CN101456705A - 一种使用工业固体废弃物的水工模袋混凝土 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种使用工业固体废弃物的水工模袋混凝土，它是由粗集料、细集料、胶结料、增强纤维、水五部分经搅拌混合、注入模袋等工序制备而成，各组分的重量配比及含量范围为：粗集料∶细集料∶胶结料＝3～4∶0.5～2∶1，水∶胶结料＝0.35～0.85，增强纤维为外加，加入量为胶结料总量的0.1～5％；所述的粗集料为钢渣或尾矿；所述的细集料为尾矿砂或粉煤灰粗渣或河砂组成；所述的胶结料是由钢渣、粉煤灰、硅酸盐水泥熟料、矿渣、工业废石膏外加所述组分总量0.1～3％的碱性激发剂经混合磨细而成，或经胶结料的各组分原料分别磨细后再混合而成。本发明具有较强的可施工性能、机械强度、水下稳定性以及成本低廉的优点，可广泛用于江、河、湖、海的护岸固堤材料的加工、施工等领域。

Description

一种使用工业固体废弃物的水工模袋混凝土
技术领域
本发明涉及一种模袋混凝土，尤其是涉及一种用于水下护岸、以工业固体废弃物——钢渣、尾矿为主要原料的模袋混凝土，可广泛用于江、河、湖、海的护岸固堤材料的加工、施工等领域。
背景技术
江河湖海的护岸、造堤和造田工程是人类防洪和实现可持续发展的重要环节，目前我国通过每年有计划、有步骤地实施一些护岸和护堤工程，有效地防止了江河改道、崩堤和河岸塌陷、河道被淤泥堵塞等洪涝和航行隐患。在这些护岸和护堤工程中，抛石和模袋混凝土起着关键的作用。一方面，它们形成了岸堤和河床表面有结构强度的密实保护层，有力地防止了因泥沙被流水淘空、冲走等会毁坏岸堤和河床等的现象发生；另一方面，形成有上述作用的保护层需要抛石后的石块层有足够的厚度，例如在一般崩岸应急处理工程设计中，要求抛石后形成的石块坡面厚度约1米，所以护岸和造堤需要大量的模袋混凝土和抛石，这些材料的来源和成本成为制约工程质量、数量和进度的瓶颈。随着各地禁止矿山乱采乱伐政策的相继出台，天然抛石已经无法保障正常的护岸工程供给。
模袋混凝土技术是我国20世纪80年代初从国外引进的一项现浇混凝土新技术，它采用织物模袋做软模具，通过混凝土泵将砂浆或混凝土充灌进模袋内成型，起到护坡、护堤、护岸和防渗等作用。它具有整体性好、耐久性好、地形适应性强、施工速度快、省工省时，并具有可在水下铺设充灌施工等特点，可以应用在道路、水库、河渠、海堤、港湾等工程上，因此在国内应用发展较快。
但是，目前的模袋混凝土使用的仍然是普通混凝土的组成配方，所以在用作大规模水下护岸和造堤工程时，目前模袋混凝土的原材料成本偏大，这些弊端会直接或间接影响江河湖海的护岸、造堤及造田工程的工程质量、数量和进度。
钢渣是炼钢过程中产生的副产物，每1吨钢约产生0.1-0.14吨钢渣，2007年我国钢渣产生量已达6546万吨，而利用率仅为10％，绝大部分钢渣仍然弃置，不仅占用农田而且污染环境。钢渣利用率低的主要原因是由于钢渣稳定性差，影响了在工程建筑上的正常使用。影响钢渣稳定性的因素有很多，主要是由于在炼钢过程中为了脱除杂质，加入了石灰、白云石等高钙、高镁材料作造渣剂。另外，由于转炉炼钢采用了溅渣护炉技术，镁质材料增加，渣的粘度变大。以上因素再加上随着冶炼时间缩短，钢渣中的氧化钙和氧化镁不能和二氧化硅等成分充分反应，形成了游离氧化钙(f-CaO)和游离氧化镁(f-MgO)存在于渣中。这样的钢渣在作建材或工程材料使用时遇水会进行下列反应：
f-CaO+H2O→Ca(OH)2  体积膨胀98％
f-MgO+H2O→Mg(OH)2  体积膨胀148％。
尤其是f-MgO，它在常温下完全消解的时间可长达20年之久，由于上述原因导致道路、建材制品或建筑物的开裂而破坏。
我国从二十世纪七十年代开始用钢渣筑路、做砖、砌块等建筑材料、做工程回填材料。例如在上世纪九十年代初，武钢三炼钢建设中曾用钢渣上千万吨，作地基回填材料，到2003年地面和墙体出现裂纹。武钢、石家庄钢厂建设了有一定规模的钢渣砖厂，由于制品开裂或后期强度下降，砖厂被迫停产。在河北、辽宁、安徽等地用钢渣建设了多条国家级公路，一些企业建成钢渣骨料加工线。由于钢渣的稳定性不良，经几年至十余年的使用均出现修筑的道路开裂、隆起，影响了钢渣的推广使用。目前虽然有了钢矿渣水泥和钢渣微粉的国家标准，但是因为钢渣的不稳定性，上述的钢渣产品在规模推广应用时受到了极大的限制。
我国有95％以上的能源和85％的工业原料取自于矿产资源，但是我国矿产资源的利用率比较低，总回收率比发达国家低很多，在开矿和选矿过程中形成了大量的尾矿。我国矿山排放的尾矿堆存量已达70余亿吨，并且每年以6-8亿吨的速度增长。我国矿产资源共、伴生组分丰富，其中铁矿石中大约有30多种有价成分，但能回收的仅20多种，而对于尾矿中的大半乃至90％以上的无机非金属组分更是极少开发利用。大量堆存的尾矿不仅占用土地，浪费资源，污染环境，同时还存在很大的安全隐患，尾矿坝尾矿库塌坝塌库事故时有发生，给周边的居民生命财产安全带来了极大的隐患。矿产资源是一种不可再生的自然资源，为了提高矿产资源的利用率，延长使用年限，同时也是为了保护人类赖以生存的生态环境，重视有效的尾矿综合利用及治理是重中之重的问题，而如何大规模利用尾矿中无机非金属组分则是彻底消除尾矿库占用耕地的根本出路。
本发明在现有的水工模袋混凝土基础上，提出了一种工业废渣成分超过90％的使用钢渣、尾矿的模袋混凝土，其成本将远小于目前的水工模袋混凝土，另外钢渣等工业渣的资源循环率可达到90％以上，在施工后的混凝土结构中，钢渣的水化胶凝活性得到最大的发挥和利用；并且因为是水下工程，人造石材料在水中所具有的较低弹性模量，可使钢渣中f-CaO和f-MgO的破坏作用被最大程度地缓解，消除了对水泥石结构的应力破坏。
发明内容
本发明的目的就是针对现有技术中存在的上述缺点，提供一种使用工业固体废弃物的水工模袋混凝土，该模袋混凝土具有较强的可施工性能、机械强度、水下稳定性和成本低廉。
为实现本发明之目的，本发明一种使用工业固体废弃物的水工模袋混凝土通过以下的技术方案来实现。
本发明一种使用工业固体废弃物的水工模袋混凝土是由粗集料、细集料、胶结料、增强纤维、水五部分经过搅拌混合、注入模袋等工序制备而成，各组分的重量配比及含量范围为：粗集料：细集料：胶结料＝3～4：0.5～2：1，水：胶结料＝0.35～0.85，增强纤维为外加，加入量为胶结料总量的0.1～5％。
所述的粗集料为钢渣或尾矿，其粒度范围为5～15毫米占95％以上，钢渣为堆积一年以上的转炉渣为宜，安定性检验合格，尾矿的含硫量小于1％。
所述的细集料为尾矿砂或粉煤灰粗渣或河砂组成，细集料的粒度为5～0.16毫米占95％以上，河砂可就地取材。
所述的胶结料是由钢渣、粉煤灰、硅酸盐水泥熟料、矿渣、工业废石膏，外加所述组分总量0.1～3％的碱性激发剂，经混合磨细而成，各组分含量(总重量按100％计)为：
钢渣                   40～85％，
粉煤灰                 0～25％，
硅酸盐水泥熟料         0～20％，
工业废石膏             5～15％，
矿渣                   0～25％。
所述钢渣为堆积半年以上的中、高钙转炉渣(碱度系数>1.6)为宜，安定性检验合格；粉煤灰为低钙粉煤灰(CaO含量<10％)或高钙粉煤灰(CaO含量>15％)，矿渣为粒化水淬高炉矿渣；碱性激发剂为KOH、NaOH、Ca(OH)2、Na2SiO3(模数<10)、CaCl2等中的一种或一种以上复合而成。
所述的胶结料为钢渣、粉煤灰、硅酸盐水泥熟料、矿渣、工业废石膏、碱性激发剂等被分别磨细至比表面积大于3600cm2/g后进行混合而成，也可以为上述以工业废弃物为主原料的混合物经磨细而成，比表面积大于3600cm2/g，其中的工业废石膏也可以加工成无水石膏使用。
所述的胶结料可以为市售的≥32.5MPa标号的商品钢矿渣水泥，比表面积大于3600cm2/g。
所述的增强纤维可以是无机纤维或高分子纤维，和模袋混凝土中其它成分具有兼容性，在胶凝材料水化后的碱性环境中具有稳定性，纤维长度为5～20毫米。
本发明一种使用工业固体废弃物的水工模袋混凝土的制备方法为：将上述以工业固体废弃物为主的粗集料、细集料、胶结料、增强纤维、水经过搅拌后，注入长条状模袋，并按照水工模袋混凝土的施工方法抛落在水中需护位置的岸表面，硬化后成为护岸模袋混凝土坡面，28天龄期的抗压强度≥C20混凝土标号要求。
所述的模袋混凝土通过将上述以工业固体废弃物为主的集料、胶结料、增强纤维、水经过搅拌后，灌注入有不同尺寸的小型圆柱形或方形的模袋并进行扎口，定位后抛入指定水下岸防区域，成为人造抛石，硬化后成为护岸模袋混凝土坡面，28天龄期的抗压强度≥C20混凝土标号要求。
与现有技术相比较，本发明的优点在于：
(1)在本发明的由钢渣、尾矿为主要成分的水下护岸模袋混凝土中，工业废弃物的利用率达到了90％以上，而现有的模袋混凝土则以水泥和碎石集料为主，因此本发明的模袋混凝土成本低廉，在护岸工程施工时，将会减少偷工减料的行为，提高护岸工程的质量。
(2)在本发明的由钢渣、尾矿为主要成分的水下护岸模袋混凝土中，除了硅酸盐胶凝成分外，同时还存在钢渣中碱性成分和粉煤灰中活性氧化硅和氧化铝成分所发生的火山灰反应，因此水化胶凝作用将会更加显著，获得人造石的强度随着生成胶凝成分的龄期延长，机械强度增加，护岸的效果会更佳。
(3)本发明的由钢渣、尾矿为主要成分的水下护岸模袋混凝土中除了集料和胶结料外，还有呈现弥散性交织分布的增强纤维，因此混凝土在水下的抗水流冲刷和抗折断能力提高。
(4)本发明的由钢渣、尾矿为主要成分的水下护岸模袋混凝土和普通抛石相比，因采用粉料和颗粒料运输到现场搅拌完成施工，由粉体变成人造石，不需要开山破石，因此可施工性更强，并节省了宝贵的资源。
(5)本发明的由钢渣、尾矿为主要成分的水下护岸模袋混凝土和现有的利用钢渣、尾矿的技术相比，因在江河湖海护岸和人工围堤造田工程中均可以得到较好地使用，所以具有吃渣量大、保护环境好的优势。
具体实施方式
为进一步描述本发明，下面结合实施例对本发明一种使用钢渣和尾矿的水工模袋混凝土作进一步的描述。
实施例1
将粗集料、细集料、胶结料、耐碱玻璃纤维、水等五部分进行搅拌混合，各组分含量(重量)范围为：粗集料：细集料：胶结料＝3：1：1，水：胶结料＝0.45，耐碱玻璃纤维的计量为外加，占胶结料重量的4％，纤维长度5～15毫米。
所用的粗集料为铁矿尾矿，其粒度范围为5～15毫米占95％以上，尾矿的含硫量和粘土量分别小于1％和3％。
所用的细集料为铁矿尾矿砂，细集料的粒度范围为5～0.16毫米占95％以上。
所用的胶结料为钢渣、粉煤灰、矿渣、工业废石膏等工业废弃物，外加入1％的Na2SiO3(模数为3.26)作为碱性激发剂，经混合磨细而成，比表面积为4200cm2/g，钢渣为堆积半年以上的热泼转炉渣，碱度系数1.6，安全性检验合格，粉煤灰为低钙粉煤灰，矿渣为粒化水淬高炉矿渣，其中钢渣50％，粉煤灰25％，工业废石膏10％，矿渣15％，碱性激发剂外加0.5％，这种胶结料制备工艺命名为“粉磨前混合”。
将上述以工业固体废弃物为主的集料、胶结料、耐碱玻璃纤维、水经过搅拌后的模袋混凝土，注入长条状模袋，并按照水工模袋混凝土施工方法抛落在水中需护位置的江岸表面，硬化后成为护岸模袋混凝土坡面，28天龄期的抗压强度达到C20混凝土标号要求。
将上述以工业固体废弃物为主的集料、胶结料、耐碱玻璃纤维、水经过搅拌后，灌注入各种尺寸的小型圆柱形或方形的模袋和进行扎口，定位后抛入指定水下岸防区域，成为人造抛石，抛前取样制成100mm×100mm×100mm的混凝土标准试块，在水中养护28天后的标号达到C20混凝土标号要求。
实施例2
将粗集料、细集料、胶结料、聚丙烯纤维、水等五部分进行搅拌混合，各组分含量(重量)范围为：粗集料：细集料：胶结料＝3：1.5：1，水：胶结料＝0.35(使用减水剂)，聚丙烯纤维为外加，外加量占胶结料成分的0.1％。
所用的粗集料为粒度范围为5～15毫米占95％以上的钢渣，为堆积一年以上的热泼转炉渣，碱度系数1.6，安定性检验合格。
所用的细集料为河砂，细集料的粒度为5～0.16毫米，河砂为就地取材。
所用的胶结料为钢渣、少量52.5MPa的硅酸盐水泥熟料、粉煤灰、矿渣、工业废石膏等，外加入1％的Na2SiO3+CaCl2作为复合碱性激发剂，经分别磨细达到比表面积为4200cm2/g，再进行混合而成，钢渣为堆积半年以上的转炉渣，碱度系数2.4，安定性检验合格，粉煤灰为低钙粉煤灰，矿渣为粒化水淬高炉矿渣，碱性激发剂为Na2SiO3(模数为7)：CaCl2＝1：1复合而成，其中钢渣40％，硅酸盐水泥熟料10％，粉煤灰25％，工业废石膏10％，矿渣15％，碱性激发剂外加1％，这种胶结料制备工艺命名为“粉磨后混合”。
将上述以工业固体废弃物为主的集料、胶结料、纤维、水经过搅拌后的模袋混凝土，注入长条状模袋，并按照水工模袋混凝土施工方法抛落在水中需护位置的岸表面，硬化后成为护岸模袋混凝土坡面，28天龄期的抗压强度达到C30混凝土标号要求。
将上述以工业固体废弃物为主的集料、胶结料、纤维、水经过搅拌后，灌注入各种尺寸的小型圆柱形或方形的模袋和进行扎口，定位后抛入指定水下岸防区域，成为人造抛石，抛前取样制成100mm×100mm×100mm的混凝土标准试块，在水中养护28天后的标号达到C30混凝土标号要求。
实施例3
粗集料：细集料：胶结料＝3.5：1：1，水：胶结料(以下称“水胶比”)＝0.85，细集料采用5～0.16毫米占95％以上的低钙粉煤灰粗渣。外加的增强纤维为耐碱玻璃纤维，纤维长度5～10毫米，加入量为胶结料总量的5％。胶结料制备工艺为“粉磨后混合”，外加的碱性激发剂为KOH，为胶结料的1％，获得的模袋混凝土取样检验的28天龄期抗压强度达到C20混凝土标号要求。其它与实施例1相同。
实施例4
水胶比：0.40，胶结料制备工艺为“粉磨前混合”，外加的碱性激发剂为NaOH，为胶结料的1％，外加的增强纤维为耐碱玻璃纤维，纤维长度5～10毫米，加入量占胶结料3％，获得的模袋混凝土取样检验的28天龄期抗压强度达到C30混凝土标号要求。
实施例5
水胶比：0.40，胶结料制备工艺为“粉磨前混合”，粉煤灰为高钙粉煤灰，外加的碱性激发剂为Ca(OH)2，为胶结料的3％，外加的增强纤维为耐碱玻璃纤维，纤维长度10～15毫米，加入量占胶结料的1％，获得的模袋混凝土取样检验的28天龄期抗压强度达到C30混凝土标号要求。
实施例6
水胶比：0.40，胶结料制备工艺为“粉磨前混合”，外加的碱性激发剂为Na2SiO3，为胶结料的1％；外加的增强纤维为耐碱玻璃纤维，纤维长度5～20毫米，加入量占胶结料1.5％，获得的模袋混凝土取样检验的28天龄期抗压强度达到C25混凝土标号要求。
实施例7
水胶比：0.75，胶结料制备工艺为“粉磨前混合”，外加的碱性激发剂为Na2SiO3，为胶结料的1％；外加的增强纤维为耐碱玻璃纤维，纤维长度5～20毫米，加入量占胶结料的3％，获得的模袋混凝土取样检验的28天龄期抗压强度达到C20混凝土标号要求。
实施例8
水胶比：0.80，胶结料制备工艺为“粉磨前混合”，外加的碱性激发剂为Na2SiO3，为胶结料的1％；外加的增强纤维为耐碱玻璃纤维，纤维长度5～20毫米，加入量占胶结料的3％，获得的模袋混凝土取样检验的28天龄期抗压强度达到C20混凝土标号要求。
实施例9
水胶比：0.50，胶结料制备工艺为“粉磨前混合”，外加的碱性激发剂为Na2SiO3，为胶结料的1％；外加的增强纤维为耐碱玻璃纤维，纤维长度5～20毫米，加入量占胶结料的3％，获得的模袋混凝土取样检验的28天龄期抗压强度达到C20混凝土标号要求。
实施例10
水胶比：0.50，胶结料制备工艺为“粉磨后混合”，外加的碱性激发剂为Na2SiO3，为胶结料的0.1％；外加的增强纤维为耐碱玻璃纤维，纤维长度5～20毫米，加入量占胶结料的3％，获得的模袋混凝土取样检验的28天龄期抗压强度达到C20混凝土标号要求。
实施例11
水胶比：0.70，胶结料制备工艺为“粉磨后混合”，外加的碱性激发剂为Na2SiO3，为胶结料的1％；外加的增强纤维为耐碱玻璃纤维，纤维长度5～20毫米，加入量占胶结料的5％，获得的模袋混凝土取样检验的28天龄期抗压强度达到C20混凝土标号要求。
实施例12
水胶比：0.50，胶结料制备工艺为“粉磨后混合”，外加的碱性激发剂为Na2SiO3，为胶结料的1％；外加的增强纤维为耐碱玻璃纤维，纤维长度5～20毫米，加入量占胶结料的5％，获得的模袋混凝土取样检验的28天龄期抗压强度达到C20混凝土标号要求。
实施例4-12与实施例1或2及本发明内容中介绍的工艺步骤基本相同，其组分和重量(％)如表1(表中所列的矿渣为粒化水淬高炉矿渣，尾矿为铁矿尾矿，石膏为工业废石膏，)，Na2SiO3(水玻璃)的模数为1，除实施例5外，其余实施例中的粉煤灰均为低钙粉煤灰，实施例11、12中的钢矿渣水泥为32.5MPa标号的商品钢矿渣水泥。
表1 模袋混凝土的组分与重量(％)
Figure A200810233945D00141

Claims (6)

1.一种使用工业固体废弃物的水工模袋混凝土，其特征在于：它是由粗集料、细集料、胶结料、增强纤维、水五部分经过搅拌混合、注入模袋等工序制备而成，各组分的重量配比及含量范围为：粗集料：细集料：胶结料＝3～4：0.5～2：1，水：胶结料＝0.35～0.85，增强纤维为外加，加入量为胶结料总量的0.1～5％；
所述的粗集料为钢渣或尾矿，其粒度范围为5～15毫米占95％以上；
所述的细集料为尾矿砂或粉煤灰粗渣或河砂组成，细集料的粒度为5～0.16毫米占95％以上；
所述的胶结料是由钢渣、粉煤灰、硅酸盐水泥熟料、矿渣、工业废石膏外加所述组分总量0.1～3％的碱性激发剂经混合磨细而成，各组分含量(总重量按100％计)为：
钢渣                     40～85％，
粉煤灰                   0～25％，
硅酸盐水泥熟料           0～20％，
工业废石膏               5～15％，
矿渣                     0～25％。
2.一种使用工业固体废弃物的水工模袋混凝土，其特征在于：它是由粗集料、细集料、胶结料、增强纤维、水五部分搅拌混合、注入模袋等工序制备而成，各组分的重量配比及含量范围为：粗集料：细集料：胶结料＝3～4：0.5～2：1，水：胶结料＝0.35～0.85，增强纤维为外加，加入量为胶结料总量的0.1～5％；
所述的粗集料为钢渣或尾矿，其粒度范围为5～15毫米占95％以上；
所述的细集料为尾矿砂或粉煤灰粗渣或河砂组成，细集料的粒度为5～0.16毫米占95％以上；
所述的胶结料为市售的≥32.5MPa标号的商品钢矿渣水泥，比表面积大于3600cm2/g。
3.如权利要求1所述的一种使用工业固体废弃物的水工模袋混凝土，其特征在于：所述的粗集料采用的钢渣为堆积一年以上的转炉渣；所述胶结料中采用的钢渣为堆积半年以上的中、高钙转炉渣，即碱度系数>1.6，粉煤灰为低钙或高钙粉煤灰，其中低钙粉煤灰：CaO量≤10％，高钙粉煤灰：CaO量≥15％，矿渣为粒化水淬高炉矿渣；碱性激发剂为KOH、NaOH、Ca(OH)2、Na2SiO3、CaCl2等中的一种或一种以上复合而成。
4.如权利要求1所述的一种使用工业固体废弃物的水工模袋混凝土，其特征在于：所述尾矿的含硫量小于1％。
5.如权利要求1、3或4所述的一种使用工业固体废弃物的水工模袋混凝土，其特征在于：所述的胶结料为钢渣、粉煤灰、硅酸盐水泥熟料、矿渣、工业废石膏和碱性激发剂等被分别磨细至比表面积大于3600cm2/g后进行混合而成。
6.如权利要求1、2、3或4所述的一种使用工业固体废弃物的水工模袋混凝土，其特征在于：所述的增强纤维为无机纤维或高分子纤维，和模袋混凝土中其它成分具有兼容性，在胶凝材料水化后的碱性环境中具有稳定性，纤维长度为5～20毫米。
CN200810233945A 2008-12-17 2008-12-17 一种使用工业固体废弃物的水工模袋混凝土 Expired - Fee Related CN101456705B (zh)

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