CN111233413B - 一种高膨胀能钢渣混凝土及其制备方法 - Google Patents

一种高膨胀能钢渣混凝土及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种高膨胀能钢渣混凝土，包括水泥、粗钢渣、碎石、钢渣砂、水和外加剂，各原料重量份为：水泥20～25份、粗钢渣12～15份、碎石40～45份、钢渣砂40～45份、水10～14份、外加剂0～5份。其制备方法包括以下步骤：根据需求在3组样本中挑选一组作为基准配合比；利用强度设计公式和膨胀率设计公式进行高膨胀能钢渣混凝土配合比设计；将设计配合比与参考配合比进行比对，若设计配合比与远离参考配合比，则需要调整高膨胀能钢渣混凝土中钢渣砂的取代量、钢渣砂粒径范围或水灰比等因素；然后配制、浇筑、养护高膨胀能钢渣混凝土。本发明的高膨胀能钢渣混凝土可适用于高膨胀率高强度要求地下防水工程、高抗裂混凝土工程、约束自应力混凝土工程以及抗震工程中。

Description

一种高膨胀能钢渣混凝土及其制备方法
技术领域
本发明涉及建筑材料技术领域，具体涉及一种高膨胀能钢渣混凝土及其制备方法。
背景技术
膨胀混凝土是一种高性能混凝土。其膨胀机理是：在水化反应过程中，膨胀源(膨胀剂或膨胀水泥)中富含游离的氧化钙和氧化镁，水化生成水化硅酸钙和水化铝酸钙，形成钙钒石，进而产生体积膨胀。
目前市场上现有的膨胀剂90％以上都属于GB23439-2017《混凝土膨胀剂》中规定的Ⅰ型产品，膨胀率仅为3.5×10-4。一方面，这类产品自身膨胀能小，对高强高性能混凝土的作用效果不显著，极大的限制了膨胀剂行业的发展。另一方面，膨胀剂是作为一种混凝土性能改善材料使用，不是一种刚性需求。存在着实际掺量较大、使用成本较高的缺点。
为满足刚需，降低工程造价，节约自然资源，本课题组于2014年在专利ZL201410820807.X《一种钢渣膨胀混凝土的制备方法》中公开了一种利用工业废渣(钢渣)替代天然砂石，制备具有一定膨胀能的钢渣混凝土的方法。其原理与膨胀剂基本一致，是利用钢渣中富含的游离的氧化钙和氧化镁水化形成钙钒石。而钢渣具有一定硬度和细度又可以作为混凝土骨料的良好替代品。在实验的基础上，制备出了抗压强度为C20、膨胀率为2.8×10-4的钢渣膨胀混凝土。该产品成功克服了已有技术为产生膨胀而掺加膨胀剂和膨胀水泥的不足，可用于后浇带工程以及普通抗裂混凝土工程。但这种钢渣膨胀混凝土任然属于Ⅰ型产品，仅停留在补偿收缩使用范围，未能到达到Ⅱ型产品的标准(膨胀率大于5×10-4，强度等级C40以上)。由于强度较低、膨胀率较小，很难运用于地下防水工程、高抗裂混凝土工程、约束自应力混凝土工程以及抗震工程中。在此基础上，本发明的高膨胀能钢渣混凝土(属于Ⅱ型产品)具有膨胀能大、抗压强度高、抗渗性强、抗裂性好、耐硫酸盐性能好等特点。
发明内容
本发明针对现有钢渣膨胀混凝土技术方法存在的缺点与不足，提供一种高膨胀能钢渣混凝土及其制备方法。本发明充分利用钢渣的潜在活性，克服已有技术生产的钢渣膨胀混凝土抗压强度较低、膨胀性能较弱的不足，不仅显著降低工程造价和施工难度，而且扩大了钢渣膨胀混凝土的运用范围，推动了化学应力类膨胀混凝土的发展。
为实现上述目的，本发明通过以下方案予以实现：
本发明提供了一种高膨胀能钢渣混凝土，包括水泥、粗钢渣、碎石、钢渣砂、水和外加剂，各原料重量份为：水泥20～25份、粗钢渣12～15份、碎石40～45份、钢渣砂40～45份、水10～14份、外加剂0～5份，外加剂包括矿渣微粉、脱硫灰和石膏。
优选地，粗钢渣的粒径范围为4.75～26.5mm，表观密度为3490kg/m3，含水率为1.1～1.6％，晶体为玻璃体网络结构，主要化学成分为CaO和SiO2，主要矿物是硅酸二钙(C2S)、硅酸三钙(C3S)、铁酸钙(C2F)等。
优选地，碎石的粒径范围为4.75～26.5mm，表观密度为2595kg/m3。
优选地，钢渣砂的粒径范围为0.15～2.36mm，表观密度为3630kg/m3，含水率为2.2～3.9％，细度模数在2.0～2.5之间。
优选地，钢渣由钢尾渣堆放浇水冷却并经过分筛制备而成。
本发明还提供了一种高膨胀能钢渣混凝土的制备方法，具体包括以下步骤：
(1)为扩展钢渣膨胀混凝土的运用范围，开展高膨胀率钢渣混凝土抗压强度和膨胀率的正交实验，并优选出满足GB23439-2017《混凝土膨胀剂》Ⅱ型产品标准(膨胀率大于5×10-4，强度等级C40以上)的3组高膨胀能钢渣混凝土配合比，得到3组高膨胀能钢渣混凝土的膨胀性能曲线；
(2)在实际工程中，可以在步骤(1)给出的3组配合比的基础上进行选择，选取与实际需求接近的一组配合比作为基准配合比；
(3)在大量试验基础上，对试件结果进行多元线性回归，得到高膨胀能钢渣混凝土强度设计公式(Ⅰ)，根据强度设计公式计算高膨胀能钢渣混凝土抗压强度，如果高膨胀能钢渣混凝土抗压强度不满足设计要求，则需要调整水灰比，具体调整方法为：钢渣膨胀混凝土的抗压强度每增加或减小1MPa，其水灰比减小或增大0.0117；
f＝-85.83269W+2.16689D+6.76727A+66.45585 (Ⅰ)
式中：f为高膨胀能钢渣混凝土的抗压强度；W为水灰比；D为钢渣砂掺量百分比；A为钢渣砂平均粒径；
(4)同步骤(3)，对结果进行多元线性回归，得到高膨胀能钢渣混凝土膨胀率设计公式(Ⅱ)，根据膨胀率设计公式计算高膨胀能钢渣混凝土的膨胀率，如果高膨胀能钢渣混凝土膨胀率不满足设计要求，则需要调整钢渣膨胀混凝土中钢渣砂的平均粒径和取代量，具体调整方法为每增大或减小0.1×10-4自由膨胀率，钢渣砂掺量增大或减小0.05，同时钢渣砂的平均粒径减小或增大0.21mm；
Pct＝-13.330W+6.66382D-1.15904A+6.41336 (Ⅱ)
式中：Pct为高膨胀能钢渣混凝土的膨胀率，其余参数同公式(Ⅰ)；
(5)根据步骤(1)～(4)确定水泥、粗钢渣、钢渣砂、砂、碎石、水以及外加剂的具体用量，称取，备用；
(6)将水分三次到倒入步骤(5)干混的钢渣混凝土中进行充分搅拌，量测高膨胀能钢渣混凝土的塌落度，加水调整，使其满足高膨胀能钢渣混凝土的浇筑要求。
本发明的有益效果是：
(1)钢渣是炼钢过程中产生的一种工业废渣，将钢渣进行筛分、级配，然后用于取代混凝土中的粗、细骨料，不仅可以节约天然骨料，避免环境和自然资源遭受破坏，而且可以解决固体废弃物的处置等问题。
(2)本发明的高膨胀能钢渣混凝土，可适用于高膨胀率高强度要求的工程结构，在地下防水工程、高抗裂混凝土工程、约束自应力混凝土工程以及抗震工程中，应用范围广泛。
(3)本发明利用钢渣中游离的CaO水化产生膨胀性能，不需要向混凝土中添加高成本膨胀源(膨胀剂或膨胀水泥)，大大降低了工程造价和施工难度，综合经济和社会效益显著。
(4)本发明充分发挥了钢渣的火山灰活性，钢渣利用率高，抗压强度高，膨胀率大，自应力大且稳定等特点，不仅显著解决了钢渣的二次利用，而且可使高膨胀能钢渣混凝土达到预期的膨胀效果和力学效果。
附图说明
图1为样本1高膨胀能钢渣混凝土膨胀率曲线。
图2为样本2高膨胀能钢渣混凝土膨胀率曲线。
图3为样本3高膨胀能钢渣混凝土膨胀率曲线。
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，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
一种高膨胀能钢渣混凝土，包括水泥、粗钢渣、碎石、钢渣砂、水和外加剂，各原料重量份为：水泥20～25份、粗钢渣12～15份、碎石40～45份、钢渣砂40～45份、水10～14份、外加剂0～5份。
上述高膨胀能钢渣混凝土的制备方法，具体包括以下步骤：
(1)为扩展钢渣膨胀混凝土的运用范围，开展高膨胀率钢渣混凝土抗压强度和膨胀率的正交实验，并优选出满足GB23439-2017《混凝土膨胀剂》Ⅱ型产品标准(膨胀率大于5×10-4，强度等级C40以上)的3组高膨胀能钢渣混凝土配合比，得到3组高膨胀能钢渣混凝土的膨胀性能曲线；
(2)在实际工程中，可以在步骤(1)给出的3组配合比的基础上进行选择，选取与实际需求接近的一组配合比作为基准配合比；
(3)在大量试验基础上，对试件结果进行多元线性回归，得到高膨胀能钢渣混凝土强度设计公式(Ⅰ)，根据强度设计公式计算高膨胀能钢渣混凝土抗压强度，如果高膨胀能钢渣混凝土抗压强度不满足设计要求，则需要调整水灰比，具体调整方法为：钢渣膨胀混凝土的抗压强度每增加或减小1MPa，其水灰比减小或增大0.0117；
f＝-85.83269W+2.16689D+6.76727A+66.45585 (Ⅰ)
式中：f为高膨胀能钢渣混凝土的抗压强度；W为水灰比；D为钢渣砂掺量百分比；A为钢渣砂平均粒径；
(4)同步骤(3)，对结果进行多元线性回归，得到高膨胀能钢渣混凝土膨胀率设计公式(Ⅱ)，根据膨胀率设计公式计算高膨胀能钢渣混凝土的膨胀率，如果高膨胀能钢渣混凝土膨胀率不满足设计要求，则需要调整钢渣膨胀混凝土中钢渣砂的平均粒径和取代量，具体调整方法为每增大或减小0.1×10-4自由膨胀率，钢渣砂掺量增大或减小0.05，同时钢渣砂的平均粒径减小或增大0.21mm；
Pct＝-13.330W+6.66382D-1.15904A+6.41336 (Ⅱ)
式中：Pct为高膨胀能钢渣混凝土的膨胀率，其余参数同公式(Ⅰ)；
(5)根据步骤(1)～(4)确定水泥、粗钢渣、钢渣砂、砂、碎石、水以及外加剂的具体用量，称取，备用；
(6)将水分三次到倒入步骤(5)干混的钢渣混凝土中进行充分搅拌，量测高膨胀能钢渣混凝土的塌落度，加水调整，使其满足高膨胀能钢渣混凝土的浇筑要求。
钢渣是一种工业废料，本发明选用钢渣为马钢钢渣，采用X射线荧光光谱分析(XRF)测得钢渣的化学成分如表1所示:
表1钢渣的化学成分(％)
名称 CaO Fe<sub>2</sub>O<sub>3</sub> Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub> SiO<sub>2</sub> MgO P<sub>2</sub>O<sub>5</sub> MnO TiO<sub>2</sub> V<sub>2</sub>O<sub>5</sub> SO<sub>3</sub>
钢渣 41.28 19.11 18.07 11.45 5.00 1.74 1.54 0.809 0.396 0.273
标准差 0.25 0.20 0.19 0.16 0.11 0.07 0.06 0.04 0.02 0.014
从表1中可以看出，钢渣的化学成分与水泥相似，具有一定的水硬活性，钢渣中含有CaO等活性成分，是钢渣混凝土产生膨胀的主要因素。本发明中钢渣砂的粒径范围为0.15～2.36mm，表观密度为3630kg/m3，含水率为2.2～3.9％，细度模数控制在2.0～2.5之间，属于中砂Ⅱ区。粗钢渣粒径为4.75～26.5mm连续级配区间粒径的粗骨料，表观密度为3490kg/m3，含水率为1.1～1.6％。
水泥是钢渣混凝土的胶凝材料和钢渣活性的激发剂，本发明采用标号为42.5的普通硅酸盐水泥。
碎石为本发明中的粗骨料，本发明选用4.75～26.5mm连续级配区间粒径的碎石，碎石的表观密度为2595kg/m3。
水主要用于高膨胀能钢渣混凝土的拌合和养护，水中不得含有影响水泥正常凝结与硬化的有害杂质，凡是能饮用的自来水和清洁的天然水，都能用来拌制和养护钢渣混凝土。
在确定高膨胀能钢渣混凝土各材料特性的基础上，设计高膨胀能钢渣混凝土抗压强度和膨胀率的正交试验，按照高膨胀能钢渣混凝土制备方法中的步骤(1)～(2)确定基础配合比；优选出满足GB23439-2017《混凝土膨胀剂》Ⅱ型产品标准(膨胀率大于5×10-4，强度等级C40以上)的3组高膨胀能钢渣混凝土配合比样本，3组样本各材料质量百分比见表2：
表2高膨胀能钢渣混凝土配合比(％)
Figure BDA0002368452270000061
Figure BDA0002368452270000071
确定高膨胀能钢渣混凝土配合比，以样本3为例试配，将样本3中各组分的数据代入步骤(3)中高膨胀能钢渣混凝土强度设计公式，通过试验，得到抗压强度为45.1MPa，步骤(4)中高膨胀能钢渣混凝土膨胀率设计公式，通过试验，得到膨胀率为14×10-4，满足GB23439-2017《混凝土膨胀剂》Ⅱ型产品标准；将步骤(1)～(4)最终确定的高膨胀能钢渣混凝土组成成份，按重量份计：水泥15～25的份、粗钢渣10～14份、碎石31～40份、钢渣砂30～45份、水6～14份、外加剂0～5份。将水泥、细骨料和粗骨料按照步骤(5)进行充分搅拌；按照步骤(6)配制高膨胀能钢渣混凝土，根据高膨胀能钢渣混凝土的和易性，确定附加用水量为55kg/m3，测得钢渣膨胀混凝土塌落度为382mm，满足高膨胀能钢渣混凝土的浇筑要求。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料过着特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

Claims (5)

1.一种高膨胀能钢渣混凝土，其特征在于，该高膨胀能钢渣混凝土包括水泥、粗钢渣、碎石、钢渣砂、水和外加剂，各原料重量份为：水泥20～25份、粗钢渣12～15份、碎石40～45份、钢渣砂40～45份、水10～14份、外加剂的份数大于0份且小于等于5份，所述外加剂包括矿渣微粉、脱硫灰和石膏；
所述高膨胀能钢渣混凝土的制备方法包括以下步骤：
(1)为扩展钢渣膨胀混凝土的运用范围，开展高膨胀率钢渣混凝土抗压强度和膨胀率的正交实验，并优选出满足GB23439-2017《混凝土膨胀剂》Ⅱ型产品标准的3组高膨胀能钢渣混凝土配合比，得到3组高膨胀能钢渣混凝土的膨胀性能曲线；
(2)在实际工程中，可以在步骤(1)给出的3组配合比的基础上进行选择，选取与实际需求接近的一组配合比作为基准配合比；
(3)在大量试验基础上，对试件结果进行多元线性回归，得到高膨胀能钢渣混凝土强度设计公式(Ⅰ)，根据强度设计公式计算高膨胀能钢渣混凝土抗压强度，如果高膨胀能钢渣混凝土抗压强度不满足设计要求，则需要调整水灰比，具体调整方法为：钢渣膨胀混凝土的抗压强度每增加或减小1MPa，其水灰比减小或增大0.0117；
f＝-85.83269W+2.16689D+6.76727A+66.45585 (Ⅰ)
式中：f为高膨胀能钢渣混凝土的抗压强度；W为水灰比；D为钢渣砂掺量百分比；A为钢渣砂平均粒径；
(4)同步骤(3)，对结果进行多元线性回归，得到高膨胀能钢渣混凝土膨胀率设计公式(Ⅱ)，根据膨胀率设计公式计算高膨胀能钢渣混凝土的膨胀率，如果高膨胀能钢渣混凝土膨胀率不满足设计要求，则需要调整钢渣膨胀混凝土中钢渣砂的平均粒径和取代量，具体调整方法为每增大或减小0.1×10-4自由膨胀率，钢渣砂掺量增大或减小0.05，同时钢渣砂的平均粒径减小或增大0.21mm；
Pct＝-13.330W+6.66382D-1.15904A+6.41336 (Ⅱ)
式中：Pct为高膨胀能钢渣混凝土的膨胀率，其余参数同公式(Ⅰ)；
(5)根据步骤(1)～(4)确定水泥、粗钢渣、钢渣砂、碎石、水以及外加剂的具体用量，称取，备用；
(6)将水分三次到倒入步骤(5)干混的钢渣混凝土中进行充分搅拌，量测高膨胀能钢渣混凝土的塌落度，加水调整，使其满足高膨胀能钢渣混凝土的浇筑要求。
2.根据权利要求1所述的高膨胀能钢渣混凝土，其特征在于，所述的粗钢渣的粒径范围为4.75～26.5mm，表观密度为3490kg/m3，含水率为1.1～1.6％。
3.根据权利要求1所述的高膨胀能钢渣混凝土，其特征在于，所述的碎石的粒径范围为4.75～26.5mm，表观密度为2595kg/m3。
4.根据权利要求1所述的高膨胀能钢渣混凝土，其特征在于，所述的钢渣砂的粒径范围为0.15～2.36mm，表观密度为3630kg/m3，含水率为2.2～3.9％，细度模数在2.0～2.5之间。
5.根据权利要求1所述的高膨胀能钢渣混凝土，其特征在于，所述粗钢渣和钢渣砂由钢尾渣堆放浇水冷却并经过分筛制备而成。
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