CN103553454A - 利用钢渣作掺合料及作骨料的高性能混凝土及制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用钢渣作掺合料及作骨料的高性能混凝土及制备方法。混凝土由胶凝材料、骨料、减水剂和拌合水组成；胶凝材料由水泥、钢渣微粉和矿渣微粉复合而成；胶凝材料质量百分比为：水泥50%~80%、钢渣微粉10%~30%和矿渣微粉10%~30%；所用钢渣微粉、矿渣微粉的比表面积分别控制在400~600m²/kg、400~500m²/kg；骨料由碎石、钢渣砂和河沙组成；钢渣砂的粒径在5~10mm，部分替代碎石，其掺量为20%~50%；高效减水剂预先溶于水，随拌合水掺入。本发明方法工艺简单，可配制C20~C60等级混凝土，可显著提高钢渣的综合利用率；所得混凝土工作性能、力学性能各方面均良好，且耐久性得到明显改善。

Description

利用钢渣作掺合料及作骨料的高性能混凝土及制备方法

技术领域

本发明属于建筑材料技术领域，特别涉及一种利用钢渣作掺合料及作骨料的高性能混凝土及制备方法。

背景技术

混凝土作为建筑工程领域中应用最广泛、用量最大的建筑材料。随着人类的生产与生活活动向海洋扩展，大量海洋平台亦将在浅海或深海兴建。这种发展趋势将引导现代化建筑向着高层化、大跨化、重载化及结构轻量化方向发展，使用环境的严酷化，对良好工作性、高强度、高耐久性的混凝土的需求日益增长，高性能混凝土成为科技工作者竞相研究的课题。

近年来，高性能混凝土的研究重点集中在混凝土结构设计、低水灰比、活性矿物细掺料以及高效外加剂的使用等几个方面。因此，利用工业废渣制备混凝土是实现配制高性能混凝土的有效手段之一，也是节约能源，保护环境的一种途径。

随着我国钢铁工业的发展，钢铁渣的产量也越来越多。钢渣的排放量约占钢产量的 10% ~15%。2012年我国钢渣的产生量约为9300万吨，综合利用率仅为22%左右。钢渣的利用率低，导致钢渣的常年累积，占用了大量的土地，造成了严重的环境污染，破坏了生态环境。钢渣主要由钙、铁、硅、镁和少量铝、锰、磷等多种氧化物组成，主要矿物相为硅酸三钙、硅酸二钙以及硅、镁、铁、锰、磷的氧化物形成的固熔体，具备可用作水泥混合材和混凝土掺合料的条件。 但由于钢渣含有较大量的 f-CaO、f-MgO 成分，控制不当易造成安定性不良的后果，这严重影响了钢渣的利用。由于钢渣微粉存在凝结时间长、早期强度低、水化速度慢等缺陷，需要进行激发，而采用矿渣微粉作为矿物激发剂效果较好。

钢渣替代部分水泥作混凝土掺合料时不仅对水泥适应性好，同时还可以改善泵送混凝土拌合物粘聚性、减小摩擦力、降低泵压等；同时掺入该掺合料可以提高硬化混凝土的密实性、强度和抗渗性、抗冻性、抗碳化性及耐久性等。利用钢渣作混凝土骨料时，可以提高混凝土的耐磨性，并使混凝土的抗压、抗折强度以及弹性模量也有一定的提高，延长混凝土的使用寿命。因此可以看出钢渣作为掺合料及骨料具有兼容性，所以钢渣同时作为掺合料及骨料具有可行性。

目前对钢渣的研究均集中在其单独作掺合料及单独作骨料的研究，且均得到了较好的研究成果，然而钢渣同时作为掺合料及骨料的研究很少。

发明内容

本发明的目的就是提供一种用钢渣作掺合料及作骨料，通过与其它砂石料配合，并掺加一定量的高效减水剂制备高性能混凝土的方法，提高钢渣的综合利用。

本发明涉及的混凝土由胶凝材料、骨料、外加剂和拌合水组成，胶凝材料、骨料和拌合水的质量百分比分别为15%~25%、65%~80%和5%~10%；其中胶凝材料中各成分的质量百分比为：水泥50%~80%、钢渣微粉10%~30%和矿渣微粉10%~30%；骨料部分：粗骨料级配连续，为粒径5~30mm的碎石，中骨料为粒径5mm~10mm的钢渣砂，部分替代碎石，其掺量为20%~50%，细骨料河沙细度模数为2.5~3.0，砂率为32%~40%，即骨料各成分的质量百分比为：碎石30%~54.4%、钢渣砂12%~34%和河沙32%~40%；外加剂为高效减水剂；高效减水剂质量为胶凝材料质量的1.5%~3%，水胶比为0.30~0.50。

所述混凝土的制备方法具体步骤为：

（1）混凝土由胶凝材料、骨料、外加剂和拌合水组成，胶凝材料、骨料和拌合水的质量百分比分别为15%~25%、65%~80%和5%~10%；其中胶凝材料中各成分的质量百分比为：水泥50%~80%、钢渣微粉10%~30%和矿渣微粉10%~30%；骨料部分：粗骨料级配连续，为粒径5~30mm的碎石，中骨料为粒径5mm~10mm的钢渣砂，部分替代碎石，其掺量为20%~50%，细骨料河沙细度模数为2.5~3.0，砂率为32%~40%，即骨料各成分的质量百分比为：碎石30%~54.4%、钢渣砂12%~34%和河沙32%~40%；外加剂为高效减水剂；高效减水剂质量为胶凝材料质量的1.5%~3%，水胶比为0.30~0.50。

（2）将粒化转炉钢渣、矿渣烘干至含水率小于1%；将已烘干的粒化转炉钢渣和矿渣筛分成2个等级，等级Ⅰ为粒径小于5mm的钢渣和矿渣，磨成钢渣微粉和矿渣微粉，等级Ⅱ为粒径为5mm~10mm的钢渣砂，作为中骨料部分替代碎石；把大于10mm的钢渣颗粒经过破碎之后，再筛分成上述2个等级。

（3）将步骤（2）所得等级Ⅰ的钢渣和矿渣放入球磨机中分别粉磨至比表面积为400~600 m²/kg、400~500 m²/kg，得到钢渣微粉和矿渣微粉。

（4）将水泥及步骤（3）所得的钢渣微粉、矿渣微粉按步骤（1）比例混合均匀得到胶凝材料。

（5）将高效减水剂加入到拌和水中，并混合均匀得到拌合溶液。

（6）先将步骤（1）中碎石与步骤（2）中等级Ⅱ的钢渣砂按步骤（1）比例一起倒入强制式搅拌机中，再将步骤（4）配好的胶凝材料倒入，然后将步骤（1）细度模数且含水率小于1%的细集料倒入搅拌机中进行干拌60秒，得干料。

（7）在搅拌过程中将步骤（5）配制好的拌合溶液缓慢加入到步骤（6）所得干料中，搅拌180~240秒后停机，制备成型，在温度20±2℃，湿度90±5%环境下养护即可。

所述高效减水剂为NSOb-萘磺酸甲醛高缩物钠盐高效减水剂或AF-CA聚羧酸系缓凝高效减水剂，减水率18%~22%。

采用上述方案后，钢渣微粉与矿渣微粉复合作为混凝土掺合料，钢渣中的f-CaO可以更好的激发矿渣微粉的火山灰反应活性，而矿渣微粉吸收了钢渣微粉中的f-CaO后，又可以降低由其引起的安定性不良问题，并可为实现钢渣高附加值提供一定的借鉴。且在混凝土中，河沙作为细骨料，粒径一般在5mm以下；碎石作为粗骨料，其粒径一般在5mm~35mm，但是5mm~10mm的含量较少；这使得混凝土中缺乏一种类似于“中骨料”的颗粒，骨料级配不密实，因此掺入一种粒径为5~10mm的骨料具有必要性。因此把一部分钢渣磨成微粉作为掺合料，经过筛分之后粒径为5~10mm的钢渣颗粒作为“中骨料”部分代替碎石，配制密实的高性能混凝土的，同时可大幅度提高钢渣的利用率。综上所述，钢渣作掺合料及作骨料可制备高性能混凝土，具有强度高、耐久性好等优点。

本发明的有益效果是：

（1）能够大量利用钢渣、矿渣制备混凝土掺合料，掺入量分别在10%~30%、10%~30%，钢渣砂的掺量在20%~50%，可以改善环境，减少污染，节约资源，提高钢渣的综合利用率；

（2）配制的混凝土强度完全符合国家标准，强度满足C20~C60各种等级要求，而且其抗氯离子侵蚀，抗冻性，收缩性等耐久性能均良好，符合高性能混凝土的要求；

（3）制备技术简单，成本低，同时也降低了混凝土生产成本。

具体实施方式

实施例1：

（1）混凝土原料中，胶凝材料、骨料和拌合水的质量百分比分别为21.2%、71.9%和6.9%；胶凝材料按质量百分比配料；其中胶凝材料的质量百分比为：水泥80%、钢渣微粉10%和矿渣微粉10%；粗骨料粒径为5~30mm的碎石；中骨料：粒径5mm~10mm的钢渣砂，部分替代碎石，其掺量为30%；细骨料：河沙细度模数为2.6，砂率采用38%，即骨料各成分的质量百分比为：碎石43.4%、钢渣砂18.6%和河沙38%；高效减水剂质量为胶凝材料质量的2.5%，水胶比采用0.33。

（2）将粒化转炉钢渣、矿渣烘干至含水率小于1%；将已烘干的粒化转炉钢渣和矿渣筛分成2个等级，等级Ⅰ为粒径小于5mm的钢渣和矿渣，磨成钢渣微粉和矿渣微粉，等级Ⅱ为粒径为5mm~10mm的钢渣砂作为中骨料部分替代碎石；把大于10mm的钢渣颗粒经过破碎之后，再筛分成上述2个等级。

（3）把等级Ⅰ的钢渣、矿渣放入球磨机中分别粉磨至比表面积为400~600 m²/kg、400~500 m²/kg，得到钢渣微粉、矿渣微粉。

（4）将水泥与步骤（3）所得钢渣微粉、矿渣微粉按步骤（1）比例混合均匀得到胶凝材料。

（5）将NSOb-萘磺酸甲醛高缩物钠盐高效减水剂按步骤（1）比例加入到拌合水中，混合均匀得到拌合溶液。

（6）按步骤（1）比例将碎石和步骤（2）中等级Ⅱ的钢渣砂倒入强制式搅拌机中，再将步骤（4）配好的胶凝材料倒入，然后将细集料倒入搅拌机中进行干拌60秒，得干料。

（7）在搅拌过程中将步骤（5）配制好的拌合溶液缓慢加入到步骤（6）所得干料中，搅拌240秒后停机，倒出拌制的混凝土，测其工作性能，并制备成型，所配制的混凝土塌落度为21cm，工作性良好，塌落度损失小，无泌水现象。将成型好的混凝土试件24小时后拆模，在温度20±2℃，湿度90±5%的环境下养护28天。

所测的C60混凝土试件28d抗压强度为73.2MPa。56天抗氯离子侵蚀测试中6小时电通量为713 C，而基准混凝土的6小时电通量为1663 C；综合得出钢渣微粉-矿渣微粉高性能混凝土工作性能、力学性能、耐久性均高于普通混凝土。

此例说明利用钢渣微粉-矿渣微粉作掺合料，及钢渣砂作骨料制备的混凝土可满足C60的强度要求。

实施例2：

（1）混凝土原料中，胶凝材料、骨料和拌合水的质量百分比分别为16.4%、76.7%和6.9%；胶凝材料按质量百分比配料，其中胶凝材料的百分比为：水泥70%，钢渣微粉15%，矿渣微粉15%；粗骨料粒径为5~30mm的碎石；中骨料：粒径5mm~10mm的钢渣砂，部分替代碎石，其掺量为40%；细骨料：河沙细度模数为2.6，砂率采用35%，即骨料各成分的质量百分比为：碎石39%、钢渣砂26%和河沙35%；减水剂为胶凝材料质量百分比的2.5%，水胶比采用0.43。

（2）将粒化转炉钢渣、矿渣烘干至含水率小于1%；将已烘干的粒化转炉钢渣和矿渣筛分成2个等级，等级Ⅰ为粒径小于5mm的钢渣和矿渣，磨成钢渣微粉和矿渣微粉，等级Ⅱ为粒径为5mm~10mm的钢渣作为中骨料部分替代碎石；把大于10mm的钢渣颗粒经过破碎之后，再筛分成2个等级。

（3）把等级Ⅰ的钢渣、矿渣放入球磨机中分别粉磨至比表面积为510m²/kg、430m²/kg，得到钢渣微粉、矿渣微粉；

（4）将水泥与步骤（3）所得钢渣微粉、矿渣微粉按步骤（1）比例混合均匀得到胶凝材料；

（5）将AF-CA聚羧酸系缓凝高效减水剂按步骤（1）比例加入到拌合水中，混合均匀得到拌合溶液。

（6）按步骤（1）比例将碎石和步骤（2）中等级Ⅱ的钢渣砂倒入强制式搅拌机中，再将步骤（4）配好的胶凝材料倒入，然后将细集料倒入搅拌机中进行干拌60秒，得干料。

（7）在搅拌过程中将步骤（5）配制好的拌合溶液缓慢加入到步骤（6）所得干料中，搅拌240秒后停机，倒出拌制的混凝土，测其工作性能，并制作成型，所配制的混凝土塌落度18cm，工作性良好，塌落度损失小，无泌水现象。将成型好的混凝土试件24小时后拆模，在温度20±2℃，湿度90±5%的环境下养护28天。

所测的C40混凝土试件 28d抗压强度为50.3MPa。56天抗氯离子侵蚀测试中6小时电通量为875 C，而基准混凝土的6小时电通量为1898 C；综合得出钢渣微粉-矿渣微粉高性能混凝土工作性能、力学性能、耐久性均高于普通混凝土。

此例说明利用钢渣微粉-矿渣微粉作掺合料，及钢渣砂作骨料制备的混凝土可满足C40的要求。

实施例3：

（1）混凝土原料中，胶凝材料、骨料和水的质量百分比分别为15.6%、77.5%和6.9%；胶凝材料按质量百分比配料，其中胶凝材料的百分比为：水泥60%、钢渣微粉20%和矿渣微粉20%；粗骨料粒径为5~30mm的碎石；中骨料：粒径5mm~10mm的钢渣砂，部分替代碎石，其掺量为50%；细骨料：河沙细度模数为2.8，砂率采用37%，即骨料各成分的质量百分比为：碎石31.5%、钢渣砂31.5%和河沙37%；减水剂为胶凝材料质量百分比的1.5%，水胶比采用0.44。

（2）将粒化转炉钢渣、矿渣烘干至含水率小于1%；将已烘干的钢渣筛分成2个等级，等级Ⅰ为粒径小于5mm的钢渣和矿渣，磨成钢渣微粉和矿渣微粉，等级Ⅱ为粒径为5mm~10mm的钢渣作为中骨料部分替代碎石；把大于10mm的钢渣颗粒经过破碎之后，再筛分成上述2个等级。

（3）把等级Ⅰ的钢渣、矿渣放入球磨机中分别粉磨至比表面积为510m²/kg、430 m²/kg，得到钢渣微粉、矿渣微粉。

（4）将水泥与步骤（3）所得钢渣微粉、矿渣微粉按步骤（1）比例混合均匀得到胶凝材料。

（5）将高效减水剂NSOb-萘磺酸甲醛高缩物钠盐按步骤（1）比例加入到拌合水中，混合均匀得到拌合溶液。

（6）按步骤（1）比例将碎石和步骤（2）中等级Ⅱ的钢渣砂倒入强制式搅拌机中，再将步骤（4）配好的胶凝材料倒入，然后将细骨料倒入搅拌机中进行干拌60秒，得干料。

（7）在搅拌过程中将步骤（5）配制好的拌合溶液缓慢加入到步骤（6）所得干料中，搅拌240秒后停机，倒出拌制的混凝土，测其工作性能，并制作成型，所配制的混凝土塌落度20cm，工作性良好，塌落度损失小，无泌水现象。将成型好的混凝土试件24小时后拆模，在温度20±2℃，湿度90±5%的环境下养护28天。

所测的C30混凝土试件28d抗压强度40.6MPa。56天抗氯离子侵蚀测试中6小时电通量为1126 C，而基准混凝土的6小时电通量为2372 C；综合得出钢渣微粉-矿渣微粉高性能混凝土工作性能、力学性能、耐久性均高于普通混凝土。

此例说明利用钢渣微粉-矿渣微粉作掺合料，及钢渣砂作骨料制备的混凝土可满足C30的要求。

Claims (2)

1.一种利用钢渣作掺合料及作骨料的混凝土，其特征在于混凝土由胶凝材料、骨料、外加剂和拌合水组成，胶凝材料、骨料和拌合水的质量百分比分别为15%~25%、65%~80%和5%~10%；其中胶凝材料中各成分的质量百分比为：水泥50%~80%、钢渣微粉10%~30%和矿渣微粉10%~30%；骨料部分：粗骨料级配连续，为粒径5~30mm的碎石，中骨料为粒径5mm~10mm的钢渣砂，部分替代碎石，其掺量为20%~50%，细骨料河沙细度模数为2.5~3.0，砂率为32%~40%，即骨料各成分的质量百分比为：碎石30%~54.4%、钢渣砂12%~34%和河沙32%~40%；外加剂为高效减水剂；高效减水剂质量为胶凝材料质量的1.5%~3%，水胶比为0.30~0.50。

2.根据权利要求1所述的混凝土的制备方法，其特征在于具体步骤为：

（1）混凝土由胶凝材料、骨料、外加剂和拌合水组成，胶凝材料、骨料和拌合水的质量百分比分别为15%~25%、65%~80%和5%~10%；其中胶凝材料中各成分的质量百分比为：水泥50%~80%、钢渣微粉10%~30%和矿渣微粉10%~30%；骨料部分：粗骨料级配连续，为粒径5~30mm的碎石，中骨料为粒径5mm~10mm的钢渣砂，部分替代碎石，其掺量为20%~50%，细骨料河沙细度模数为2.5~3.0，砂率为32%~40%，即骨料各成分的质量百分比为：碎石30%~54.4%、钢渣砂12%~34%和河沙32%~40%；外加剂为高效减水剂；高效减水剂质量为胶凝材料质量的1.5%~3%，水胶比为0.30~0.50；

（2）将粒化转炉钢渣、矿渣烘干至含水率小于1%；将已烘干的粒化转炉钢渣和矿渣筛分成2个等级，等级Ⅰ为粒径小于5mm的钢渣和矿渣，磨成钢渣微粉和矿渣微粉，等级Ⅱ为粒径为5mm~10mm的钢渣砂，作为中骨料部分替代碎石；把大于10mm的钢渣颗粒经过破碎之后，再筛分成上述2个等级；

（3）将步骤（2）所得等级Ⅰ的钢渣和矿渣放入球磨机中分别粉磨至比表面积为400~600 m²/kg、400~500 m²/kg，得到钢渣微粉和矿渣微粉；

（4）将水泥及步骤（3）所得的钢渣微粉、矿渣微粉按步骤（1）比例混合均匀得到胶凝材料；

（5）将高效减水剂加入到拌和水中，并混合均匀得到拌合溶液；

（6）先将步骤（1）中碎石与步骤（2）中等级Ⅱ的钢渣砂按步骤（1）比例一起倒入强制式搅拌机中，再将步骤（4）配好的胶凝材料倒入，然后将步骤（1）细度模数且含水率小于1%的细集料倒入搅拌机中进行干拌60秒，得干料；

（7）在搅拌过程中将步骤（5）配制好的拌合溶液缓慢加入到步骤（6）所得干料中，搅拌180~240秒后停机，制备成型，在温度20±2℃，湿度90±5%环境下养护即可；

所述高效减水剂为NSOb-萘磺酸甲醛高缩物钠盐高效减水剂或AF-CA聚羧酸系缓凝高效减水剂，减水率18%~22%。