CN110357548A - 一种快硬早强高性能全固废混凝土及其制备方法 - Google Patents

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CN110357548A CN201910654468.5A CN201910654468A CN110357548A CN 110357548 A CN110357548 A CN 110357548A CN 201910654468 A CN201910654468 A CN 201910654468A CN 110357548 A CN110357548 A CN 110357548A
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Abstract

本发明提供一种快硬早强高性能全固废混凝土及其制备方法，属于固废资源化利用技术领域。该混凝土以重量百分比计，包括7～35％的胶凝材料、65％～90％的骨料和0～3％的减水剂；其中，胶凝材料包括25％～60％的矿渣、1％～20％的精炼渣、20％～55％的转炉钢渣和10％～20％的工业副产石膏，骨料包括40～60％的废石、40～60％的铁尾矿。在制备时，先将经粉磨后的矿渣、精炼渣、转炉钢渣和工业副产石膏混匀制得胶凝材料，再将胶凝材料与骨料、减水剂加水混合均匀即得。本发明解决了含转炉钢渣的全固废混凝土早期水化速率慢、初凝及终凝时间过长、早期强度较低的问题，有效降低了混凝土成本，具有明显的经济环境效应。

Description

一种快硬早强高性能全固废混凝土及其制备方法
技术领域
本发明涉及固废资源化利用技术领域，特别是指一种快硬早强高性能全固废混凝土及其制备方法。
背景技术
水泥混凝土作为当今世界上最大宗的人造建筑材料，是目前进行大规模利用工业废渣最为合适的途径。传统的水泥混凝土制造工业使得自然资源和能源遭到巨大消耗，生态环境造成巨大破坏。将矿渣、粉煤灰、钢渣等固体废弃物用于生产胶凝材料以代替水泥，不仅能够提高固体废弃物的综合利用率，节约资源和能源，带来环境效益和经济效益，而且有助于改善混凝土性能，提高产品质量水平。
相比较其他矿物掺合料，我国钢渣综合利用的现状并不理想，目前的综合利用率仅为10％～20％。转炉钢渣中含有一定数量的水泥熟料的主要矿物硅酸二钙(C2S)和硅酸三钙(C3S)，但其水化活性较低，粗放的出渣工艺导致转炉钢渣中游离氧化物含量较高、转炉钢渣整体安定性差，限制了其在胶凝材料中的应用。超细粉磨是目前将转炉钢渣进行综合利用的新方向，不仅使转炉钢渣比表面积增大，充分暴露了其中的游离氧化物，解决了安定性问题，而且伴随转炉钢渣晶格结构及表面物化性能变化，使粉磨能量转化为转炉钢渣粉的内能和表面能，提升了转炉钢渣的胶凝性能。
混凝土作为建筑常用的材料，用量大，强度要求高，通常采用水泥、开山炸石得来的石子、天然的或开山炸石得来的机制砂配制而成，然而现有的混凝土成本较高,且不能将废弃物有效重新利用，开山炸石得到的石子和砂量有限，因此将铁尾矿用于制备混凝土是控制铁尾矿污染的有效途径。
铁尾矿和废石是工业固体废弃物的主要组成部分，是选矿后的废弃物，目前仍以堆存的方式占用大量土地，对土壤、水体、大气污染严重。我国的铁尾矿堆存以铁尾矿为主，其矿物组成主要为石英、斜长石、透辉石、角闪石，性质比较稳定，化学成分主要组成有SiO2、Fe2O3、Al2O3、CaO和MgO，属高硅型铁尾矿，可以加工成混凝土细骨料。废石的矿物成分主要为石英、斜长石、正长石，化学成分以SiO2为主，废石最直接的利用方法是将其通过破碎、筛选等工艺制成各种类型砂石骨料。
采用矿渣、转炉钢渣、铁尾矿、废石等原料生产混凝土能够极大的提高固体废弃物的利用率，但是生产的混凝土产品，尤其是钢渣掺量较大的混凝土产品，其早期强度低于普通水泥混凝土，凝结时间过长。这些缺陷限制了全固废混凝土的应用，而加入适量的精炼渣作为矿物掺合料，能有效改善这些问题。
精炼渣通常由CaO，Al2O3，SiO2，和MgO组成，其矿物学相为橄榄石(γ-C2S)，钙铝石(C12A7)，铝酸三钙(C3A)。精炼渣具有水化特性，可以与水反应生成类似水泥的水化产物，其主要成分C12A7与水接触时反应迅速，有助于提高早期强度。而且相比转炉渣，精炼渣中的氧化铁含量较低，氧化铝含量较高，在冷却过程中由于发生β-C2S向γ-C2S的晶型转变导致体积膨胀，使精炼渣出渣后粉化比较彻底，有利于粉磨制备胶凝材料。
现有技术中，CN106830785A公开了一种掺入钢渣粉的混凝土及其制备方法。采用水泥和钢渣按一定比例混磨制得胶凝材料，并与石英砂和石子按一定比例制备混凝土。但其钢渣利用率较低，没有考虑混凝土的早期强度，大掺量的水泥也提高了混凝土的成本。
CN106747051A公开了一种C20级掺钢渣再生骨料自密实混凝土及其制备方法。这种混凝土制备方法简单具有良好的流动性、填充性、抗离析性。但这种混凝土强度较低，养护难度大，没有利用好钢渣水化特性，忽略了其后期强度增长特点，而且随着混凝土工业的发展，C20级别的低强度混凝土使用量将越来越少。
CN107382192A公开了一种C30级钢渣粉自密实混凝土及其制备方法。这种混凝土具有良好的流动性、间隙通过性、抗离析性和强度，制备方法简单，适合工业化生产。但该方法使用水泥量较大，钢渣掺量较少，并且使用天然粗骨料，对环境有一定破坏作用。
目前，国内现有钢渣的综合利用率低是一个较为突出的问题。钢渣混凝土相较普通混凝土早期水化速度慢、初凝及终凝时间过长、早期强度低，这些问题造成钢渣混凝土中钢渣掺量不足20％。本发明引入的精炼渣是解决这些问题的关键，这种含快硬早强高性能全固废混凝土中钢渣掺量最多可以达到55％，大大提高了钢渣的利用率，混凝土完全采用固体废弃物制备，环境和经济效益明显，并且产品具有良好的力学和耐久性能。
发明内容
本发明为解决转炉钢渣混凝土早期水化速度慢、初凝及终凝时间过长、早期强度低，现有的混凝土骨料不能将废弃物有效重新利用,开山炸石得到的石子和砂量有限且污染环境,精炼渣具有的潜在水硬胶凝性没有得到合理利用，同时精炼渣几乎不参与混凝土后期强度增长以及目前没有利用精炼渣调节混凝土早期强度的先例等问题，提供一种快硬早强高性能全固废混凝土及其制备方法。
该混凝土以重量百分比计，包括7％～35％的胶凝材料、65％～90％的骨料和0～3％的减水剂；其中，胶凝材料由25％～60％的矿渣、1％～20％的精炼渣、20％～55％的转炉钢渣和10％～20％的工业副产石膏制成，骨料包括40％～60％的废石、40％～60％的铁尾矿。
其中，矿渣为符合GB/T 203《用于水泥中的粒化高炉矿渣》的粒化高炉矿渣，矿渣和转炉钢渣的比表面积为400m2/kg～750m2/kg。
转炉钢渣为符合YB/T 022《用于水泥中的钢渣》的转炉钢渣。
精炼渣和工业副产石膏的比表面积为300m2/kg～600m2/kg。
工业副产石膏为脱硫石膏、磷石膏、氟石膏、柠檬石膏、废陶模石膏、钛石膏、芒硝石膏、盐石膏中的一种或多种。
骨料主要给铁尾矿和铁矿废石，需将将铁尾矿和铁矿废石加工成符合GB/T14684-2011《建设用砂》和GB/T14685-2011《建设用卵石、碎石》国家标准的砂石料。
制备该含有精炼渣的全固废混凝土的方法，具体包括步骤如下：
(1)将矿渣和转炉钢渣、精炼渣和工业副产石膏单独粉磨或混合后粉磨，按质量比混匀制得胶凝材料；
(2)将步骤(1)中制得的胶凝材料和骨料、减水剂按质量比混匀，并加入占胶凝材料质量20％～50％的水搅拌均匀后，经浇筑成型并进行养护，得到含有精炼渣的全固废混凝土。
其中，步骤(1)还可将矿渣和转炉钢渣、精炼渣和工业副产石膏混合后进行粉磨。
本发明的上述技术方案的有益效果如下：
上述方案中，通过利用精炼渣水化反应迅速的特性，发挥精炼渣与转炉钢渣、矿渣、石膏的协同激发作用，解决了转炉钢渣混凝土早期水化速率慢、初凝及终凝时间过长、早期强度较低的问题，同时使用铁尾矿、废石作为混凝土骨料，给混凝土低成本、高附加值生产提供了一条新的思路。具体优点如下：
(1)这种含有精炼渣的全固废混凝土其原料可以完全来源于工业固体废弃物，降低混凝土成本，保护环境；
(2)本发明可以协同处置矿渣、转炉钢渣、精炼渣、工业副产石膏等多种工业固体废弃物，实现变废为宝，提高混凝土的绿色度；
(3)本发明相较其他转炉钢渣混凝土其转炉钢渣掺量有明显提高；
(4)本发明解决了转炉钢渣混凝土早期水化速率慢、初凝及终凝时间过长、早期强度较低的问题，增加了转炉钢渣混凝土的商品价值；
(5)本发明利用精炼渣提高混凝土早期水化速率，减少并取代了速凝剂等外加剂的使用，降低了混凝土成本；
(6)本发明充分利用了精炼渣的水硬胶凝特性，为精炼渣的利用提供了新思路。
具体实施方式
为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合具体实施例进行详细描述。
本发明提供一种快硬早强高性能全固废混凝土及其制备方法。
该混凝土以重量百分比计，包括7％～35％的胶凝材料、65％～90％的骨料和0～3％的减水剂；其中，胶凝材料由25％～60％的矿渣、1％～20％的精炼渣、20％～55％的转炉钢渣和10％～20％的工业副产石膏制成，骨料包括40％～60％的废石、40％～60％的铁尾矿。
制备该含有精炼渣的全固废混凝土的方法，具体包括步骤如下：
(1)将矿渣和转炉钢渣、精炼渣和工业副产石膏单独粉磨或混合后粉磨，按质量比混匀制得胶凝材料；
(2)将步骤(1)中制得的胶凝材料和骨料、减水剂按质量比混匀，并加入占胶凝材料质量20％～50％的水搅拌均匀后，经浇筑成型并进行养护，得到含有精炼渣的全固废混凝土。
下面结合具体实施例予以说明。
实施例1
一种含有精炼渣的全固废混凝土，其胶凝材料由以下质量百分比的原料制备而成：矿渣35％，转炉钢渣40％，精炼渣10％，脱硫石膏15％，矿渣和转炉钢渣混磨至比表面积560m2/kg，精炼渣和脱硫石膏混磨至比表面积400m2/kg。混凝土中，胶凝材料占20.8％、骨料占72.7％、减水剂占0.2％，其中粗骨料为废石，细骨料为铁尾矿，减水剂为固体聚羧酸型高效减水剂。对胶凝材料进行安定性测试实验，按照GB/T 1346-2011《水泥标准稠度用水量、凝结时间、安定性检验方法》规定执行。按照上述“胶凝材料”配比制备一致的全固废胶凝材料，经试饼法和雷氏夹法检测后，安定性合格。
混凝土配合比如下表所示：(每立方混凝土材料用量：kg/m3)
混凝土试块依照上表所示配合比，将原料置于混凝土搅拌机中搅拌均匀，于温度20±5℃，相对湿度不低于60％的条件下注入100mm×100mm×100mm之模具中，置于混凝土振动台上振动成型。成型后的试块置于养护温度20℃±2℃、相对湿度不低于95％的标准养护条件下养护24h后脱模，继续置于养护温度20℃±2℃、相对湿度不低于95％的恒温恒湿养护箱内养护至3d、7d以及28d龄期，并做以下检验项目。
检验项目 检验结果
初凝时间(min) 606
终凝时间(min) 738
3d抗压强度(MPa) 24.3
7d抗压强度(MPa) 37.8
28d抗压强度(MPa) 49.0
电通量Q<sub>s</sub>(C) 202
实施例2
一种混凝土，其胶凝材料由以下质量百分比的原料制备而成：矿渣50％，转炉钢渣30％，精炼渣5％，磷石膏15％，矿渣和转炉钢渣混磨至比表面积560m2/kg，精炼渣和脱硫石膏混磨至比表面积400m2/kg。混凝土中，胶凝材料占18.75％、骨料占75.4％、减水剂占0.19％。其中粗骨料为废石，细骨料为铁尾矿，减水剂为固体聚羧酸型高效减水剂。对胶凝材料进行安定性测试实验，按照GB/T 1346-2011《水泥标准稠度用水量、凝结时间、安定性检验方法》规定执行。按照上述“胶凝材料”配比制备一致的全固废胶凝材料，经试饼法和雷氏夹法检测后，安定性合格。
混凝土配合比如下表所示：(每立方混凝土材料用量：kg/m3)
混凝土试块依照上表所示配合比，将原料置于混凝土搅拌机中搅拌均匀，于温度20±5℃，相对湿度不低于60％的条件下注入100mm×100mm×100mm之模具中，置于混凝土振动台上振动成型。成型后的试块置于养护温度20℃±2℃、相对湿度不低于95％的标准养护条件下养护24h后脱模，继续置于养护温度20℃±2℃、相对湿度不低于95％的恒温恒湿养护箱内养护至3d、7d以及28d龄期，并做以下检验项目。
检验项目 检验结果
初凝时间(min) 612
终凝时间(min) 756
3d抗压强度(MPa) 21.3
7d抗压强度(MPa) 38.9
28d抗压强度(MPa) 50.7
电通量Q<sub>s</sub>(C) 339
实施例3
一种混凝土，其胶凝材料由以下质量百分比的原料制备而成：矿渣40％，转炉钢渣40％，精炼渣10％，氟石膏10％，矿渣和转炉钢渣混磨至比表面积560m2/kg，精炼渣和脱硫石膏混磨至比表面积400m2/kg。混凝土中，胶凝材料占16.7％、骨料占77.5％、减水剂占0.17％。其中粗骨料为废石，细骨料为铁尾矿，减水剂为固体聚羧酸型高效减水剂。对胶凝材料进行安定性测试实验，按照GB/T 1346-2011《水泥标准稠度用水量、凝结时间、安定性检验方法》规定执行。按照上述“胶凝材料”配比制备一致的全固废胶凝材料，经试饼法和雷氏夹法检测后，安定性合格。
混凝土配合比如下表所示：(每立方混凝土材料用量：kg/m3)
混凝土试块依照上表所示配合比，将原料置于混凝土搅拌机中搅拌均匀，于温度20±5℃，相对湿度不低于60％的条件下注入100mm×100mm×100mm之模具中，置于混凝土振动台上振动成型。成型后的试块置于养护温度20℃±2℃、相对湿度不低于95％的标准养护条件下养护24h后脱模，继续置于养护温度20℃±2℃、相对湿度不低于95％的恒温恒湿养护箱内养护至3d、7d以及28d龄期，并做以下检验项目。
检验项目 检验结果
初凝时间(min) 612
终凝时间(min) 750
3d抗压强度(MPa) 18.4
7d抗压强度(MPa) 33.9
28d抗压强度(MPa) 38.2
电通量Q<sub>s</sub>(C) 211
实施例4
一种混凝土，其胶凝材料由以下质量百分比的原料制备而成：矿渣43％，转炉钢渣27％，精炼渣18％，柠檬石膏12％，矿渣和转炉钢渣混磨至比表面积560m2/kg，精炼渣和脱硫石膏混磨至比表面积400m2/kg。混凝土中，胶凝材料占19.17％、骨料占74.3％、减水剂占0.19％。其中粗骨料为废石，细骨料为铁尾矿，减水剂为固体聚羧酸型高效减水剂。对胶凝材料进行安定性测试实验，按照GB/T 1346-2011《水泥标准稠度用水量、凝结时间、安定性检验方法》规定执行。按照上述“胶凝材料”配比制备一致的全固废胶凝材料，经试饼法和雷氏夹法检测后，安定性合格。
混凝土配合比如下表所示：(每立方混凝土材料用量：kg/m3)
混凝土试块依照上表所示配合比，将原料置于混凝土搅拌机中搅拌均匀，于温度20±5℃，相对湿度不低于60％的条件下注入100mm×100mm×100mm之模具中，置于混凝土振动台上振动成型。成型后的试块置于养护温度20℃±2℃、相对湿度不低于95％的标准养护条件下养护24h后脱模，继续置于养护温度20℃±2℃、相对湿度不低于95％的恒温恒湿养护箱内养护至3d、7d以及28d龄期，并做以下检验项目。
检验项目 检验结果
初凝时间(min) 606
终凝时间(min) 726
3d抗压强度(MPa) 23.4
7d抗压强度(MPa) 37.8
28d抗压强度(MPa) 46.5
电通量Q<sub>s</sub>(C) 265
实施例5
一种混凝土，其胶凝材料由以下质量百分比的原料制备而成：矿渣32％，转炉钢渣48％，精炼渣2％，废陶模石膏18％，矿渣和转炉钢渣混磨至比表面积560m2/kg，精炼渣和脱硫石膏混磨至比表面积400m2/kg。混凝土中，胶凝材料占19.6％、骨料占73.2％、减水剂占0.15％。其中粗骨料为废石，细骨料为铁尾矿，减水剂为固体聚羧酸型高效减水剂。对胶凝材料进行安定性测试实验，按照GB/T 1346-2011《水泥标准稠度用水量、凝结时间、安定性检验方法》规定执行。按照上述“胶凝材料”配比制备一致的全固废胶凝材料，经试饼法和雷氏夹法检测后，安定性合格。
混凝土配合比如下表所示：(每立方混凝土材料用量：kg/m3)
混凝土试块依照上表所示配合比，将原料置于混凝土搅拌机中搅拌均匀，于温度20±5℃，相对湿度不低于60％的条件下注入100mm×100mm×100mm之模具中，置于混凝土振动台上振动成型。成型后的试块置于养护温度20℃±2℃、相对湿度不低于95％的标准养护条件下养护24h后脱模，继续置于养护温度20℃±2℃、相对湿度不低于95％的恒温恒湿养护箱内养护至3d、7d以及28d龄期，并做以下检验项目。
检验项目 检验结果
初凝时间(min) 642
终凝时间(min) 768
3d抗压强度(MPa) 13.1
7d抗压强度(MPa) 21.5
28d抗压强度(MPa) 30.7
电通量Q<sub>s</sub>(C) 366
对比例
一种全固废混凝土，其胶凝材料由以下质量百分比的原料制备而成：矿渣40％，转炉钢渣45％，脱硫石膏15％，矿渣和转炉钢渣混磨至比表面积560m2/kg，脱硫石膏混磨至比表面积400m2/kg。混凝土中，胶凝材料占20.8％、骨料占72.7％、减水剂占0.2％，其中粗骨料为废石，细骨料为铁尾矿，减水剂为固体聚羧酸型高效减水剂。对胶凝材料进行安定性测试实验，按照GB/T1346-2011《水泥标准稠度用水量、凝结时间、安定性检验方法》规定执行。按照上述“胶凝材料”配比制备一致的全固废胶凝材料，经试饼法和雷氏夹法检测后，安定性合格。
混凝土配合比如下表所示：(每立方混凝土材料用量：kg/m3)
混凝土试块依照上表所示配合比，将原料置于混凝土搅拌机中搅拌均匀，于温度20±5℃，相对湿度不低于60％的条件下注入100mm×100mm×100mm之模具中，置于混凝土振动台上振动成型。成型后的试块置于养护温度20℃±2℃、相对湿度不低于95％的标准养护条件下养护24h后脱模，继续置于养护温度20℃±2℃、相对湿度不低于95％的恒温恒湿养护箱内养护至3d、7d以及28d龄期，并做以下检验项目。
检验项目 检验结果
初凝时间(min) 722
终凝时间(min) 905
3d抗压强度(MPa) 11.5
7d抗压强度(MPa) 20.8
28d抗压强度(MPa) 27.1
电通量Q<sub>s</sub>(C) 401
通过上述实施例和对比例能够发现：精炼渣的加入可以解决混凝土早期水化速率慢、初凝及终凝时间过长、早期强度较低的问题。而且从28天混凝土试块抗氯离子渗透性能的检测结果(电通量Qs)来看，本发明所述的一种含有精炼渣的全固废混凝土具有较好的抗氯离子渗透性能。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种快硬早强高性能全固废混凝土，其特征在于：以重量百分比计，包括7％～35％的胶凝材料、65％～90％的骨料和0～3％的减水剂；其中，胶凝材料由25％～60％的矿渣、1％～20％的精炼渣、20％～55％的转炉钢渣和10％～20％的工业副产石膏制成，骨料包括40％～60％的废石、40％～60％的铁尾矿。
2.根据权利要求1所述的快硬早强高性能全固废混凝土，其特征在于：所述矿渣为符合GB/T 203《用于水泥中的粒化高炉矿渣》的粒化高炉矿渣。
3.根据权利要求1所述的快硬早强高性能全固废混凝土，其特征在于：所述转炉钢渣为符合YB/T 022《用于水泥中的钢渣》的转炉钢渣。
4.根据权利要求1所述的快硬早强高性能全固废混凝土，其特征在于：所述精炼渣和工业副产石膏的比表面积为300m2/kg～600m2/kg。
5.根据权利要求1所述的快硬早强高性能全固废混凝土，其特征在于：所述工业副产石膏为脱硫石膏、磷石膏、氟石膏、柠檬石膏、废陶模石膏、钛石膏、芒硝石膏、盐石膏中的一种或多种。
6.根据权利要求1所述的快硬早强高性能全固废混凝土，其特征在于：所述废石和铁尾矿加工成符合GB/T14684-2011《建设用砂》和GB/T14685-2011《建设用卵石、碎石》国家标准的砂石料。
7.制备权利要求1所述的快硬早强高性能全固废混凝土的方法，其特征在于：包括步骤如下：
(1)将矿渣和转炉钢渣、精炼渣和工业副产石膏单独粉磨，按质量比混匀制得胶凝材料；
(2)将步骤(1)中制得的胶凝材料和骨料、减水剂按质量比混匀，并加入占胶凝材料质量20％～50％的水搅拌均匀后，经浇筑成型并进行养护，得到含有精炼渣的全固废混凝土。
8.根据权利要求7所述的快硬早强高性能全固废混凝土的制备方法，其特征在于：所述步骤(1)中矿渣和转炉钢渣、精炼渣和工业副产石膏混合后进行粉磨。
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