CN110282898A - 高性能矿物掺合料及其在混凝土中的应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种矿物掺合料，以钢渣粉为主料，以炉渣、煤渣、早强剂、超细矿粉、快硬硫铝酸盐水泥、熟料粉、硅灰为辅料制备而成；各原料按照质量百分比计为：钢渣粉60‑70%，炉渣8‑12%、煤渣4‑6%，超细矿粉5%‑10%，快硬硫铝酸盐水泥3‑6%、熟料粉4‑6%、早强剂3‑7%，硅灰5%‑10%。本发明使用具备早强型水泥与硅灰掺合料，弥补钢渣粉早期强度不足的劣势，使用超细矿粉，保证全龄期强度稳定发展，同时，使用立磨研磨钢渣粉，在研磨过程中，立磨中的高温热风也能消解掉大量的f‑CaO，进而保证了矿物掺合料的安定性，使其工作性、力学性能、耐久性能均能满足相关要求。

Description

高性能矿物掺合料及其在混凝土中的应用

技术领域

本发明属于建筑材料混凝土材料发明领域，具体是一种以立磨钢渣粉为主的矿物掺合料及其在混凝土中的应用。

背景技术

钢渣是炼钢过程中的一种副产品。它由生铁中的硅、锰、磷、硫等杂质在熔炼过程中氧化而成的各种氧化物以及这些氧化物与溶剂反应生成的盐类所组成。钢渣的矿物组成以硅酸三钙为主，其次是硅酸二钙、RO相、铁酸二钙和游离氧化钙。钢渣分为电炉钢渣、平炉钢渣和转炉钢渣3种。

钢渣是冶金工业中产生的废渣，其产生率为粗钢产量的8％～15％。中国的钢渣产生量随着钢铁工业的快速发展而迅速递增，因此，钢铁企业废渣的处理和资源化利用问题也越来越受到重视。

粒化高炉矿渣是炼铁厂在高炉冶炼生铁时所得到的以硅铝酸钙为主要成分的熔融物，经水淬成粒后所得的工业固体废渣，大部分为玻璃质，具有潜在水硬胶凝性，使用立磨磨成粒化高炉矿渣粉，现建材行业以S95级矿粉居多。但由于现在钢铁行业减产，粒化高炉矿渣的产量也随之减少，价格上涨。目前有G95级钢铁渣粉性能稍接近S95矿粉，但G95级钢铁渣粉中钢渣粉含量低于30％，仅钢渣粉与矿渣粉简单复配，尚不能满足对钢渣的大量消耗。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术存在的不足而提供一种矿物掺合料，在应用于混凝土中时，等量取代S95矿粉，在提高早期强度的同时，保证了中后期强度的明显发展，力学性能、工作性能、耐久性均满足要求。

本发明为解决上述提出的问题所采用的技术方案为：

一种矿物掺合料，其以钢渣粉为主料，以炉渣、煤渣、早强剂、超细矿粉、快硬硫铝酸盐水泥、熟料粉、硅灰为辅料制备而成；各原料按照质量百分比计为：钢渣粉60-70％，炉渣8-12％、煤渣4-6％，超细矿粉5％-10％，快硬硫铝酸盐水泥3-6％、熟料粉4-6％、早强剂3-7％，硅灰5％-10％。

按上述方案，所述超细矿粉的比表面积大于1000m²/kg，三氧化硫含量小于0.3％，烧失量小于1.0％，含水率小于0.1％，氯离子含量小于0.006％，活性指数3天115％，28天122％。

按上述方案，所述钢渣粉的主要化学成分及其质量百分比为：CaO 41.11％、SiO₂12.67％、Fe₂O₃ 11.86％、MgO 5.92％、Al₂O₃ 4.27％、SO₃ 0.44％、Na₂O 0.17％。

按上述方案，所述炉渣的主要化学成分及其质量百分比为：SiO₂ 45.45％、Al₂O₃25.91％、CaO 10.77％、Fe₂O₃ 4.11％、MgO 2.57％。

按上述方案，所述煤渣的主要化学成分及其质量百分比为：SiO₂ 49.93％、Al₂O₃20.40％、Fe₂O₃ 7.85％、CaO 7.00％、MgO 1.92％。

按上述方案，所述早强剂选用硝酸盐，如亚硝酸钠等。

本发明还提供上述矿物掺合料的制备工艺，步骤如下：由天车抓斗抓起钢渣原料于料斗中，经由皮带运送至中间料仓存贮，中间料仓下有电子皮带秤，通过计算机计量皮带转速，准确控制钢渣投料量；各掺合料从各自料仓中由皮带运出至电子皮带秤，与钢渣一同经震动给料器及磁鼓分离器，磁鼓分离器选出的铁进入外排仓；钢渣与其他掺合料在磨内混合研磨，混合料经回转喂料器进入磨内研磨；研磨合格的粉体经由选粉机选出；粉附着在布袋收集器上，由脉冲阀吹气打入空气斜槽，输送入粉库。

本发明所述高性能矿物掺和料的密度大于3.0g/cm³，比表面积大于440m²/kg，三氧化硫含量小于2.0％，烧失量小于1.0％，含水率小于0.1％，f-CaO含量小于2.0％，氯离子含量小于0.006％，活性指数7天88％，28天105％。

本发明所述高性能矿物掺和料可以用于混凝土中替换S95矿粉。在配制C25-C40混凝土中，可等量取代S95矿粉，掺量在胶材总量的20％-25％最佳。

本发明所述高性能矿物掺和料以钢渣粉为主料，以炉渣、煤渣、早强剂、超细矿粉、快硬硫铝酸盐水泥、熟料粉、硅灰为辅料，多种掺合料耦合激发，充分利用钢渣粉中大量的RO相，在低水泥熟料体系中，大量的RO相在石膏的协同作用下都是激发活性富硅铝酸盐物质的良好激发剂，既是激发超细矿粉形成C-S-H的物质基础，也是耦合矿渣微粉中Al₂O₃和Fe₂O₃形成含铁钙矾石类复盐的物质基础。钙矾石复盐形成具有纳米直径的针棒状晶体从而对硬化体具有填充增强增韧效应。利用钢渣粉为主的多种矿物掺合料的协同激发效应，在形成大量针棒状复盐晶体的同时，还形成大量近于非晶态的C-S-H凝胶和类沸石相，并紧紧将针棒状复盐晶体包裹起来，使整个体系的稳定性大幅度提高。

与现有技术相比，本发明的效益在于：

首先，本发明使用具备早强型水泥与硅灰掺合料，弥补钢渣粉早期强度不足的劣势，使用超细矿粉，保证全龄期强度稳定发展，同时，使用立磨研磨钢渣粉，在研磨过程中，立磨中的高温热风也能消解掉大量的f-CaO，进而保证了矿物掺合料的安定性，使其工作性、力学性能、耐久性能均能满足相关要求。

其次，炉渣和煤渣内含有较多的SiO₂和Al₂O₃，在浆体的水化反应过程中还形成大量近于非晶态的C-S-H及C-A—H凝胶，而钢渣中CaO含量居多，可大量参与二次水化反应，即在水泥熟料矿物水化后的产物与活性氧化物进行反应，能够产生更多的凝胶材料，使水泥石结构致密，有利于提高产品力学性能；

再者、本发明将亚硝酸钠掺入体系中，在水泥熟料水化过程中起促进的作用，它能够加速C3A的水化和钙矾石的形成，在钢渣本身无早期强度的情况下，依靠熟料、早强剂等提高浆体早期强度。

附图说明

图1为本发明立磨线磨钢渣工艺流程图。

具体实施方式

为了更好地理解本发明，下面结合实施例进一步阐明本发明的内容，但本发明不仅仅局限于下面的实施例。

如图1所示，由天车抓斗抓起钢渣原料于料斗中，料斗内置多个调节杆，可控制下料速度以及防止结块大渣进入；经由皮带运送至中间料仓存贮，中间料仓上设置有震动器，防止积料；中间料仓下有电子皮带秤，通过计算机计量皮带转速，准确控制钢渣投料量；各掺合料从各自料仓中由皮带运出至电子皮带秤，与钢渣一同经震动给料器及磁鼓分离器，磁鼓分离器选出的铁进入外排仓；钢渣与其他掺合料在磨内混合研磨，混合料经回转喂料器进入磨内研磨；研磨合格的粉体经由选粉机选出；粉附着在布袋收集器上，由脉冲阀吹气打入空气斜槽，输送入粉库。

下述实施例中，所述超细矿粉的比表面积大于1000m²/kg，三氧化硫含量小于0.3％，烧失量小于1.0％，含水率小于0.1％，氯离子含量小于0.006％，活性指数3天115％，28天122％；所述钢渣粉的主要化学成分及其质量百分比为：CaO 41.11％、SiO₂ 12.67％、Fe₂O₃ 11.86％、MgO 5.92％、Al₂O₃ 4.27％、SO₃ 0.44％、Na₂O 0.17％。

下述实施例中，炉渣的主要化学成分及其质量百分比为：SiO₂ 45.45％、Al₂O₃25.91％、CaO 10.77％、Fe₂O₃ 4.11％、MgO 2.57％；煤渣的主要化学成分及其质量百分比为：SiO₂ 49.93％、Al₂O₃ 20.40％、Fe₂O₃ 7.85％、CaO 7.00％、MgO 1.92％。

下述实施例中，早强剂为亚硝酸钠，快硬硫铝酸盐水泥型号为R.SAC 42.5，水泥熟料粉为普通市售产品。

应用例中，采用钢华P.O 42.5水泥，其性能符合GB-175相关要求，水泥相关指标见表1。

表1钢华P.O 42.5水泥物理性能表

应用例中，细骨料(砂)性能如表2所示。

表2细骨料性能

级配区	细度模数	表观密度	堆积密度	含泥量	含水量
						Ⅱ	2.72	2603g/cm<sup>3</sup>	1611g/cm<sup>3</sup>	0.62	0.3

应用例中，粗骨料(石)性能如表3所示。

表3粗骨料性能

级配区	压碎值	表观密度	堆积密度	含泥量	针片状及颗粒状
						Ⅱ	4.8％	2687g/cm<sup>3</sup>	1582g/cm<sup>3</sup>	0.72	4.4％

应用例中，采用聚羧酸高效减水剂，减水率25％，各项性能见表4.

表4聚羧酸高效减水剂性能指标

固体含量	密度	pH	水泥砂浆减水率
				22.1	1.055g/cm	5.8	25％

实施例1

一种矿物掺合料，其以钢渣粉为主料，以炉渣、煤渣、早强剂、超细矿粉、快硬硫铝酸盐水泥、熟料粉、硅灰为辅料制备而成；各原料按照质量百分比计为：钢渣粉60％，炉渣10％、煤渣5％，超细矿粉5％，快硬硫铝酸盐水泥5％、熟料粉5％、早强剂5％，硅灰5％。

本实施例所得矿物掺合料的性能如下：密度大于3.0g/cm³，比表面积大于440m²/kg，三氧化硫含量小于2.0％，烧失量小于1.0％，含水率小于0.1％，f-CaO含量小于2.0％，氯离子含量小于0.006％，活性指数7天88％，28天105％

实施例2

一种矿物掺合料，其以钢渣粉为主料，以炉渣、煤渣、早强剂、超细矿粉、快硬硫铝酸盐水泥、熟料粉、硅灰为辅料制备而成；各原料按照质量百分比计为：各原料按照质量百分比计为：钢渣粉70％，炉渣2.5％、煤渣2.5％，超细矿粉5％，快硬硫铝酸盐水泥5％、熟料粉5％、早强剂5％，硅灰5％。

本实施例所得矿物掺合料的性能如下：密度大于3.0g/cm³，比表面积大于440m²/kg，三氧化硫含量小于2.0％，烧失量小于1.0％，含水率小于0.1％，f-CaO含量小于2.0％，氯离子含量小于0.006％，活性指数7天85％，28天102％

应用例

将实施例1制备的矿物掺和料用于配制C25-C40混凝土(砼编号A2、B2)，等量取代S95矿粉，并与S95矿粉配制的C25-C40混凝土(砼编号A1、B1)进行比较，从而比较本发明所制备的矿物掺和料与S95的性能。C25混凝土的原料组成如表5所示，性能测试结果如表7所示；C40混凝土的原料组成如表6所示，性能测试结果如表8所示。

表5

表6

表7

C25	3天强度/MPa	7天强度/MPa	28天强度/MPa	56天强度/MPa
					A1	7.7	14	26.7	28.7
A2	9.9	19.3	31.5	36.2

表8

C40	3天强度/MPa	7天强度/MPa	28天强度/MPa	56天强度/MPa
					B1	16.3	26.6	41.8	44
B2	19.7	28.8	47.1	48.2

由表7和8，可知：在C25混凝土实验中，等量取代S95矿粉，在工作性能(坍落度、扩展度)一致的情况下，3天龄期强度高28.6％，7天龄期强度高37.9％，28天龄期高18.0％，56天龄期高26.1％；在C40混凝土实验中，等量取代S95矿粉，在工作性能(坍落度、扩展度)一致的情况下，3天龄期强度高20.9％，7天龄期强度高8.3％，28天龄期高12.7％，56天龄期高9.5％。

上述表明，本发明所述高性能矿物掺合料与S95矿粉相比，力学性能在各龄期均明显比S95矿粉基准样高，在工作性满足的情况下，混凝土强度普遍高于S95的10％-30％。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干改进和变换，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种矿物掺合料，其特征在于以钢渣粉为主料，以炉渣、煤渣、早强剂、超细矿粉、快硬硫铝酸盐水泥、水泥熟料粉、硅灰为掺合料制备而成；各原料按照质量百分比计为：钢渣粉60-70%，炉渣8-12%、煤渣4-6%，超细矿粉5%-10%，快硬硫铝酸盐水泥3-6%、熟料粉4-6%、早强剂3-7%，硅灰5%-10%。

2.根据权利要求1所述的一种矿物掺合料，其特征在于所述超细矿粉的比表面积大于1000m²/kg，三氧化硫含量小于0.3%，烧失量小于1.0%，含水率小于0.1%，氯离子含量小于0.006%，活性指数3天115%，28天122%。

3.根据权利要求1所述的一种矿物掺合料，其特征在于所述钢渣粉的主要化学成分及其质量百分比为：CaO 38-45%、SiO₂ 10-15%、Fe₂O₃ 9-14%、MgO 4-8%、Al₂O₃ 2-6%、SO₃ 0.3-0.6%、Na₂O 0.1-0.25%。

4.根据权利要求1所述的一种矿物掺合料，其特征在于所述炉渣的主要化学成分及其质量百分比为：SiO₂ 40-50%、Al₂O₃ 20-30%、CaO 5-15%、Fe₂O₃ 2-6%、MgO 1.5-4.0%。

5.根据权利要求1所述的一种矿物掺合料，其特征在于所述煤渣的主要化学成分及其质量百分比为：SiO₂ 45-55%、Al₂O₃ 15-25%、Fe₂O₃ 5-10%、CaO 5-9%、MgO 1.5-2.5%。

6.根据权利要求1所述的一种矿物掺合料，其特征在于所述早强剂选用硝酸盐。

7.权利要求1所述的矿物掺合料的制备工艺，其特征在于步骤如下：

由天车抓斗抓起钢渣于料斗中，经由皮带运送至中间料仓存贮，再由皮带运出至电子皮带秤；各掺合料从各自料仓中由皮带运出至电子皮带秤，与钢渣一同经震动给料器及磁鼓分离器，磁鼓分离器选出的铁进入外排仓，钢渣与其他掺合料的混合料经回转喂料器在立磨内研磨；研磨合格的粉体即为所得矿物掺合料，经由选粉机选出，然后附着在布袋收集器上，由脉冲阀吹气打入空气斜槽，输送入粉库。

8.权利要求1所述的矿物掺合料在混凝土中的应用。

9.权利要求8所述应用，其特征在于配制C25-C40混凝土时，等量取代S95矿粉，掺量在胶材总量的20%-25%。