CN107188498A - 一种高性能锂渣泵送混凝土 - Google Patents

一种高性能锂渣泵送混凝土 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高性能锂渣泵送混凝土，该混凝土按照组分单位kg/m3的配合比为：水泥：水：矿粉：粉煤灰：锂渣：砂：碎石：增效剂：外加剂=[340~520]：[165~200]：[0~50]：[0~50]：[40~150]：[700~850]：[1000~1100]：[2~3.5]：[7~12]。通过对原材料的选择和配比的设计，获得了一种工作性能良好，力学性能良好，耐久性良好，能够用于泵送的高性能锂渣混凝土。

Description

一种高性能锂渣泵送混凝土
技术领域
本发明涉及混凝土配制技术领域，具体讲是一种高性能锂渣泵送混凝土。
背景技术
一般含有 SiO2，Al2O3 的工业废渣都具有潜在活性，通过合适的技术手段,弥补废渣的先天不足。目前，国内外利用碱组分通过化学及物理方法激活各种渣体制备无熟料、少熟料的胶结材，免去了锻烧和多次粉磨工序。同时，还促进了水泥与混凝土的可持续发展不仅获得良好的经济社会效益，还取得良好的环境效益，并有望将混凝土材料发展成为与环境协调的新型环境材料。
随着锂盐工业的发展，锂渣的排放量也与日俱增，如何合理地利用锂渣，对保护环境、节约资源、能源具有重要的意义。
锂渣外观呈土黄色，在自然干燥下含有一定水分，烘干后呈粉末状，颗粒较小，具有较大内比表面积的多孔结构，对水有较大吸附能力。锂渣是锂盐厂排放的废渣，是经过1200 ℃高温煅烧锂辉石矿石后用硫酸法生产LiCO3的过程中而产生的一种工业副产品，外观呈土黄色，内表面积较大而且呈多孔结构，不具有水硬性。锂渣以具有潜在活性的SiO2和Al2O3为主要组分，因而其表现出较好的火山灰性，故可将锂渣微粉作为矿物混合材( 掺合料) 用于水泥( 混凝土) 中，掺量适宜时能显著增强混凝土的早期抗压强度、抗冻性、抗渗性等。
锂渣的形成及化学成份决定了在锂渣颗粒表面上硅、铝、钙分布均匀，可溶性氧化硅较多，活性优于高炉渣和磷渣，为高活性混合材。
利用锂渣代替部分水泥配制混凝上，锂渣不能单独水化硬化，其水化硬化主要依靠与水泥熟料水化放出的Ca(OH)2反应，即二级水化反应。而这种反应由物理吸附到化学反应需要经过一定的过程和时间，随着水化龄期的增长，对于不掺锂渣的混凝上，由于沉积在水泥颗粒表面的水化产物层加厚，其水化越来越困难，其水化产物中生成C-S-H凝胶的速度也就越来越缓慢。而掺锂渣的混凝土情况有所不同，因为锂渣成份中的活性可不断地与溶液中的Ca(OH)2反应生成C-S-H凝胶，同时由于溶液中Ca(OH)2的消耗，必然引起沉积在水泥颗粒表面的结晶的溶解，这不仅可使结晶细化，而且减少了水分与未水化水泥颗粒接触的阻力，从而促进了水泥的水化，其结果是对界面粘结起决定作用的C-S-H凝胶增加的速度大于不掺锂渣的混凝土，相应地减少了对界面粘结不利的Ca(OH)2的结晶，以至于在龄期时，掺锂渣的混凝土中有利于界面粘结的C-S-H凝胶总量已经超过不掺锂渣的混凝土，其强度不仅赶上，而且明显高于不掺锂渣的混凝土，而28d以后的强度，掺锂渣混凝土高出更多。
发明内容
因此，为了解决上述不足，本发明在此提供一种高性能锂渣泵送混凝土；经过大量试验，通过对原材料的选择和配比的设计，获得了一种耐久性良好，工作性能和力学性能良好，能够用于泵送的高性能锂渣混凝土。
本发明是这样实现的，构造一种高性能锂渣泵送混凝土，该混凝土按照组分单位kg/m3的配合比为：水泥：水：矿粉：粉煤灰：锂渣：砂：碎石：增效剂：外加剂=[340~520]：[165~200]：[0~50]：[0~50]：[40~150]：[700~850]：[1000~1100]：[2~3.5]：[7~12]。
作为可选方式，所述锂渣粉，密度≥2.4g/cm3，比表面积880m2/kg，质量符合YBT4230-2010《用于水泥和混凝土中的锂渣粉》。
作为可选方式，所述锂渣中的主要成分是SiO2和Al2O3，二者含量之和接近60%，通过XRD分析图谱分析主要以无定性形式存在，是锂渣活性的主要来源，该形态是锂渣在水泥或混凝土中发挥强度的主要原因。
作为可选方式，所述碳酸锂是硫酸法酸化后的浸出渣，其中不可避免含有一定量的SO42-，以SO3计，标准≤8.0%，因此锂渣粉在使用时，需要与其它低SO3含量的胶凝材料如粉煤灰等一起使用，其掺量应经过试配，且保证总胶凝材料中的SO3含量不超过4.0%来确定。
作为可选方式，所述粗细骨料，采用成都地区混合砂Ⅱ区中砂，细度模数为2.4~2.6，含泥量小于0.5%，泥块含量小于0.2%；选用成都地区集配良好的人工碎石，连续级配，粒径为5~31.5 mm，含泥量小于0.5%，针片状含量小于5.0%，泥块含量小于0.3%，其质量符合JGJ52《普通混凝土用砂、石质量及检验方法标准》。
作为可选方式，所述粉煤灰为F类一级风选煤灰，细度（45um方孔筛筛余）小于10.0%，需水量比小于95%，烧失量小于3.5%，质量符合GBT1596-2005《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》。
作为可选方式，所述矿粉为S75级，密度≥2.8g/cm3，质量符合GBT 18046《用于水泥和混凝土中的粒化高炉矿渣粉》。
作为可选方式，所述增效剂为CTF型增效剂。该增效剂使水分子与无机不溶颗粒充分接触，水泥水化反应更加充分，可以减少水泥用量。
作为可选方式，所述外加剂为聚羧酸系减水剂。具有梳型结构的聚羧酸系减水剂掺入新拌混凝土后，减水剂所带的极性阴离子活性基团如—SO3H、—COOH等通过离子键、共价键、氢键及范德华力等相互作用紧紧地吸附在强极性的水泥颗粒表面，从而使水泥颗粒带电，根据同性电荷相斥原理，阻止了相邻水泥颗粒的相互接近，增大了水泥与水的接触面积，使水泥充分水化，并且在水泥颗粒扩散的过程中，释放出凝聚体所包含的游离水，改善了和易性，减少了拌水量。同时结构中具有亲水性的聚醚侧链，伸展于水溶液中，从而在所吸附的水泥颗粒表面形成有一定厚度的亲水性立体吸附层。当水泥颗粒靠近时，吸附层开始重叠，即在水泥颗粒间产生空间位阻作用，重叠越多，空间位阻斥力越大，对水泥颗粒间凝聚作用的阻碍也越大，使得混凝土的坍落度保持良好。因此，对水泥颗粒产生静电作用力和空间位阻斥力的聚羧酸系高效减水剂，在用量较小的情况下，便对水泥颗粒有显著的分散作用，同时聚合物的亲水聚醚侧链在水泥矿物水化产物中仍可以伸展开，这样聚羧酸类减水剂受到水泥的水化反应影响小，可长时间地保持分散效果，使坍落度损失减小。还可以往主链上添加具备不同作用的基团，集不同功能于一种产品。如除大幅度减小用水量外，还可以引气、调凝等；也可以根据不同用途需要添加基团，例如用于预拌混凝土时，就强化保持工作度性能良好的基团，以满足长距离运输、长时间待用的需要；用于预制混凝土时，则增加可以使拌合物发挥高早期强度的基团，以满足不用蒸汽养护也无需延长生产周期的需要等。
作为可选方式，所述混凝土按照组分单位kg/m3的配合比为：水泥：水：矿粉：粉煤灰：锂渣：砂：碎石：增效剂：外加剂=[340~500]：[170~200]：[0~50]：[0~50]：[40~100]：[720~830]：[1050~1100]：[2~3]：[7.5~11]。采用该范围内的原料配比可以获得耐久性更高，工作性更好的混凝土拌合物。
作为可选方式，所述混凝土原料的按重量配比为：水泥270份、水170份、粉煤灰36份、锂渣粉56份、砂820份、碎石1061份、增效剂2.16份、聚羧酸系外加剂7.56份。可获得坍落度/扩展度为220mm/510mm，28d抗压强度达49.7MPa，60d抗压强度达57.0MPa的C40级高性能锂渣泵送混凝土。
作为可选方式，所述混凝土原料的按重量配比为：水泥270份、水171份、矿粉36份、锂渣粉56份、砂820份、碎石1061份、增效剂2.16份、聚羧酸系外加剂7.56份。可获得坍落度/扩展度为225mm/530mm，28d抗压强度达51.4MPa，60d抗压强度达57.4MPa的C40级高性能锂渣泵送混凝土。
作为可选方式，所述混凝土原料的按重量配比为：水泥392份、水172份、粉煤灰49份、锂渣粉49份、砂722份、碎石1064份、增效剂2.94份、聚羧酸系外加剂9.8份。可获得坍落度/扩展度为220mm/530mm，28d抗压强度达64.3MPa，60d抗压强度达72.6MPa的C60级高性能锂渣泵送混凝土。
作为可选方式，所述混凝土原料的按重量配比为：水泥392份、水172份、矿粉49份、锂渣粉49份、砂722份、碎石1064份、增效剂2.94份、聚羧酸系外加剂9.80份。可获得坍落度/扩展度为225mm/540mm，28d抗压强度达65.1MPa，60d抗压强度达76.5MPa的C60级高性能锂渣泵送混凝土。
本发明所述混凝土的一种可选制备方法：
A、将水泥、锂渣粉、矿粉、粉煤灰、碎石、砂按配比进行混合，干拌25~40s；
B、加入水，搅拌25~40s；
C、加入增效剂和外加剂搅拌60s以上。
本发明所述混凝土可以在搅拌站制备，然后运输到施工地点，通过泵送浇注。
本发明具有如下优点：
1、本发明所述锂渣高性能泵送混凝土，经过大量试验，通过对原材料的选择和配比的设计，制得了和易性和力学性能良好，耐久性良好，还可以通过调整配方获得C60、C40等各种强度等级的混凝土，以适应不同的应用要求，而且通过了混凝土可泵性评价，制得混凝土能够满足泵送要求，利于机械化施工。
2、本发明所述锂渣高性能泵送混凝土用锂渣和矿渣或粉煤灰复合取代水泥, 可以配制出高强度的混凝土。这是因为锂渣和矿渣、粉煤灰的复合不仅是简单的叠加, 而是在混凝土中充分发挥了各自的形态效应、活性效应和微集料填充效应, 形成了超叠加效应, 产生了“1+1>2”的效果, 且所配制的高强混凝土凝结时间合理、工作性好, 坍落度经时损失少, 能满足泵送的施工要求。此外, 这种对水泥的高取代率可以节约大量水泥, 降低工程造价。
3、本发明虽采用的锂渣是碳酸锂硫酸法酸化后的浸出渣，其中不可避免含有一定量的SO4 2-，以SO3计，标准≤8.0%，因此锂渣粉在使用时，需要与其它低SO3含量的胶凝材料如粉煤灰等一起使用，其掺量应经过试配，且保证总胶凝材料中的SO3含量不超过4.0%来确定。
具体实施方式
下面将对本发明进行详细说明，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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。
本发明通过改进在此提供一种锂渣高性能泵送混凝土：
在下述实施例中所用的水泥为峨胜P.O42.5 R水泥。具体技术指标及化学成分见表1。本领域技术人员也可灵活选择性能相近的其他水泥。
表1 水泥的基本物理性能
下述实施例中所用的锂渣粉来源于江西江锂新材料科技有限公司，质量符合YBT4230-2010《用于水泥和混凝土中的锂渣粉》。本领域技术人员也可灵活选择其他锂渣粉。
下述实施例中所用的粉煤灰来源于成都搏磊粉煤灰综合开发有限公司，F类一级风选煤灰，细度（45um方孔筛筛余）10.0%，需水量比为93%，烧失量是3.5%，质量符合GBT1596-2005《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》。本领域技术人员也可灵活选择其他粉煤灰。
下述实施例中所用的矿粉来源于成都龙泉阳光高新建材厂生产的S75级，质量符合GBT 18046《用于水泥和混凝土中的粒化高炉矿渣粉》。本领域技术人员也可灵活选择其他矿粉。
下述实施例中所用的增效剂和外加剂均来源于四川华西绿舍建材有限公司的CTF型增效剂和HLP型聚羧酸系减水剂。本领域技术人员也可灵活选择其他来源的增效剂和外加剂。
实施例1
一种高性能锂渣泵送混凝土，该混凝土按照组分单位kg/m3的配合比为：水泥：水：矿粉：粉煤灰：锂渣：砂：碎石：增效剂：外加剂=[340~520]：[165~200]：[0~50]：[0~50]：[40~150]：[700~850]：[1000~1100]：[2~3.5]：[7~12]。。所得混凝土的性能参数为：
实施例2
一种高性能锂渣泵送混凝土，所述混凝土按照组分单位kg/m3的配合比为：水泥：水：粉煤灰：锂渣：砂：碎石：增效剂：外加剂=[340~500]：[170~200]：[0~50]：[40~100]：[720~830]：[1050~1100]：[2~3]：[9.8]。所得混凝土的性能参数为：
实施例3
一种高性能锂渣泵送混凝土，所述混凝土原料的按重量配比为：水泥270份、水170份、粉煤灰36份、锂渣粉56份、砂820份、碎石1061份、增效剂2.16份、聚羧酸系外加剂7.56份。可获得坍落度/扩展度为220mm/510mm，28d抗压强度达49.7MPa，60d抗压强度达57.0MPa的C40级高性能锂渣泵送混凝土。
实施例4
一种高性能锂渣泵送混凝土，所述混凝土原料的按重量配比为：水泥270份、水171份、矿粉36份、锂渣粉56份、砂820份、碎石1061份、增效剂2.16份、聚羧酸系外加剂7.56份。可获得坍落度/扩展度为225mm/530mm，28d抗压强度达51.4MPa，60d抗压强度达57.4MPa的C40级高性能锂渣泵送混凝土。
实施例5
一种高性能锂渣泵送混凝土，所述混凝土原料的按重量配比为：水泥392份、水172份、粉煤灰49份、锂渣粉49份、砂722份、碎石1064份、增效剂2.94份、聚羧酸系外加剂9.8份。可获得坍落度/扩展度为220mm/530mm，28d抗压强度达66.3MPa，60d抗压强度达75.3MPa的C60级高性能锂渣泵送混凝土。
实施例6
一种高性能锂渣泵送混凝土，所述混凝土原料的按重量配比为：水泥392份、水172份、矿粉49份、锂渣粉49份、砂722份、碎石1064份、增效剂2.94份、聚羧酸系外加剂9.80份。可获得坍落度/扩展度为225mm/540mm，28d抗压强度达67.5MPa，60d抗压强度达74.7MPa的C60级高性能锂渣泵送混凝土。
在上述实施例中，所述混凝土的制备方法为：
A、将水泥、锂渣粉、矿粉、粉煤灰、碎石、砂按配比进行混合，干拌25~40s；
B、加入水，搅拌25~40s；
C、加入增效剂和外加剂搅拌60s以上。
将混凝土搅拌混合均匀后，由混凝土运输车运送到施工工地，参照如下的方法进行性能检测：YBT 4230-2010《用于水泥和混凝土中的锂渣粉》、GB/T50081-2002《普通混凝土力学性能性能试验方法标准》，GB/T50082-2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》，GB/T50080—2002《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》检测结果如表2所示：
表2本发明各实施例中所述混凝土的性能参数
按照实例3、4、5、6制得一种高性能锂渣泵送混凝土的拌合物泌水率及工作性能列于表3：
表3 高性能锂渣泵送混凝土拌合物泌水率及工作性能
采用GBT 50082-2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》中的ASTMC1202 标准，根据直径D=95mm 标准试片的累计电量将混凝土的抗氯离子渗透性划分成不同的等级，测试高性能锂渣泵送混凝土抗氯离子渗透性能吗，其具体的评价标准见表4。
表4-1 混凝土抗氯离子渗透能力的等级划分
表4-2 抗辐射混凝土的抗渗透性能指标
由表4可知，由于粉煤灰、矿渣的火山灰效应，减少水泥水化产物Ca(OH)2的数量；改善其在水泥石-集料界面过渡区上的富集与定向排列，从而优化了界面结构，并生成了强度更高、稳定性更优、数量更多的低碱度水化硅酸钙凝胶。同时，更多的较低碱度的C-S-H 凝胶使得水泥石结构更加致密，从而降低了混凝土的孔隙率，改善了孔的级配，使孔细化，阻断了可能形成的渗透通路( 贯通孔)，所以水和侵蚀介质难以进入混凝土内部。
参照《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法》(GB/T50082—2009)对高性能锂渣泵送混凝土碳化性能进行研究。结果示于表5：
表5-1 混凝土抗碳化性能的等级划分
表5-2混凝土抗碳化试验结果
由表5看出，掺入粉煤灰、矿渣和锂渣后，水泥水化中氢氧化钙和这些掺料作用，降低了混凝土中总的碱含量，虽然对混凝土的抗碳化性能是不利的，但锂渣和粉煤灰的掺入发生二次反应，提高了混凝土的密实性，增加了混凝土后期的抗压强度。
为直观评价4个实例备选配合比抗裂性的优劣，进行了平板抗裂试验，依据《混凝土结构耐久性设计与施工指南》CCES01-2004、GB50164-2011《混凝土质量控制标准》对抗裂等级进行评定。抗裂等级评定结果如表6-1所示。
表6-1混凝土早期抗裂性能的等级划分
表6-2 平板抗裂等级
锂渣混凝土其强度、开裂程度与锂渣细度及活性存在联系，这主要是由于混凝土中锂渣活性高，比表面积大，锂渣混凝土弹性模量增大而徐变和应力松弛能力减小的结果。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (9)

1.一种高性能锂渣泵送混凝土，其特征在于，该混凝土按照组分单位kg/m3的配合比为：水泥：水：矿粉：粉煤灰：锂渣：砂：碎石：增效剂：外加剂=[340~520]：[165~200]：[0~50]：[0~50]：[40~150]：[700~850]：[1000~1100]：[2~3.5]：[7~12]。
2.根据权利要求1所述的高性能锂渣泵送混凝土，其特征在于，所述锂渣粉，密度≥2.4g/cm3，比表面积880m2/kg，锂渣中的主要成分是SiO2和Al2O3，二者含量之和接近60%，通过XRD分析图谱分析主要以无定性形式存在。
3.根据权利要求1所述的高性能锂渣泵送混凝土，其特征在于，所述锂渣是碳酸锂硫酸法酸化后的浸出渣，其中不可避免含有一定量的SO42-，以SO3计，标准≤8.0%，因此锂渣粉在使用时，需要与其它低SO3含量的胶凝材料如粉煤灰等一起使用，其掺量应经过试配，且保证总胶凝材料中的SO3含量不超过4.0%来确定。
4.根据权利要求1所述的高性能锂渣泵送混凝土，其特征在于，所述增效剂为CTF型增效剂。
5.根据权利要求1所述的高性能锂渣泵送混凝土，其特征在于，所述混凝土按照组分单位kg/m3的配合比为：水泥：水：矿粉：粉煤灰：锂渣：砂：碎石：增效剂：外加剂=[340~500]：[170~200]：[0~50]：[0~50]：[40~100]：[720~830]：[1050~1100]：[2~3]：[7.5~11]。
6.根据权利要求1所述的高性能锂渣泵送混凝土，其特征在于，所述混凝土原料的按重量配比为：水泥270份、水170份、粉煤灰36份、锂渣粉56份、砂820份、碎石1061份、增效剂2.16份、聚羧酸系外加剂7.56份。
7.根据权利要求1所述的高性能锂渣泵送混凝土，其特征在于，所述混凝土原料的按重量配比为：水泥270份、水171份、矿粉36份、锂渣粉56份、砂820份、碎石1061份、增效剂2.16份、聚羧酸系外加剂7.56份。
8.根据权利要求1所述的高性能锂渣泵送混凝土，其特征在于，所述混凝土原料的按重量配比为：水泥392份、水172份、粉煤灰49份、锂渣粉49份、砂722份、碎石1064份、增效剂2.94份、聚羧酸系外加剂9.8份。
9.根据权利要求1所述的高性能锂渣泵送混凝土，其特征在于，所述混凝
土原料的按重量配比为：水泥392份、水172份、矿粉49份、锂渣粉49份、砂722份、碎石1064份、增效剂2.94份、聚羧酸系外加剂9.80份。
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