本發明涉及固廢利用，尤其涉及一種全固廢混凝土及其制備方法和應用。

背景技術：

1、3d打印技術，作為一種新興的制造技術，以其高精度、高效率、高靈活性和可定制化等特點，在建筑領域展現出巨大的應用潛力。通過3d打印技術，可以精確控制建筑材料的形狀、尺寸和結構，實現復雜結構的快速構建。特別是在制備再生膠混凝土板等建筑材料時，3d打印技術能夠確保材料的均勻性和穩定性，提高產品的質量和性能。目前，已有關于3d打印混凝土的研究報道，有研究人員通過在混凝土中引入碳纖維來提高3d打印混凝土的力學性能，但是為了使該配方混凝土具有更好的流動性和觸變性，需要在配方中加入膨脹劑、消泡劑和引氣劑，制作過程較為繁瑣，不適宜實際工程應用；也有研究人員在3d打印用混凝土中添加納米石墨烯，以解決現有3d打印用混凝土流動性差導致打印過程中容易出現斷料的現象，但是，由于納米石墨烯造價較為昂貴，不利于工程中大量應用。因此，提供一種成本低廉且具有優異的熱穩定性、抗低溫開裂能力和抗疲勞性能以及高強度的全固廢混凝土具有重要意義。

技術實現思路

1、鑒于此，本發明提供一種全固廢混凝土及其制備方法和應用。

2、為解決上述技術問題，本發明提供的技術方案是：

3、本發明第一個方面提供一種全固廢混凝土的制備方法，包括如下步驟：

4、步驟1、將粒徑為0.038mm~4.5mm的煤矸石和粒徑為5mm~15mm的煤矸石混合，得煤矸石集料；

5、步驟2、對煤矸石進行研磨，然后于600w~700w功率下進行微波活化，得改性煤矸石微粉；

6、步驟3、將所述改性煤矸石微粉和鋼渣粉混合均勻，得混合物，于950w~1050w功率下對所述混合物進行微波活化，得改性粗骨料；

7、步驟4、將所述煤矸石集料、改性粗骨料和廢舊橡膠粉混合均勻，得第一混合礦料；

8、步驟5、將改性膠于150℃~170℃下加熱，然后加入至所述第一混合礦料，得第二混合礦料；

9、步驟6、將所述第二混合礦料、羥丙基甲基纖維素和玄武巖纖維混合均勻，于1150w~1250w的功率下進行微波活化，得全固廢混凝土；

10、其中，步驟5中，所述改性膠為廢舊橡膠粉依次由紫外輻照和堿改性后，包覆環氧樹脂與聚酰胺樹脂得到。

11、相對于現有技術，本發明提供的全固廢混凝土中，步驟1中粗粒徑的煤矸石作為骨架結構，使混凝土能承受較大的荷載，細粒徑的煤矸石能夠填充混凝土中的顆粒間的空隙，本發明通過選擇不同粒徑的煤矸石作為煤矸石集料，能顯著改善混凝土的抗壓強度，并且密實的混凝土結構還有助于抵抗因溫度變化產生的應力，進一步提高混凝土的高溫穩定性、低溫穩定性和抗疲勞性能。

12、步驟2中，對煤矸石進行機械研磨處理，能增加煤矸石的比表面積，并通過微波活化，改變煤矸石的晶體結構，使其內部的化學鍵發生變化，生成更多的活性位點，有利于改性煤矸石微粉與混凝土中其他成分更好地結合，進而提高混凝土的抗壓強度和抗疲勞性能，并且改性煤矸石微粉能夠填充混凝土中的細小孔隙，降低混凝土內部的熱傳導，提高混凝土的高溫穩定性和低溫穩定性。

13、步驟3中，通過微波活化改性煤矸石微粉與鋼渣粉的混合物，微波的選擇性加熱效應可加速煤矸石微粉中活性與鋼渣粉中游離cao、mgo的離子遷移和界面反應，促進水化過程中c-s-h凝膠和鈣礬石（aft）的生成；同時，微波引發的局部高溫促使鋼渣粉中玻璃體硅酸鹽網絡解聚，釋放更多活性和，進一步強化水化產物的交聯密度與微觀結構致密性，從而顯著提升混凝土的抗壓強度。同時，微波活化使改性煤矸石微粉和鋼渣粉顆粒表面的原子或分子發生斷裂重排，改變其表面能量，增強二者在混凝土中和其他成分的粘結力，從而提高混凝土的抗壓能力；此外，提高混凝土中各成分間的粘結性，有利于提高混凝土的密實性，使制備的混凝土在溫度變化條件時，體積變化減小，提高高溫穩定性和低溫穩定性。

14、步驟5中，紫外輻照能使廢舊橡膠粉表面的分子鏈發生斷裂和重組，產生更多的活性官能團，堿改性能進一步提高改性膠中官能團的活性。通過紫外輻照和堿改性后的橡膠粉，能避免其在混凝土中出現團聚現象，還能夠極大地提高改性膠與混凝土中其他物質的結合力，使其均勻分散于混凝土中，增強混凝土的抗壓強度；紫外輻照和堿改性工藝進一步提高了改性膠對環氧樹脂和聚酰胺樹脂的吸附能力，環氧樹脂和聚酰胺樹脂附著在改性膠表面，進一步改善了廢舊橡膠粉的拉伸強度，還能使改性膠牢固地粘結在煤矸石集料和改性粗骨料上，提高了混凝土的整體性，進而提高其力學強度。并且環氧樹脂和聚酰胺樹脂包覆在橡膠粉表面，能防止改性膠在高溫環境下發生老化、變形等問題，在低溫環境下，又能避免改性膠產生變脆，從而提高了混凝土的高溫穩定性和低溫穩定性；此外，環氧樹脂和聚酰胺樹脂還能固定改性膠在混凝土中的相對位置，使其充分發揮緩沖和分散應力的作用，進而提高混凝土的抗疲勞性能；將改性膠于特定溫度下進行加熱，能夠使改性膠和其他成分更好地融合，進而進一步提高混凝土的力學強度。

15、步驟6中，羥丙基甲基纖維素能在混凝土體系中形成網狀結構，限制混凝土在低溫條件下過度收縮，并且混凝土中煤矸石集料和改性粗骨料能吸附在羥丙基甲基纖維素上，使得煤矸石集料和改性粗骨料在高溫條件下不容易發生位移，從而提高混凝土的密實性、高溫穩定性和低溫穩定性；玄武巖纖維能進一步增強混凝土的力學強度，并且在外力作用下，還能分擔一部分應力，提高混凝土的抗疲勞性能；兩種纖維起到協同增效的作用，能極大地改善混凝土的力學強度、耐高溫和耐低溫穩定性以及抗疲勞性能；本發明通過將羥丙基甲基纖維素和玄武巖纖維加入第二混合礦料中，進一步微波活化，使混凝土中各成分之間反應更加充分，最大程度地改善混凝土的綜合性能，使其具有優異的力學強度、高溫穩定性、低溫穩定性和抗疲勞性能。

16、本發明提供的全固廢混凝土的制備方法中，以不同粒徑煤矸石混合制備成煤矸石集料，以改性煤矸石微粉和鋼渣粉微波活化后的混合物作為改性粗骨料，又進一步添加廢舊橡膠粉、改性膠、羥丙基甲基纖維素和玄武巖纖維，各個成分之間起到了復合強化的作用，提高了全固廢混凝土的力學強度、高溫穩定性、低溫穩定性和抗疲勞性能；在制備方法中貫穿微波活化的操作，進一步提高了全固廢混凝土復合材料的整體性能，從而實現了1＋1＞2的顯著效果。

17、優選的，步驟1中，以煤矸石集料總質量為100%計，所述粒徑為0.038mm~4.5mm的煤矸石在煤矸石集料中的質量百分含量為58%~62%，所述粒徑為5mm~15mm的煤矸石在煤矸石集料中的質量百分含量為38%~42%。

18、本發明進一步限定了煤矸石集料中粗粒徑煤矸石和細粒徑煤矸石的比例，能夠使制備的全固廢混凝土更加密實，改善全固廢混凝土的抗壓強度。

19、優選的，步驟1中，所述煤矸石集料的表觀密度為1800kg/m3~2200kg/m3，吸水率為5%~10%，含水率為2%~6%。

20、優選的，步驟2中，所述研磨的條件為：對所述煤矸石以380r/min~420r/min的速率研磨60min~90min，過200~600目孔篩。

21、優選的，步驟2中，所述微波活化的條件為：頻率為2ghz~3ghz，溫度為140℃~180℃，時間為3min~10min。

22、優選的微波活化的條件有利于改善煤矸石活性，使其更加充分地和混凝土中其他成分結合，提高混凝土的力學強度、高溫穩定性、低溫穩定性和抗疲勞性能。

23、優選的，步驟2中，所述改性煤矸石微粉的粒徑為0.025mm~0.075mm。

24、優選的，步驟3中，所述鋼渣粉的粒徑為10mm~30mm。

25、通過限定改性煤矸石微粉以及鋼渣粉的粒徑，有利于使改性煤矸石微粉最大程度地附著在鋼渣粉上，進一步激發鋼渣粉的活性成分，提高鋼渣粉的強度。

26、優選的，步驟3中，所述微波活化的條件為：頻率為2.4ghz~2.5ghz，溫度為150℃~200℃，時間為5min~10min。

27、本發明進一步限定微波活化的條件，有利于使改性煤矸石微粉和鋼渣粉之間充分反應，進而提高混凝土的力學強度、高溫穩定性和低溫穩定性。

28、優選的，步驟3中，所述改性煤矸石微粉和鋼渣粉的質量比為（4~6）:（98~102）。

29、優選的比例有利于進一步提高混凝土的綜合性能。

30、優選的，步驟4中，所述廢舊橡膠粉的拉伸強度為3mpa~5mpa。

31、優選的，步驟4中，所述廢舊橡膠粉的粒徑為0.11mm~0.13mm。

32、通過限定廢舊橡膠粉的拉伸強度和粒徑，使廢舊橡膠粉在有外力作用下分擔一定的應力，進而提高混凝土的抗疲勞性能。

33、優選的，步驟5中，所述加熱的時間為10min~15min。

34、優選的，步驟5中，所述加入至所述第一混合礦料的具體操作為：將改性膠通過噴灑的方式均勻噴灑在第一混合礦料上，以合適的速率攪拌2min~3min。

35、優選的，步驟6中，所述羥丙基甲基纖維素的長度為5mm~8mm，直徑為0.1mm~0.3mm，抗拉強度為2950mpa~2960mpa。

36、優選的，步驟6中，所述玄武巖纖維的長度為9μm~18μm，直徑為13μm~20μm，抗拉強度為2000mpa~3000mpa。

37、本發明進一步限定羥丙基甲基纖維素和玄武巖纖維的具體參數，能最大程度發揮兩種纖維的作用，極大地改善混凝土的力學強度、耐高溫和耐低溫穩定性以及抗疲勞性能。

38、優選的，步驟6中，所述微波活化的時間為5min~7min。

39、優選的，步驟6中，所述微波活化的溫度為155℃~165℃。

40、優選的微波條件有利于使混凝土中各成分之間的反應更加充分，改善混凝土的綜合性能。

41、優選的，以全固廢混凝土總質量為100%計，所述煤矸石集料在全固廢混凝土中的質量百分含量為50%~60%，所述改性粗骨料在全固廢混凝土中的質量百分含量為25%~35%，所述廢舊橡膠粉在全固廢混凝土中的質量百分含量為5%~10%，所述改性膠在全固廢混凝土中的質量百分含量為3%~5%，所述羥丙基甲基纖維素在全固廢混凝土中的質量百分含量為0.5%~1.5%，所述玄武巖纖維在全固廢混凝土中的質量百分含量為0.5%~1.5%。

42、本發明通過限定全固廢混凝土中各成分的質量含量，有利于進一步發揮各成分之間的作用，極大地改善全固廢混凝土的綜合性能。

43、優選的，步驟5中，所述改性膠的制備方法包括如下步驟：

44、s1、對廢舊橡膠粉進行紫外輻照，得輻照廢舊橡膠粉；

45、s2、將所述輻照廢舊橡膠粉加入至堿溶液，于50℃~60℃下浸泡，固液分離，洗滌，干燥，得處理輻照廢舊橡膠粉；

46、s3、將環氧樹脂和聚酰胺樹脂混合均勻，于80℃~90℃下加熱，得混合樹脂；

47、s4、將所述處理輻照廢舊橡膠粉加入至混合樹脂，于60℃~70℃下加熱，得改性膠。

48、本發明提供的改性膠的制備方法操作簡單，利用本發明的改性方法制備的改性膠具有優異的拉伸強度和耐老性能，將其應用于混凝土中能明顯提高混凝土的力學強度、抗疲勞性能、高溫穩定性和低溫穩定性。

49、優選的，s1中，所述廢舊橡膠粉的粒徑為0.11mm~0.13mm。

50、優選的，s1中，所述廢舊橡膠粉的拉伸強度為3mpa~5mpa。

51、優選的，s1中，所述紫外輻照的紫外波長為250nm~280nm。

52、優選的，s1中，所述紫外輻照的輻照強度為15mw/cm2~25mw/cm2。

53、優選的，s1中，所述紫外輻照的時間為5min~8min。

54、優選的，s2中，所述堿溶液為含有氫氧化鈉和硅酸鈉的水溶液，其中，所述氫氧化鈉在堿溶液中的質量含量為3%~5%，所述硅酸鈉在堿溶液中的質量含量為1%~2%。

55、優選的，s2中，所述浸泡的時間為20min~40min。

56、優選的，s2中，所述輻照廢舊橡膠粉和堿溶液的質量比為1:（1.5~3）。

57、優選的，s3中，所述環氧樹脂和聚酰胺樹脂的質量比為3:（1.5~2.5）。

58、優選的，s3中，所述環氧樹脂的型號為e-51。

59、優選的，s3中，所述聚酰胺樹脂的型號為pa66。

60、優選的，s3中，所述加熱的條件為：加熱時需要進行攪拌，至兩種物質混合均勻即可。

61、優選的，s4中，所述處理輻照廢舊橡膠粉和混合樹脂的質量比為（4~4.2）:1。

62、優選的，s4中，所述加熱的時間為8h~10h。

63、本發明第二個方面提供一種全固廢混凝土，由上述全固廢混凝土的制備方法制備得到。

64、本發明第三個方面提供上述全固廢混凝土在3d打印混凝土中的應用。

65、本發明通過精確控制全固廢混凝土中各組分的比例，并優化制備工藝，得到了兼具高力學強度、耐高溫和低溫穩定性以及優異抗疲勞性能的全固廢混凝土材料，利用3d打印技術打印全固廢混凝土能夠按照預設的模型快速、精確地打印出混凝土預制構件，大大縮短了施工周期。與傳統的瀝青混凝土施工方法相比，無需等待混凝土的長時間運輸與攤鋪碾壓，可實現連續打印，提高了施工效率，尤其適用于緊急搶修和快速建造項目。3d打印可以輕松實現各種復雜形狀和結構的構件制造，突破了傳統施工方法在形狀和結構上的限制，為工程設計提供了更大的自由度，能夠滿足個性化和創新性的工程需求。

66、優選的，所述3d打印混凝土時，噴頭的直徑為3cm~5cm。

67、優選的，所述3d打印混凝土時，擠出速度為0.32m3/h~0.4m3/h。

68、優選的，所述3d打印混凝土時，擠出壓力為5mpa~5.5mpa。

69、優選的，所述3d打印混凝土時，水平打印速度為250m/h~290m/h。