CN112010617A - 耐久稳定型钢渣-矿粉混凝土及其制备方法 - Google Patents

耐久稳定型钢渣-矿粉混凝土及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本申请涉及建筑材料领域，具体公开了一种耐久稳定型钢渣‑矿粉混凝土及其制备方法。耐久稳定型钢渣‑矿粉混凝土由包含以下重量份的原料制成：15‑20份改性钢渣、45‑60份矿渣、135‑140份水泥混合料、10‑15份石膏和45‑50份水，所述改性钢渣为经硼化锆凝胶包覆改性制备而成。本申请的耐久稳定型钢渣‑矿粉混凝土可用于混凝土施工，该耐久稳定型钢渣‑矿粉混凝土采用了硼化锆凝胶对钢渣进行包覆改性，既可以通过凝胶层对钢渣内部的孔道结构形成包覆和固定，还能阻止混凝土体积膨胀，提高混凝土材料的稳定性能和耐久性能；另外，该耐久稳定型钢渣‑矿粉混凝土的制备方法整体方案简单便捷，制备效率有效提高，进一步提高了生产效率。

Description

耐久稳定型钢渣-矿粉混凝土及其制备方法
技术领域
本申请涉及建筑材料领域，更具体地说，它涉及一种耐久稳定型钢渣-矿粉混凝土及其制备方法。
背景技术
钢渣是炼钢过程中从高温炉中分离出来的杂质，矿渣也叫粒化高炉矿渣，它是炼铁过程中的熔渣排入水中急冷所得的副产物。将钢渣、矿渣用于制备胶凝材料起源于碱激发制备胶凝材料。通过以钢渣和矿粉为主要原材料与脱硫石膏、矿渣进行合理复配组成钢渣-矿粉，应用到混凝土当中，挺高工业固废的附加值，使工业固废材料得到有效利用，研究开发高效的钢渣矿粉复合掺和料满足现代绿色混凝土的发展和需求。
钢渣中含有与硅酸盐水泥熟料相似的矿物，硅酸三钙和硅酸二钙，用于水泥、混凝土是大宗量消纳钢渣的一个有效途径。然而钢渣中含有较多的f-CaO，f-CaO遇水生成Ca(OH)2，且其体积膨胀98％，导致钢渣制品体积稳定性差，这严重制约了钢渣在水泥混凝土中的应用，虽然矿渣能有效对消解钢渣中的f-CaO进行消除，但是其消除效果不够彻底，同时还导致消除后的钢渣基体中孔道结构发生坍塌，导致整体混凝土材料发生开裂等现象。
针对上述中的相关技术，发明人认为得到的钢渣-矿粉混凝土在实际应用中耐久性能不佳，易受到水化侵蚀后形成开裂，降低混凝土材料的整体力学性能和寿命。
发明内容
为了使钢渣-矿粉混凝土具有优异抗开裂性能以提高其耐久性，第一方面，本申请提供一种耐久稳定型钢渣-矿粉混凝土，由包含以下重量份的原料制成：15-20份改性钢渣、45-60份矿渣、135-140份水泥混合料、10-15份石膏和45-50份水；所述改性钢渣为经硼化锆凝胶包覆改性制备而成。
通过采用上述技术方案，由于采用了硼化锆凝胶对钢渣进行包覆改性，包覆后的钢渣材料的孔隙内部，被凝胶材质的钢渣材料所渗透，通过凝胶材质对其孔道内壁形成有效的填充和包覆，这样的改性方案，既可以通过凝胶层包覆和固定改性钢渣的孔道内壁结构，使钢渣孔道发生坍塌时，起到支撑稳定作用，降低了钢渣孔道结构崩塌的损失，提高了制备的混凝土基材的抗裂性能，同时，该改性方案还能防止大气中的二氧化碳对混凝土孔隙内部的碳化作用，降低碳酸钙颗粒的生成和沉积作用，并阻止混凝土体积膨胀，进一步提高混凝土材料的稳定性能和耐久性能。
进一步地，所述硼化锆凝胶包括：45-50份纳米硼化锆凝胶、10-15份水玻璃、 1.5-2.0份纳米五氧化二磷和1-2份硼酸。
通过采用上述技术方案，由于本申请将水玻璃与纳米硼化锆凝胶混合，不仅有效改善了凝胶材料的渗透性和流动性，还有效提高了凝胶材料的成膜性能，同时，在该纳米硼化锆凝胶中还添加了硼酸和纳米五氧化二磷，这些材料能有效分散在凝胶内部，通过与水化后的氢氧化钙成分进行二次水化处理，有效降低游离的氧化钙的浓度，从而进一步改善混凝土材料的体积稳定性能，密实混凝土的结构，从而提高钢渣的抗压强度并提高钢渣矿粉混凝土的耐久性能。
进一步地，所述石膏为脱硫石膏和氟石膏中的任意一种或两种的混合物。
通过采用上述技术方案，取工业副产品的石膏中的脱硫石膏或者氟石膏为碱激发剂，并与钢渣复合制备胶凝材料，由于钢渣后期水化强度高、耐水性好，与石膏基的碱激发剂凝结硬化快的特点相结合，解决钢渣早期水化反应慢与强度低、石膏耐水性差的问题，通过钢渣与石膏两者复合后具有互补性，进一步改善混凝土材料力学性能。
第二方面，本申请提供一种耐久稳定型钢渣-矿粉混凝土的制备方法，具体制备步骤为：S1、分别称量次氯酸锆、柠檬酸和乙二醇混合并添加至去离子水中，搅拌混合并添加葡萄糖和硼酸，搅拌混合并保温加热处理，静置冷却至室温，得纳米硼化锆凝胶； S2、分别称量纳米硼化锆凝胶、水玻璃、纳米五氧化二磷、硼酸和钢渣颗粒，搅拌混合并加压静置处理，过滤收集滤饼，得改性钢渣；S3、将改性钢渣与矿渣混合并添加助磨剂，研磨过筛，收集得混合胶凝材料；S4、将混合胶凝材料、石膏、水泥混合料和水搅拌混合，收集浆料并浇筑至模具中，振实后养护至龄期，即可制备得所述耐久稳定型钢渣-矿粉混凝土。
通过采用上述技术方案，由于先以次氯酸锆、柠檬酸和乙二醇为主要原料，制备纳米硼化锆凝胶，并通过该凝胶材料负载加固钢渣孔隙的内部，提高其抗坍塌性能，再将改性后的钢渣与矿渣经研磨过筛后，混料制备混凝土材料，整体方案简单便捷，制备效率有效提高，进一步提高了生产效率。
进一步地，步骤S4所述的水泥混合料包括35-40份硅酸盐水泥和100-120份的标准砂。
通过采用上述技术方案，由于采用标准砂为混凝土骨料，有效提高混凝土的结构强度，降低混凝土材料水化后开裂的现象，从而进一步提高材料的耐久性能。
进一步地，步骤S3所述的助磨剂为三乙醇胺、乙二醇和硬脂酸钠中的一种或多种的混合物。
通过采用上述技术方案，由于采用三乙醇胺、乙二醇和硬脂酸钠为助磨剂材料，有效改善钢渣-矿渣粉体的比表面积，从而改善粉体之间的结合强度和混凝土材料的力学性能。
进一步地，步骤S3所述混合胶凝材料粒径为2.5-4.8μm。
通过采用上述技术方案，由于采用粒径合适且结构均匀的混合凝胶材料，使其在压坯并干燥过程中，混凝土凝胶材料整体的密度变高，降低混凝土中后续裂隙的产生和延伸，从而有效提高混合凝胶的耐久性能。
进一步地，步骤S4所述养护至龄期为在温度在20℃±2℃，湿度≥90％恒温箱中养护24h后，再脱模并置于养护箱中水养护3天。
进一步地，步骤S1所述保温加热处理温度为75-85℃。
进一步地，步骤S2所述加压静置处理为在0.5-0.8MPa、150-200℃下静置10-12h。
通过采用上述技术方案，由于在加压环境下，纳米硼化锆凝胶能渗透至钢渣内部孔隙中去，在高温环境下干脱水干燥，从而对钢渣内部孔隙结构形成良好的包覆和保护，进一步提高混凝土的力学性能和耐久性能。
综上所述，本申请包括以下至少一种有益技术效果：
第一、本申请中采用了硼化锆凝胶对钢渣进行包覆改性，通过凝胶材质对钢渣材料渗透并对其孔道内壁形成有效的固定和包覆，既可以通过凝胶层对钢渣内部的孔道结构形成包覆和固定，使其在钢渣孔道发生坍塌时，起到固定作用，降低了孔道结构的损失，提高制备的混凝土基材的抗裂性能，同时，还能防止大气中的二氧化碳对混凝土孔隙内部的碳化，降低碳酸钙颗粒的生成和沉积作用，从而阻止混凝土体积膨胀，进一步提高混凝土材料的稳定性能和耐久性能。
第二、本申请将水玻璃与纳米硼化锆凝胶混合，不仅仅有效改善了凝胶材料的渗透性和流动性，使其深入渗透至钢渣孔隙内部，还有效提高了凝胶材料的成膜性能，有效改善钢渣孔道的稳定性能，同时，本申请方案在该纳米硼化锆凝胶中还添加了硼酸和纳米五氧化二磷，这些材料能分散在凝胶内部，通过与水化后的氢氧化钙成分进行二次水化处理，降低游离的氧化钙的浓度，改善混凝土材料的体积稳定形态，密实混凝土的结构，从而提高钢渣的抗压强度并提高混凝土的耐久性能。
第三、本申请的方法，通过先以次氯酸锆、柠檬酸和乙二醇为主要原料，制备纳米硼化锆凝胶，并通过该凝胶材料负载加固钢渣孔隙的内部，提高其抗坍塌性能，在将改性后的钢渣与矿渣经研磨过筛后，混料制备混凝土材料，整体方案简单便捷，制备效率有效提高，进一步提高了生产效率。
具体实施方式
以下结合实施例对本申请作进一步详细说明。
本申请实施例中，所用的仪器设备和原料辅料如下所示，但不以此为限：
装置：101-1型电热鼓风干燥箱，FBT-5型全自动比表面积测定仪，水泥胶砂三联试模，JJ-5型行星式胶砂搅拌机，YH-40B型标准恒温恒湿养护箱，ZT96型水泥胶砂振实台， SC-145型砂浆稠度仪，NYL-300A型压力试验机，DKZ-5000型抗折试验机，SP-175型砂浆收缩膨胀仪药品：矿渣：密度2.78g/m3，7d活性系数95％，28d活性系数107％，比表面积450m2/kg；钢渣：密度3.25g/m3，比表面积450m2/kg、28d活性指数90％，f-CaO在3.5-5.5；脱硫石膏：比表面积450m2/kg，SO3含量40.21％。
实施例
实施例1
S1、按重量份数计，分别称量45份乙二醇、80份去离子水、3份柠檬酸和6份次氯酸锆置于烧瓶中，搅拌混合并置于75℃下保温静置，收集混合液并按质量比1：1：15，将葡萄糖、硼酸和混合液继续搅拌混合并保温处理3h，静置冷却至室温后，收集得纳米硼化锆凝胶；
S2、按重量份数计，分别称量45份纳米硼化锆凝胶、10份水玻璃、1.5份纳米五氧化二磷和1份硼酸，搅拌混合并置于0.5MPa、150℃下静置10h，过滤收集滤饼，得改性钢渣；
S3、将15份改性钢渣与45份矿渣混合并添加三乙醇胺，研磨后过2.5μm的筛网，收集得混合胶凝材料；
S4、将60份混合胶凝材料、10份脱硫石膏、35份硅酸盐水泥、100份的标准砂和45 份水搅拌混合，收集浆料并浇筑至模具中，振实后在温度在20℃，湿度为90％恒温箱中养护24h后，再脱模并置于养护箱中水养护3天，即可制备得所述耐久稳定型钢渣- 矿粉混凝土。
实施例2
S1、按重量份数计，分别称量47份乙二醇、85份去离子水、4份柠檬酸和7份次氯酸锆置于烧瓶中，搅拌混合并置于80℃下保温静置，收集混合液并按质量比1：1：15，将葡萄糖、硼酸和混合液继续搅拌混合并保温处理4h，静置冷却至室温后，收集得纳米硼化锆凝胶；
S2、按重量份数计，分别称量47份纳米硼化锆凝胶、12份水玻璃、1.7份纳米五氧化二磷和1份硼酸，搅拌混合并置于0.7MPa、175℃下静置11h，过滤收集滤饼，得改性钢渣；
S3、将17份改性钢渣与47份矿渣混合并添加硬脂酸钠，研磨后过3.2μm的筛网，收集得混合胶凝材料；
S4、将70份混合胶凝材料、12份氟石膏、37份硅酸盐水泥、110份的标准砂和47份水搅拌混合，收集浆料并浇筑至模具中，振实后在温度在21℃，湿度为92％恒温箱中养护24h后，再脱模并置于养护箱中水养护3天，即可制备得所述耐久稳定型钢渣-矿粉混凝土。
实施例3
S1、按重量份数计，分别称量50份乙二醇、90份去离子水、5份柠檬酸和8份次氯酸锆置于烧瓶中，搅拌混合并置于85℃下保温静置，收集混合液并按质量比1：1：15，将葡萄糖、硼酸和混合液继续搅拌混合并保温处理5h，静置冷却至室温后，收集得纳米硼化锆凝胶；
S2、按重量份数计，分别称量50份纳米硼化锆凝胶、15份水玻璃、2.0份纳米五氧化二磷和2份硼酸，搅拌混合并置于0.8MPa、200℃下静置12h，过滤收集滤饼，得改性钢渣；
S3、将20份改性钢渣与60份矿渣混合并添加乙二醇，研磨后过4.8μm的筛网，收集得混合胶凝材料；
S4、将80份混合胶凝材料、15份等质量混合的氟石膏和脱硫石膏、40份硅酸盐水泥和120份的标准砂和50份水搅拌混合，收集浆料并浇筑至模具中，振实后在温度在22℃，湿度为95％恒温箱中养护24h后，再脱模并置于养护箱中水养护3天，即可制备得所述耐久稳定型钢渣-矿粉混凝土。
实施例4-7
实施例4-7的耐久稳定型钢渣-矿粉混凝土中的改性钢渣步骤中加压静置处理压力和温度与实施例1中加压静置处理压力和温度不同，其余条件和组分比例均与实施例1中相同，具体见表1中所示。
表1实施例1-7中加压静置处理压力
Figure BDA0002658935830000061
性能检测试验分别对实施例1-7进行性能测试，具体测试混凝土拌合物性能、力学性能和耐久性能。
检测方法/试验方法
混凝土拌合物性能：按照GB/T 50080—2016《混凝土拌合物性能试验法》对耐久稳定型钢渣-矿粉混凝土进行性能测试；
力学性能：按照GB/T 50081—2016《普通混凝土力学性能试验方法》、GB/T5 0082—2009对耐久稳定型钢渣-矿粉混凝土进行性能测试；
耐久性能：按照《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法》对耐久稳定型钢渣-矿粉混凝土进行性能测试。
具体检测结果如下表表2、表3所示：
表2工作性能和力学性能检测表
Figure DEST_PATH_IMAGE001
表3耐久性能检测表
Figure DEST_PATH_IMAGE002
参考表2-3的性能检测对比可以发现：
将实施例1-3进行性能对比，说明实施例3的耐久性、工作性能和力学性能为最佳，这是由于实施例3中添加的物料的比例为最高，说明本申请技术方案是可以实施的。
将实施例1和实施例4进行性能对比，实施例2和实施例5进行性能对比，其中实施例4和实施例2中采用更高的干燥温度进行制备，所以实施例4和实施例2的耐久性、工作性能和力学性能更加优异，再将实施例3和实施例6-7进行性能对比，实施例3的耐久性、工作性能和力学性能均高于实施例6和实施例7，由于高温环境下，在孔隙中固化负载的凝胶材料具有更加优异的固定性能，说明本申请中凝胶层能对钢渣内部的孔道结构形成包覆和固定，以提高混凝土材料的稳定性能和耐久性能。
将实施例3和实施例4进行性能对比，其中实施例3和实施例4均采用了同样的温度进行处理，但是处理压力不同，且实施例3的加压压强高于实施例4的压强，且实施例3的力学性能和耐久性能均优于实施例4，这是由于在相同处理条件下，由于实施例3采用更高的压强进行处理，凝胶能在压强作用下延伸至钢渣的孔道深处进行包覆和固定，也说明了本申请中凝胶层对钢渣内部的孔道结构形成包覆和固定，提高了混凝土材料的稳定性能和耐久性能。
对比例
对比例1-5
对比例1-5的耐久稳定型钢渣-矿粉混凝土由普通钢渣代替改性钢渣与矿渣混合制备而成，其余组分均与实施例1中相同，具体见表4中所示。
表4对比例1-5中耐久稳定型钢渣-矿粉混凝土的原料组成
Figure BDA0002658935830000072
Figure BDA0002658935830000081
对比例6-7
对比例6-7的耐久稳定型钢渣-矿粉混凝土由纯的纳米硼化锆凝胶代替硼化锆凝胶制备而成，其余组分均与实施例1中相同，具体见表5中所示。
表5对比例6-7中增韧阻燃型尼龙缠绕管的原料组成
重量/kg 对比例6 对比例7
纳米硼化锆凝胶改性的钢渣 15 20
矿渣 45 45
水泥混合料 135 135
石膏 10 10
水 45 45
对比例8-10
对比例8-10的耐久稳定型钢渣-矿粉混凝土由硅酸钠代替石膏作为激发剂制备而成，其余组分均与实施例1中相同，具体见表6中所示。
表6对比例8-10中增韧阻燃型尼龙缠绕管的原料组成
重量/kg 对比例8 对比例9 对比例10
改性钢渣 15 15 15
矿渣 45 45 45
水泥混合料 135 135 135
硅酸钠 10 12 15
水 45 45 45
对比例11-15
对比例11-15的耐久稳定型钢渣-矿粉混凝土由35份硅酸盐水泥和40份的标准砂制备的水泥混合料A代替水泥混合料制备而成，其余组分均与实施例1中相同，具体见表7 中所示。
表7对比例11-15中增韧阻燃型尼龙缠绕管的原料组成
Figure BDA0002658935830000082
Figure BDA0002658935830000091
性能检测试验分别对对比例1-15进行性能测试，具体测试混凝土拌合物性能、力学性能和耐久性能。
检测方法/试验方法
混凝土拌合物性能：按照GB/T 50080—2016《混凝土拌合物性能试验法》对耐久稳定型钢渣-矿粉混凝土进行性能测试；
力学性能：按照GB/T 50081—2016《普通混凝土力学性能试验方法》、GB/T5 0082—2009对耐久稳定型钢渣-矿粉混凝土进行性能测试；
耐久性能：按照《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法》对耐久稳定型钢渣-矿粉混凝土进行性能测试。
具体检测结果如下表表8、表9所示：
表8工作性能和力学性能检测表
Figure DEST_PATH_IMAGE003
表9耐久性能检测表
Figure DEST_PATH_IMAGE004
参考表8-9的性能检测对比可以发现：
(1)将实施例1和对比例1-5之间的工作性能和力学性能进行对比可以发现，实施例1和对比例1-5之间的工作性能未见明显差异，但是力学性能方面，对比例1-5明显较实施例1的力学性能下降，这说明了采用了硼化锆凝胶对钢渣进行包覆改性的方案，对钢渣内部的孔道结构形成包覆和固定，通过固定的孔道内壁结构，在钢渣孔道发生坍塌时，起到固定作用，降低了孔道结构的损失，提高了制备的混凝土基材的抗裂性能，所以其力学性能有所提高，同时该结构对整体混凝土的工作性能方面无明显影响，再对实施例 1和对比例1-5之间的进行对比，其冻融前后的质量损失和强度损失均明显增加，说明了该凝胶包覆孔道的结构，能阻止混凝土体积膨胀，提高混凝土材料的稳定性能和耐久性能。
(2)将对比例6-7和实施例1进行对比，工作性能未见明显差异，但是力学性能和质量损失还有强度损失均有明显差异，这说明了本申请中添加的水玻璃能与纳米硼化锆凝胶混合，改善凝胶材料的渗透性，提高了凝胶材料的成膜性能，有效改善钢渣孔道的稳定性能，再通过添加硼酸和纳米五氧化二磷，有效降低游离的氧化钙的浓度，密实混凝土的结构，从而提高钢渣的抗压强度并提高混凝土的耐久性能。
(3)将实施例8-10和实施例1进行对比，工作性能和耐久性能无太大降低，但是力学性能下降较大，这是由于钢渣后期水化强度高、耐水性好，能与石膏基的碱激发剂凝结硬化快的特点相结合，所以改善混凝土材料力学性能，而将其替换为硅酸钠，则混凝土材料力学性能明显下降。
(4)最后将对比例11-15和实施例1进行性能对比，由于对比例中的标准砂含量降低，所以其力学性能、耐久性能和工作性能明显下降，说明标准砂的添加有效提高混凝土的结构强度，降低混凝土材料水化后开裂的现象，从而进一步提高材料的耐久性能。
本具体实施例仅仅是对本申请的解释，其并不是对本申请的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本申请的权利要求范围内都受到专利法的保护。

Claims (10)

1.一种耐久稳定型钢渣-矿粉混凝土，其特征在于，所述耐久稳定型钢渣-矿粉混凝土由包含以下重量份的原料制成：
改性钢渣 15-20份；
矿渣 45-60份；
水泥混合料 135-140份；
石膏 10-15份；
水 45-50份；所述改性钢渣为经硼化锆凝胶包覆改性制备而成。
2.根据权利要求1所述的耐久稳定型钢渣-矿粉混凝土，其特征在于，所述硼化锆凝胶包括：
纳米硼化锆凝胶 45-50份；
水玻璃 10-15份；
纳米五氧化二磷 1.5-2.0份；
硼酸 1-2份。
3.根据权利要求1所述的耐久稳定型钢渣-矿粉混凝土，其特征在于，所述石膏为脱硫石膏和氟石膏中的任意一种或两种的混合物。
4.一种耐久稳定型钢渣-矿粉混凝土的制备方法，其特征在于，具体制备步骤为：
S1、分别称量次氯酸锆、柠檬酸和乙二醇混合并添加至去离子水中，搅拌混合并添加葡萄糖和硼酸，搅拌混合并保温加热处理，静置冷却至室温，得纳米硼化锆凝胶；
S2、分别称量纳米硼化锆凝胶、水玻璃、纳米五氧化二磷、硼酸和钢渣颗粒，搅拌混合并加压静置处理，过滤收集滤饼，得改性钢渣；
S3、将改性钢渣与矿渣混合并添加助磨剂，研磨过筛，收集得混合胶凝材料；
S4、将混合胶凝材料、石膏、水泥混合料和水搅拌混合，收集浆料并浇筑至模具中，振实后养护至龄期，即可制备得所述耐久稳定型钢渣-矿粉混凝土。
5.根据权利要求4所述的耐久稳定型钢渣-矿粉混凝土的制备方法，其特征在于，步骤S4所述的水泥混合料包括35-40份硅酸盐水泥和100-120份的标准砂。
6.根据权利要求4所述的耐久稳定型钢渣-矿粉混凝土的制备方法，其特征在于，步骤S3所述的助磨剂为三乙醇胺、乙二醇和硬脂酸钠中的一种或多种的混合物。
7.根据权利要求4所述的耐久稳定型钢渣-矿粉混凝土的制备方法，其特征在于，步骤S3所述混合胶凝材料粒径为2.5-4.8μm。
8.根据权利要求4所述的耐久稳定型钢渣-矿粉混凝土的制备方法，其特征在于，步骤S4所述养护至龄期为在温度在20℃±2℃，湿度≥90%恒温箱中养护24h后，再脱模并置于养护箱中水养护3天。
9.根据权利要求4所述的耐久稳定型钢渣-矿粉混凝土的制备方法，其特征在于，步骤S1所述保温加热处理温度为75-85℃。
10.根据权利要求4所述的耐久稳定型钢渣-矿粉混凝土的制备方法，其特征在于，步骤S2所述加压静置处理为在0.5-0.8MPa、150-200℃下静置10-12h。
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