基于工业固体废弃物的低频减振超材料混凝土及制备应用

本发明属于建筑材料，尤其涉及一种基于工业固体废弃物的低频减振超材料混凝土及制备应用。

背景技术：

1、随着我国工业技术快速发展，在此过程中产生并积累了大量工业固体废弃物。其中冶炼工业作为国家经济支柱产业，生产过程中产生大量钢渣，当前存量近10亿吨，且年增量1亿吨；同时我国作为汽车工业大国，轮胎消费量逐年攀升，废旧轮胎年产量近4亿条。由于工业固废产量的持续增长且回收处理效率较低，未妥善处理的工业固废大量堆积将造成土壤、水体和大气污染等环境问题，对我国生态环境的可持续发展构成巨大威胁。

2、同时，混凝土作为最主要的建筑材料，其制备过程产生的碳排放量在建筑全生命周期中占比较高，采用工业固废制备人工骨料将有助于减少骨料开采及水泥生产中的碳排量，并减缓天然骨料资源压力与工业固废堆积危害。在现有技术中，超材料混凝土是具有滤波减振效应的新型混凝土材料，采用由弹性涂层包裹质量密度较高的重核构成的局域共振人工骨料替代普通砂石粗骨料，局域共振人工骨料在动载作用下可产生波动带隙，以衰减特定频段内振动传递，可为建筑、桥梁以及其它重大民用基础设施的减振控制提供技术支撑。

3、然而，现有制备超材料混凝土的技术方案中，局域共振人工骨料内核常采用铅、钢等密度较高的金属材料，外覆硅橡胶、天然橡胶等作为弹性涂层，与传统天然粗骨料相比，经济成本与生产碳排放量均处于较高水平。同时，局域共振人工骨料结构参数较为单一，打开的带隙起止频率较高，主要应用于高频冲击荷载的减振抗裂，而对于交通、地震等因素引起的低频动载控制效果有限。因此，如何利用工业固体废弃物制备具有低频减振效果的超材料混凝土，有效降低经济生产成本与碳排放量是将超材料混凝土推广至民用基础设施领域亟需解决的技术问题。

技术实现思路

1、为克服现有技术的不足，本发明目的是提供一种基于工业固体废弃物的低频减振超材料混凝土及制备应用，将不同粒径的钢渣与废旧轮胎橡胶构成的局域共振人工骨料应用于超材料混凝土中，通过设计合适的骨料级配曲线，打开低频滤波带隙，同时降低材料成本与生产碳排放量。

2、为此，本发明采用以下技术方案：

3、一种基于工业固体废弃物的低频减振超材料混凝土，所述的低频减振超材料混凝土包括：水泥砂浆与局域共振人工骨料；所述的局域共振人工骨料由所述的钢渣重核外覆废旧橡胶弹性涂层组成。

4、所述钢渣重核的材料包括转炉渣（bfs）、电炉渣（eafs）、铸余渣（crs）、不锈钢渣（sss）中的一种或几种，表观密度不低于3000kg/m3。

5、所述的废旧橡胶弹性涂层可选范围包括：废旧轿车轮胎、废旧客车轮胎、废旧卡车轮胎。

6、所述钢渣重核粒径为4.75-31.5mm，且级配连续；废旧轮胎橡胶颗粒粒径不大于3mm，橡胶弹性涂层厚度为5-10mm。

7、所述水泥砂浆由波特兰水泥、水、细骨料及减水剂制备而成。

8、所述的超材料混凝土的制备方法，包括以下步骤：

9、第一步：选取粒径范围在4.75-31.5mm，且级配连续的钢渣作为骨料内核；

10、第二步：选用废旧轮胎，经过常温破碎工艺后得到纯化废旧橡胶颗粒，采用粘结剂使废旧橡胶颗粒均匀包裹在钢渣表面，经加温加压后固化形成弹性涂层，钢渣重核与外覆废旧橡胶弹性涂层共同构成局域共振人工骨料；

11、第三步：制备水泥砂浆，将第二步中制备的局域共振人工骨料放入水泥砂浆中搅拌振捣均匀，使水泥砂浆完全包裹局域共振人工骨料。

12、所述粘结剂采用环氧树脂、聚氨酯、硅橡胶粘结剂中的一种。

13、所述的超材料混凝土的应用，该混凝土材料配筋或与钢材形成组合构件，制成具有低频滤波功能的结构构件。

14、由以上公开的技术方案可知，与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

15、本发明以大宗工业固废钢渣、废旧轮胎橡胶为原料，设计具有局域共振效应的人工骨料，将其加入到水泥砂浆中，构成具有滤波减振功能的超材料混凝土。从而对地震、交通等因素引起的100hz以下低频振动进行衰减控制。然而，在经济成本方面，钢渣价格仅约为200元/吨，废旧轮胎约为700元/吨，而现有超材料混凝土常用重核材料钢、铅价格分别约为5000元/吨、20000元/吨，常用弹性涂层材料聚氨酯、硅橡胶与环氧树脂，其价格分别约为20000元/吨、30000元/吨与30000元/吨，原料成本降幅显著。同时，由于采用工业固废制备局域共振人工骨料且二次处理工艺简单，相较于普通混凝土可减少20%以上碳排放量，相较于常见的以钢珠作为重核材料的超材料混凝土可减少50%以上的碳排放量。因此，基于工业固废的超材料混凝土具备更好的可持续性及更低的经济成本，在低频减振领域具有良好的应用前景。

技术特征：

1.一种基于工业固体废弃物的低频减振超材料混凝土，其特征在于，所述的低频减振超材料混凝土包括：水泥砂浆与局域共振人工骨料；所述的局域共振人工骨料由所述的钢渣重核外覆废旧橡胶弹性涂层组成。

2.根据权利要求1所述的超材料混凝土，其特征在于，所述钢渣重核的材料包括转炉渣（bfs）、电炉渣（eafs）、铸余渣（crs）、不锈钢渣（sss）中的一种或几种，表观密度不低于3000kg/m3。

3.根据权利要求1所述的超材料混凝土，其特征在于，所述的废旧橡胶弹性涂层可选范围包括：废旧轿车轮胎、废旧客车轮胎、废旧卡车轮胎。

4.根据权利要求1所述的超材料混凝土，其特征在于，所述钢渣重核粒径为4.75-31.5mm，且级配连续；废旧轮胎橡胶颗粒粒径不大于3mm，橡胶弹性涂层厚度为5-10mm。

5.根据权利要求1所述的超材料混凝土，其特征在于，所述水泥砂浆由波特兰水泥、水、细骨料及减水剂制备而成。

6.根据权利要求1所述的超材料混凝土的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

7.根据权利要求6所述的超材料混凝土的制备方法，其特征在于，所述粘结剂采用环氧树脂、聚氨酯、硅橡胶粘结剂中的一种。

8.根据权利要求1所述的超材料混凝土的应用，其特征在于，该混凝土材料配筋或与钢材形成组合构件，制成具有低频滤波功能的结构构件。

技术总结本发明公开了一种基于工业固体废弃物的低频减振超材料混凝土及制备应用，是一种具有低频减振功能的低碳混凝土材料，包括水泥砂浆，以及随机分布在水泥砂浆中的多粒径局域共振人工骨料。该局域共振人工骨料以粒径范围4.75‑31.5mm，且级配连续的冶金废料钢渣为重核，外包废旧轮胎橡胶，包裹层厚度5‑10mm，与水泥砂浆混合搅拌浇筑后形成混凝土材料。其中由钢渣、废橡胶构成的多粒径局域共振人工骨料在低频动力荷载激励下，会产生负质量密度特性，形成100Hz以下的多个低频带隙以衰减混凝土中传递的应力波强度。本发明使用工业固废制备局域共振人工骨料，可实现地震、交通等低频动载作用下的混凝土减振，以及工业固废的高值化利用。技术研发人员：陈驹,林建翰受保护的技术使用者：浙江大学技术研发日：技术公布日：2024/12/2