CN109250969B - 一种含工业废渣的混凝土及其制备方法 - Google Patents

一种含工业废渣的混凝土及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于建筑材料技术领域，具体涉及一种含工业废渣的混凝土及其制备方法；本发明将钢渣粉、石灰石粉和矿渣粉配合使用，三者相互激发，有效填充水泥颗粒的空隙，得到早期强度高、后期强度持续增长，并兼具补偿收缩效应的混凝土。本发明提供的上述方案能得到C60级别或以上的混凝土，提高了工业废渣的利用价值。

Description

一种含工业废渣的混凝土及其制备方法
技术领域
本发明属于建筑材料技术领域，具体涉及一种含工业废渣的混凝土及其制备方法。
背景技术
保护环境、降低自然资源的消耗和水泥混凝土的高性能化是当今世界水泥与混凝土发展进程中所面临的重要的问题。将工业废渣作为混凝土掺合料，可以使现有的工业废渣得以回收再利用，进而有效控制硅酸盐水泥的生产总量，减少工业生产对资源和环境的负荷，例如，矿渣粉就是较为常见的一种混凝土掺合料。矿渣粉可作为掺合料，与矿渣粉具有较高的活性直接相关。钢渣也是产量较大的一种工业废渣，但钢渣的活性较低，无法用于制备高强度混凝土，限制了钢渣的利用价值。
发明内容
本发明的目的在于提供一种含工业废渣的混凝土及其制备方法，本发明将石灰石粉、钢渣粉和矿渣粉作为掺合料，可得到强度较高的混凝土，提高了钢渣的利用价值。
为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
本发明提供了一种含工业废渣的混凝土，由包括以下质量份的原料，依次经浇筑和养护得到：胶凝材料19～23份、集料70～77份、水5～7份和外加剂，所述外加剂占胶凝材料质量的0.5～2％；
所述胶凝材料包括以下质量含量的组分：石灰石粉5～15％、钢渣粉10～30％、矿渣粉15～35％和余量的水泥。
优选的，所述胶凝材料中，石灰石粉的比表面积为500～700m2/kg，钢渣粉的比表面积为350～500m2/kg，矿渣粉的比表面积为400～500m2/kg。
优选的，所述集料包括碎石和砂子，所述砂子占集料质量的32～42％。
优选的，所述碎石的粒径为5～25mm。
优选的，所述砂子的细度模数为2.5～3.5。
优选的，所述外加剂包括聚羧酸盐高效减水剂。
优选的，水与胶凝材料的质量比为0.26～0.32：1。
本发明提供了上述技术方案所述含工业废渣的混凝土的制备方法，包括以下步骤：
(1)将胶凝材料和集料混合，得到干混料；
(2)将所述步骤(1)得到的干混料与外加剂和部分水混合，得到湿混料；
(3)将步骤(2)得到的湿混料与剩余水混合，所得混合物料依次进行浇筑和养护，得到含工业废渣的混凝土。
优选的，所述步骤(2)中部分水占水总质量的80～85％。
优选的，所述步骤(3)中养护的温度为18～22℃，湿度为85～95％，时间为7～21天。
本发明将钢渣粉、石灰石粉和矿渣粉配合使用，三者相互激发，有效填充水泥颗粒的空隙，得到早期强度高、后期强度持续增长，并兼具补偿收缩效应的混凝土。本发明提供的上述方案能得到C60级别或以上的混凝土，提高了工业废渣，尤其是钢渣和石灰石粉的利用价值。
具体实施方式
本发明提供了一种含工业废渣的混凝土，由包括以下质量份的原料，依次经混合、浇筑和养护得到：胶凝材料19～23份、集料70～77份、水5～7份和外加剂，所述外加剂占胶凝材料质量的0.5～2％；
所述胶凝材料包括以下质量含量的组分：石灰石粉5～15％、钢渣粉10～30％、矿渣粉15～35％和余量的水泥。
以质量份计，本发明所述含工业废渣的混凝土的原料包括胶凝材料19～23份，优选为19～22份，更优选为19.5～21份。以质量含量计，所述胶凝材料包括石灰石粉5～15％、钢渣粉10～30％、矿渣粉15～35％和余量的水泥。
在本发明中，所述胶凝材料中石灰石粉的质量含量优选为6～14％，更优选为7～13.5％。在本发明中，所述石灰石粉的比表面积优选为500～700m2/kg，更优选为520～680m2/kg，再优选为550～650m2/kg；所述石灰石粉的密度优选为2.6～2.7g/cm3，更优选为2.62～2.69g/cm3，再优选为2.65～2.68g/cm3；所述石灰石粉的中位径(D0.5)优选为9～12μm，更优选为9.5～11μm，再优选为10～10.9μm。在本发明中，所述石灰石粉的原料来源优选为骨料开采加工过程中产生的石灰石粉和/或石灰石屑。在本发明中，所述石灰石粉或石灰石屑的粒径满足上述要求时，可直接使用，若粒径较大，优选通过球磨的方式对石灰石原料进行细化处理，以得到满足上述要求的石灰石粉。
在本发明中，所述胶凝材料中钢渣粉的质量含量优选为11～29％，更优选为12～18％。在本发明中，所述钢渣粉的比表面积优选为350～500m2/kg，更优选为360～480m2/kg，再优选为400～450m2/kg；所述钢渣粉的密度优选为3.1～3.4g/cm3，更优选为3.2～3.3g/cm3，再优选为3.25～3.3g/cm3；所述钢渣粉的中位径(D0.5)优选为17～19μm，更优选为17.5～18.5μm，再优选为17.7～18.0μm。在本发明中，所述钢渣粉的原料来源优选为转炉热闷钢渣。本发明优选通过球磨的方式对钢渣原料进行细化处理，以得到满足上述要求的钢渣粉。
在本发明中，所述胶凝材料中矿渣粉的质量含量优选为15～35％，更优选为16～30％。在本发明中，所述矿渣粉的比表面积优选为400～500m2/kg，更优选为415～485m2/kg，再优选为425～475m2/kg；所述矿渣粉的密度优选为3.1～3.4g/cm3，更优选为3.2～3.3g/cm3，再优选为3.25～3.3g/cm3；所述矿渣粉的中位径(D0.5)优选为10～12μm，更优选为10.5～11.5μm，再优选为10.7～11.2μm。本发明对所述矿渣粉的原料来源没有特殊要求，采用本领域技术人员熟知的即可。本发明优选通过球磨的方式对矿渣粉原料进行细化处理，以得到满足上述要求的矿渣粉。
在本发明中，所述胶凝材料还包括水泥；所述水泥优选为强度等级不低于PO42.5型水泥。在本发明中，所述水泥的含量能使胶凝材料中各组分的质量含量和达到100％即可。
本发明将钢渣粉和石灰石粉配合使用，替代部分矿渣粉后，产生三种组分相互激发的协同作用，能够取代水泥，取代量可达到50％，明显降低了水泥的使用量。利用本发明提供的胶凝材料制备的混凝土，具有高强度性能，提高了钢渣、石灰石废弃料等低活性固体废弃物的利用价值。
以所述质量份的胶凝材料为基准，本发明所述含工业废渣的混凝土的原料包括集料70～77份，优选为71～76份，更优选为72～75份。在本发明中，所述集料优选包括碎石和砂子，所述砂子优选占集料质量(砂率)的32～42％，更优选为33～41％，再优选为35～40％。在本发明中，所述砂子的细度模数优选为2.5～3.5，更优选为2.6～3.4，再优选为2.7～3.3。
在本发明中，集料中碎石的粒径优选为5～25mm，更优选采用[5mm,10mm]和(10mm,25mm]连续级配；所述粒径为[5mm,10mm]的碎石质量优选占碎石总质量的10～30％，更优选为12～27％，再优选为15～25％。在本发明中，所述碎石优选为球状颗粒；碎石中，针片状颗粒质量含量优选＜10％，更优选为1～8％；所述碎石的压碎值指标优选为12～14％，更优选为13％。本发明对所述碎石的种类没有特殊要求，优选采用石灰岩碎石。
本发明利用级配碎石和砂子为集料，减少集料的空隙，且能与胶凝材料相容，提高集料与胶凝材料之间的结合强度，对改善混凝土的强度性能有利。
以所述质量份的胶凝材料为基准，本发明所述含工业废渣的混凝土的原料包括外加剂，所述外加剂占胶凝材料质量的0.5～2％，优选为0.7～1.8％，更优选为1.0～1.5。在本发明中，所述外加剂优选包括聚羧酸盐高效减水剂，所述聚羧酸盐高效减水剂的减水率30％以上，抗压强度比110％以上。在本发明实施例中，所述减水剂优选为西卡公司的市售产品。
本发明所述混凝土的制备原料还包括水5～7份。水胶比以水和胶凝材料的质量比计，本发明所述水胶比优选为0.26～0.32：1，更优选为0.27～0.31:1，再优选为0.28～0.30:1。
本发明以上述组分为原料，依次经浇筑和养护得到混凝土，所述混凝土的碳化深度达到3.7～4.9mm，56天劈拉强度达到55.5MPa以上，7天抗压强度达到54.7MPa以上，28天抗压强度达到69MPa以上，混凝土等级达到C60及以上。
本发明还提供了上述技术方案所述含工业废渣的混凝土的制备方法，包括以下步骤：
(1)将胶凝材料和集料混合，得到干混料；
(2)将所述步骤(1)得到的干混料与外加剂和部分水混合，得到湿混料；
(3)将步骤(2)得到的湿混料与剩余水混合，所得混合物料依次进行浇筑和养护，得到含工业废渣的混凝土。
本发明将胶凝材料和集料混合，得到干混料。在本发明中，所述胶凝材料优选将石灰石粉、钢渣粉和矿渣粉混合均匀，然后再与水泥混合均匀。本发明对所述胶凝材料与集料的混合方式没有特殊要求，采用本领域技术人员熟知的方式。在本发明实施例中，上述混合优选在搅拌机中进行。
得到干混料后，本发明将所述干混料与外加剂和部分水混合，得到湿混料。在本发明中，所述外加剂和部分水优选同时添加至干混料中，添加时，优选在搅拌条件下进行。本发明对所述搅拌的具体实施方式没有特殊要求，能使各组分均匀混合即可。在本发明中，所述部分水优选来自于混凝土制备原料中的水，所述部分水优选占水总质量的80～85％，更优选为81～84％，再优选为82～83％。
得到湿混料后，本发明将所述湿混料与剩余水混合，所得混合物料依次进行浇筑和养护，得到含工业废渣的混凝土。在本发明中，所述剩余水的用量与部分水的质量总和与原料中水的质量一致。本发明对所述混合物料的浇筑方式没有特殊要求，采用本领域技术人员熟知的方式即可。
本发明优选将制备原料中的水分两次添加，即可保证物料之间混合的均匀性，还能保证浇筑料的浇筑性能，改善浇筑料的成型性能，使所得含工业废渣的混凝土的空隙更为合理，改善混凝土的强度。
浇筑后，本发明优选对浇筑后的物料进行振动成型，所述振动成型的频率优选为50±5Hz，更优选为50±3Hz，最优选为50Hz；振幅优选为0.45～0.55mm，更优选为0.47～0.53mm，再优选为0.48～0.52mm，最优选为0.50mm。本发明优选在上述条件下进行成型，可提高混凝土物料之间的致密性，改善混凝土的强度性能。
振动成型后，本发明对成型物料进行养护，得到含工业废渣的混凝土。在本发明中，所述养护的温度优选为18～22℃，更优选为19～21℃；湿度优选为85～95％，更优选为88～92％；时间为7～21天。
为了进一步说明本发明，下面结合实施例对本发明提供的一种含工业废渣的混凝土及其制备方法进行详细地描述，但不能将它们理解为对本发明保护范围的限定。
实施例1
胶凝材料、集料和水的用量分别为：19.5份、74.8份和5.5份；其中，
胶凝材料的组成为：水泥50％，石灰石粉5％，钢渣粉23.5％，矿渣粉21.5％；石灰石粉、钢渣粉和矿渣粉的主要化学成分及含量如表1所示，其余为杂质或微量成分，未列出；
集料的组成为：粗集料为粒径5～25mm连续级配石灰岩碎石，针片状颗粒含量8％，压碎值指标13％；碎石级配：粒径[5mm，10mm]的碎石占20％，粒径为(10mm，25mm]的碎石占80％；细集料细度模数为3.4，砂率38％；
外加剂为西卡325C高性能超塑化剂，掺量为胶凝材料总量的0.9％；
单方用水量135kg/m3。
将石灰石原料通过球磨机粉磨至勃氏比表面积为620m2/kg，其密度为2.68g/cm3，中位径D0.5为10.804μm；将转炉热闷钢渣通过球磨机分别粉磨至勃氏比表面积为440m2/kg，其密度为3.29g/cm3，中位径D0.5为17.819μm；矿渣粉通过立磨制备，其勃氏比表面积为460m2/kg，中位径D0.5为11.003μm，密度为2.89g/cm3，其中，立磨矿渣粉性能满足GB/T18046-2017《用于水泥、砂浆和混凝土中的粒化高炉矿渣粉》标准中S95级技术要求。
将石灰石粉、钢渣粉和矿渣粉按比例混合均匀得到复合掺合料，将掺合料与水泥混合，即得胶凝材料。
将粗集料及细集料倒入搅拌机搅拌均匀，再将胶凝材料倒入干拌至均匀；在搅拌过程中加入大部分水和全部减水剂，用剩余水(约1/5)调整拌合物工作状态，制备出工作性能满足施工要求的新拌混凝土，在温度20±2℃，湿度90±5％的条件下养护至规定龄期。
实施例2
胶凝材料、集料和水的用量分别为：21份、77份和5份；其中，
胶凝材料的组成为：水泥50％，石灰石粉8.5％，钢渣粉16.5％，矿渣粉25％；
集料组成为：粗集料为粒径5～25mm连续级配石灰岩碎石，针片状颗粒含量8％，压碎值指标13％，粗集料中，粒径[5mm，10mm]的碎石占20％，粒径(10mm，25mm]的碎石占80％；细集料细度模数为3.4，砂率38％；
外加剂为同实施例1的减水剂，掺量为胶凝材料总量的0.9％；
单方用水量135kg/m3。
其余同实施例1。
实施例3
胶凝材料、集料和水的用量分别为：19.5份、74.8份和5.5份；其中，
胶凝材料组成：水泥50％，石灰石粉15％，钢渣粉13.5％，矿渣粉21.5％；
集料组成：粗集料为粒径5～25mm连续级配石灰岩碎石，针片状颗粒含量8％，压碎值指标13％，粗集料中，粒径为[5mm，10mm]的碎石占20％，粒径为(10mm，25mm]的碎石占80％；细集料细度模数为3.4，砂率38％；
外加剂为同实施例1的减水剂，掺量为胶凝材料总量的0.9％；
单方用水量135kg/m3。
其余同实施例1。
实施例4
胶凝材料、集料和水的用量分别为：19.5份、74.8份和5.5份；其中，
胶凝材料组成：水泥50％，石灰石粉15％(比表面积为600m2/kg)，钢渣粉13.5％(比表面积为400m2/kg)，矿渣粉21.5％(比表面积为450m2/kg)；
集料的组成为：粗集料为粒径5～25mm连续级配石灰岩碎石，针片状颗粒含量7％，压碎值指标13％；碎石级配：粒径[5mm，10mm]的碎石占15％，粒径为(10mm，25mm]的碎石占85％；细集料细度模数为2.8，砂率35％；其余同实施例1。
实施例5
胶凝材料、集料和水的用量分别为：22份、73份和6份；其中，
胶凝材料组成：水泥50％，石灰石粉15％(比表面积为550m2/kg)，钢渣粉13.5％(比表面积为450m2/kg)，矿渣粉21.5％(比表面积为420m2/kg)；
集料的组成为：粗集料为粒径5～25mm连续级配石灰岩碎石，针片状颗粒含量5％，压碎值指标13％；碎石级配：粒径[5mm，10mm]的碎石占17％，粒径为(10mm，25mm]的碎石占83％；细集料细度模数为3.0，砂率34％；其余同实施例1。
对比例1
按照实施例1的方法制备混凝土，不同之处在于胶凝材料的组成为50％的水泥和50％的矿渣粉。
表1工业废渣的主要化学成分的质量含量
化学成分 SiO<sub>2</sub> TFe<sub>2</sub>O<sub>3</sub> Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub> CaO MgO SO<sub>3</sub> f-CaO 烧失量
钢渣粉/％ 14.76 31.46 2.98 34.75 6.49 0.33 1.59 2.19
矿渣粉/％ 33.72 0.37 14.01 37.75 6.81 1.36 0.045 0.57
石灰石粉/％ 14.69 1.25 3.41 42.87 1.63 0.42 0.076 34.8
性能测试结果
根据标准JC/T 603-2004《水泥胶砂干缩试验方法》，对实施例1～5和对比例1的方案进行干缩试验，测试结果见表2。
表2实施例1～5和对比例1的水泥砂浆干缩试验
Figure BDA0001865516750000081
由表2测试结果可知：与对比例1相比，本发明提供的复合掺合料取代水泥50％，水泥砂浆在3d～21d龄期干燥率均变小，有利于提高水泥基材料的抗裂性能。
根据GB/T50081-2002《普通混凝土力学性能试验方法》标准，对实施例1～5和对比例1的混凝土进行力学性能试验；依据GB/T50082-2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法》对实施例1～3和对比例1的混凝土进行碳化试验，试验结果见表3。
表3实施例1～5与对比例1的混凝土试验结果
Figure BDA0001865516750000091
由表3的测试结果可知：本发明提供的复合掺合料取代水泥50％可以制备C60及以上等级混凝土，7d抗压强度达到设计强度的90％以上，后期抗压强度持续增长；与对比例1相比，28d抗压强度接近甚至超过对比样抗压强度；碳化深度值与对比例相差不大，甚至有所减小，碳化深度值在3.5mm～5mm之间变化，说明本发明提供的混凝土的抗碳化性能优异；56d劈裂抗拉强度较对比例显著提高，有利于提高混凝土的抗裂性能。
由以上实施例可知，本发明利用钢渣和石灰石，替代部分矿渣粉，所得混凝土的综合性能不仅不降低，甚至有所提高，可取代矿渣粉用于高强度混凝土的制备，显著提高了工业固体废弃物的资源化利用水平。
石灰石份、钢渣粉和矿渣粉虽均为工业固体废弃物，但矿渣粉价格为280元/吨，石灰石粉为90元/吨，钢渣为120元/吨，矿渣粉的价格高于石灰石和钢渣的价格，因此，若以石灰石和钢渣的混合料取代矿渣粉，对于降低混凝土生产成本是极为有利的。
尽管上述实施例对本发明做出了详尽的描述，但它仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部实施例，人们还可以根据本实施例在不经创造性前提下获得其他实施例，这些实施例都属于本发明保护范围。

Claims (9)

1.一种含工业废渣的混凝土，由以下质量份的原料组成，依次经浇筑和养护得到：胶凝材料19～23份、集料70～77份、水5～7份和外加剂，所述外加剂占胶凝材料质量的0.5～2％；所述外加剂为减水剂；
所述胶凝材料包括以下质量含量的组分：石灰石粉6～15％、钢渣粉10～30％、矿渣粉15～35％和余量的水泥；
所述石灰石粉的中位径为9～12μm，钢渣粉的中位径为17～19μm，矿渣粉的中位径为10～12μm；
所述集料包括碎石和砂子；所述碎石的粒径为5～25mm，采用[5mm,10mm]和[10mm,25mm]连续级配；所述粒径为[5mm,10mm]的碎石质量占碎石总质量的10～30％；
所述含工业废渣的混凝土的制备方法，包括以下步骤：
(1)将胶凝材料和集料混合，得到干混料；
(2)将所述步骤(1)得到的干混料与外加剂和部分水混合，得到湿混料；
(3)将所述步骤(2)得到的湿混料与剩余水混合，所得混合物料依次进行浇筑和养护，得到含工业废渣的混凝土。
2.如权利要求1所述的混凝土，其特征在于，所述胶凝材料中，石灰石粉的比表面积为500～700m2/kg，钢渣粉的比表面积为350～500m2/kg，矿渣粉的比表面积为400～500m2/kg。
3.如权利要求1所述的混凝土，其特征在于，所述砂子占集料质量的32～42％。
4.如权利要求1所述的混凝土，其特征在于，所述砂子的细度模数为2.5～3.5。
5.如权利要求1所述的混凝土，其特征在于，所述外加剂包括聚羧酸盐高效减水剂。
6.如权利要求1或2所述的混凝土，其特征在于，所述水与胶凝材料的质量比为0.26～0.32：1。
7.权利要求1～6任一项所述含工业废渣的混凝土的制备方法，包括以下步骤：
(1)将胶凝材料和集料混合，得到干混料；
(2)将所述步骤(1)得到的干混料与外加剂和部分水混合，得到湿混料；
(3)将所述步骤(2)得到的湿混料与剩余水混合，所得混合物料依次进行浇筑和养护，得到含工业废渣的混凝土。
8.如权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中部分水占水总质量的80～85％。
9.如权利要求7或8所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(3)中养护的温度为18～22℃，湿度为85～95％，时间为7～21天。
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