填材料，其中，包括以下质量份数的配方组分：

基于本申请第一方面，在第一种可能的实现方式中，上述渣土中的有机质含量不超过5wt％。

基于本申请第一方面，在第二种可能的实现方式中，上述渣土颗粒的粒径不大于40mm，且粒径小于2mm的颗粒含量不超过55wt％，粒径为5-20mm的颗粒含量不超过30wt％。

基于本申请第一方面，在第三种可能的实现方式中，上述水泥为通用水泥、专用水泥或特性水泥中至少一种。

基于本申请第一方面的第三种可能的实现方式，在第四种可能的实现方式中，上述通用水泥为波特兰水泥、普通硅酸盐水泥、矿渣硅酸盐水泥、火山灰质硅酸盐水泥、粉煤灰硅酸盐水泥或复合硅酸盐水泥中至少一种。

基于本申请第一方面，在第五种可能的实现方式中，上述粉煤灰为C类粉煤灰、F类粉煤灰中至少一种；

上述C类粉煤灰为氧化钙含量高于10wt％的粉煤灰；

上述F类粉煤灰为氧化钙含量不高于10wt％的粉煤灰。

基于本申请第一方面，在第六种可能的实现方式中，上述早强剂为氯盐早强剂、硫酸盐早强剂、硝酸盐早强剂、有机早强剂或复合早强剂中至少一种。

本申请第二方面提供了一种改进型渣土再生回填材料的制备方法，其中，包括以下步骤：

S1.前处理：对渣土进行前处理，除去异物、污染变质部分；

S2.配比设计：按照本申请第一方面及基于其的六种可能的实现方式中任一项所述的改进型渣土再生回填材料的配方分别称取各组分；

S3.解泥处理：将经过S1处理的渣土和水进行混合搅拌，得到混合物；

S4.混合作业：将上述混合物、水泥、粉煤灰、早强剂进行混合搅拌，即得成品。

由上可见，本申请提供的改进型渣土再生回填材料及制备方法，将渣土作为主要成分，掺入适量的水泥、水、粉煤灰、早强剂，混合搅拌制备成改进型渣土再生回填材料。其中，在根据上述配方制成的拌合物中，水泥中的各种成分与水发生水化反应形成各种水化物，其中一部分水化物自身硬化，形成水泥水化物的骨架，另一部分水化物则与周围具有一定活性的土颗粒、粉煤灰颗粒发生反应。水泥水化物中的大量离子使土颗粒和粉煤灰颗粒产生凝聚，粉煤灰活性被激发，玻璃体中的负离子团变小，表面有吸附力。土颗粒、粉煤灰颗粒与水泥水化物之间进行离子交换与吸附和凝结硬化的物理化学反应，最终提升拌合物的强度。因此，上述技术方案合理地对渣土进行再利用，配合其他材料，制备了一种改进型渣土再生回填材料，减小了管道开挖作业对环境的污染，降低了回填作业的工程造价，在保证回填材料具备足够流动性的同时提高了回填材料的后期强度。

具体实施方式

为了使本申请要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

本申请实施例说明书中所提到的相关成分的重量不仅仅可以指代各组分的具体含量，也可以表示各组分间重量的比例关系，因此，只要是按本申请实施例说明书相关组分的含量按比例放大或缩小均在本申请实施例说明书公开的范围之内。具体的，本申请实施例说明书中所述的重量可以是μg、mg、g、kg等化工领域公知的质量单位。

本申请实施例提供一种改进型渣土再生回填材料，包括以下质量份数的配方组分(均为各组分干质量)：

可选的，上述渣土为工程渣土(如：城市雨水、生活污水、饮用水等管网施工过程中开挖沟槽出的渣土)，上述渣土中的有机质含量不超过5wt％，有机质会影响回填材料的后期强度，若有机质含量过高，后期强度将无法满足所需质量要求。

可选的，上述渣土中，若粒径小于2mm的颗粒含量超过55wt％，所制成的改进型渣土再生回填材料效果不好且不经济；若粒径为5-20mm的颗粒含量超过30wt％，所制成的改进型渣土再生回填材料会产生严重的泌水现象，回填材料的性质会不均匀，质量不好控制；若渣土颗粒的粒径大于40mm，将对回填材料的质量造成负面影响；综上，上述渣土颗粒的粒径不大于40mm，粒径小于2mm的颗粒含量应不大于55wt％，粒径为5-20mm的颗粒含量应不大于30wt％。

可选的，上述水泥为通用水泥、专用水泥或特性水泥中至少一种。进一步的，上述通用水泥为波特兰水泥、普通硅酸盐水泥、矿渣硅酸盐水泥、火山灰质硅酸盐水泥、粉煤灰硅酸盐水泥或复合硅酸盐水泥中至少一种；上述专用水泥为专门用途的水泥，如：G级油井水泥，道路硅酸盐水泥；上述特性水泥为某种性能比较突出的水泥，如：快硬硅酸盐水泥、低热矿渣硅酸盐水泥、膨胀硫铝酸盐水泥、磷铝酸盐水泥或磷酸盐水泥。配置改进型渣土再生回填材料时使用上述哪一种水泥需根据实际情况考虑，根据施工现场所需水泥的特质、特性选用合适的水泥种类；

优选的，在需要早强型回填材料时，上述水泥可以采用硫铝酸盐水泥；在需要保持较长时间流动状态的回填材料时，上述水泥可以采用硅酸盐水泥；在需要兼顾回填材料成本(硫铝酸盐水泥成本较高)和一定的回填材料的早强特性时，上述水泥可以采用按一定比例混合的硫铝酸盐水泥和硅酸盐水泥。

需要说明的是，混凝土为以水泥为胶凝材料，加以辅料，并与适量的水拌制而成的水泥混凝土。

可选的，上述水应符合JGJ63-2006《混凝土用水标准》的规定；其中，若上述水符合现行国家标准GB5749-2006《生活饮用水卫生标准》要求的饮用水，可不经检验作为混凝土用水。

可选的，上述粉煤灰为C类粉煤灰、F类粉煤灰中至少一种；

上述C类粉煤灰为氧化钙含量高于10wt％的粉煤灰，通常是由燃烧无烟煤或烟煤所得的，并能符合这一类技术条件的粉煤灰，这一类粉煤灰具有火山灰性能；

上述F类粉煤灰为氧化钙含量不高于10wt％的粉煤灰。

可选的，上述粉煤灰为I级粉煤灰、II级粉煤灰、III级粉煤灰中至少一种；

上述I级粉煤灰和II级粉煤灰和III级粉煤灰的分类遵循《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》(GB/T 1596-2017)中制定的标准。

需要说明的是，粉煤灰在混凝土中的作用包括：

(1)混凝土拌和料和易性得到改善

掺加适量的粉煤灰可以改善混凝土拌和料的流动性、粘聚性和保水性，使混凝土拌和料易于泵送、浇筑成型，并可减少坍落度的经时损失；

(2)混凝土的温升降低

掺加粉煤灰后可减少水泥用量，且粉煤灰水化放热量很少，从而减少了水化放热量，因此施工时混凝土的温升降低，可明显减少温度裂缝，这对大体积混凝土工程特别有利；

(3)混凝土的耐久性提高

由于二次水化作用，混凝土的密实度提高，界面结构得到改善，同时由于二次水化作用使得易受腐蚀的氢氧化钙数量降低，因此掺加粉煤灰后可提高混凝土的抗渗性和抗硫酸盐腐蚀性和抗镁盐腐蚀性等.同时由于粉煤灰比表面积巨大，吸附能力强，因而粉煤灰颗粒可以吸附水泥中的碱，并与碱发生反应而消耗其数量。游离碱数量的减少可以抑制或减少碱集料反应；

(4)变形减小

变形减小粉煤灰混凝土的徐变低于普通混凝土：粉煤灰的减水效应使得粉煤灰混凝土的干缩及早期塑性干裂与普通混凝土基本一致或略低，但劣质粉煤灰会增加混凝土的干缩；

(5)耐磨性提高

粉煤灰的强度和硬度较高，因而粉煤灰混凝土的耐磨性优于普通混凝土。但混凝土养护不良会导致耐磨性降低；

(6)成本降低

掺加粉煤灰在等强度等级的条件下，可以减少水泥用量约10-15wt％，因而可降低混凝土的成本。

可选的，上述早强剂为氯盐早强剂、硫酸盐早强剂、硝酸盐早强剂、有机早强剂或复合早强剂中至少一种。早强剂的主要作用在于加速水泥水化速度，促进混凝土早期强度的发展；既具有早强功能，又具有一定减水增强功能。

相应的，本申请实施例还提供了上述改进型渣土再生回填材料的一种制备方法，包括以下步骤：

S1.前处理：对渣土进行前处理，除去异物、污染变质部分；

S2.配比设计：按照上文所述的改进型渣土再生回填材料的配方分别称取各组分；

S3.解泥处理：将经过S1处理的渣土和水进行混合搅拌，得到混合物；

S4.混合作业：将上述混合物、水泥、粉煤灰、早强剂进行混合搅拌，即得成品。

具体的，上述步骤S1中，对渣土进行前处理，包括：

1)除去木片、铁片等混杂在渣土中的异物；

2)当采用污染发臭的河道底泥作为原材料时，应将污染变质部分除去；

具体的，上述步骤S2中，根据渣土再生材料的使用目的和工程需求，确定渣土的目标属性范围，最终确定渣土再生材料的配合比设计。改进型渣土再生回填材料配方中的各组分范围为：渣土2200-2500份、水泥160-210份、水600-700份、粉煤灰30-40、早强剂0.5-0.9份。

具体的，上述步骤S3中，对渣土进行解泥处理，将经过上述步骤S1的渣土和水进行搅拌。上述解泥处理针对的是渣土中的粒径小于2mm的颗粒含量较高时(尤其是粘粒含量较高时)的问题，在最终的混合搅拌前，先将渣土和水进行解泥处理能提高回填材料的均匀度和拌合性，提升回填材料的品质；

可选的，上述步骤S3中，在将经过上述步骤S1的渣土和水进行搅拌之前，对经过上述步骤S1的渣土进行破碎工作。

具体的，上述步骤S4中，将步骤S3所得的渣土与水的混合物与水泥、粉煤灰、早强剂混合进行最终的混合搅拌，得到成品回填材料；

可选的，上述搅拌可以选用高效的双轴搅拌(低速搅拌和高速搅拌同时进行)，利用叶片的快速搅拌和打散作用，将水泥、粉煤灰、早强剂与上述渣土、水的混合物一起搅拌至均匀的流动状态，具体混合搅拌时间由实际土质和机器搅拌速度决定。

根据上述制备方法制备完成后，对成品进行流动值和无侧限抗压强度的测试，具体如下：

1)流动值测试

流动值测试装置由一块有机玻璃平板和一个高80mm、直径80mm的有机玻璃圆柱筒(仅有圆柱侧面部分)组成。试验时，先用抹布将有机玻璃圆筒内壁和有机玻璃平板表面的灰尘抹去，并在有机玻璃内壁涂上一层凡士林，将有机玻璃圆筒放置在水平的有机玻璃平板上，并将有机玻璃板表面润湿；然后将淤泥或新拌固化淤泥装入有机玻璃圆筒，装样过程中不断振捣以保证装样密实，装满后用刮刀将表面刮平，再用抹布拭去外筒壁和板面上洒落的淤泥；装样完成后将有机玻璃圆筒垂直向上轻轻提起，30s后，用钢尺测量拌合物摊开后的最大直径和最小直径，取二者平均值为流动值。为了保证试验的可靠性，每组试样需进行2-3次平行试验，以平均值作为最终的流动值；

2)无侧限抗压强度测试

无侧限抗压强度测试按照《土工实验方法标准》(GB/T50123-1999)来进行。试验所用仪器为南京土壤仪器厂生产的YYW-2型应变控制式无侧限压力仪，压缩速率为1.18mm/min。为了保证试验的可靠性，每组试样需进行2-3次平行试验，以平均值作为最终的无侧限抗压强度；

3)CBR测试

将拌和好的流动化土浇筑到CBR钢筒中后进行养护后，到达养护龄期后，进行贯入实验。①将试件放到路面材料强度试验仪的升降台上，调整偏球座，对准、整平并使贯入杆与试件顶面全面接触，在贯入杆周围放置4块荷载板。②先在贯入杆上施加45N荷载，然后将测力和测变形的百分表指针均调整至整数，并记读起始读数。③加荷使贯入杆以1-1.25mm/min的速度压入试件，同时测记三个百分表的读数。记录测力计内百分表某些整读数(如20、40、60)时的贯入量，并注意使贯入量为250×10^-2mm时，能有5个以上的读数。因此，测力计内的第一个读数应在贯入量为30×10^-2mm左右。读数完成后进行处理，一般采用贯入量为2.5mm时的单位压力与标准压力之比作为材料的承载比(CBR值)。如贯入量为5mm时的承载比大于2.5mm时的承载比，则试验应重做。如结果仍然如此，则采用5mm时的承载比作为材料的承载比(CBR值)。

本申请实施例中，将测试合格标准定为：

1)流动值为200-300mm；

2)1天的无侧限抗压强度大于60-100kPa，7天的无侧限抗压强度为400-600kPa，28天的无侧限抗压强度为800-900kPa；

3)当贯入量为2.5mm时，压力表的数值达到770kPa时，对应的CBR值约为11％。

上述合格标准均处于我国《公路路基设计规范》(JTG D30-2015)和日本建设省规范《エアモルタル及びエアミルクの試験方法》(JHS A313-1992)的相关质量要求范围之内。

现以具体改进型渣土再生回填材料配方及其制备为例，对本申请进行进一步详细说明。其中，水固比指水与固体材料(包括渣土、水泥、粉煤灰)的干质量比，灰砂比指水泥与渣土的干质量比，因此，上述配方的水固比和灰砂比范围为：水固比0.219-0.292，灰砂比0.064-0.095。

需要说明的是，根据上述配方和制备方法制备出的回填材料具备一定的流动性和一定的强度，具体影响因素如下：

1)流动性：流动性主要受水的影响，渣土中包含大量粉粒和粘粒，其中的矿物含量较高，水的加入会产生水化反应，使得粘土矿物发生膨胀变形，胶结物和胶结程度的不同会引起吸水膨胀速率的差异，从而影响水化反应的快慢，影响拌合物的硬化，从而使其具备一定的流动性，因此，流动性主要受水固比的影响，随着水固比的增大，流动性随之增大；

2)强度：强度主要受水泥的水化作用影响，因此，早期强度和后期强度主要受灰砂比的影响，随着灰砂比的增大，强度随之增大；此外，早期强度还能通过增加早强剂含量或增加水泥中的硫铝酸盐水泥含量来提升，后期强度还能通过掺入适量粉煤灰来提升。

实施例1

本实施例提供一种改进型渣土再生回填材料及其制备方法。上述改进型渣土再生回填材料包括以下质量份数的配方：

上述渣土颗粒的粒径均不大于40mm，其中，粒径小于2mm的颗粒含量为45wt％，粒径为5-20mm的颗粒含量为25wt％；上述渣土中的有机质含量为3wt％。

其制备方法如下：

S11.对渣土进行前处理，除去异物、污染变质部分；

S12.按照上文所述的改进型渣土再生回填材料的配方分别称取各组分；

S13.将2500份经过S11处理的渣土和600份水进行混合搅拌，得到混合物；

S14.将上述混合物与210份复合硅酸盐水泥、35份C类II级粉煤灰、0.7份复合早强剂混合搅拌至均匀的流动状态。

实施例1改进型渣土再生回填材料的相关性能测试结果：

水固比：0.219

灰砂比：0.084

流动性：208mm

无侧限抗压强度：1天84kPa，7天521kPa，28天854kPa

CBR值：11％

实施例2

本实施例提供一种改进型渣土再生回填材料及其制备方法。上述改进型渣土再生回填材料包括以下质量份数的配方：

上述渣土颗粒的粒径均不大于40mm，其中，粒径小于2mm的颗粒含量为45wt％，粒径为5-20mm的颗粒含量为25wt％；上述渣土中的有机质含量为3wt％。

其制备方法如下：

S21.对渣土进行前处理，除去异物、污染变质部分；

S22.按照上文所述的改进型渣土再生回填材料的配方分别称取各组分；

S23.将2200份经过S21处理的渣土和700份水进行混合搅拌，得到混合物；

S24.将上述混合物与160份复合硅酸盐水泥、35份C类II级粉煤灰、0.7份复合早强剂混合搅拌至均匀的流动状态。

实施例2改进型渣土再生回填材料的相关性能测试结果：

水固比：0.292

灰砂比：0.073

流动性：296mm

无侧限抗压强度：1天69kPa，7天476kPa，28天841kPa

CBR值：11％

实施例3

本实施例提供一种改进型渣土再生回填材料及其制备方法。上述改进型渣土再生回填材料包括以下质量份数的配方：

上述渣土颗粒的粒径均不大于40mm，其中，粒径小于2mm的颗粒含量为45wt％，粒径为5-20mm的颗粒含量为25wt％；上述渣土中的有机质含量为3wt％。

其制备方法如下：

S31.对渣土进行前处理，除去异物、污染变质部分；

S32.按照上文所述的改进型渣土再生回填材料的配方分别称取各组分；

S33.将2500份经过S31处理的渣土和650份水进行混合搅拌，得到混合物；

S34.将上述混合物与160份复合硅酸盐水泥、35份C类II级粉煤灰、0.7份复合早强剂混合搅拌至均匀的流动状态。

实施例3改进型渣土再生回填材料的相关性能测试结果：

水固比：0.241

灰砂比：0.064

流动性：232mm

无侧限抗压强度：1天62kPa，7天413kPa，28天806kPa

CBR值：11％

实施例4

本实施例提供一种改进型渣土再生回填材料及其制备方法。上述改进型渣土再生回填材料包括以下质量份数的配方：

上述渣土颗粒的粒径均不大于40mm，其中，粒径小于2mm的颗粒含量为45wt％，粒径为5-20mm的颗粒含量为25wt％；上述渣土中的有机质含量为3wt％。

其制备方法如下：

S41.对渣土进行前处理，除去异物、污染变质部分；

S42.按照上文所述的改进型渣土再生回填材料的配方分别称取各组分；

S43.将2200份经过S41处理的渣土和650份水进行混合搅拌，得到混合物；

S44.将上述混合物与210份复合硅酸盐水泥、35份C类II级粉煤灰、0.7份复合早强剂混合搅拌至均匀的流动状态。

实施例4改进型渣土再生回填材料的相关性能测试结果：

水固比：0.266

灰砂比：0.095

流动性：262mm

无侧限抗压强度：1天97kPa，7天587kPa，28天883kPa

CBR值：11％

上述四个实施例均满足前文所述流动性、无侧限抗压强度、CBR值的合格标准。

由上可见，本申请提供的改进型渣土再生回填材料及制备方法，将渣土作为主要成分，掺入适量的水泥、水、粉煤灰、早强剂，混合搅拌制备成改进型渣土再生回填材料。其中，在根据上述配方制成的拌合物中，水泥中的各种成分与水发生水化反应形成各种水化物，其中一部分水化物自身硬化，形成水泥水化物的骨架，另一部分水化物则与周围具有一定活性的土颗粒、粉煤灰颗粒发生反应。水泥水化物中的大量离子使土颗粒和粉煤灰颗粒产生凝聚，粉煤灰活性被激发，玻璃体中的负离子团变小，表面有吸附力。土颗粒、粉煤灰颗粒与水泥水化物之间进行离子交换与吸附和凝结硬化的物理化学反应，最终提升拌合物的强度。因此，上述技术方案合理地对渣土进行再利用，配合其他材料，制备了一种改进型渣土再生回填材料，减小了管道开挖作业对环境的污染，降低了回填作业的工程造价，在保证回填材料具备足够流动性的同时提高了回填材料的后期强度。

以上所述仅为本申请的较佳实施例而已，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。