CN105800983B - 混凝土矿物外加剂及其制备方法和混凝土 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种混凝土矿物外加剂及其制备方法和混凝土，其中所述混凝土矿物外加剂由硅钙渣经过处理后获得；并且以质量分数计，所述混凝土矿物外加剂的含水率＜1％，含碱率＜1％；所述混凝土矿物外加剂比表面积为650～750m²/kg。本发明的混凝土矿物外加剂能够显著降低混凝土的水化热，提高混凝土的强度，增强混凝土的耐久性；并且是以工业固废硅钙渣和电石渣为原料，生产成本低。

Description

混凝土矿物外加剂及其制备方法和混凝土

技术领域

本发明涉及一种矿物外加剂，尤其涉及一种混凝土矿物外加剂及其制备方法和混凝土。

背景技术

随着社会大幅度的发展，混凝土作为建筑材料，人们对其的需求量越来越大，质量要求越来越高，而混凝土矿物外加剂能够提高和改善混凝土的一些性能，已成为混凝土特别是高性能混凝土必不可少的组分。

目前市场上供应的一些混凝土矿物外加剂因来源复杂，加工处理不到位，实际使用时与混凝土组分的匹配度较差，对于混凝土性能的改善并不明显，性价比低；同时，现有的一些混凝土矿物外加剂如沸石粉是以天然矿物为原料，生产成本较高。

发明内容

本发明提供一种混凝土矿物外加剂及其制备方法和混凝土，用来克服现有技术中混凝土矿物外加剂对混凝土的性能改善程度不佳以及生产成本过高的缺陷。

本发明提供一种混凝土矿物外加剂，所述混凝土矿物外加剂由硅钙渣经过处理后获得；以质量分数计，所述混凝土矿物外加剂的含水率＜1％，含碱率＜1％；所述混凝土矿物外加剂比表面积为650～750m²/kg。

硅钙渣是以粉煤灰为原料提取氧化铝过程中的副产物，其中的主要矿物成分为β-硅酸二钙(β-2CaO·SiO₂)，与水泥中的四种主要矿物(硅酸三钙、硅酸二钙、铝酸三钙、铁铝酸四钙)的一种主要矿物成分一致，因此硅钙渣作为矿物外加剂与混凝土的匹配程度高，又因β-2CaO·SiO₂的水化速率和水化热低于水泥中的其它三种主要矿物(硅酸三钙、铝酸三钙、铁铝酸四钙)，因此硅钙渣替代水泥加入混凝土中会降低混凝土整体水化热。同时，本发明将硅钙渣经过处理后，对最终得到的矿物外加剂的含水率、含碱率以及粒度进行控制，具体地，以质量分数计，矿物外加剂的含水率＜1％，含碱率＜1％，比表面积为650～750m²/kg，其中，含碱率是以矿物外加剂中的氧化钠当量(Na₂O)为基准。发明人经过大量研究，发现将硅钙渣进行处理并控制上述指标后，得到的矿物外加剂能够显著降低混凝土的水化热，提高混凝土的后期强度并且增强混凝土的耐久性，其中，含水率控制在上述范围是因为水分过高时，β-2CaO·SiO₂会发生结块降低活性，同时该含水率还便于矿物外加剂后续的包装以及计量。另外，硅钙渣作为粉煤灰提取氧化铝后的副产品，其作为原料不仅简单易得，成本低廉，还能够作为原料再利用，节省自然资源，避免环境污染。

进一步地，所述处理包括脱碱处理、烘干处理和粉磨处理。由于本发明中对于矿物外加剂的含水率、含碱率以及粒度进行了参数控制，因此对于硅钙渣的处理可以包括脱碱处理、烘干处理和粉磨处理。为了简便处理流程，优化处理效果，对于硅钙渣的处理可以按照脱碱处理、烘干处理和粉磨处理依序进行。

进一步地，所述脱碱处理包括将所述硅钙渣与电石渣、水混合，加热1～3h后压滤脱水，其中，所述硅钙渣、电石渣和水的质量比为1：(0.09～0.11)：(3.2～4.0)。电石渣作为电石水化反应制备乙炔后的废渣，其主要成分为氢氧化钙(Ca(OH)₂)，将硅钙渣与电石渣、水混合后加热搅拌，能够有效降低硅钙渣中的碱含量。除了使用电石渣外，还可以采用石灰乳溶液进行脱碱处理。

在脱碱过程中，除了按照上述质量比例控制硅钙渣、电石渣和水的反应比例外，由于硅钙渣中含有Na₂O，电石渣中的Ca(OH)₂能够以氧化钙(CaO)计，本发明还可以通过控制CaO与Na₂O的摩尔比为(3～3.5)：1实现硅钙渣的脱碱处理，具体的，由于Na₂O在硅钙渣中、CaO在电石渣中的含量是已知的，因此可以通过控制硅钙渣与电石渣的比例实现上述摩尔比。

进一步地，所述混凝土矿物外加剂中含有二氧化硅和氧化钙，其中所述二氧化硅和氧化钙占所述混凝土矿物外加剂总质量的比例为70～77％。由于硅钙渣中二氧化硅和氧化钙大部分以β-2CaO·SiO₂矿物的形式存在，为保证所述混凝土矿物外加剂含有60％以上β-2CaO·SiO₂矿物，因此要选用二氧化硅和氧化钙占总质量的比例为70～77％的原状硅钙渣(未脱碱处理前)。

进一步地，所述混凝土矿物外加剂的密度为2.9～3.0g/cm³，松散堆积容重为0.7～0.8g/cm³。

进一步地，以质量分数计，所述硅钙渣的含水率为35～40％。并且在所述硅钙渣的干基中，以质量分数计，β-硅酸二钙含量为60～65％，含碱率(以Na₂O为基准)为2.5～3.5％。

进一步地，以质量分数计，所述电石渣的含水率为5～10％。并且在所述电石渣的干基中，以质量分数计，氢氧化钙的含量≥85％。

本发明还提供一种上述任一所述的混凝土矿物外加剂的制备方法，包括如下步骤：

1)将硅钙渣和电石渣加入温度为85～95℃的水中生成第一混合浆液，其中，所述硅钙渣、电石渣和水的质量比为1：(0.09～0.11)：(3.2～4.0)；

2)加热所述第一混合浆液，控制所述第一混合浆液在85～95℃下搅拌1～3h，随后将所述第一混合浆液压滤脱水得到第一滤饼；

3)用与步骤1)等量的水溶解所述第一滤饼生成第二混合浆液，加热所述第二混合浆液，控制所述第二混合浆液在85～95℃下搅拌20～45min，随后将所述第二混合浆液压滤脱水得到第二滤饼；

4)重复步骤3)1～3次，得到脱碱硅钙渣，以质量分数计，所述脱碱硅钙渣的含碱率＜1％；

5)将所述脱碱硅钙渣烘干后，粉磨至比表面积为650～750m²/kg的粉末，得到所述混凝土矿物外加剂；其中，以质量分数计，控制所述脱碱硅钙渣烘干至含水率＜1％。

具体地，在步骤4)中，可以通过监测所得滤饼的含碱率是否符合＜1％确定重复步骤3)的次数。同时，上述的压滤操作、烘干操做以及粉磨操作可以分别通过压滤机、烘干机以及粉磨机完成，具体的可以为板框式压滤机、回转式烘干机以及管式球磨机。

本发明还提供一种混凝土，包括上述任一所述的混凝土矿物外加剂，所述混凝土矿物外加剂在混凝土中占水泥质量的5～10％。具体的，混凝土中还包括其他成分，例如水泥、级配石子、中砂和水，并且水泥、级配石子、中砂和水的质量比例可以为16.1:43.9:32.3:7.7，将所述混凝土矿物外加剂以水泥质量5～10％的比例加入混凝土中搅拌可制备出高性能混凝土。

本发明的实施，至少具备下述优势：

1、本发明的混凝土矿物外加剂作为混凝土添加剂，能够显著降低混凝土的水化热，提高混凝土的强度，增强混凝土的耐久性。

2、本发明的混凝土矿物外加剂制备简单、采用工业固体废弃物硅钙渣作为原料，生产成本低，并且该矿物外加剂为粉状，方便包装、运输以及计量使用。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例一

本实施例混凝土矿物外加剂的制备方法，包括如下步骤：

1)将1000kg硅钙渣(含水率39.6wt％，干基原状硅钙渣中含有二氧化硅和氧化钙72.7wt％，β-硅酸二钙含量为62.3％，含碱率3.4wt％)溶于3200kg95℃的水中，然后加入电石渣110kg(含水率5.5wt％,干基中氢氧化钙含量85.4wt％)，得到混合浆液；

2)将混合浆液的温度控制在90～95℃，搅拌反应1小时，用板框压滤机压滤脱水得到第一滤饼；

3)再用3200kg温度为95℃的水溶解第一滤饼，搅拌25分钟，用板框压滤机压滤脱水，得到第二滤饼；

4)重复步骤3)2次，得到脱碱硅钙渣；

经检测，基于矿物外加剂的总重，该矿物外加剂的含碱率为0.78wt％(以Na₂O的量计)；

5)将脱碱硅钙渣滤饼用回转式烘干机烘至水分为0.94wt％后，采用管式球磨机粉磨烘干后的脱碱硅钙渣50分钟直至其比表面积为681m²/kg(采用勃氏透气比表面积测定仪检测)，制得所述矿物外加剂。

本实施例得到的矿物外加剂呈粉状，经检测：1)矿物外加剂中二氧化硅和氧化钙总重为75.3wt％；2)采用李氏法检测，其密度为2.94g/cm³；3)采用标准漏斗法检测，其松散堆积容重为0.75g/cm³。

将上述制备得到的混凝土矿物外加剂按照水泥质量10％的比例加入普通C30混凝土中搅拌，制得本实施例的混凝土。其中，普通C30混凝土的组成为水泥、级配石子、中砂和水的质量比例为16.1:43.9:32.3:7.7。

实施例二

将1000kg硅钙渣(含水率35.3wt％，干基原状硅钙渣中含有二氧化硅和氧化钙75.2wt％，β-硅酸二钙含量为64.5％，含碱率2.7wt％)溶于4000kg温度为85℃水中，然后加入电石渣90kg(含水率9.4wt％,干基中氢氧化钙含量86.3wt％)，得到混合浆液；

2)将混合浆液的温度控制在85～90℃，搅拌反应2小时，用板框压滤机压滤脱水得到第一滤饼；

3)再用4000kg温度为85℃的水溶解第一滤饼，搅拌40分钟，用板框压滤机压滤脱水，得到第二滤饼；

4)重复步骤3)2次，得到脱碱硅钙渣；

经检测，基于矿物外加剂的总重，该矿物外加剂的含碱率为0.64wt％(以Na₂O的量计)；

5)将脱碱硅钙渣滤饼用回转式烘干机烘至水分为0.92wt％后，采用管式球磨机粉磨烘干后的脱碱硅钙渣55分钟直至其比表面积为692m²/kg(采用勃氏透气比表面积测定仪检测)，制得矿物外加剂。

本实施例得到的矿物外加剂呈粉状，经检测：1)矿物外加剂中二氧化硅和氧化钙总重为76.8wt％；2)采用李氏法检测，其密度为2.94g/cm³；3)采用标准漏斗法检测，其松散堆积容重为0.73g/cm³。

将上述制备得到的混凝土矿物外加剂按照水泥质量10％的比例加入普通C30混凝土中搅拌，制得本实施例的混凝土。其中，普通C30混凝土的组成为水泥、级配石子、中砂和水的质量比例为16.1:43.9:32.3:7.7。

对照例

本对照例中的混凝土，采用符合GB/T18736—2002的I级磨细粉煤灰作为对照混凝土外加剂，将该混凝土外加剂按照水泥质量10％的比例加入普通C30混凝土中搅拌，制得本对照例的混凝土。其中，普通C30混凝土的组成为水泥、级配石子、中砂和水的质量比例为16.1:43.9:32.3:7.7。

试验例

本试验例以上述实施例一、实施例二以及对照例中的混凝土为检测对象，并且将普通C30混凝土作为空白例，依次对该四例混凝土进行性能检测，检测结果见下表一。

表一各例混凝土的性能参数

由表一结果可知：掺加本发明制备的矿物外加剂的混凝土相较于普通混凝土能够显著降低混凝土的水化热，同时，本发明的矿物外加剂能够显著提高混凝土的后期强度，增强混凝土的耐久性，其对混凝土的主要性能改善程度明显优于现有技术中的矿物外加剂。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种混凝土矿物外加剂，其特征在于，所述混凝土矿物外加剂由硅钙渣经过处理后获得；

以质量分数计，所述混凝土矿物外加剂的含水率＜1%，含碱率＜1%；所述混凝土矿物外加剂比表面积为650~750m²/kg，松散堆积容重为0.7～0.8g/cm³；

以质量分数计，所述硅钙渣的干基中β-硅酸二钙含量为60～65%。

2.根据权利要求1所述的混凝土矿物外加剂，其特征在于，所述处理包括脱碱处理、烘干处理和粉磨处理。

3.根据权利要求2所述的混凝土矿物外加剂，其特征在于，所述脱碱处理包括将所述硅钙渣与电石渣、水混合，加热1～3h后压滤脱水，其中，所述硅钙渣、电石渣和水的质量比为1：（0.09～0.11）：（3.2～4.0）。

4.根据权利要求1所述的混凝土矿物外加剂，其特征在于，所述混凝土矿物外加剂中含有二氧化硅和氧化钙，其中所述二氧化硅和氧化钙占所述混凝土矿物外加剂总质量的比例为70～77%。

5.根据权利要求1所述的混凝土矿物外加剂，其特征在于，所述混凝土矿物外加剂的密度为2.9～3.0g/cm³。

6.根据权利要求1所述的混凝土矿物外加剂，其特征在于，以质量分数计，所述硅钙渣的含水率为35～40%。

7.根据权利要求6所述的混凝土矿物外加剂，其特征在于，以质量分数计，所述硅钙渣的干基中含碱率为2.5～3.5%。

8.根据权利要求3所述的混凝土矿物外加剂，其特征在于，以质量分数计，所述电石渣干基中氢氧化钙含量≥85%。

9.权利要求1～8任一所述的混凝土矿物外加剂的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

1）将硅钙渣和电石渣加入温度为85～95℃的水中生成第一混合浆液，其中，所述硅钙渣、电石渣和水的质量比为1：（0.09～0.11）：（3.2～4.0）；以质量分数计，所述硅钙渣的干基中β-硅酸二钙含量为60～65%，

2）加热所述第一混合浆液，控制所述第一混合浆液在85～95℃下搅拌1～3h，随后将所述第一混合浆液压滤脱水得到第一滤饼；

3）用与步骤1）等量的水溶解所述第一滤饼生成第二混合浆液，加热所述第二混合浆液，控制所述第二混合浆液在85～95℃下搅拌20～45min，随后将所述第二混合浆液压滤脱水得到第二滤饼；

4）重复步骤3）1～3次，得到脱碱硅钙渣，以质量分数计，所述脱碱硅钙渣的含碱率＜1%；

5）将所述脱碱硅钙渣烘干后，粉磨至比表面积为650~750m²/kg的粉末，松散堆积容重为0.7～0.8g/cm³，得到所述混凝土矿物外加剂；其中，以质量分数计，控制所述脱碱硅钙渣烘干至含水率＜1%。

10.一种混凝土，其特征在于，包括权利要求1～8任一所述的混凝土矿物外加剂，所述矿物外加剂占混凝土中水泥质量的5～10%。