固体废弃物制作的垃圾热解物混凝土及其制备方法

1.本发明涉及固体废物再利用技术领域，尤其涉及一种固体废弃物 制作的垃圾热解物混凝土及其制备方法。

背景技术：

2.生活、生产活动中绝大部分废弃物是生物有机材料，即生物质， 含有丰富的有机质和养分，具有可再生性。将生物质置于缺氧或绝氧 环境中，在相对较低的高温下(<700℃)热裂解后生成的固态产物就 是生物炭，也被科学家冠以“黑色黄金”的美誉。生物炭以高度富碳 为标志，主要含有c、h、o、s、n等元素及灰分物质，此外还保留 了原料中的ca、mg、k、si、fe、mn、cu、zn等元素，元素组成 受原材料和热解温度影响；而混凝土是当代最主要的土木工程材料之 一，它是由胶凝材料、骨料、水等按一定比例配制，经均匀搅拌，密 实成型，养护硬化而成的一种人工石材。由于城市化、交通基础设施 和水力基础设施的建设，混凝土已经是地球上人工建造的最大体量的 建筑体。混凝土对社会经济发展具有重要的意义，其社会和经济意义 不可替代。

3.现如今，城市生活垃圾产量的持续增长造成了严重的生态环境污 染，热解作为一种垃圾资源化处置技术，在我国正逐步推广应用。然 而，垃圾热解后的固体残渣，即垃圾热解物的处置处理去向受到人们 广泛关注。水泥是混凝土制造中主要的胶凝材料，但水泥属于粗放式 资源消耗型产业，在生产过程中不仅需要大量能源，而且会造成严重 的大气污染。如果将垃圾热解物替代部分水泥应用于混凝土制备，可 以大大缓解当前垃圾处理压力，减轻水泥生产三废排放污染。但垃圾 热解物替代水泥是否能有效提高混凝土强度，改善混凝土界面结构尚 不清楚，鉴于此，本发明提出了一种固体废弃物制作的垃圾热解物混 凝土及其制备方法，同时还进一步的设计了一系列试验来验证垃圾热 解物混凝土的性能。

技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种固体废弃物制作的垃圾热解物混凝 土及其制备方法，以探究用垃圾热解物替代水泥是否能够有效提高混 凝土强度、改善混凝土界面结构以及研究垃圾热解物替代部分水泥后 对水泥物理性能的影响，探究垃圾热解物混凝土的力学性能和抗冻性 能。

5.为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

6.一种固体废弃物制作的垃圾热解物混凝土，按重量份数计，包括 以下组分：水泥300～450份，垃圾热解物15～25份，粗骨料1100～ 1300份，细骨料550～750份，拌合水190～200份；所述水泥包括 有p.o 42.5和p.o 32.5水泥；所述垃圾热解物由城市生活制备所得， 所述垃圾热解物与混凝土的重量比为4％～6％；所述粗骨料为粒径范 围为5～20mm的连续级配碎石；所述细骨料为iso标准砂和天然河 砂；所述拌合水为自来水。

7.优选地，具体包括有c40垃圾热解物混凝土、c30垃圾热解物混 凝土和c20垃圾热解物混凝土；

8.所述c40垃圾热解物混凝土，按重量份数计，包括以下组分：p.o 42.5水泥400～420份，垃圾热解物15～25份，粗骨料1150～1200 份，细骨料550～600份，拌合水190～200份，水胶比为0.45；

9.所述c30垃圾热解物混凝土，按重量份数计，包括以下组分：p.o 42.5水泥330～350份，垃圾热解物10～20份，粗骨料1100～1150 份，细骨料700～750份，拌合水180～200份，水胶比为0.55；

10.所述c20垃圾热解物混凝土，按重量份数计，包括以下组分：p.o32.5水泥330～350份，垃圾热解物10～20份，粗骨料1200～1250 份，细骨料600～650份，拌合水180～200份，水胶比为0.55。

11.一种固体废弃物制作的垃圾热解物混凝土所使用的混凝土制备 方法，包括以下步骤：

12.s1、利用城市生活垃圾制备垃圾热解物，备用；

13.s2、依次向混凝土搅拌机中倒入称量好的细骨料、水泥、垃圾热 解物和粗骨料；

14.s3、开机干搅拌1min，然后缓慢向混凝土搅拌机中加入拌合水， 再次开机搅拌1min；

15.s4、将搅拌后的拌合物装入内部涂有机油的100mm

×

100mm

×?

100mm和100mm

×

100mm

×

400mm的模具中；

16.s5、将装有拌合物的模具放到混凝土振动台上，直至顶部表面出 现水泥浆为止；

17.s6、用刮刀抹平表面，使得拌合物表面与模具边缘齐平，高低差 不超过0.5mm；

18.s7、将混凝土试件放置于标准养护室养护24h后脱模，随后放入 温度为20

±

2℃，湿度为95％的标准养护室内养护28d；

19.s8、利用s7中制得的混凝土试件进行混凝土工作性能、力学性 能试验和冻融循环试验，记录试验数据；

20.s9、整理和分析s8中所得试验数据，探究垃圾热解物混凝土的 工作性能，力学性能和耐冻性能。

21.优选地，所述s1中提到的垃圾热解物制备，具体包括以下步骤：

22.a1、将城市生活垃圾压实，排出水分，然后通过人工分拣移除 大件垃圾；

23.a2、依次通过磁选、滚筒筛筛分和风选，分离出金属、塑料制 品、建筑垃圾等无机物；

24.a3、将剩余有机物有效破碎后防入可推进式组合热解炉，使得 有机物在600℃下热解得到垃圾热解物。

25.优选地，所述s2中混凝土原料在搅拌过程中，将水泥和垃圾热 解物夹在细骨料和粗骨料之间，防止粉尘飞扬。

26.优选地，所述s8中提到的混凝土试件力学性能试验具体包括有 抗压程度试验、抗折强度试验和劈裂抗拉强度试验。

27.与现有技术相比，本发明提供了一种固体废弃物制作的垃圾热解 物混凝土及其制备方法，具备以下有益效果：

28.本发明提出了一种固体废弃物制作的垃圾热解物混凝土及其制 备方法，通过生活垃圾制备垃圾热解物，用垃圾热解物代替部分水泥 来制备垃圾热解物混凝土，设计一系

列实验探究垃圾热解物混凝土的 各方面性能，具体包括如下有益效果：

29.(1)随着垃圾热解物替代量的增大，垃圾热解物混凝土的抗压 强度呈先增加后减小的趋势；垃圾热解物替代量在5％内时，垃圾热 解物混凝土抗压强度提升，c20垃圾热解物混凝土、c30垃圾热解物 混凝土、c40垃圾热解物混凝土的性能最高分别提升了5.1％、9.2％ 和5.2％；

30.(2)垃圾热解物混凝土抗折强度和劈裂抗拉强度的变化规律与 抗压强度相似，折压比和拉压比范围分别在0.08～0.2和0.08～0.14 间，较普通混凝土有所提升，垃圾热解物混凝土的韧性较普通混凝土 增强；

31.(3)垃圾热解物替代水泥制作水泥基材料时，会吸收更多水导 致实际水灰比下降；此外垃圾热解物中丰富的二氧化硅晶体会促进二 次水化的发生，垃圾热解物混凝土中水化硅酸钙含量增多、界面密实 性提升、孔隙率减小；

32.(4)垃圾热解物混凝土的抗冻性良好；在冻融循环前期，垃圾 热解物混凝土吸水带来的质量增加大于冻融破化导致的质量损失，质 量损失率出现负增长现象，随着冻融次数增多，质量损失率增加；冻 融后垃圾热解物混凝土强度下降，抗压强度损失率在2.94％～18.78％ 间；垃圾热解物混凝土经冻融破坏后孔隙增多，孔隙率增大。

33.综上所述，本发明所提出的垃圾热解物混凝土的应用研究不仅可 为固体废弃物热解产物再利用提供有效途径，而且可减缓水泥产业的 污染现状，同时提高混凝土的力学性能；其发展应用不仅与生态建设 息息相关，也是基建行业有序、长远发展需要重点突破的科学技术问 题。

附图说明

34.图1是本发明提出的一种固体废弃物制作的垃圾热解物混凝土 制备方法的流程示意图；

35.图2是本发明提出的一种固体废弃物制作的垃圾热解物混凝土 及其制备方法的垃圾热解物混凝土抗压破坏形态示意图；

36.图3是本发明提出的一种固体废弃物制作的垃圾热解物混凝土 及其制备方法的垃圾炭替代量对c20、c30、c40混凝土抗压强度的 影响示意图；

37.图4是本发明提出的一种固体废弃物制作的垃圾热解物混凝土 及其制备方法的垃圾热解物混凝土抗折破坏形态示意图；

38.图5是本发明提出的一种固体废弃物制作的垃圾热解物混凝土 及其制备方法的垃圾炭替代量对c20、c30、c40混凝土抗折强度的 影响示意图；

39.图6是是本发明提出的一种固体废弃物制作的垃圾热解物混凝 土及其制备方法的垃圾热解物混凝土劈裂抗拉破坏形态示意图；

40.图7是本发明提出的一种固体废弃物制作的垃圾热解物混凝土 及其制备方法的垃圾炭替代量对c20、c30、c40混凝土劈裂抗拉强 度的影响示意图；

41.图8是本发明提出的一种固体废弃物制作的垃圾热解物混凝土 及其制备方法的c40、c30、c20混凝土抗折强度与抗压强度的关系 示意图；

42.图9是本发明提出的一种固体废弃物制作的垃圾热解物混凝土 及其制备方法的c40、c30、c20混凝土劈裂抗拉强度与抗压强度的 关系示意图；

43.图10是本发明提出的一种固体废弃物制作的垃圾热解物混凝土 及其制备方法的垃圾热解物混凝土冻融后抗压强度损失示意图。

具体实施方式

44.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方 案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部 分实施例，而不是全部的实施例。

45.实施例1：

46.一种固体废弃物制作的垃圾热解物混凝土，按重量份数计，包括 以下组分：水泥300～450份，垃圾热解物15～25份，粗骨料1100～ 1300份，细骨料550～750份，拌合水190～200份；所述水泥包括 有p.o 42.5和p.o 32.5水泥；所述垃圾热解物由城市生活制备所得， 所述垃圾热解物与混凝土的重量比为4％～6％；所述粗骨料为粒径范 围为5～20mm的连续级配碎石；所述细骨料为iso标准砂和天然河 砂；所述拌合水为自来水。

47.具体包括有c40垃圾热解物混凝土、c30垃圾热解物混凝土和 c20垃圾热解物混凝土；

48.所述c40垃圾热解物混凝土，按重量份数计，包括以下组分：p.o 42.5水泥400～420份，垃圾热解物15～25份，粗骨料1150～1200 份，细骨料550～600份，拌合水190～200份，水胶比为0.45；

49.所述c30垃圾热解物混凝土，按重量份数计，包括以下组分：p.o 42.5水泥330～350份，垃圾热解物10～20份，粗骨料1100～1150 份，细骨料700～750份，拌合水180～200份，水胶比为0.55；

50.所述c20垃圾热解物混凝土，按重量份数计，包括以下组分：p.o32.5水泥330～350份，垃圾热解物10～20份，粗骨料1200～1250 份，细骨料600～650份，拌合水180～200份，水胶比为0.55。

51.一种固体废弃物制作的垃圾热解物混凝土制备方法，包括以下步 骤：

52.s1、利用城市生活垃圾制备垃圾热解物，备用；

53.制备垃圾热解物具体包括以下步骤：

54.a1、将城市生活垃圾压实，排出水分，然后通过人工分拣移除 大件垃圾；

55.a2、依次通过磁选、滚筒筛筛分和风选，分离出金属、塑料制 品、建筑垃圾等无机物；

56.a3、将剩余有机物有效破碎后防入可推进式组合热解炉，使得 有机物在600℃下热解得到垃圾热解物；

57.s2、依次向混凝土搅拌机中倒入称量好的细骨料、水泥、垃圾热 解物和粗骨料；

58.s3、开机干搅拌1min，然后缓慢向混凝土搅拌机中加入拌合水， 再次开机搅拌1min；

59.s4、将搅拌后的拌合物装入内部涂有机油的100mm

×

100mm

×?

100mm和100mm

×

100mm

×

400mm的模具中；

60.s5、将装有拌合物的模具放到混凝土振动台上，直至顶部表面出 现水泥浆为止；

61.s6、用刮刀抹平表面，使得拌合物表面与模具边缘齐平，高低差 不超过0.5mm；

62.s7、将混凝土试件放置于标准养护室养护24h后脱模，随后放入 温度为20

±

2℃，

湿度为95％的标准养护室内养护28d；

63.s8、利用s7中制得的混凝土试件进行混凝土工作性能、力学性 能试验和冻融循环试验，记录试验数据；

64.s9、整理和分析s8中所得试验数据，探究垃圾热解物混凝土的 工作性能，力学性能和耐冻性能。

65.s2中混凝土原料在搅拌过程中，将水泥和垃圾热解物夹在细骨 料和粗骨料之间，防止粉尘飞扬。

66.s8中提到的混凝土试件力学性能试验具体包括有抗压程度试 验、抗折强度试验和劈裂抗拉强度试验。

67.本发明提出了一种固体废弃物制作的垃圾热解物混凝土及其制 备方法，将成分复杂、性质多变的生活垃圾在600℃下热解获得垃圾 热解物，用其替代水泥制作混凝土试件，研究垃圾炭对水泥基材料物 理性能、力学性能和耐冻性能的影响，探究垃圾热解物替代水泥制作 混凝土的可行性。垃圾热解物混凝土的应用研究不仅可为固体废弃物 热解产物再利用提供有效途径，而且可减缓水泥产业的污染现状，同 时提高混凝土的力学性能；其发展应用不仅与生态建设息息相关，也 是基建行业有序、长远发展需要重点突破的科学技术问题。

68.实施例2：

69.基于实施例1但有所不同之处在于，

70.垃圾热解物混凝土性能试验，具体包括有：

71.依据《普通混凝土配合比设计规程》分别制作垃圾炭替代率为 1％、2％、3％、4％、5％、10％、20％、30％的c20、c30、c40垃圾 热解物混凝土，配合比设计如表1、2、3所示。

72.表1 c20垃圾热解物混凝土配合比设计(kg/m3)

[0073][0074]

表2 c30垃圾热解物混凝土配合比设计(kg/m3)

[0075][0076]

表3 c40垃圾热解物混凝土配合比设计(kg/m3)

[0077]

混凝土工作性能试验具体设计如下：

[0078][0079]

在工程应用中，为避免新拌混凝在泵送、浇筑途中发生离散、泌 水等现象，要求新拌混凝土需具备良好的工作性能，土木工程中一般 以混凝土坍落度作为和易性的评价指标。

[0080]

本试验依据《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》进行垃圾炭 混凝土坍落度的测试。采用上口100mm、下口200mm、高300mm的 喇叭状坍落度筒，分三次灌入混凝土，每装一层用捣棒由筒壁向中心 均匀捣插25下，填装完成后抹平表面，在5～10s内垂直拔起坍落度 筒，混凝土因自重产生坍落现象。筒高与混凝土试体最高点之间的高 度差，即为混凝土拌合物的坍落度值。

[0081]

混凝土力学性能试验具体设计如下：

[0082]

依据《普通混凝土力学性能试验方法标准》测试龄期为28d的垃 圾炭混凝土的抗压强度、劈裂抗拉强度和抗折强度。

[0083]

(1)抗压强度

[0084]

采用万能压力试验机测试100mm

×

100mm

×

100mm的立方体试 件的抗压强度。试验设计c20、c30、c40垃圾热解物混凝土三种配 置强度，每种配置强度下设九组替代率，每组设三个重复样，共27 组，81块试件。试验以成型时的侧面为上下受压面，试件几何对中。 开动压力试验机均匀加荷至试件接近破坏，随后调整仪器油门直至试 件破坏，记录极限破坏荷载。测得的数据乘以尺寸换算系数0.95后 按如下数学方程式计算抗压强度。

[0085][0086]

式中：f

c

为混凝土抗压强度(mpa)；

[0087]

f为试件极限荷载(n)；

[0088]

a为试件承压面面积(mm2)。

[0089]

(2)抗折强度

[0090]

抗折试验所用试件尺寸为100mm

×

100mm

×

400mm的棱柱体， 试件数与抗压强度试验一致，共27组，每组3个重复样，共计81条 棱柱体试件。在压力仪器上装载三分点处双加荷装置，支座间跨度 100mm，两边距试件边缘各50mm，承压面为试件成型时的侧面。试 验前在试件的受力处标记线条，使线条与夹具对应偏差不超过1mm。 均匀加荷至试件于两个集中荷载作用线之间开裂，记录破坏荷载。测 得的数据乘以尺寸换算系数0.85后按如下数学方程式进行抗折强度 的计算。

[0091][0092]

式中：f

t

表示混凝土抗折强度(mpa)；

[0093]

f为试件破坏荷载(n)；

[0094]

l为支座间跨度，本试验取100mm(mm)；

[0095]

a为试件截面宽度(mm)；

[0096]

b为试件截面高(mm)。

[0097]

(3)劈裂抗拉强度

[0098]

采用万能压力试验机测试100mm

×

100mm

×

100mm立方体试件 的劈裂抗拉强度，试件总数为81块。抗拉强度压力作用在与试件成 型面垂直的两个相对侧面的中线位置，加载时试件竖向平面受到均匀 分布的拉伸应力。试验时在上下承压面与压板之间分别装载几何对中 的圆弧形垫块及垫条，开动机器至试件破坏时记录破坏荷载。测得的 数据乘以尺寸换算系数0.85后按如下数学方程式计算劈裂抗拉强度。

[0099][0100]

式中：f

ts

表示混凝土劈裂抗拉强度(mpa)；

[0101]

f为试件极限荷载(n)；

[0102]

a为试件承压面面积，mm2。

[0103]

混凝土冻融循环试验具体设计如下：

[0104]

依据《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法》，采用慢冻法 测定混凝土在气动水融条件下的抗冻性。仪器采用jcd

?

40j型建材冻 融试验机，试件尺寸为100mm

×

100mm

×

100mm，试件组数见表4， 共27组，每组3块重复样，试件总数为81块，冻融循环次数为100 次。

[0105]

表4垃圾炭混凝土冻融循环试验试件组数

[0106][0107]

取出标准养护24天的混凝土试件进行外观检查，随后放入温度 为20

±

2℃的水中浸泡4天，浸泡时水面应完全淹没混凝土；到达28d 龄期后，取出试件擦干表面水分并编号、称重，放入冻融试验机，设 置参数使混凝土在

?

20

±

2℃下冷冻4h，随后在20

±

2℃的水中浸泡融 化4h为一个循环，试验中控制降温时间在1.5～2h内；每进行25次 循环进行一次外观检查并称重，循环次数达到100次时关闭仪器进行 抗压强度的测试。依据下列数学方程式计算混凝土试件的质量损失率 及抗压强度损失率。

[0108][0109]

式中：δm

n

为质量损失率(％)；

[0110]

m0为未冻融前试块的初始质量(g)；

[0111]

m

n

为经n次冻融循环后试件后的质量(g)。

[0112][0113]

式中：δf

n

为抗压强度损失率(％)；

[0114]

f0为未冻融前试件的初始抗压强度(mpa)；

[0115]

f

n

为经100次冻融循环后的试件抗压强度(mpa)。

[0116]

实施例3：

[0117]

请参阅图2

?

9，基于实施例1

?

2但有所不同之处在于，

[0118]

探究垃圾热解物混凝土工作性能和力学性能，具体内容如下：

[0119]

分别以0％、1％、2％、3％、4％、5％、10％、20％、30％的垃圾 炭替代等重量的水泥制作c40、c30、c20垃圾热解物混凝土试件， 探究垃圾炭对抗压强度、抗折强度和劈裂抗拉强度产生的影响，探究 垃圾炭混凝强度间的相互关系，并进一步分析垃圾热解物混凝土性能 提升机理。

[0120]

垃圾热解物混凝土抗压试验结果如下：

[0121]

(1)抗压破坏形态

[0122]

研究混凝土在不同受力情况下的裂纹产生及发展、破坏形态、破 坏位置对判断和预测大体积工程应用混凝土的疲劳损伤累积过程具 有重要意义，本试验中部分立方体试件的受压破坏形态见图2。

[0123]

加载初期，混凝土上下表面受到挤压，水平表面在约束下产生摩 擦阻力，试件从中心内部开始横向膨胀，沿中心45

°

斜对角线产生裂 缝；随着应力持续增加，裂缝扩展加快，表层开裂碎片开始剥落，极 限破坏形态为x形。沿裂缝处观察破坏面，内部应力分布不

均匀， 破坏主要发生在石子与胶凝组分的粘结界面，只有极少数破坏为粗骨 料断裂。垃圾炭混凝土与普通混凝土的抗压破坏过程基本一致，不同 的是，与对照组相比，垃圾炭混凝土裂缝扩展速度变慢，破坏时间相 对延长。

[0124]

(2)抗压强度变化规律

[0125]

作为结构性材料，抗压强度是表征混凝土力学性能的最关键指 标，直接决定着建筑物的安全性与可靠性。图3所示为垃圾炭替代量 分别对c20、c30、c40混凝土抗压强度的影响，由图可知，总体上 抗压强度规律为c40＞c30＞c20，这主要是因为不同配置强度混凝 土的水灰比和水泥标号不同；随着垃圾炭替代量的增加，垃圾热解物 混凝土的抗压强度出现了不同程度的增强和降低。

[0126]

c40垃圾热解物混凝土对照组强度为43.3mpa，替代量小于5％ 时，垃圾热解物混凝土抗压强度较对照组变化幅度很小，与对照组强 度最大差值仅为2.2mpa；替代量为1％、2％、5％时抗压强度分别提 升了3.9％、1.2％和5.2％；其中5％为垃圾炭对c40垃圾热解物混凝 土的最佳替代量，强度达到45.5mpa；替代量增大至10％时强度为 29.2mpa，较对照组性能下降了17.3％，此时远远不能达到c40混凝 土所规定的最低使用强度，但如果作为低标号混凝土使用，也可以考 虑；替代量为20％和30％时，强度被削弱了32.6％和44.7％。c30混 凝土对照组强度为37.2mpa，替代量为1％时性能最优，达到40.6mpa, 强度优化了9.2％，甚至可满足c40混凝土的使用标准；最大替代量 为10％，此时性能下降了19.1％，但仍满足c30规定的最低使标准； 替代量继续增大至20％，抗压强度急剧下降为20.8mpa，仅能达到 c20的最低使用标准；30％替代量时性能大幅下降了49.8％。c20混 凝土在垃圾炭替代量小于10％的范围内几乎无明显变化，均可满足抗 压性能标准；其中最佳替代量为2％，性能较对照组提升了5.1％；可 满足最低使用标准的最大替代量为10％，此后继续增大垃圾炭用量会 导致强度急剧下降。

[0127]

垃圾热解物混凝土抗折试验结果如下：

[0128]

(1)抗折破坏形态

[0129]

混凝土抗折破坏形态见图4。抗折试验初期，在持续加荷下混凝 土外观无明显变化；随着应力的持续增大，试件自下而上垂直产生跨 中裂缝，试件发生急速脆性破坏的同时发出一声清脆的“啪嗒”声，破 坏短暂而突然。对于抗折强度较高的试件，破坏面平整不掉渣，破坏 处多为骨料与胶砂的粘结处，此外还伴有少数粗骨料劈裂现象；对于 抗折强度较低的试件，受力时胶凝组分不仅与粗骨料解体，与细骨料 的粘结处也被破坏，破坏面粗糙不平，有垃圾炭碎末和胶砂碎末掉落， 基本无粗骨料断裂现象。

[0130]

(2)抗折强度变化规律

[0131]

混凝土抗折强度的提高对路面和桥梁的施工应用具有重要意义。 图5为垃圾炭替代量对混凝土抗折强度的影响，混凝土材料脆性较 大，抗折强度远远低于抗压强度。

[0132]

通过图5观察到，总体上抗压强度越高，抗折强度越大；c40、 c30、c20混凝土抗折强度的变化幅度都不大，不同垃圾炭替代量与 对照组强度之间的差值均在1mpa内。c40混凝土对照组抗折强度为 4.3mpa；抗折强度在4％替代量内变化不明显，最大值出现在3％替 代量时，性能提升了8.2％；替代量增大至5％、10％、20％、30％时， 抗折强度分别下降了12.1％、15.7％、17.6％和21.5％。c30混凝土抗 折性能优化较为显著，替代量在10％内强度有所提升或基本与对照组 持平；垃圾炭替代量为1％时抗折强度最大，较对照组提高了

16.9％； 20％和30％替代量时抗折性能分别下降了13.2％和17.7％。c20混凝 土的抗折强度较c30并未出现明显下降，与c30变化规律相似，垃 圾炭替代量在10％内时抗折强度基本不变；最优替代量为1％，强度 对比对照组得到了16.9％的提升；替代量增大至20％及以上时，抗折 强度被削弱，与c40和c30相似，下降幅度在13％

?

20％之间。

[0133]

垃圾热解物混凝土劈裂抗拉试验结果如下：

[0134]

(1)劈裂抗拉破坏形态

[0135]

在混凝土的劈裂抗拉试验中，应保证垫条接触面处无凸起，上下 垫条平行对准，确保垫条均匀传力，保证试件从中线断裂。试件受拉 时，上下两端垫条处应力最为集中，因此断裂首先发生在两端垫条的 中线处，并逐渐向内部相向延伸；继续加载，裂缝逐渐向内扩展，试 件从中间对半劈开。如图6所示，观察断裂面处发现，断裂缝附近出 现数条细微曲折裂缝，破坏面情况与抗折试验时基本一致。添加了垃 圾炭的混凝土裂缝发展较为缓慢，没有观察到突然的裂缝扩展现象。

[0136]

(2)劈裂抗拉强度变化规律

[0137]

劈裂抗拉强度可反映混凝土抵抗开裂的性能，也可用来间接衡量 混凝土与钢筋的粘结强弱。垃圾炭替代量对c20、c30、c40混凝土 劈裂抗拉强度的影响反映在图7中。

[0138]

对于c40混凝土来说，垃圾炭替代量在1％、2％、3％时性能优 于对照组，强度分别提升了5.7％、10.7％和3.4％；劈裂抗拉强度从 垃圾炭替代量超过4％时开始下降，替代量为4％、5％、10％时劈裂 抗拉强度均为3.6mpa，较对照组仅下降了0.3mpa；与抗折强度变化 规律相似，替代量为20％及以上时，垃圾炭对抗拉强度的削弱作用明 显，较对照组分别下降了24.3％和24.4％。c30混凝土在垃圾炭替代 量为10％以内抗拉强度与对照组相比略有提升或基本不变；最佳替代 量为3％，此时抗拉强度出现了6.0％的提升；垃圾炭替代量继续增大 后，抗拉强度呈线性下降。c20混凝土的劈裂抗拉强度性能优化最明 显，垃圾炭替代量在20％内均优于对照组，其中替代量为1％时，劈 裂抗拉强度最佳，较对照组提升了28.7％；替代量为30％时，劈裂抗 拉强度开始下降，较对照组减小了0.6mpa。

[0139]

强度关系：

[0140]

(1)抗折强度与抗压强度的关系

[0141]

混凝土的折压比通常在0.08～0.15之间，混凝土折压比受水泥种 类、粗骨料强度、颗粒级配、水灰比、试件尺寸，搅拌时间等多种因 素影响，因此抗折强度与抗压强度之间很难建立转换关系式，仅有经 验转换式供借鉴。美国波特兰水泥协会认为圆柱形试件的抗折强度与 抗压强度呈线性转换关系：f

t

＝0.0943f

c

+1.32；叶列平研究认为抗折 强度与混凝土抗压强度的二分之一次方有关：我国公 路研究所提出抗压与抗折经验式：f

t

＝0.427f

c0.723

。

[0142]

图8为本试验建立的不同垃圾炭替代量下，c40、c30、c20混 凝土抗折强度与抗压强度的关系式。c40的折压比在0.08～0.14间， c30的折压比在0.09～0.15间，c20的在0.14～0.2之间。垃圾炭替 代量在5％以内时，折压比与对照组相比略有增强或基本不变，垃圾 炭的加入密实了混凝土的孔隙结构，颗粒级配和水灰比得到优化，韧 性提高；当替代量增大到10％以上时，折压比有较大的增长幅度，造 成这种现象的原因是垃圾炭吸收了大部分自由水，水化反应不完全， 密实性下降，抗压性能被大幅度削减。

[0143]

(2)劈裂抗拉强度与抗压强度的关系

[0144]

普通混凝土的拉压比变化范围为0.06～0.12，本试验中c40、c30、 c20混凝土劈裂抗拉强度与抗压强度之间的回归关系反映在图9中。 不同配置强度的垃圾炭混凝土拉压比变化范围相差不大，c40混凝土 的拉压比变化范围在0.08～0.12间，c30拉压比在0.08～0.14间，c20 在0.09～0.13间。与折压比变化规律相似，垃圾炭少量替代时，不同 配置强度的拉压比大约在0.08～0.11间变化；替代量增大至10％时， 拉压比变化范围提升至0.1～0.13间。

[0145]

从微观分子角度看，混凝土抗压试验时，内部分子结构受外力压 迫距离减小，核外电子运动轨迹重叠，为抵抗不同组分原子核与核外 电子产生的斥力，混凝土向横向方向发生形变；抗拉试验时，拉力作 用于试件中轴线上使各组分分离，主要克服范德华力。本试验中，垃 圾炭混凝土拉压比较对照组有所提升，与折压比的变化机理相似，替 代量小于5％时，混凝土结构更加密实，分子间粘结力增强，范德华 力增大；替代量为10％以上时，水化产物组分减少，受压时分子间斥 力减小，拉压比增大。

[0146]

垃圾炭混凝土性能增强机理：

[0147]

(1)垃圾炭的高效减水作用。对垃圾炭混凝土坍落度的研究中 发现垃圾炭替代量越高，坍落度越低，这与胶砂流动度降低的机理相 同，垃圾炭的加入使胶凝组分在质量相同时，吸收更多的自由水。垃 圾炭的吸水性与其物理性能有关，生物质热解炭是一种比表面积大、 疏松多孔的物质，吸附性较强；gupta研究发现木材热解炭对非极性 物质有很强的吸附效应，当垃圾炭替代一定量水泥时，垃圾炭吸收部 分自由水使混凝土的有效水灰比降低；大量研究表明，在水泥用量一 定时，降低水灰比会使混凝土黏聚性更强，力学性能得到改善。试验 中发现垃圾炭替代量大于10％时混凝土性能下降，这是因为水灰比过 小，不能满足水泥水化的需水量，水化产物生成量大幅减少，不能起 到胶凝作用粘结各组分，混凝土拌合物干燥松散，流动性减弱，出现 粗骨料外露现象，此时在电子扫描显微镜下观察到大量孔洞，致密性 下降，极易受空气中二氧化碳侵蚀，混凝土力学性能下降。

[0148]

(2)垃圾炭的火山灰效应。大量研究表明，除了垃圾炭，许多 材料也具有相似的火山灰效应，aliabdo用废玻璃粉代替水泥制备混 凝土，混凝土的抗压强度提升了约9％；akhtar发现稻壳炭应用于混 凝土中可促进水化硅酸钙的生成。垃圾炭中的活性sio2参与到水化 反应中，促使ca(oh)2水解溶出oh

?

1提升了混凝土碱度，oh

?

1的 出现破坏了高聚合态al

?

o

?

si和si

?

o的化学键，活性元素重新溶解、 扩散、聚合，加速了水化反应。

[0149]

(3)垃圾炭的微集料填充效应。混凝土受力时，胶凝组分与骨 料间的粘结强度可抵抗部分形变，在胶凝组分含量相同的情况下，界 面内部集料越丰富，粘结力更强，力学性能越高。垃圾炭中含有极其 细小的碎屑，碎屑填充于缝隙中既抑制了微观孔洞的发展，又作为微 骨料起到支撑作用，因此垃圾炭的加入可增强混凝土的力学性能。

[0150]

实施例4：

[0151]

请参阅图10，基于实施例1

?

3但有所不同之处在于：

[0152]

垃圾热解物混凝土耐冻性研究，具体包括以下内容：

[0153]

本试验分别选取c40、c30、c20垃圾炭混凝土的对照组、替代 量最佳组和替代量最大组进行气冻水融试验，循环次数设为100次， 通过测定冻融后混凝土的质量损失和抗压强度损失，评价垃圾炭混凝 土的抗冻性能。

[0154]

垃圾炭混凝土冻融质量损失

[0155]

(1)质量损失率

[0156]

根据公式计算c40、c30、c20垃圾炭混凝土的对 照组、替代量最佳组和替代量最大组的质量损失率，结果见表5。表 中c40

?

0代表强度等级为c40，垃圾炭替代量为0％的对照组，c40

?

5 代表垃圾炭替代量为5％的c40混凝土，其余编号同理。

[0157]

表5垃圾炭混凝土冻融循环质量损失率(％)

[0158][0159]

由表5可知，经25次冻融循环后，混凝土质量下降，但质量损 失率较低，均在0.12％以下，与对照组相比，垃圾炭混凝土表现出更 低的质量损失率；冻融循环进行到50次时，个别混凝土试件质量不 降反升，质量损失率出现负增长现象；75次冻融循环后，除抗压强 度最高和次高的c40替代量最佳组(c40

?

5)和对照组(c40

?

0)质 量无损失外，其余混凝土试件质量均有所增长；经100次冻融循环后， 混凝土质量损失率开始增长，此时混凝土损伤情况较轻，质量损失率 控制在0.03％～0.26％间。此外，混凝土试件强度等级越高，内部结 构越致密，经相同次数的冻融循环后，质量损失率更低。

[0160]

冻融循环次数较少时，混凝土外观虽未有明显损伤，但内部开始 出现细小孔洞，使混凝土质量出现轻微下降。冻融继续进行，内部微 观结构进一步劣化，孔隙率增加，此时由于垃圾炭较强的吸水性，微 裂缝的吸水量大于孔洞增加带来的质量损失，总体使混凝土质量损失 率出现负增长现象；黄翠玲等对掺石灰石粉和粉煤灰的混凝土抗冻性 研究中同样发现，在前40次冻融循环中，试件质量呈缓慢递增状态， 这是因为裂纹中的水分浸入，使混凝土质量增大。此后继续进行冻融 循环，裂缝中的水在低温下结冰膨胀，在渗透压和静水压作用下损伤 失效，混凝土表面掉渣脱落，质量下降。整个冻融循环过程中，质量 损失率均低于5％，垃圾炭混凝土的抗冻性能良好。

[0161]

(2)质量损失率方差分析

[0162]

采用spss软件分别对c40、c30、c20垃圾炭混凝土在不同冻 融循环次数下的质量损失率进行单因素方差分析，置信区间设定为 95％，结果如表6、7、8所示。不同循环次数下，c40、c30混凝土 的显著性水平p值均大于等于0.05，垃圾炭替代部分水泥并未对混凝 土的冻融质量损失率造成显著性影响。c20混凝土方差分析结果中的 显著性水平较低，除循环次数为75次时的p值在0.05之上，其余循 环次数时p值均小于等于0.05，垃圾炭替代水泥后对c20混凝土的 冻融质量损失率具有显著性影响。

[0163]

表6 c40垃圾炭混凝土冻融循环质量损失率方差分析表

[0164][0165]

表7 c30垃圾炭混凝土冻融循环质量损失率方差分析表

[0166][0167][0168]

表8 c20垃圾炭混凝土冻融循环质量损失率方差分析表

[0169]

[0170]

垃圾炭混凝土冻融强度损失：

[0171]

(1)抗压强度损失

[0172]

图9反映了垃圾炭混凝土经100次冻融后的抗压强度变化，其中， 冻融前试件是指达到28d龄期后，继续养护至冻融循环结束的对照组 试件；表9反映了垃圾炭混凝土冻融前后的抗压强度损失率。

[0173]

冻融前试件的抗压强度与28d抗压强度的规律相似，但经长期养 护后，各组抗压强度均有所增长，其中，替代量最大组即垃圾炭替代 量为10％时混凝土具有最高的强度增长率，这可能是因为垃圾炭早期 吸收的水分在后期缓慢释放，促进了水泥水化。与冻融后混凝土质量 先增加后减小不同，混凝土的抗压强度均下降，这是因为在气动水融 环境中混凝土吸附了更多的孔隙水，在低温下结冰导致体积膨胀，内 部损伤加剧，密实性降低，抗压强度下降。经100次冻融循环后， c20、c30垃圾炭混凝土抗压强度出现了不同程度的下降，下降幅度 在2.94％～9.80％间，但强度仍符合配合比设计要求的最低使用标准； c40混凝土的抗压强度损失率在11.16％～18.78％间，损失率较大； 强度等级高的混凝土抗压强度损失率较大，可能的原因是c20、c30 混凝土水灰比大，后期强度得到了较大幅度增长，而c40混凝土配 合比设计中水灰比偏小，结构较致密，水分吸收量少，后期强度于 28d强度基本一致。垃圾炭混凝土的抗压强度损失率与不含垃圾炭的 混凝土相比，并未出现明显提升或下降，表明垃圾炭混凝土抗冻性能 良好。

[0174]

表9垃圾炭混凝土冻融前后抗压强度损失率

[0175][0176]

(2)抗压强度损失方差分析

[0177]

对垃圾炭混凝土经100次冻融循环前后的抗压强度进行单因素 方差分析，结果见表10。冻融对照组与冻融组经相同时间养护后， 强度得到增长，垃圾炭对c40和c30抗压强度的影响减小；不同垃 圾炭替代量下c20混凝土的抗压强度值差异依旧明显。经100次冻 融循环后，c40、c30、c20混凝土抗压强度的显著性水平均大于0.05， 垃圾炭未对混凝土冻融后的抗压强度造成显著影响。

[0178]

表10垃圾炭混凝土冻融循环后抗压强度方差分析表

[0179]

[0180][0181]

以上，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并 不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范 围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都 应涵盖在本发明的保护范围之内。技术特征：

1.一种固体废弃物制作的垃圾热解物混凝土，其特征在于，按重量份数计，包括以下组分：水泥300～450份，垃圾热解物15～25份，粗骨料1100～1300份，细骨料550～750份，拌合水190～200份；所述水泥包括有p.o 42.5和p.o 32.5水泥中一种或多种；所述垃圾热解物由城市生活垃圾制备所得，所述垃圾热解物与混凝土的重量比为4％～6％；所述粗骨料为粒径范围为5～20mm的连续级配碎石；所述细骨料为iso标准砂和天然河砂；所述拌合水为自来水。2.根据权利要求1所述的一种固体废弃物制作的垃圾热解物混凝土，其特征在于：具体包括有c40垃圾热解物混凝土、c30垃圾热解物混凝土和c20垃圾热解物混凝土；所述c40垃圾热解物混凝土，按重量份数计，包括以下组分：p.o42.5水泥400～420份，垃圾热解物15～25份，粗骨料1150～1200份，细骨料550～600份，拌合水190～200份，水胶比为0.45。3.根据权利要求2所述的一种固体废弃物制作的垃圾热解物混凝土，其特征在于：所述c30垃圾热解物混凝土，按重量份数计，包括以下组分：p.o 42.5水泥330～350份，垃圾热解物10～20份，粗骨料1100～1150份，细骨料700～750份，拌合水180～200份，水胶比为0.55。4.根据权利要求2所述的一种固体废弃物制作的垃圾热解物混凝土，其特征在于：所述c20垃圾热解物混凝土，按重量份数计，包括以下组分：p.o 32.5水泥330～350份，垃圾热解物10～20份，粗骨料1200～1250份，细骨料600～650份，拌合水180～200份，水胶比为0.55。5.用于制备权利要求1

?

4中任一项所述的一种固体废弃物制作的垃圾热解物混凝土的方法，其特征在于：包括以下步骤：s1、利用城市生活垃圾制备垃圾热解物，备用；s2、依次向混凝土搅拌机中倒入称量好的细骨料、水泥、垃圾热解物和粗骨料；s3、开机干搅拌1min，然后缓慢向混凝土搅拌机中加入拌合水，再次开机搅拌1min；s4、将搅拌后的拌合物装入内部涂有机油的100mm

×

100mm

×

100mm和100mm

×

100mm

×

400mm的模具中；s5、将装有拌合物的模具放到混凝土振动台上，直至顶部表面出现水泥浆为止；s6、用刮刀抹平表面，使得拌合物表面与模具边缘齐平，高低差不超过0.5mm；s7、将混凝土试件放置于标准养护室养护24h后脱模，随后放入温度为20

±

2℃，湿度为95％的标准养护室内养护28d；s8、利用s7中制得的混凝土试件进行混凝土工作性能、力学性能试验和冻融循环试验，记录试验数据；s9、整理和分析s8中所得试验数据，探究垃圾热解物混凝土的工作性能，力学性能和耐冻性能。6.根据权利要求5所述的一种固体废弃物制作的垃圾热解物混凝土制备方法，其特征在于，所述s1中提到的垃圾热解物制备，具体包括以下步骤：a1、将城市生活垃圾压实，排出水分，然后通过人工分拣移除大件垃圾；a2、依次通过磁选、滚筒筛筛分和风选，分离出金属、塑料制品、建筑垃圾无机物；a3、将剩余有机物有效破碎后防入可推进式组合热解炉，使得有机物在600℃下热解得到垃圾热解物。7.根据权利要求5所述的一种固体废弃物制作的垃圾热解物混凝土制备方法，其特征

在于：所述s2中混凝土原料在搅拌过程中，将水泥和垃圾热解物夹在细骨料和粗骨料之间，防止粉尘飞扬。8.根据权利要求5所述的一种固体废弃物制作的垃圾热解物混凝土制备方法，其特征在于：所述s8中提到的混凝土试件力学性能试验具体包括有抗压程度试验、抗折强度试验和劈裂抗拉强度试验。

技术总结

本发明公开了一种固体废弃物制作的垃圾热解物混凝土及其制备方法，属于固体废物再利用技术领域。本发明主要目的在于提供一种固体废弃物制作的垃圾热解物混凝土及其制备方法，以探究用垃圾热解物替代水泥是否能够有效提高混凝土强度、改善混凝土界面结构以及研究垃圾垃圾热解物替代部分水泥后对水泥物理性能的影响，探究垃圾热解物混凝土的力学性能和抗冻性能；本发明所提出的垃圾热解物混凝土的应用研究不仅可为固体废弃物热解产物再利用提供有效途径，而且可减缓水泥产业的污染现状，同时提高混凝土的力学性能；其发展应用不仅与生态建设息息相关，也是基建行业有序、长远发展需要重点突破的科学技术问题。展需要重点突破的科学技术问题。展需要重点突破的科学技术问题。

技术研发人员：王震洪 贾亚琪

受保护的技术使用者：长安大学

技术研发日：2021.06.18

技术公布日：2021/9/14