CN110423081B - 多固废协同制备钢纤维增强超高性能混凝土及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种多固废协同制备钢纤维增强超高性能混凝土及其制备方法，属于固废资源化利用技术领域。该混凝土以重量百分比计，包括35％～50％的胶凝材料、35％～50％的骨料、0～3％的减水剂、5％～8％的钢纤维和7％～9％的水，在制备时，首先将矿渣、热焖法转炉渣、精炼渣和工业副产石膏单独粉磨或混合粉磨，混匀制得胶凝材料；然后按质量百分比将胶凝材料、骨料、减水剂、钢纤维和水搅拌均匀后，经浇筑成型并进行养护，得到多固废协同制备钢纤维增强超高性能混凝土。本发明制备出标准养护条件下28天抗压强度100MPa～160MPa、抗折强度35MPa～45MPa的超高性能混凝土。显著提升了超高性能混凝土中固体废弃物的利用率，降低了成本，具有明显的环境和经济效益。

Description

多固废协同制备钢纤维增强超高性能混凝土及其制备方法
技术领域
本发明涉及固废资源化利用技术领域，特别是指一种多固废协同制备钢纤维增强超高性能混凝土及其制备方法。
背景技术
与普通混凝土相比，超高性能混凝土(Ultra-High Performance Concrete，简称UHPC)通过提高胶凝材料的用量、使用高活性胶凝材料、降低水胶比、去除粗骨料等方式，能够降低材料的内部缺陷率，并通过添加钢纤维提高混凝土的韧性和强度，使超高性能混凝土整体性能较普通混凝土显著提升，应用范围更广。
目前超高性能混凝土也存在一些缺陷：如水泥用量较高、水化热过多、收缩大、生产成本昂贵、生产工艺复杂等。传统超高性能混凝土虽然已经可以利用矿粉、粉煤灰和硅灰等矿物掺合料改善混凝土整体性能，但随着矿粉、粉煤灰和硅灰的广泛应用，其价格逐年提高，开发新的用于超高性能混凝土的矿物掺合料势在必行。
钢渣作为一种冶金固体废弃物，在我国综合利用的现状并不理想，目前综合利用率仅为10％～20％。钢渣的主要矿物相具备一定的水化潜力，将其破碎、粉磨后可以大量用于建筑工业。钢渣中的转炉钢渣占比最大，其处理工艺主要有热泼法、热焖法、风淬法和滚筒法这几种，其中热焖法和滚筒法应用最为广泛，生产出的转炉钢渣品质比较稳定，更适合工业应用。钢渣中的精炼渣水化活性较强，早期反应迅速，易于粉磨加工，也很适合用于混凝土生产。热焖法转炉钢渣和精炼渣在与矿渣共同水化时，能够提供碱性环境，充分激发矿渣的活性，辅以工业副产石膏引入硫酸根离子，可以加速原料分解速度，促进水化产物迅速生成。在这种多固废协同作用下，混凝土的各方面性能均能超越普通水泥混凝土，将这种思路应用于超高性能混凝土也是可行的。
另一方面，超高性能混凝土中大量使用细骨料，如果采用天然的或开山炸石得来的机制砂作为骨料，将大大提高成本。滚筒法转炉钢渣性能稳定，硬度高于天然砂和一般机制砂，全部或部分采用滚筒法转炉钢渣可以在保证性能的基础上，降低成本，提高固废利用率，有助于节约砂石资源。
现有技术中，专利公开号CN106747112B、CN108358566A、CN107963855A、CN109293311A分别授权或公开了不同种类的超高性能混凝土及其制备方法。这些混凝土的组分中，水泥均占胶凝材料总量的50％以上，成本较高，并且使用的是天然骨料，对环境有一定破坏作用。
此外，CN109592946A公开了一种掺钢渣的超高性能混凝土及其制备方法。其中钢渣掺入量可达水泥质量的30％，混凝土流动性好、收缩小、强度高。但这种混凝土中每立方米的水泥用量仍然至少有372kg，并且使用的是天然骨料，在降低成本方面仍有继续发展的空间。
CN106470956B授权了一种具有低水泥含量的超高性能混凝土。其混凝土胶凝材料中水泥的掺量可以降至17.7％，但仍需要掺加水泥，且28天的机械强度仅为90MPa以上。
发明内容
本发明为解决现有的超高性能混凝土中水泥用量较大、对钢渣的整体利用率较低、大量使用天然骨料、造成环境污染和提高成本以及低水泥用量的超高性能混凝土强度难以提高等问题，提供一种多固废协同制备钢纤维增强超高性能混凝土及其制备方法。
该混凝土以质量百分比计，包括35％～50％的胶凝材料、35％～50％的骨料、0～3％的减水剂、5％～8％的钢纤维和7％～9％的水；其中，胶凝材料由40％～70％的矿渣、15％～35％的热焖法转炉钢渣、5％～20％的精炼渣和10％～20％的工业副产石膏制备而成，骨料为石英砂和滚筒法转炉钢渣中的一种或两种。
其中，矿渣和热焖法转炉钢渣的比表面积为400m2/kg～750m2/kg。
精炼渣和工业副产石膏的比表面积为300m2/kg～600m2/kg。
矿渣为符合GB/T 203《用于水泥中的粒化高炉矿渣》的粒化高炉矿渣。
热焖法转炉钢渣为符合YB/T 022《用于水泥中的钢渣》的热焖法转炉钢渣。
精炼渣为符合GB/T 33813-2017《用于水泥和混凝土中的精炼渣粉》的精炼渣。
工业副产石膏为脱硫石膏、磷石膏、氟石膏、柠檬石膏、废陶模石膏、钛石膏、芒硝石膏、盐石膏中的一种或多种。
钢纤维为符合YBT 151-1999《混凝土用钢纤维》的钢纤维。
骨料需要加工成符合GB/T14684-2011《建设用砂》国家标准的骨料。
该混凝土标准养护28天抗压强度达到100MPa～160MPa、抗折强度达到35MPa～45MPa。制备该多固废协同制备钢纤维增强超高性能混凝土的方法，具体包括步骤如下：
(1)制备胶凝材料：将矿渣、热焖法转炉渣、精炼渣和工业副产石膏单独粉磨后，混匀制得胶凝材料；
(2)将步骤(1)中制得的胶凝材料与骨料、减水剂、钢纤维、水按质量比搅拌均匀后，经浇筑成型并进行养护，得到多固废协同制备钢纤维增强超高性能混凝土。
其中，步骤(1)还可将矿渣、热焖法转炉渣、精炼渣和工业副产石膏混合粉磨。
本发明的上述技术方案的有益效果如下：
上述方案中，发挥矿渣、热焖法转炉钢渣、精炼渣与工业副产石膏的协同激发作用，在混凝土体系中完全不使用水泥，降低天然骨料用量，保证混凝土强度达到较高水平。解决了现有技术问题，为超高性能混凝土低成本、高附加值生产提供了一条新的思路。具体优点如下：
(1)本发明所涉及的原料可以完全来源于工业固体废弃物，不再使用水泥作为组分，降低了超高性能混凝土的成本，保护环境；
(2)本发明可以协同处置矿渣、热闷法转炉钢渣、滚筒法转炉钢渣、精炼渣、工业副产石膏等多种工业固体废弃物，实现变废为宝，提高超高性能混凝土的绿色度；
(3)本发明有效提高了转炉钢渣和精炼渣的综合利用率，为大规模消纳钢渣提供了新途径；
(4)本发明提出了超高性能混凝土天然骨料的替代方案，可以大规模减少天然骨料的用量，节约自然资源；
(5)本发明相较其他类似的超高性能混凝土其强度指标有明显提高。
具体实施方式
为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合具体实施例进行详细描述。
本发明提供一种多固废协同制备钢纤维增强超高性能混凝土及其制备方法，该混凝土以质量百分比计，包括35％～50％的胶凝材料、35％～50％的骨料、0～3％的减水剂、5％～8％的钢纤维和7％～9％的水；其中，胶凝材料由40％～70％的矿渣、15％～35％的热焖法转炉钢渣、5％～20％的精炼渣和10％～20％的工业副产石膏制备而成，骨料为石英砂和滚筒法转炉钢渣中的一种或两种。
制备该混凝土时，首先将矿渣、热焖法转炉渣、精炼渣和工业副产石膏单独粉磨后，混匀制得胶凝材料；然后将制得的胶凝材料、骨料、减水剂、钢纤维和水按质量比搅拌均匀后，经浇筑成型并进行养护，得到多固废协同制备钢纤维增强超高性能混凝土。
下面结合具体实施例予以说明。
实施例1
一种多固废协同制备钢纤维增强超高性能混凝土，其胶凝材料由以下原料制备而成：以重量百分比计，矿渣56.25％，热焖法转炉渣18.75％，精炼渣5％，脱硫石膏20％；矿渣和热焖法转炉渣混磨至比表面积550m2/kg，精炼渣粉磨至比表面积564m2/kg，脱硫石膏粉磨至比表面积400m2/kg。混凝土中，以重量百分比计，胶凝材料占38.1％、骨料占47.7％、减水剂占0.4％、钢纤维占6.4％，拌合用水占7.6％，其中骨料为滚筒法转炉钢渣，减水剂为固体聚羧酸型高效减水剂，钢纤维采用长径比为60的直线型钢纤维。
混凝土配合比如下表所示：(每立方混凝土材料用量：kg/m3)
Figure BDA0002136539850000041
Figure BDA0002136539850000051
混凝土试块依照上表所示配合比，将原料置于混凝土搅拌机中搅拌均匀，于温度20±5℃，相对湿度不低于60％的条件下注入150mm×150mm×150mm的抗压强度模具和150mm×150mm×600mm的抗折强度模具中，置于混凝土振动台上振动成型。成型后的试块置于养护温度20℃±2℃、相对湿度不低于95％的标准养护条件下养护24h后脱模，继续置于养护温度20℃±2℃、相对湿度不低于95％的恒温恒湿养护箱内养护至28d龄期，检测其抗压强度为162.2MPa，抗折强度为45.3MPa。
实施例2
一种多固废协同制备钢纤维增强超高性能混凝土，其胶凝材料由以下原料制备而成：以重量百分比计，矿渣56.25％，热焖法转炉渣18.75％，精炼渣5％，脱硫石膏20％；矿渣和热焖法转炉渣混磨至比表面积550m2/kg，精炼渣粉磨至比表面积564m2/kg，脱硫石膏粉磨至比表面积400m2/kg。混凝土中，以重量百分比计，胶凝材料占38.1％、骨料占47.7％、减水剂占0.2％、钢纤维占6.4％，拌合用水占7.6％，其中骨料为石英砂，减水剂为固体聚羧酸型高效减水剂，钢纤维采用长径比为60的直线型钢纤维。
混凝土配合比如下表所示：(每立方混凝土材料用量：kg/m3)
Figure BDA0002136539850000052
混凝土试块依照上表所示配合比，将原料置于混凝土搅拌机中搅拌均匀，于温度20±5℃，相对湿度不低于60％的条件下注入150mm×150mm×150mm的抗压强度模具和150mm×150mm×600mm的抗折强度模具中，置于混凝土振动台上振动成型。成型后的试块置于养护温度20℃±2℃、相对湿度不低于95％的标准养护条件下养护24h后脱模，继续置于养护温度20℃±2℃、相对湿度不低于95％的恒温恒湿养护箱内养护至28d龄期，检测其抗压强度为149.0MPa，抗折强度为40.3MPa。
实施例3
一种多固废协同制备钢纤维增强超高性能混凝土，其胶凝材料由以下原料制备而成：以重量百分比计，矿渣65％，热焖法转炉渣15％，精炼渣5％，氟石膏15％；矿渣和热焖法转炉渣混磨至比表面积520m2/kg，精炼渣和氟石膏混磨至比表面积460m2/kg。混凝土中，以重量百分比计，胶凝材料占42.8％、骨料占42.8％、减水剂占0.25％、钢纤维占6.7％，拌合用水占8.2％，其中骨料为石英砂和滚筒法转炉钢渣各半，减水剂为固体聚羧酸型高效减水剂，钢纤维采用长径比为45的波浪型钢纤维。
混凝土配合比如下表所示：(每立方混凝土材料用量：kg/m3)
Figure BDA0002136539850000061
混凝土试块依照上表所示配合比，将原料置于混凝土搅拌机中搅拌均匀，于温度20±5℃，相对湿度不低于60％的条件下注入150mm×150mm×150mm的抗压强度模具和150mm×150mm×600mm的抗折强度模具中，置于混凝土振动台上振动成型。成型后的试块置于养护温度20℃±2℃、相对湿度不低于95％的标准养护条件下养护24h后脱模，继续置于养护温度20℃±2℃、相对湿度不低于95％的恒温恒湿养护箱内养护至28d龄期，检测其抗压强度为142.9MPa，抗折强度为39.1MPa。
实施例4
一种多固废协同制备钢纤维增强超高性能混凝土，其胶凝材料由以下原料制备而成：以重量百分比计，矿渣45％，热焖法转炉渣25％，精炼渣15％，废陶模石膏15％；矿渣和热焖法转炉渣混磨至比表面积560m2/kg，精炼渣和废陶模石膏混磨至比表面积460m2/kg。混凝土中，以重量百分比计，胶凝材料占46.3％、骨料占38.5％、减水剂占0.24％、钢纤维占6.5％，拌合用水占8.5％，其中骨料为滚筒法转炉钢渣，减水剂为固体聚羧酸型高效减水剂，钢纤维采用长径比为60的端钩型钢纤维。
混凝土配合比如下表所示：(每立方混凝土材料用量：kg/m3)
Figure BDA0002136539850000062
Figure BDA0002136539850000071
混凝土试块依照上表所示配合比，将原料置于混凝土搅拌机中搅拌均匀，于温度20±5℃，相对湿度不低于60％的条件下注入150mm×150mm×150mm的抗压强度模具和150mm×150mm×600mm的抗折强度模具中，置于混凝土振动台上振动成型。成型后的试块置于养护温度20℃±2℃、相对湿度不低于95％的标准养护条件下养护24h后脱模，继续置于养护温度20℃±2℃、相对湿度不低于95％的恒温恒湿养护箱内养护至28d龄期，检测其抗压强度为119.8MPa，抗折强度为36.4MPa。
实施例5
一种多固废协同制备钢纤维增强超高性能混凝土，其胶凝材料由以下原料制备而成：以重量百分比计，矿渣40％，热焖法转炉渣30％，精炼渣20％，盐石膏10％；矿渣和热焖法转炉渣混磨至比表面积560m2/kg，精炼渣和盐石膏混磨至比表面积460m2/kg。混凝土中，以重量百分比计，胶凝材料占46.3％、骨料占38.5％、减水剂占0.24％、钢纤维占6.5％，拌合用水占8.5％，其中骨料为滚筒法转炉钢渣，减水剂为固体聚羧酸型高效减水剂，钢纤维采用长径比为60的端钩型钢纤维。
混凝土配合比如下表所示：(每立方混凝土材料用量：kg/m3)
Figure BDA0002136539850000072
混凝土试块依照上表所示配合比，将原料置于混凝土搅拌机中搅拌均匀，于温度20±5℃，相对湿度不低于60％的条件下注入150mm×150mm×150mm的抗压强度模具和150mm×150mm×600mm的抗折强度模具中，置于混凝土振动台上振动成型。成型后的试块置于养护温度20℃±2℃、相对湿度不低于95％的标准养护条件下养护24h后脱模，继续置于养护温度20℃±2℃、相对湿度不低于95％的恒温恒湿养护箱内养护至28d龄期，检测其抗压强度为104.2MPa，抗折强度为35.0MPa。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种多固废协同制备钢纤维增强超高性能混凝土，其特征在于：以质量百分比计，包括35％～50％的胶凝材料、35％～50％的骨料、0～3％的减水剂、5％～8％的钢纤维和7％～9％的水；其中，胶凝材料由40％～70％的矿渣、15％～35％的热焖法转炉钢渣、5％～20％的精炼渣和10％～20％的工业副产石膏制备而成，骨料为石英砂和滚筒法转炉钢渣中的一种或两种；
所述工业副产石膏为脱硫石膏、磷石膏、氟石膏、柠檬石膏、废陶模石膏、钛石膏、芒硝石膏、盐石膏中的一种或多种；
该混凝土在标准养护条件下，28天抗压强度达到100MPa～160MPa、抗折强度达到35MPa～45MPa。
2.根据权利要求1所述的多固废协同制备钢纤维增强超高性能混凝土，其特征在于：所述热焖法转炉钢渣为符合YB/T 022《用于水泥中的钢渣》的热焖法转炉钢渣。
3.根据权利要求1所述的多固废协同制备钢纤维增强超高性能混凝土，其特征在于：所述精炼渣为符合GB/T 33813-2017《用于水泥和混凝土中的精炼渣粉》的精炼渣。
4.根据权利要求1所述的多固废协同制备钢纤维增强超高性能混凝土，其特征在于：所述矿渣为符合GB/T 203《用于水泥中的粒化高炉矿渣》的粒化高炉矿渣。
5.制备权利要求1～4任一项所述的多固废协同制备钢纤维增强超高性能混凝土的方法，其特征在于：包括步骤如下：
(1)制备胶凝材料：将矿渣、热焖法转炉渣、精炼渣和工业副产石膏单独粉磨后，混匀制得胶凝材料；
(2)将步骤(1)中制得的胶凝材料与骨料、减水剂、钢纤维、水按质量比搅拌均匀后，经浇筑成型并进行养护，得到多固废协同制备钢纤维增强超高性能混凝土。
6.根据权利要求5所述的多固废协同制备钢纤维增强超高性能混凝土的制备方法，其特征在于：所述步骤(1)中矿渣、热焖法转炉渣、精炼渣和工业副产石膏混合粉磨。
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