CN111116159A - 一种磷石膏钢管混凝土及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种磷石膏钢管混凝土及其制备方法。所述磷石膏钢管混凝土包括重量份计的以下组分：磷石膏水泥420‑500份，陶砂100‑200份，江砂480‑550份，磷石膏粗集料500‑700份，减水剂2.1‑3.5份，水140‑170份。磷石膏混凝土内填于钢管中，将磷石膏混凝土的劣势转化为优势。混凝土的微膨胀性来源于磷石膏水泥自身的水化反应，无需掺入膨胀剂；磷石膏水泥较普通硅酸盐水泥凝结时间长，配制的混凝土凝结时间与钢管混凝土泵送施工工艺匹配；钢管作为混凝土的外包裹层，能保护磷石膏混凝土免受CO2的侵蚀，保证了磷石膏钢管混凝土整体抗碳化性能。

Description

一种磷石膏钢管混凝土及其制备方法
技术领域
本发明涉及混凝土材料技术领域，尤其是一种利用磷石膏制备钢管混凝土的方法。
背景技术
磷石膏是磷化工湿法制磷酸的副产品，每生产1吨磷酸约产生5吨的磷石膏，磷石膏堆存不仅占用了大量土地资源，同时还面临较大的环境风险和安全风险。因此，磷石膏的资源化利用势在必行。目前就我国磷石膏综合利用技术途径而言，主要用于制备建筑石膏制品、水泥缓凝剂、土质改良剂、矿山充填等，但这些利用方式普遍存在产品档次及附加值较低、磷石膏掺量小、使用范围狭窄等问题。将磷石膏和其他具有潜在水硬性的矿渣、粉煤灰等工业副产物复合，制备成过硫磷石膏矿渣水泥及混凝土制品是将磷石膏引入大宗建筑材料，实现大量综合利用的有效途径之一。但由于过硫磷石膏矿渣水泥较普通硅酸盐水泥，碱度较低，凝结时间较长且具有微膨胀性，存在混凝土易被碳化、脱模时间较长等问题而限制了其应用。
随着建筑科学理论研究的深入和新的施工工艺的产生，大跨度桥梁、高层与超高层建筑越来越多，并随着装配式钢结构建筑的推广，钢管混凝土结构也将随之得到日益广泛的应用。钢管混凝土是将素混凝土灌入钢管而制成，是钢混结构组合材料中最重要的一种形式。其复合设计的原理是：混凝土受到钢管壁的紧箍作用，强度、韧性和耐久性大大提高；钢管中填充了混凝土，可提高结构的稳定性并减少用钢量；组合材料的综合性价比明显优于两种材料自身。但在钢管混凝土的配制和施工过程中，还存在如下问题：钢管和混凝土之间不能“脱空”，通常采用的方式是在混凝土中加入膨胀剂。通常钢管混凝土采用硅酸盐水泥，水泥细度大、水化速度快，混凝土水胶比较低，混凝土的自收缩较高，再加上混凝土被钢管包裹，处于封闭环境，膨胀剂水化所需水分难以得到充分供给，膨胀剂的膨胀效果难以有效发挥，导致掺入膨胀剂依然难以解决钢管壁与混凝土之间“脱空”问题。
发明内容
鉴于上述现有技术的不足，本发明的目的是将磷石膏以磷石膏水泥和磷石膏集料的方式引入钢管混凝土中，提供一种磷石膏钢管混凝土及其制备方法，将磷石膏水泥的微膨胀性能和凝结时间较长的劣势化为优势，并利用磷石膏集料、陶砂和沸石粉的吸水蓄水性能解决钢管混凝土胶凝材料后期水化所需水的供给问题，同时钢管将内填磷石膏水泥混凝土包裹避免了碳化，以保证混凝土与钢管不“脱空”，从而形成一种有效的钢混结构组合材料。
本发明采用以下技术方案：
一种磷石膏钢管混凝土，所述磷石膏钢管混凝土包括重量份计的以下组分：磷石膏水泥420-500份，陶砂100-200份，江砂480-550份，磷石膏粗集料500-700份，减水剂2.1-3.5份，水140-170份。
优选地，所述磷石膏水泥包括重量份计的以下组分：磷石膏30-50份，磷渣22-30份，矿渣15-20份，水泥熟料2-7份，沸石粉8-15份。
优选地，所述磷石膏粗集料是一种磷石膏粗集料原料采用圆盘造粒，经自然养护形成的5～20mm连续级配的圆形人造粗集料，磷石膏粗集料原料包括重量份计的以下组分：磷石膏34-70份，矿渣20-50份，水泥熟料2-8份，石灰石2-10份。
进一步优选地，所述磷石膏为工业湿法制磷酸的副产物，其陈化时间至少1年以上，并进行球磨、烘干处理，使其含水率小于0.1％，平均粒度小于0.5mm。进一步优选地，所述磷渣为粒化电炉磷渣。
更进一步优选地，粒化电炉磷渣级别为L85。
进一步优选地，所述矿渣为粒化高炉矿渣。
更进一步优选地，粒化高炉矿渣级别为S95。
进一步优选地，所述沸石粉为天然沸石粉。
更进一步优选地，沸石粉级别为Ⅰ级。
进一步优选地，所述减水剂为聚羧酸减水剂。
更进一步优选地，聚羧酸减水剂固含量为20％。
进一步优选地，所述陶砂为0.5～3.0mm连续级配烧结页岩陶砂；
进一步优选地，所述江砂为≤4.75mm的连续级配中砂。
更进一步优选地，江砂细度模数为2.8。
所述磷石膏钢管混凝土的制备方法，所述方法包括以下步骤：
S1：称取磷石膏、矿渣、水泥熟料和石灰石，将它们混合均匀，放入圆盘造粒机成型后，经自然养护得到磷石膏粗集料；
S2：将水泥熟料、沸石粉和矿渣加入强制式搅拌机，搅拌30s，再加入磷石膏和磷渣搅拌30-90s，得到磷石膏水泥；
S3：将陶砂、磷石膏粗集料浸于水中至饱和面干状态；
S4：按配合比称取各原材料，先将一半用水量的水加入磷石膏水泥中，搅拌30s，得到磷石膏水泥浆体，再将饱和面干的陶砂、磷石膏粗集料和江砂加入磷石膏水泥浆体中，搅拌30-60s，再将减水剂与剩余的水混合后加入，搅拌30-90s，得到混凝土拌合物；
S5：将混凝土拌合物浇筑入钢管中、养护，得到磷石膏钢管混凝土。
优选地，所述方法包括以下步骤：所述步骤S1中，自然养护的时间至少28天。
本发明具有以下有益效果：
1、磷石膏钢管混凝土是一种用于填充在圆形或方形钢管内的磷石膏微膨胀自密实混凝土，混凝土通过水化硬化产生微膨胀后受到钢管壁的紧箍作用，使两者紧密结合在一起形成整体。磷石膏混凝土内填于钢管中，将磷石膏混凝土的劣势转化为优势。混凝土的微膨胀性来源于磷石膏水泥自身的水化反应，无需掺入膨胀剂；磷石膏水泥较普通硅酸盐水泥凝结时间长，配制的混凝土凝结时间与钢管混凝土泵送施工工艺匹配；钢管作为混凝土的外包裹层，能保护磷石膏混凝土免受CO2的侵蚀，保证了磷石膏钢管混凝土整体抗碳化性能。本申请将磷石膏分别制成磷石膏水泥和磷石膏粗集料后用于制备钢管混凝土，磷石膏掺量大，可达混凝土质量的40％以上，利废效果显著。
2、本申请中的磷石膏水泥是磷渣和矿渣在水泥熟料及磷石膏的碱性激发和硫酸盐激发的双重作用下，持续生成具有膨胀性能的钙矾石，并巧妙的用于钢管混凝土，为其提供膨胀源，无需加入膨胀剂，成本较低。
3、本申请充分利用沸石粉、页岩陶砂和磷石膏粗集料的吸水蓄水性能，为内填于钢管并处于封闭状态的混凝土中胶凝材料的水化反应持续提供水分，在避免混凝土干燥收缩的同时，保证了混凝土膨胀源的持续作用，防止混凝土与钢管“脱空”。
4、本申请磷石膏水泥中的熟料掺量很低，最低掺量为2％(质量比)。磷石膏水泥水化热约为普通硅酸盐水泥的1/10，配制混凝土时磷石膏水泥可比普通硅酸盐水泥掺量大，磷石膏粗集料呈圆形，配上高效减水剂，加之磷石膏水泥凝结时间较普通硅酸盐水泥长，磷石膏钢管混凝土扩展度大、经时损失小、流动性能好，可达到自密实效果。
5、本申请的磷石膏混凝土，由于磷石膏水泥的碱度较低，对二氧化碳的消耗能力较弱，如果二氧化碳渗透到了水泥石内部中和了其中的碱性物质而使钙矾石和C-S-H凝胶分解，将会降低水泥的性能，影响其耐久性，而本申请的混凝土由于应用于钢管中，隔绝了混凝土与空气的接触，使得钢管混凝土抗碳化性能大幅提升。
具体实施方式
下面结合具体实施例，对本发明作进一步详细的阐述，但本发明的实施方式并不局限于实施例表示的范围。这些实施例仅用于说明本发明，而非用于限制本发明的范围。
本发明所述实例中所用原材料如非特制，均为市售产品。具体原材料选择如下：
磷渣：市售L85级粒化电炉磷渣粉；
矿渣：市售S95级粒化高炉矿渣粉；
沸石粉：市售Ⅰ级天然沸石粉；
石灰石：市售石灰石份；
页岩陶砂：粒径0.5～3.0mm，连续级配，市售；
江砂：0～4.75mm连续级配中砂，细度模数为2.8，市售；
减水剂：聚羧酸减水剂，固含量为20％，市售；
水泥熟料：硅酸盐水泥熟料粉，市售；
磷石膏：工业湿法制磷酸的副产物，其陈化时间至少1年以上，并进行球磨、烘干处理，使其含水率小于0.1％，平均粒度小于0.5mm。
实施例1
一种磷石膏钢管混凝土的制备方法，包括以下步骤：
S1：按重量取磷石膏45份，矿渣45份，水泥熟料2份，石灰石8份，将它们混合均匀，放入圆盘造粒机成型，经自然养护28天得到磷石膏粗集料；
S2：按重量取磷石膏42份，磷渣30份，矿渣15份，水泥熟料3份，沸石粉10份；先将取好的水泥熟料、沸石粉和矿渣加入强制式搅拌机，搅拌30s，再加入取好的磷石膏和磷渣搅拌60s，得到磷石膏水泥；
S3：将陶砂、磷石膏粗集料浸于水中至饱和面干状态；
S4：按配合比称取各原材料：磷石膏水泥500份，页岩陶砂150份，江砂550份，磷石膏粗集料700份，减水剂3份，水160份；先将80份水加入磷石膏水泥中，搅拌30s，得到磷石膏水泥浆体，再将饱和面干的陶砂、磷石膏粗集料和江砂加入磷石膏水泥浆体中，搅拌45s，再将减水剂与剩余的80份水混合后加入，搅拌60s，得到混凝土拌合物；
S5：将混凝土拌合物浇筑入钢管中、养护，得到磷石膏钢管混凝土。
实施例2
一种磷石膏钢管混凝土的制备方法，包括以下步骤：
S1：按重量取磷石膏70份，矿渣20份，水泥熟料8份，石灰石2份，将它们混合均匀，放入圆盘造粒机成型，经自然养护28天得到磷石膏粗集料；
S2：按重量取磷石膏50份，磷渣22份，矿渣18份，水泥熟料2份，沸石粉8份；先将取好的水泥熟料、沸石粉和矿渣加入强制式搅拌机，搅拌30s，再加入取好的磷石膏和磷渣搅拌90s，得到磷石膏水泥；
S3：将陶砂、磷石膏粗集料浸于水中至饱和面干状态；
S4：按配合比称取各原材料：磷石膏水泥420份，页岩陶砂100份，江砂500份，磷石膏粗集料600，减水剂3.5份，水140份；先将70份水加入磷石膏水泥中，搅拌30s，得到磷石膏水泥浆体，再将饱和面干的陶砂、磷石膏粗集料和江砂加入磷石膏水泥浆体中，搅拌30s，再将减水剂与剩余的70份水混合后加入，搅拌90s，得到混凝土拌合物；
S5：将混凝土拌合物浇筑入钢管中、养护，得到磷石膏钢管混凝土。
实施例3
一种磷石膏钢管混凝土的制备方法，包括以下步骤：
S1：按重量取磷石膏34份，矿渣50份，水泥熟料6份，石灰石10份，将它们混合均匀，放入圆盘造粒机成型，经自然养护28天得到磷石膏粗集料；
S2：按重量取磷石膏30份，磷渣28份，矿渣20份，水泥熟料7份，沸石粉15份；先将取好的水泥熟料、沸石粉和矿渣加入强制式搅拌机，搅拌30s，再加入取好的磷石膏和磷渣搅拌30s，得到磷石膏水泥；
S3：将陶砂、磷石膏粗集料浸于水中至饱和面干状态；
S4：按配合比称取各原材料：磷石膏水泥480份，页岩陶砂200份，江砂480份，磷石膏粗集料500，减水剂2.1份，水170份；先将85份水加入磷石膏水泥中，搅拌30s，得到磷石膏水泥浆体，再将饱和面干的陶砂、磷石膏粗集料和江砂加入磷石膏水泥浆体中，搅拌60s，再将减水剂与剩余的85份水混合后加入，搅拌30s，得到混凝土拌合物；
S5：将混凝土拌合物浇筑入钢管中、养护，得到磷石膏钢管混凝土。
对比例1
在实施例1的基础上，区别在于步骤5，混凝土拌合后不浇筑进入钢管模中，待其终凝后拆模养护至规定龄期，其他与实施例1相同。
对比例2
在实施例1基础上，区别在于步骤2，改变磷石膏水泥组成，用石灰石粉全部取代沸石粉，其他与实施例1相同。
对比例3
在实施例1基础上，区别在于步骤4，改变混凝土组成，用江砂全部取代页岩陶砂，其他与实施例1相同。
对比例4
在实施例1基础上，区别在于步骤4，改变混凝土组成，用花岗岩碎石全部取代磷石膏粗集料，其他与实施例1相同。
对实施例1～3和对比例1～4制备得到的磷石膏钢管混凝土进行性能测试，
结果如表1所示。
表1磷石膏钢管混凝土性能测试结果
Figure BDA0002354310010000061
Figure BDA0002354310010000071
核实下实施例是不是最优的实施例，实施例1-3中要有一个最优的实施例。
由表1可知，本发明中，沸石粉、陶砂和磷石膏粗集料的吸水蓄水作用对磷石膏钢管混凝土膨胀源的持续发挥起到重要作用，当用石灰石粉、江砂和花岗岩碎石分别取代沸石粉、陶砂、磷石膏粗集料后，钢管混凝土的7d膨胀率分别降低了29％、34％、47％，28d膨胀率分别降低了17％、23％、32％。钢管对混凝土的保护作用明显，使得混凝土抗碳化性能显著增强。

Claims (8)

1.一种磷石膏钢管混凝土，其特征在于，所述磷石膏钢管混凝土包括重量份计的以下组分：磷石膏水泥420-500份，陶砂100-200份，江砂480-550份，磷石膏粗集料500-700份，减水剂2.1-3.5份，水140-170份。
2.根据权利要求1所述的磷石膏钢管混凝土，其特征在于，所述磷石膏水泥包括重量份计的以下组分：磷石膏30-50份，磷渣22-30份，矿渣15-20份，水泥熟料2-7份，沸石粉8-15份。
3.根据权利要求1或2所述的磷石膏钢管混凝土，其特征在于，所述磷石膏粗集料是一种磷石膏粗集料原料采用圆盘造粒，经自然养护形成的5～20mm连续级配的圆形人造粗集料，磷石膏粗集料原料包括重量份计的以下组分：磷石膏34-70份，矿渣20-50份，水泥熟料2-8份，石灰石2-10份。
4.根据权利要求2或3所述的磷石膏钢管混凝土，其特性在于，所述磷石膏为工业湿法制磷酸的副产物，其陈化时间至少1年以上，并进行球磨、烘干处理，使其含水率小于0.1%，平均粒度小于0.5mm。
5.根据权利要求2或3或4所述的磷石膏钢管混凝土，其特性在于，所述
所述磷渣为粒化电炉磷渣；
所述矿渣为粒化高炉矿渣；
所述沸石粉为天然沸石粉；
所述减水剂为聚羧酸减水剂；
所述陶砂为0.5～3.0mm连续级配烧结页岩陶砂；
所述江砂为≤4.75mm的连续级配中砂。
6.权利要求1-5任意一项所述磷石膏钢管混凝土的制备方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
S1：称取磷石膏、矿渣、水泥熟料和石灰石，将它们混合均匀，放入圆盘造粒机成型后，经自然养护得到磷石膏粗集料；
S2：将水泥熟料、沸石粉和矿渣加入强制式搅拌机，搅拌30s，再加入磷石膏和磷渣搅拌30-90s，得到磷石膏水泥；
S3：将陶砂、磷石膏粗集料浸于水中至饱和面干状态；
S4：按配合比称取各原材料，先将一半用水量的水加入磷石膏水泥中，搅拌30s，得到磷石膏水泥浆体，再将饱和面干的陶砂、磷石膏粗集料和江砂加入磷石膏水泥浆体中，搅拌30-60s，再将减水剂与剩余的水混合后加入，搅拌30-90s，得到混凝土拌合物；
S5：将混凝土拌合物浇筑入钢管中、养护，得到磷石膏钢管混凝土。
7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：所述步骤S1中，自然养护的时间至少28天。
8.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述方法中，搅拌的时间为25-120s。
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