CN110759695B - 以棒磨钢渣尾渣为主料的无水泥混凝土及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明以棒磨钢渣尾渣为主料的无水泥混凝土，组分重量份数：棒磨钢渣尾渣180～240份、矿渣微粉20～40份、脱硫石膏4～9份、水10～25份和减水剂0.6～1.5份。生产方法包括a、钢渣预处理：转炉炼钢产出的热态钢渣采用带压热闷工艺进行初步破碎；b、钢渣集料制备：通过两级棒磨将钢渣破碎细化，使粒度≤10mm的颗粒占90%以上，产出的尾渣采用10mm孔筛进行分级筛分，10mm以下尾渣送搅拌站作为原料；c、脱硫石膏制备：将压块脱硫石膏经烘干后粉磨成粉料备用；d、制备无水泥混凝土：按比例称量制好的钢渣尾渣、矿渣微粉、脱硫石膏粉，配加减水剂和水混合，搅拌均匀，制得完全不掺加水泥和砂石料的钢渣预拌混凝土。本发明完全不使用水泥、砂即可制成合格混凝土。
Description
技术领域
本发明涉及一种混凝土及其制备方法，尤其涉及一种以棒磨钢渣尾渣为主料的无水泥混凝土及其制备方法。
背景技术
我国是钢铁生产大国，冶金渣排放量大，但相应利用起步较晚，仍有大量的冶金渣资源浪费，还占用土地、污染环境。尤其是素有“劣质水泥熟料”之称的转炉钢渣，虽含有大量的渣钢、氧化钙、铁及氧化镁等可利用资源，但因其存在活性低、水化速度慢、体积安定性差、磨粉能耗高、设备损耗大等缺点，目前利用率极低，亟待开发行之有效的综合利用途径。
另一方面，国内各种基础设施和住房建设的发展，水泥、混凝土等用量巨大且仍呈上升趋势，此类活动消耗大量的能源和资源，并且破坏山体植被，还排放大量CO2、粉尘、硫化物、氮氧化物等，对环境造成重大影响。
若能将钢渣尾渣批量应用于混凝土生产，大量取代其中水泥、砂、石的使用，将是一项利国利民的创举。专利文献CN106145785B中提出了一种以钢渣、矿粉、铁尾矿砂、水泥、粉煤灰5种物料配合制备的钢渣混凝土，其性能达到普通混凝土标准要求，但其钢渣占比仅约40%，还添加约10%的水泥。专利文献CN109250980A中提出了一种以水泥、钢渣粉、矿渣粉、钢渣细骨料、粗骨料5种物料配合制备的钢渣混凝土，28天抗压强度可达50MPa以上，但其钢渣占比约33%，水泥添加约15%，且需将部分钢渣磨细到比表面积470m2/kg使用。
业内对利用钢渣制混凝土的研究逐步增多，也取得初步成效，但总体来说，钢渣的利用量均较低，仍然需要使用一定量的水泥、砂、石等，生产工艺较复杂，成本也较高。因此，更批量、有效的利用钢渣制备混凝土，全面减少水泥、砂、石等用量，具有十分重要的研究意义。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种以棒磨钢渣尾渣为主料的无水泥混凝土及其制备方法，通过控制钢渣带压热焖及棒磨磁选工艺，配加脱硫石膏粉和矿渣微粉，在不使用水泥和砂石料的前提下，制备出性能可达C35等级的混凝土，钢渣掺入量达75%以上。
本发明的技术方案为：
以棒磨钢渣尾渣为主料的无水泥混凝土，该混凝土包含以下重量份数的组分：棒磨钢渣尾渣180～240份、矿渣微粉20～40份、脱硫石膏4～9份、水10～25份、减水剂0.6～1.5份。
所述钢渣尾渣为转炉炼钢渣经过带压热焖处理后，再经过两级棒磨磁选，筛分得到的钢渣尾渣；矿渣微粉为高炉水淬渣粉磨至比表面积400m2/kg以上所得的S95级矿渣微粉；脱硫石膏为电厂钙式湿法脱硫副产品，经烘干后粉磨成300～500目的粉料。
所述棒磨钢渣尾渣中游离氧化钙含量≤2wt%，残余金属铁含量＜1wt%，矿物成分含量总和≥50wt%；棒磨钢渣尾渣含水量控制在2wt%～4wt%，粒径(D)分布控制：D＞10mm的尾渣颗粒筛分剔除，10≥D＞4.75mm的渣粒占30%～50%，4.75≥D＞2.36mm的渣粒占10%～20%，2.36≥D＞1.18mm的渣粒占8%～15%，1.18≥D＞0.6mm的渣粒占2%～7%，0.6≥D＞0.3mm的渣粒占2%～5%，D≤0.3mm的渣粉占12%～20%。
一种以棒磨钢渣尾渣为主料的无水泥混凝土的制备方法，该方法包括以下步骤：
步骤一：钢渣预处理：转炉炼钢产出的热态钢渣采用带压热闷工艺，对钢渣进行初步破碎，使游离氧化钙充分消解；
步骤二：钢渣集料制备：通过两级棒磨将钢渣破碎细化，使粒度≤10mm的颗粒占90%以上，过程强化磁选除铁，充分减少尾渣中残余金属铁含量，使尾渣残余金属铁含量在1wt%以下；产出的尾渣采用10mm孔筛进行分级筛分，10mm以下尾渣送搅拌站作为原料；
步骤三：脱硫石膏制备：将来自电厂的压块脱硫石膏经过烘干后粉磨成粉料打入贮罐备用；
步骤四：制备无水泥混凝土：按比例称量制好的钢渣尾渣、矿渣微粉、脱硫石膏粉，配加减水剂和水混合，搅拌均匀，制得完全不掺加水泥和砂石料的钢渣预拌混凝土。
上述的以棒磨钢渣尾渣为主料的无水泥混凝土的制备方法，
步骤一所述的带压热焖关键工艺参数为：温度180～220℃、压力1.0～2.3MPa、时间3～6h；
步骤二所述两级棒磨关键工艺参数为：第一级棒磨入磨粒径25～180mm，钢渣停留时间5～8min，过35mm方孔筛；筛下钢渣进入第二级棒磨，停留时间5～8min，过10mm方孔筛；
步骤三所述脱硫石膏从火电厂购进，烘干是指在温度105℃、摊铺厚度5～10cm条件下烘干4～6h；所述粉磨成粉的标准为通过300～500目筛；
步骤四所述无水泥混凝土配比为棒磨钢渣尾渣180～240份、矿渣微粉20～40份、脱硫石膏4～9份、水10～25份和减水剂0.6～1.5份；搅拌均匀的关键是使用强制搅拌机，在转速40～60r/min的条件下，强制搅拌60～120s。
减水剂可以是通用型或高性能聚羧酸减水剂等，关键指标含气量≤6.0%，减水率≥25%，pH值6～8，常压泌水率比≤20%，28天收缩率比≤110%。
本发明旨在不对钢渣进行超细粉磨的前提下，通过合理利用钢渣带压热焖及棒磨磁选工艺控制钢渣尾渣组分和粒级，直接使用棒磨钢渣尾渣，配加脱硫石膏粉、矿渣微粉和水等充分混合搅拌，发生协同激发和“复盐效应”等作用保证混凝土的抗压强度和活性指数，实现不使用水泥和砂石料的混凝土制备。
本发明的有益效果为：
1）直接利用棒磨磁选工艺产出的钢渣尾渣，只需做适当筛分，无需进一步粉磨，钢渣加工处理成本较低；
2）直接利用普通混凝土搅拌站即可生产，只需合理调整生产工艺，技术实施比较容易；
3）混凝土中钢渣总掺量可达75%以上，混凝土性能可达到常规C35混凝土水平，易于实现钢渣的大规模利用；
4）完全使用钢渣、矿渣和脱硫石膏等工业废渣做原料，有效实现废物资源的二次利用，有利于响应落实国家循环经济发展要求和固废利用政策；
5）完全不使用水泥、砂子、石子等材料，可减少砂石开采、水泥生产等资源、能源消耗，有利于保护生态环境；
6）总体工艺简单，生产成本较低，混凝土性能较好，可有效节约资源、能源，具有良好的经济效益和社会效益。
说明书附图
图1为本发明制备方法的工艺流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
本发明实施例中所用原料为棒磨钢渣尾渣、矿渣粉、脱硫石膏，主要成分见下表1。
表1 原料成分组成
| 原料 | CaO | SiO<sub>2</sub> | MgO | SO<sub>3</sub> | Na<sub>2</sub>O | Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub> | Fe<sub>2</sub>O<sub>3</sub> | K<sub>2</sub>O |
| 钢渣尾渣 | 39.98 | 12.58 | 8.07 | 0.26 | 0.06 | 4.31 | 28.55 | 0.07 |
| 矿渣粉 | 35.92 | 31.62 | 10.89 | 0.23 | 0.58 | 16.28 | 0.24 | 0.37 |
| 脱硫石膏 | 33.38 | 3.16 | 7.49 | 45.70 | 0.13 | 1.35 | 0.49 | 0.18 |
本发明实施例中所用棒磨钢渣尾渣粒度组成控制范围如下表2。
表2 棒磨钢渣尾渣粒度分布
| <i>D</i>/mm | <i>D</i>≤0.3 | 0.3＞<i>D</i>≤0.6 | 0.6＞<i>D</i>≤1.18 | 1.18＞<i>D</i>≤2.36 | 2.36＞<i>D</i>≤4.75 | 4.75＞<i>D</i>≤10 |
| 占比/% | 12～20 | 2～5 | 2～7 | 8～15 | 10～20 | 30～50 |
本发明实例中所述钢渣尾渣为转炉钢渣下线后经带压热焖处理、再经两级棒磨磁选、然后按粒径要求筛分所得的钢渣尾渣，矿粉为S95级矿渣微粉，脱硫石膏为外购于周边电厂的压块脱硫石膏，经烘干、粉磨至300目～500目的干粉。
实施例1：
一种以棒磨钢渣尾渣为主料的无水泥混凝土，由以下重量份的原料制成：
钢渣尾渣180份、矿粉40份、脱硫石膏5份、水15份、高性能聚羧酸减水剂（含固量20%、减水率25%）1.5份。
所述混凝土的制备方法包括以下步骤：
步骤一：钢渣预处理：转炉炼钢产出的热态钢渣采用220℃、2.3MPa带压热闷工艺下处理4h，对钢渣进行初步破碎，使游离氧化钙充分消解；
步骤二：钢渣集料制备：通过两级棒磨将钢渣破碎细化，第一级棒磨入磨粒径25～180mm，钢渣停留时间8min，过35mm方孔筛；筛下钢渣进入第二级棒磨，停留时间8min，过10mm方孔筛；使粒度≤10mm的颗粒占90%以上，使尾渣残余金属铁含量在1wt%以下；产出的尾渣采用10mm孔筛进行分级筛分，10mm以下尾渣作为原料；
步骤三：脱硫石膏制备：将来自电厂的压块脱硫石膏经过105℃、摊铺厚度5cm烘干6h后，粉磨至通过500目筛的粉料打入贮罐备用；
步骤四：制备无水泥混凝土：按比例称量制好的钢渣尾渣、矿渣微粉、脱硫石膏粉，配加减水剂和水混合，使用强制搅拌机60r/min转速下搅拌120s，制得完全不掺加水泥和砂石料的钢渣预拌混凝土。
对所得混凝土按相关标准规范取制试块、养护、脱模、检测，试块抗压强度3天达到31MPa，28天超过50MPa；具体各龄期抗压强度检测结果见下表3。
表3 混凝土产品各龄期抗压强度（MPa）
| 编号 | 3天 | 7天 | 28天 |
| 实施例1 | 31.11 | 42.32 | 55.31 |
实施例2：
一种以棒磨钢渣尾渣为主料的无水泥混凝土，由以下重量份的原料制成：
钢渣尾渣190份、矿粉35份、脱硫石膏6份、水20份、高性能聚羧酸减水剂（含固量20%、减水率25%）0.8份。
所述混凝土的制备方法包括以下步骤：
步骤一：钢渣预处理：转炉炼钢产出的热态钢渣采用200℃、1.5MPa带压热闷工艺下处理4h，对钢渣进行初步破碎，使游离氧化钙充分消解；
步骤二：钢渣集料制备：通过两级棒磨将钢渣破碎细化，第一级棒磨入磨粒径25～180mm，钢渣停留时间6min，过35mm方孔筛；筛下钢渣进入第二级棒磨，停留时间6min，过10mm方孔筛；使粒度≤10mm的颗粒占90%以上，使尾渣残余金属铁含量在1wt%以下；产出的尾渣采用10mm孔筛进行分级筛分，10mm以下尾渣作为原料；
步骤三：脱硫石膏制备：将来自电厂的压块脱硫石膏经过105℃、摊铺厚度8cm烘干6h后，粉磨至通过400目筛的粉料打入贮罐备用；
步骤四：制备无水泥混凝土：按比例称量制好的钢渣尾渣、矿渣微粉、脱硫石膏粉，配加减水剂和水混合，使用强制搅拌机50r/min转速下搅拌120s，制得完全不掺加水泥和砂石料的钢渣预拌混凝土。
对所得混凝土按相关标准规范取制试块、养护、脱模、检测，试块抗压强度3天达到26MPa，28天超过45MPa；具体各龄期抗压强度检测结果见下表4。
表4 混凝土产品各龄期抗压强度（MPa）
| 编号 | 3天 | 7天 | 28天 |
| 实施例2 | 26.52 | 36.45 | 49.83 |
实施例3：
一种以棒磨钢渣尾渣为主料的无水泥混凝土，由以下重量份的原料制成：
钢渣尾渣210份、矿粉35份、脱硫石膏6.7份、水20份、高性能聚羧酸减水剂（含固量20%、减水率25%）0.7份。
所述混凝土的制备方法包括以下步骤：
步骤一：钢渣预处理：转炉炼钢产出的热态钢渣采用180℃、1.0MPa带压热闷工艺下处理6h，对钢渣进行初步破碎，使游离氧化钙充分消解；
步骤二：钢渣集料制备：通过两级棒磨将钢渣破碎细化，第一级棒磨入磨粒径25～180mm，钢渣停留时间5min，过35mm方孔筛；筛下钢渣进入第二级棒磨，停留时间5min，过10mm方孔筛；使粒度≤10mm的颗粒占90%以上，使尾渣残余金属铁含量在1wt%以下；产出的尾渣采用10mm孔筛进行分级筛分，10mm以下尾渣作为原料；
步骤三：脱硫石膏制备：将来自电厂的压块脱硫石膏经过105℃、摊铺厚度5cm烘干6h后，粉磨至通过300目筛的粉料打入贮罐备用；
步骤四：制备无水泥混凝土：按比例称量制好的钢渣尾渣、矿渣微粉、脱硫石膏粉，配加减水剂和水混合，使用强制搅拌机40r/min转速下搅拌60s，制得完全不掺加水泥和砂石料的钢渣预拌混凝土。
对所得混凝土按相关标准规范取制试块、养护、脱模、检测，试块抗压强度3天达到21MPa，28天超过40MPa；具体各龄期抗压强度检测结果见下表5。
表5 混凝土产品各龄期抗压强度（MPa）
| 编号 | 3天 | 7天 | 28天 |
| 实施例3 | 21.42 | 35.02 | 44.67 |
实施例4：
一种以棒磨钢渣尾渣为主料的无水泥混凝土，由以下重量份的原料制成：
钢渣尾渣220份、矿粉20份、脱硫石膏9份、水22份、通用型减水剂0.6份。
所述混凝土的制备方法包括以下步骤：
步骤一：钢渣预处理：转炉炼钢产出的热态钢渣采用180℃、1.0MPa带压热闷工艺下处理3h，对钢渣进行初步破碎，使游离氧化钙充分消解；
步骤二：钢渣集料制备：通过两级棒磨将钢渣破碎细化，第一级棒磨入磨粒径25～180mm，钢渣停留时间8min，过35mm方孔筛；筛下钢渣进入第二级棒磨，停留时间5min，过10mm方孔筛；使粒度≤10mm的颗粒占90%以上，使尾渣残余金属铁含量在1wt%以下；产出的尾渣采用10mm孔筛进行分级筛分，10mm以下尾渣作为原料；
步骤三：脱硫石膏制备：将来自电厂的压块脱硫石膏经过105℃、摊铺厚度5cm烘干4h后，粉磨至通过300目筛的粉料打入贮罐备用；
步骤四：制备无水泥混凝土：按比例称量制好的钢渣尾渣、矿渣微粉、脱硫石膏粉，配加减水剂和水混合，使用强制搅拌机40r/min转速下搅拌60s，制得完全不掺加水泥和砂石料的钢渣预拌混凝土。
对所得混凝土按相关标准规范取制试块、养护、脱模、检测，试块抗压强度3天达到23MPa，28天超过40MPa；具体各龄期抗压强度检测结果见下表6。
表6 混凝土产品各龄期抗压强度（MPa）
| 编号 | 3天 | 7天 | 28天 |
| 实施例4 | 23.6 | 30.15 | 40.49 |
实施例5：
一种以棒磨钢渣尾渣为主料的无水泥混凝土，由以下重量份的原料制成：
钢渣尾渣240份、矿粉36份、脱硫石膏4份、水25份、高性能聚羧酸减水剂（含固量20%、减水率25%）0.8份。
所述混凝土的制备方法包括以下步骤：
步骤一：钢渣预处理：转炉炼钢产出的热态钢渣采用200℃、1.5MPa带压热闷工艺下处理6h，对钢渣进行初步破碎，使游离氧化钙充分消解；
步骤二：钢渣集料制备：通过两级棒磨将钢渣破碎细化，第一级棒磨入磨粒径25～180mm，钢渣停留时间5min，过35mm方孔筛；筛下钢渣进入第二级棒磨，停留时间8min，过10mm方孔筛；使粒度≤10mm的颗粒占90%以上，使尾渣残余金属铁含量在1wt%以下；产出的尾渣采用10mm孔筛进行分级筛分，10mm以下尾渣作为原料；
步骤三：脱硫石膏制备：将来自电厂的压块脱硫石膏经过105℃、摊铺厚度10cm烘干6h后，粉磨至通过400目筛的粉料打入贮罐备用；
步骤四：制备无水泥混凝土：按比例称量制好的钢渣尾渣、矿渣微粉、脱硫石膏粉，配加减水剂和水混合，使用强制搅拌机60r/min转速下搅拌60s，制得完全不掺加水泥和砂石料的钢渣预拌混凝土。
对所得混凝土按相关标准规范取制试块、养护、脱模、检测，试块抗压强度3天达到25MPa，28天超过40MPa；具体各龄期抗压强度检测结果见下表7。
表7 混凝土产品各龄期抗压强度（MPa）
| 编号 | 3天 | 7天 | 28天 |
| 实施例5 | 25.68 | 34.25 | 43.27 |
实施例6：
一种以棒磨钢渣尾渣为主料的无水泥混凝土，由以下重量份的原料制成：
钢渣尾渣237份、矿粉35份、脱硫石膏8份、水13份、高性能聚羧酸减水剂（含固量20%、减水率25%）1.2份。
所述混凝土的制备方法包括以下步骤：
步骤一：钢渣预处理：转炉炼钢产出的热态钢渣采用220℃、2.3MPa带压热闷工艺下处理3h，对钢渣进行初步破碎，使游离氧化钙充分消解；
步骤二：钢渣集料制备：通过两级棒磨将钢渣破碎细化，第一级棒磨入磨粒径25～180mm，钢渣停留时间5min，过35mm方孔筛；筛下钢渣进入第二级棒磨，停留时间5min，过10mm方孔筛；使粒度≤10mm的颗粒占90%以上，使尾渣残余金属铁含量在1wt%以下；产出的尾渣采用10mm孔筛进行分级筛分，10mm以下尾渣作为原料；
步骤三：脱硫石膏制备：将来自电厂的压块脱硫石膏经过105℃、摊铺厚度10cm烘干6h后，粉磨至通过400目筛的粉料打入贮罐备用；
步骤四：制备无水泥混凝土：按比例称量制好的钢渣尾渣、矿渣微粉、脱硫石膏粉，配加减水剂和水混合，使用强制搅拌机45r/min转速下搅拌90s，制得完全不掺加水泥和砂石料的钢渣预拌混凝土。
对所得混凝土按相关标准规范取制试块、养护、脱模、检测，试块抗压强度3天达到25MPa，28天超过45MPa；具体各龄期抗压强度检测结果见下表8。
表8 混凝土产品各龄期抗压强度（MPa）
| 编号 | 3天 | 7天 | 28天 |
| 实施例6 | 26.56 | 36.60 | 45.18 |
综上：实施例1~6显示混凝土抗压强度随着龄期的延长不断增长，混凝土产品28天抗压强度总体均达到C35以上，完全满足普通道路使用要求。另外，钢渣热焖和棒磨磁选等工艺要尽可能控制稳定，钢渣尾渣的粒径分布要尽可能均匀，钢渣粒径不均匀不利于混凝土的质量控制。
Claims (6)
1.一种以棒磨钢渣尾渣为主料的无水泥混凝土，其特征在于，该混凝土物料配比为：棒磨钢渣尾渣180～240份、矿渣微粉20～40份、脱硫石膏4～9份、水10～25份和减水剂0.6～1.5份；所述棒磨钢渣尾渣为转炉炼钢渣经过带压热焖处理后，再经过两级棒磨磁选、筛分得到的钢渣尾渣；所述棒磨钢渣尾渣中游离氧化钙含量≤2wt%、粒度≤10mm；所述脱硫石膏为电厂钙式湿法脱硫副产品。
2.如权利要求1所述的无水泥混凝土，其特征在于：所述矿渣微粉为高炉水淬渣粉磨至比表面积400m2/kg以上所得的S95级矿渣微粉；脱硫石膏经烘干后粉磨成300～500目的粉料。
3.如权利要求1或2所述的无水泥混凝土，其特征在于：所述棒磨钢渣尾渣中残余金属铁含量＜1wt%，矿物成分含量总和≥50wt%；棒磨钢渣尾渣含水量控制在2wt%～4wt%，粒径D分布控制：D＞10mm的尾渣颗粒筛分剔除，10≥D＞4.75mm的渣粒占30%～50%，4.75≥D＞2.36mm的渣粒占10%～20%，2.36≥D＞1.18mm的渣粒占8%～15%，1.18≥D＞0.6mm的渣粒占2%～7%，0.6≥D＞0.3mm的渣粒占2%～5%，D≤0.3mm的渣粉占12%～20%，以上粒径的渣粒及渣粉占比之和为100%。
4.一种如权利要求1所述的以棒磨钢渣尾渣为主料的无水泥混凝土的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：钢渣预处理：转炉炼钢产出的热态钢渣采用带压热闷工艺，对钢渣进行初步破碎，使游离氧化钙充分消解；
步骤二：钢渣集料制备：通过两级棒磨将钢渣破碎细化，使粒度≤10mm的颗粒占90%以上，过程强化磁选除铁；产出的尾渣采用10mm孔筛进行分级筛分，10mm以下尾渣送搅拌站作为原料；
步骤三：脱硫石膏制备：将压块脱硫石膏经过烘干后粉磨成粉料打入贮罐备用；
步骤四：制备无水泥混凝土：按比例称量制好的钢渣尾渣、矿渣微粉、脱硫石膏粉，配加减水剂和水混合，然后搅拌均匀，制得完全不掺水泥的钢渣预拌混凝土。
5.如权利要求4所述的无水泥混凝土的制备方法，其特征在于：
步骤一所述的带压热焖关键工艺参数为：温度180～220℃、压力1.0～2.3MPa、时间3～6h；
步骤二所述两级棒磨关键工艺参数为：第一级棒磨入磨粒径25～180mm，钢渣停留时间5～8min，过35mm方孔筛；筛下钢渣进入第二级棒磨，停留时间5～8min，过10mm方孔筛；
步骤三所述脱硫石膏从火电厂购进，烘干是指在温度105℃、摊铺厚度5～10cm条件下烘干4～6h；所述粉磨成粉的标准为通过300～500目筛；
步骤四所述无水泥混凝土配比为棒磨钢渣尾渣180～240份、矿渣微粉20～40份、脱硫石膏4～9份、水10～25份和减水剂0.6～1.5份；搅拌均匀的关键是使用强制搅拌机，在转速40～60r/min的条件下，强制搅拌60～120s。
6.如权利要求4或5所述的无水泥混凝土的制备方法，其特征在于：所述减水剂可以是通用型或高性能聚羧酸减水剂，关键指标含气量≤6.0%，减水率≥25%，pH值6～8，常压泌水率比≤20%，28天收缩率比≤110%。
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