CN105601189B - 碱激发混凝土及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明是关于一种碱激发混凝土及其制备方法，所述的碱激发混凝土的组分及各组分的质量百分含量分别为：碱激发胶凝材料粉料12.5％～20.8％、水玻璃(Na2O·nSiO2，n为2.00～3.00)2.1％～3.5％、水6.3％～10.4％、粗集料35.9％～43.5％和细集料29.4％～35.6％，所述的碱激发胶凝材料粉料包括硅钙渣微粉、矿粉和超细矿粉；所述的碱激发混凝土的制备方法包括硅钙渣微粉的制备，碱激发胶凝材料粉料的制备，碱激发胶凝材料粉料与集料、水的混合，水玻璃的加入以及搅拌等。本发明提供了一种新的以硅钙渣为原材料的碱激发混凝土，其具有较强的抗冻融循环性能和抗硫酸盐腐蚀性能，可应用于冻融环境和近海或海洋环境的建筑物，且本发明的主要原料为硅钙渣，有利于资源的再利用。

Description

碱激发混凝土及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种混凝土，具体涉及一种以硅钙渣为原材料的碱激发混凝土及其制备方法。
背景技术
我国山西、内蒙古等地区出产高铝粉煤灰，其铝含量高达40％～60％。为充分利用此种铝矿资源，国内大多采用石灰石烧结法对其进行提铝处理。硅钙渣是高铝粉煤灰提取氧化铝后的残渣，其富含硅、钙组分，且主要矿物成分为硅酸二钙。由于提铝过程中会有部分碱液残留，因此硅钙渣通常含有3％～8％的碱。这为硅钙渣的资源化处理带来了极大的不便。资料表明，采用石灰石烧结法生产氧化铝，从粉煤灰中每提取1吨氧化铝，即排放出约2.5吨硅钙渣。因此，如果无法得到有效的利用，硅钙渣的堆置不仅会占用大量土地，而且会对环境造成污染，从而影响到高铝粉煤灰提取氧化铝生产的经济效益。
另一方面，20世纪40年代以来，人们通过碱激发剂激发具有潜在胶凝活性的工业废渣获得了具有胶凝性能的新型无机胶凝材料-碱激发胶凝材料。其中碱激发剂通常为苛性碱(MOH)和可溶性硅酸盐(M2SiO4，M为碱金属)或者非硅酸盐的酸盐(M2CO3、M2SO3、M3PO4、MF等，M为碱金属)；具有潜在胶凝活性的工业废渣来源较为广泛，通常为粒化高炉矿渣、粒化磷渣、钢渣、粉煤灰、偏高岭土或以上两种或两种以上的硅酸盐矿物混合物。
随着水泥工业的不断发展，低能耗、低环境负荷、低碳效果显著的新型胶凝材料越来越受到人们的青睐。与普通硅酸盐水泥相比，碱激发胶凝材料因以偏高岭土、矿渣、粉煤灰等工业废渣为主要原料，且制备过程中不须经历高温煅烧过程，因此具有显著的资源能源消耗低、环境负荷低的优点。除此之外，碱激发胶凝材料还在强度、耐高温、耐酸、固结重金属离子等方面具有独特的优势，因此自诞生以来便受到了人们的重视。
考虑到硅钙渣的主要成分为具有一定胶凝活性的硅酸二钙，且自身含有一定量的碱，因此利用硅钙渣制备碱激发胶凝材料是其大规模资源化利用的一种有效途径。
现有技术中，专利文献CN103351105 A公开了一种以硅钙渣为主要原料的碱激发胶凝材料，其通过将质量百分含量70％的硅钙渣微粉(80μm筛余26.0％～31.0％)、15％～25％的矿粉(比表面积400m2/kg)和5％～15％的超细矿粉(比表面积600m2/kg)进行混合，制备得到硅钙渣-矿粉-超细矿粉复合粉料(碱激发胶凝材料粉料)，再通过掺入Na2O含量占该复合粉料质量1％～5％的液体水玻璃(模数2.00～3.00)，在常温条件下可制备得到强度性能优异的碱激发胶凝材料，其中优选配比为70％硅钙渣微粉(80μm筛余26.0％～28.0％)、15％矿粉(比表面积400m2/kg)、15％超细矿粉(比表面积600m2/kg)以及Na2O含量占复合粉料质量4％～5％的液体水玻璃(模数2.40)。
发明内容
本发明的主要目的在于，针对目前硅钙渣制备碱激发胶凝材料在应用技术研究领域的不足，结合目前硅钙渣制备碱激发胶凝材料的相关研究成果，提供了一种新的以硅钙渣制备碱激发胶凝材料为原料的碱激发混凝土及其制备方法，从而更加适于实用。
本发明的目的及解决其技术问题是采用以下技术方案来实现的。
依据本发明提出的一种碱激发混凝土，其特征在于：
所述的碱激发混凝土的组分及各组分质量百分含量为：
所述的碱激发胶凝材料粉料的组分及各组分的质量百分含量分别为：硅钙渣微粉70％、矿粉15％～25％和超细矿粉5％～15％，所述的硅钙渣微粉是将原状硅钙渣粉磨至80μm筛余26.0％～28.0％；所述的水玻璃(Na2O·nSiO2)，模数n为2.00～3.00。
本发明的目的及其解决技术问题还可采用以下技术措施进一步实现。
优选的，前述的碱激发混凝土，其中所述的碱激发胶凝材料粉料中的矿粉的比表面积为400m2/kg，所述的矿粉占碱激发胶凝材料粉料的质量百分比为15％。
优选的，前述的碱激发混凝土，其中所述的碱激发胶凝材料粉料中的超细矿粉的比表面积为600m2/kg，所述的超细矿粉占碱激发胶凝材料粉料的质量百分比为15％。
优选的，前述的碱激发混凝土，其中所述的水玻璃(Na2O·nSiO2)的模数n为2.40。
优选的，前述的碱激发混凝土，其中所述的细集料为中粗河砂，细度模数为2.8。
优选的，前述的碱激发混凝土，其中所述的粗集料为碎石，采用连续级配、粒径分别为5～10mm和10～20mm的碎石配制而成质量比为4∶6。
优选的，前述的碱激发混凝土，其中所述的水包括水玻璃溶液中的水。
前述的碱激发混凝土，其制备方法包括
(1)将硅钙渣烘干后粉磨至80μm筛余26.0％～28.0％，得到硅钙渣微粉；
(2)将硅钙渣微粉、矿粉和超细矿粉混合均匀，得到碱激发胶凝材料粉料；
(3)将所述的碱激发胶凝材料粉料、粗集料、细集料和水加入混凝土搅拌机中搅拌均匀；
(4)加入液体水玻璃(Na2O·nSiO2)，搅拌均匀，得到所述的碱激发混凝土。
借由上述技术方案，本发明一种碱激发混凝土及其制备方法至少具有下列优点：
1、本发明提供了一种以硅钙渣制备碱激发胶凝材料为原料制备的碱激发混凝土及其制备方法，所制得的碱激发混凝土具有优异的工作性能及强度性能。这弥补了现有技术中硅钙渣制备碱激发胶凝材料在应用领域研究的空白，是对现有碱激发胶凝材料应用技术领域的有效拓展。
2、与硅酸盐水泥混凝土相比，本发明提供的碱激发混凝土具有更为优异的抗冻融循环性能，可适用于严寒区混凝土建筑物的制备。
3、与硅酸盐水泥混凝土相比，本发明提供的碱激发混凝土具有更为优异的抗硫酸盐侵蚀性能，可适用于海洋环境下混凝土建筑物的制备。
4、硅钙渣是高铝粉煤灰提取氧化铝后排放的残渣。本发明所述的碱激发混凝土所用胶凝材料为以硅钙渣为主要原料制备的碱激发胶凝材料，这有利于硅钙渣的资源化利用及高铝粉煤灰提取氧化铝产业的可持续发展。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例详细说明如后。
具体实施方式
为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合较佳实施例，对依据本发明提出的一种碱激发混凝土及其制备方法其具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如后。在下述说明中，不同的“一实施例”或“实施例”指的不一定是同一实施例。此外，一或多个实施例中的特定特征、结构或特点可由任何合适形式组合。
实施例1
本实施例提供一种碱激发混凝土的制备方法：
(1)制备硅钙渣微粉：将原状硅钙渣烘干后，在球磨机中粉磨至80μm筛余26.0％～28.0％，制备得到硅钙渣微粉；
(2)制备碱激发胶凝材料粉料：以硅钙渣微粉、比表面积400m2/kg的矿粉、比表面积600m2/kg的超细矿粉为原料，按一定比例将硅钙渣微粉、矿粉、超细矿粉混合均匀，制备得到碱激发胶凝材料粉料；
(3)制备碱激发混凝土：将碱激发胶凝材料粉料、粗集料、细集料、水按比例加入混凝土搅拌机中搅拌均匀，再加入一定模数的液体水玻璃，搅拌均匀，制备得到碱激发混凝土。本实施例中细集料为中粗河砂，细度模数为2.8，粗集料为碎石，采用连续级配、粒径分别为5～10mm和10～20mm的碎石配制而成，质量比为4∶6。
实施例2
固定硅钙渣微粉∶矿粉∶超细矿粉的质量比例为70∶15∶15，选择水玻璃(Na2O·nSiO2)的模数为2.40，重复实施例1中的方法制备碱激发混凝土。碱激发胶凝材料粉料、粗集料、细集料、水、水玻璃的质量比例如表1所示。
参照GB/T 50080-2002《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》进行所制得的碱激发混凝土的坍落度性能测试。测试结果如表2所示。
参照GB/T 50081-2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》进行所制得的碱激发凝土试样的抗压强度测试。测试结果如表2所示。
参照GB/T 50082-2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》进行所制得的碱激发混凝土试样的抗冻融循环性能测试(快冻法)。测试结果如表3所示。
参照GB/T 50082-2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》进行所制得的碱激发混凝土试样的抗硫酸盐侵蚀性能测试。测试结果如表4所示。
实施例3
固定硅钙渣微粉∶矿粉∶超细矿粉的质量比例为70∶15∶15，选择水玻璃(Na2O·nSiO2)的模数为2.40，重复实施例2进行本实施例的碱激发混凝土制备、坍落度测试、抗压强度测试、抗冻融循环性能测试以及抗硫酸盐侵蚀性能测试。碱激发胶凝材料粉料、粗集料、细集料、水、水玻璃的质量比例如表1所示。坍落度性能及抗压强度性能结果如表2所示。抗冻融循环性能结果如表3所示。抗硫酸盐侵蚀性能结果如表4所示。
实施例4
固定硅钙渣微粉∶矿粉∶超细矿粉的质量比例为70∶15∶15，选择水玻璃(Na2O·nSiO2)的模数为2.40，重复实施例2进行本实施例的碱激发混凝土制备、坍落度测试、抗压强度测试、抗冻融循环性能测试以及抗硫酸盐侵蚀性能测试。碱激发胶凝材料粉料、粗集料、细集料、水、水玻璃的质量比例如表1所示。坍落度性能及抗压强度性能结果如表2所示。抗冻融循环性能结果如表3所示。抗硫酸盐侵蚀性能结果如表4所示。
实施例5
固定硅钙渣微粉∶矿粉∶超细矿粉的质量比例为70∶15∶15，选择水玻璃(Na2O·nSiO2)的模数为2.40，重复实施例2进行本实施例的碱激发混凝土制备、坍落度测试、抗压强度测试、抗冻融循环性能测试以及抗硫酸盐侵蚀性能测试。碱激发胶凝材料粉料、粗集料、细集料、水、水玻璃的质量比例如表1所示。坍落度性能及抗压强度性能结果如表2所示。抗冻融循环性能结果如表3所示。抗硫酸盐侵蚀性能结果如表4所示。
实施例6
固定硅钙渣微粉∶矿粉∶超细矿粉的质量比例为70∶15∶15，选择水玻璃(Na2O·nSiO2)的模数为2.40，重复实施例2进行本实施例的碱激发混凝土制备、坍落度测试、抗压强度测试、抗冻融循环性能测试以及抗硫酸盐侵蚀性能测试。碱激发胶凝材料粉料、粗集料、细集料、水、水玻璃的质量比例如表1所示。坍落度性能及抗压强度性能结果如表2所示。抗冻融循环性能结果如表3所示。抗硫酸盐侵蚀性能结果如表4所示。
表1实施例2-6所制得碱激发混凝土的配比
表2实施例2-6所制得碱激发混凝土的坍落度和抗压强度
由表知，实施例2-6所制备的碱激发混凝土的坍落度为10～240mm，7d抗压强度为7d抗压强度为37.9～43.8MPa，28d抗压强度为53.5～56.4MPa，90d抗压强度为68.0～74.3MPa。这说明本发明的碱激发混凝土具有优异的工作及强度性能。可达到C40等级混凝土的要求。
从表中还可知，增大胶凝材料(碱激发胶凝材料粉料+水玻璃)含量虽然对所制备混凝土的强度性能作用并不明显，但可显著改善所制备混凝土的工作性能——胶凝材料含量超过19.5％(实施例6：16.7％胶凝材料粉料+2.8％水玻璃)后，所制备混凝土的坍落度可达200mm以上。
众所周知，胶凝材料含量是决定混凝土成本的主要因素之一。因此，综合考虑工作性能、强度性能以及经济因素，选择所制备碱激发混凝土的优化配合比为：16.7％碱激发胶凝材料粉料、39.7％粗集料、32.5％细集料、8.3％水、2.8％水玻璃(Na2O·2.40SiO2)。
表3实施例2-6所制得碱激发混凝土的抗冻性能
注：上表所述的对照混凝土为采用P·I 42.5硅酸盐水泥为胶凝材料，以相同配比制备的硅酸盐水泥混凝土。“-”表示试样已破坏，未继续进行测试。
根据GB/T 50082-2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》规定，以相对动弹性模量P下降至初始值的60％或者质量损失率达5％时的最大冻融循环次数作为混凝土抗冻等级，用符号F表示。
由表知，实施例2-6所制备的碱激发混凝土和对照硅酸盐水泥混凝土的质量损失率随冻融循环次数的增加而逐渐增加，相对动弹模量均随冻融循环次数的增加而逐渐降低。在试验配比条件下，实施例2-6中作为对照的硅酸盐水泥混凝土经100～400次冻融循环后，试样发生了不同程度的破坏，而以相同配比制备的碱激发混凝土经700次冻融循环后试样才达到破坏标准。这说明与硅酸盐水泥混凝土相比，本发明的碱激发混凝土具有优异的抗冻融循环性能，可适用于严寒地区混凝土建筑物的制备。
表4实施例2-6所制得碱激发混凝土的抗硫酸盐侵蚀性能
注：上表所述的对照混凝土为采用P·I 42.5硅酸盐水泥为胶凝材料，以相同配比制备的硅酸盐水泥混凝土。“-”表示试样已破坏，未继续进行测试。
根据GB/T 50082-2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》规定，以混凝土强度耐蚀系数下降到75％时的最大干湿循环次数作为混凝土抗硫酸盐等级，以符号SR表示。
由表知，经硫酸盐侵蚀后，实施例2-6中作为对照的硅酸盐水泥混凝土的强度降低，相应地其耐蚀系数也降低-经30～90次循环后，硅酸盐水泥混凝土发生了不同程度的破坏。而以相同配比制备的碱激发混凝土经210次循环后试样仍未破坏，其强度反而出现了一定程度的提高。这是由于在碱激发材料领域，Na2SO4是一种具有一定效果的碱激发剂。因此，在抗硫酸盐侵蚀性能测试过程中，碱激发混凝土中胶凝材料粉料的活性被进一步激发，混凝土试样的强度进一步提高。
综上所述，与硅酸盐水泥混凝土相比，本发明的碱激发混凝土具有优异的抗硫酸盐侵蚀性能，可适用于海洋环境下混凝土建筑物的制备。
实施例7
以硅钙渣微粉、比表面积400m2/kg的矿粉、比表面积600m2/kg的超细矿粉为原料，按下表5中所示比例将硅钙渣微粉、矿粉、超细矿粉混合均匀，制备得到碱激发胶凝材料粉料；
选择水玻璃(Na2O·nSiO2)模数为2.00，将质量百分含量为16.7％的上述制备得到的碱激发胶凝材料粉料与质量百分含量为32.5％的细集料、质量百分含量为39.7％的粗集料和质量百分含量为8.3％的水加入混凝土搅拌机中搅拌均匀；加入质量百分含量为2.8％的模数2.00的液体水玻璃(Na2O·2.00SiO2)，搅拌均匀，制得混凝土。
参照GB/T 50080-2002《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》进行所制得的碱激发混凝土的坍落度性能测试。测试结果如表6所示。
参照GB/T 50081-2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》进行所制得的碱激发凝土试样的抗压强度测试。测试结果如表6所示。
实施例8
碱激发胶凝材料粉料各组分的质量百分含量如下表5所示。选择水玻璃(Na2O·nSiO2)模数为2.40。重复实施例7的方法进行本实施例碱激发混凝土的制备以及坍落度性能、抗压强度性能测试。混凝土的坍落度性能及强度性能结果如表6所示。
实施例9
碱激发胶凝材料粉料各组分的质量百分含量如下表5所示。选择水玻璃(Na2O·nSiO2)模数为2.80。重复实施例7的方法进行本实施例碱激发混凝土的制备以及坍落度性能、抗压强度性能测试。混凝土的坍落度性能及强度性能结果如表6所示。
实施例10
碱激发胶凝材料粉料各组分的质量百分含量如下表5所示。选择水玻璃(Na2O·nSiO2)模数为3.00。重复实施例7的方法进行本实施例碱激发混凝土的制备以及坍落度性能、抗压强度性能测试。混凝土的坍落度性能及强度性能结果如表6所示。
实施例11
碱激发胶凝材料粉料各组分的质量百分含量如下表5所示。选择水玻璃(Na2O·nSiO2)模数为2.60。重复实施例7的方法进行本实施例碱激发混凝土的制备以及坍落度性能、抗压强度性能测试。混凝土的坍落度性能及强度性能结果如表6所示。
实施例12
碱激发胶凝材料粉料各组分的质量百分含量如下表5所示。选择水玻璃(Na2O·nSiO2)模数为2.40。重复实施例7的方法进行本实施例碱激发混凝土的制备以及坍落度性能、抗压强度性能测试。混凝土的坍落度性能及强度性能结果如表6所示。
实施例13
碱激发胶凝材料粉料各组分的质量百分含量如下表5所示。选择水玻璃(Na2O·nSiO2)模数为2.60。重复实施例7的方法进行本实施例碱激发混凝土的制备以及坍落度性能、抗压强度性能测试。混凝土的坍落度性能及强度性能结果如表6所示。
实施例14
碱激发胶凝材料粉料各组分的质量百分含量如下表5所示。选择水玻璃(Na2O·nSiO2)模数为2.80。重复实施例7的方法进行本实施例碱激发混凝土的制备以及坍落度性能、抗压强度性能测试。混凝土的坍落度性能及强度性能结果如表6所示。
实施例15
碱激发胶凝材料粉料各组分的质量百分含量如下表5所示。选择水玻璃(Na2O·nSiO2)模数为2.00。重复实施例7的方法进行本实施例碱激发混凝土的制备以及坍落度性能、抗压强度性能测试。混凝土的坍落度性能及强度性能结果如表6所示。
表5实施例7-15中碱激发胶凝材料粉料各组分比例
混凝土 硅钙渣微粉/％ 矿粉/％ 超细矿粉/％
实施例7 70 25 5
实施例8 70 20 10
实施例9 70 15 15
实施例10 70 25 5
实施例11 70 20 10
实施例12 70 15 15
实施例13 70 25 5
实施例14 70 20 10
实施例15 70 15 15
表6实施例7-15所制得碱激发混凝土的坍落度和抗压强度
由表知，以质量百分含量为70％的硅钙渣微粉、15％～25％的矿粉、5％～15％的超细矿粉制备碱激发胶凝材料粉料，分别以模数2.00～3.00的水玻璃(Na2O·nSiO2)为激发剂，在碱激发胶凝材料粉料、粗集料、细集料、水、水玻璃质量含量比例与实施例6相同的条件下，实施例7-15所制备的碱激发混凝土的坍落度性能为190～210mm，7d抗压强度为37.0～41.5MPa，28d抗压强度为48.3～53.4MPa，90d抗压强度为65.6～72.0MPa。这与实施例6所制得的碱激发混凝土的性能相当。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (10)

1.一种碱激发混凝土，其特征在于：
所述的碱激发混凝土的组分及各组分的质量百分含量为：
碱激发胶凝材料粉料 12.5%～16.7%
水玻璃Na2O•nSiO2 2.1%～2.8%
粗集料 39.7%～43.5%
细集料 32.5%～35.6%
水 6.3%～8.3%，
所述的碱激发胶凝材料粉料的组分及各组分的质量百分含量分别为：硅钙渣微粉70%、矿粉15%～25%和超细矿粉5%～15%，所述的硅钙渣微粉是将原状硅钙渣粉磨至80μm筛余26.0%～28.0%；
所述的水玻璃Na2O•nSiO2，模数n为2.00～3.00，
所述的碱激发混凝土用于严寒环境或海洋环境的建筑物。
2.根据权利要求1所述的一种碱激发混凝土，其特征在于：
以质量百分含量计，所述的碱激发胶凝材料粉料与所述的水玻璃Na2O•nSiO2的质量百分含量之和大于19.5%。
3.根据权利要求1所述的碱激发混凝土，其特征在于：
所述的碱激发混凝土的组分及各组分的质量百分含量为：
碱激发胶凝材料粉料 16.7%
水玻璃Na2O•2.40SiO2 2.8%
粗集料 39.7%
细集料 32.5%
水 8.3%。
4.根据权利要求1所述的碱激发混凝土，其特征在于：
所述的矿粉的比表面积为400 m2/kg，所述的矿粉占碱激发胶凝材料粉料的质量百分比为15%。
5.根据权利要求1所述的碱激发混凝土，其特征在于：
所述的超细矿粉的比表面积为600 m2/kg，所述的超细矿粉占碱激发胶凝材料粉料的质量百分比为15%。
6.根据权利要求1所述的碱激发混凝土，其特征在于：
所述的水玻璃Na2O•nSiO2的模数n为2.40。
7.根据权利要求1所述的碱激发混凝土，其特征在于：
所述的细集料为中粗河砂，细度模数为2.8。
8.根据权利要求1所述的碱激发混凝土，其特征在于：
所述的粗集料为碎石，采用连续级配、粒径分别为5～10mm和10～20mm的碎石配制而成，质量比为4：6。
9.根据权利要求1所述的碱激发混凝土，其特征在于：
所述的水包括水玻璃溶液中的水。
10.根据权利要求1-9任一项所述的碱激发混凝土，其制备方法包括：
（1）将硅钙渣烘干后粉磨至80μm筛余26.0%～28.0%，得到硅钙渣微粉；
（2）将硅钙渣微粉、矿粉和超细矿粉混合均匀，得到碱激发胶凝材料粉料；
（3）将所述的碱激发胶凝材料粉料、粗集料、细集料和水加入混凝土搅拌机中搅拌均匀；
（4）加入液体水玻璃Na2O•nSiO2，搅拌均匀，得到所述的碱激发混凝土。
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