CN112142400A - 一种以钢渣和废弃橡胶为细集料的混凝土及其应用 - Google Patents

一种以钢渣和废弃橡胶为细集料的混凝土及其应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种以钢渣和废弃橡胶为细集料的混凝土及其应用，每100重量份原料包括：15～25份水泥作为胶凝材料，45～55份碎石作为粗集料，由10～22.5份机制砂、2.25～10份钢渣、2～8份废弃橡胶组成的细集料，5～15份水以及0.02～0.05份减水剂；其中，钢渣中活性CaO的含量≤3wt.％，废弃橡胶为表面亲水的疏水橡胶。本发明制备的以钢渣和废弃橡胶为细集料的混凝土制品的28d抗压强度≥30MPa，365d收缩率≤3.5×10‑4，弹性模量≥3.0×104MPa。本发明大量消纳钢渣和废弃橡胶颗粒，极大降低了工业固废排放对环境造成的负担，也节约了成本，制备的混凝土制品稳定性好、弹性模量高。

Description

一种以钢渣和废弃橡胶为细集料的混凝土及其应用
技术领域
本发明涉及市政新材料领域，具体涉及一种以钢渣和废弃橡胶为细集料的混凝土及其应用。
背景技术
随着经济的不断发展，交通基础设施建设的规模越来越大，混凝土的消耗量也越来越大，随之带来的是河砂资源日渐匮乏的问题。因此，寻求替代天然河砂的细集料以制备高性能混凝土成为混凝土绿色发展的必然趋势。
钢渣是炼钢废弃物，由于排放量大、利用率低，大量废弃的钢渣不仅会占用大片土地，而且会对环境造成严重污染。即使钢渣经过磨细处理后可以作为水泥掺合料制备矿渣水泥，其利用率依然很低。由于钢渣作为粗集料时体积稳定性差，限制了其在混凝土中的应用。另一方面，随着汽车工业的不断发展，废弃橡胶轮胎数量巨大，废弃橡胶的再生利用也是一项重大难题。虽然利用废弃橡胶颗粒制备橡胶混凝土是废弃橡胶再生利用的重要方向，但由于其抗压强度和弹性模量偏低，橡胶混凝土并未得到广泛发展。
发明内容
针对现有技术中存在的不足，本发明分别对钢渣和废弃橡胶进行处理，混合复配成替代天然河砂的细集料，制备出了稳定性好、弹性模量高、高强、高性能的混凝土制品。
一方面，本发明提供一种以钢渣和废弃橡胶为细集料的混凝土，每100重量份原料包括：15～25份水泥作为胶凝材料，45～55份碎石作为粗集料，由10～22.5份机制砂、2.25～10份钢渣、2～8份废弃橡胶组成的细集料，5～15份水以及0.02～0.05份减水剂；其中，钢渣中活性CaO的含量≤3wt.％，废弃橡胶为表面亲水的疏水橡胶。
进一步地，水泥选用普通硅酸盐水泥、硫铝酸盐水泥中的任一种。
进一步地，碎石为5～20mm连续级配，其针片状含量≤5wt.％，压碎值≤15wt.％，含泥量≤1wt.％。
进一步地，上述机制砂为石英砂，20～40目连续级配的石英砂占30wt.％，40～80目连续级配的石英砂占50wt.％，80～120目连续级配的石英砂占20wt.％。
作为上述技术方案的优选，钢渣的比表面积为435m2/kg，表观密度﹥2900kg/m3，孔隙率﹤47％。
作为上述技术方案的优选，减水剂为粉状高性能减水剂，选自聚羧酸减水剂、脂肪族高效减水剂、萘系高效减水剂中的任一种，其减水率≥20％、含气性≤5％、1d强度比≥160％。
进一步地，废弃橡胶颗粒约为4.75mm以下，且采用以下方式制得：采用氢氧化钠溶液、水玻璃或偶联剂溶液浸泡疏水橡胶颗粒，即得到表面亲水的疏水橡胶。
进一步地，钢渣粒径约为1.18～4.75mm，钢渣经陈化蒸养处理至活性CaO含量≤3wt.％。
另一方面，本发明提供一种制备混凝土制品的方法，包括如下步骤：
S1、将水泥、碎石、钢渣、废弃橡胶、机制砂均匀混合，得到干混料；
S2、在干混料中加入水和减水剂，搅拌至拌合物具有良好的流动性，得到浆料；
S3、将浆料浇筑于模具中，振捣均匀，收光抹面，静置成型，得到坯体；
S4、将坯体养护后脱模，得到以钢渣和废弃橡胶为细集料的混凝土制品。
作为上述技术方案的优选，步骤S4中，将坯体连同模具置于混凝土标准箱中养护24h后脱模。
本发明的原理如下：
为解决现有技术中钢渣用作混凝土集料易引起体积稳定性不良的问题，本发明对1.18～4.75mm粒径的钢渣颗粒进行陈化蒸养处理，减少钢渣中氧化钙、氧化镁等不稳定物质，改善其作为混凝土细集料的稳定性；引入粒径4.75mm以下的废弃轮胎橡胶颗粒(粉)，利用其低弹性模量的特点，释放钢渣膨胀应力，并采用NaOH溶液、水玻璃、硅烷偶联剂等对橡胶颗粒进行表面亲水改性，改善其与胶凝材料的界面联接情况，提升混凝土强度。本发明将处理后的钢渣和废弃橡胶颗粒按比例配合后替代混凝土中的天然河砂，制备成以钢渣和废弃橡胶为细集料的混凝土，并采用密闭绝湿条件以避免钢渣内活性成分遇水水化而引起混凝土体积稳定性不良问题，从而保证混凝土的强度与体积稳定性。同时，本发明在混凝土中掺入粉状高性能减水剂，可有效降低混凝土的水灰比，提高混凝土的强度、缩短混凝土的凝结时间。
与现有技术相比，本发明具有以下优点和有益效果：
1、本发明制备的以钢渣和废弃橡胶为细集料混凝土的28d抗压强度≥30MPa、365d体积收缩率≤3.5×10-4，弹性模量≥3.0×104MPa，体积稳定性不良好，弹性模量高，有利于改善混凝土墩柱承载能力及其抗震性能。
2、本发明充分利用炼钢厂副产物钢渣以及汽车产业的废弃橡胶替代一定量的河砂，不仅克服了河砂资源匮乏的问题，且极大地降低工业固废排放对环境造成的负担，也降低了混凝土生产成本，减少了资源消耗，在大量消纳钢渣、废弃橡胶的同时，实现产品的功能化、绿色化和高值化，具有良好的经济效益和社会效益。
3、本发明施工方便，工艺简单，尤其适用于小方量现场路拌，路用性能良好，体积收缩小，耐久性好。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例对本发明的技术方案进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明的技术方案，并不用于限定本发明的保护范围。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
本发明提供一种以钢渣和废弃橡胶为细集料的混凝土，每100重量份混凝土包括：15～25份水泥作为胶凝材料，45～55份碎石作为粗集料，由10～22.5份机制砂、2.25～10份钢渣、2～8份废弃橡胶组成的细集料，5～15份水以及0.02～0.05份减水剂；其中，钢渣中活性CaO的含量≤3wt.％，废弃橡胶为表面亲水的疏水橡胶。
本发明提供一种制备混凝土制品的方法，包括如下步骤：
S1、将水泥、碎石、钢渣、废弃橡胶、机制砂均匀混合，得到干混料；
S2、在干混料中加入水和减水剂，搅拌至拌合物具有良好的流动性，得到浆料；
S3、将浆料浇筑于模具中，振捣均匀，收光抹面，静置成型，得到坯体；
S4、将坯体养护后脱模，得到以钢渣和废弃橡胶为细集料的混凝土制品。
下面给出本发明的以钢渣和废弃橡胶为细集料的混凝土的几个实施例，结合实施例对上述方法进行举例说明。以下实施例和对比例中，水泥选用普通硅酸盐水泥；碎石选用粒径为5～20mm连续级配的碎石，其针片状含量≤5wt.％，压碎值≤15wt.％，含泥量≤1wt.％；机制砂采用石英砂，其中，20～40目连续级配的石英砂占30wt.％，40～80目连续级配的石英砂占50wt.％，80～120目连续级配的石英砂占20wt.％；钢渣的比表面积为435m2/kg，表观密度﹥2900kg/m3，孔隙率﹤47％；减水剂为粉状聚羧酸高性能减水剂，其减水率≥20％、含气性≤5％、1d强度比≥160％；废弃橡胶颗粒由旧轮胎破碎得到，其最大粒径在4.75mm以下，实施例1-4采用经氢氧化钠溶液浸泡24小时的废弃橡胶颗粒，即表面亲水的疏水橡胶，实施例5采用未进行亲水改性的废弃橡胶颗粒；钢渣粒径约为1.18～4.75mm，钢渣经陈化蒸养处理至活性CaO含量≤3wt.％，MgO含量≤3wt.％。
实施例1
本实施例提供的以钢渣和废弃橡胶为细集料的混凝土，按重量份计，由如下原料组成：15份水泥、10份机制砂、45份碎石、2.25份钢渣、2份废弃橡胶、5份水、0.02份减水剂。
本实施例制备以钢渣和废弃橡胶为细集料的混凝土制品的方法，包括如下步骤：
S1.按前述重量份将水泥、钢渣、废弃橡胶、机制砂、碎石在搅拌器中搅拌1～2min，均匀混合，得到干混料；
S2.将步骤S1制得的干混料中按前述重量份加入水、减水剂混合搅拌2～5min至拌合物具有良好的流动性，制备出浆料；
S3.将步骤S2制得的浆料浇筑于模具中，振捣均匀，收光抹面，静置成型后得到坯体；
S4.将步骤S3制得的坯体放置在养护箱中养护后脱模，即得到以钢渣和废弃橡胶为细集料的混凝土制品。
对本发明实施例1制得的以钢渣和废弃橡胶为细集料的混凝土制品进行养护后的抗压强度测试(GB/T 25183-2010砌墙砖抗压强度试验用净浆材料)、抗折强度测试(GB/T3001-2017耐火材料常温抗折强度试验方法)和收缩率测试(GB/T50082-2009普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准)，测试结果如表1所示，由表1可以得出：
上述实施例1制备的以钢渣和废弃橡胶为细集料的混凝土制品经过养护7天抗压强度>21MPa，养护14天、28天的抗压强度均>30MPa，养护120天的抗压强度>45MPa；养护7天抗折强度>4MPa，养护28天抗折强度>6.5MPa，且其抗压、抗折强度后期会有所增长。养护120天、365天收缩率均＜3.5×10-4。因此，该材料具有良好的力学性能，较好的体积稳定性。
实施例2
本实施例提供的以钢渣和废弃橡胶为细集料的混凝土，按重量份计，由如下原料组成：17份水泥、13份机制砂、47份碎石、5份钢渣、4份废弃橡胶、7份水、0.03份减水剂。
本实施例制备以钢渣和废弃橡胶为细集料的混凝土制品的方法，包括如下步骤：
S1.按前述重量份将水泥、钢渣、废弃橡胶、机制砂、碎石在搅拌器中搅拌1～2min，均匀混合，得到干混料；
S2.将步骤S1制得的干混料中按前述重量份加入水、减水剂混合搅拌2～5min至拌合物具有良好的流动性，制备出浆料；
S3.将步骤S2制得的浆料浇筑于模具中，振捣均匀，收光抹面，静置成型后得到坯体；
S4.将步骤S3制得的坯体放置在养护箱中养护后脱模，即得到以钢渣和废弃橡胶为细集料的混凝土制品。
对本发明实施例2制得的以钢渣和废弃橡胶为细集料的混凝土制品进行养护后的抗压强度测试(GB/T 25183-2010砌墙砖抗压强度试验用净浆材料)、抗折强度测试(GB/T3001-2017耐火材料常温抗折强度试验方法)和收缩率测试(GB/T50082-2009普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准)，测试结果如表1所示，由表1可以得出：
上述实施例2制备的以钢渣和废弃橡胶为细集料的混凝土制品经过养护7天抗压强度>22MPa，养护14天、28天的抗压强度均>31MPa，养护120天的抗压强度>45.5MPa；养护7天抗折强度>5MPa，养护28天抗折强度>7MPa，且其抗压、抗折强度后期会有所增长。养护120天、365天收缩率均＜3.5×10-4。因此，该材料具有良好的力学性能，较好的体积稳定性。
实施例3
本实施例提供的以钢渣和废弃橡胶为细集料的混凝土，按重量份计，由如下原料组成：20份水泥、16份机制砂、50份碎石、6份钢渣、5份废弃橡胶、10份水、0.035份减水剂。
本实施例制备以钢渣和废弃橡胶为细集料的混凝土制品的方法，包括如下步骤：
S1.按前述重量份将水泥、钢渣、废弃橡胶、机制砂、碎石在搅拌器中搅拌1～2min，均匀混合，得到干混料；
S2.将步骤S1制得的干混料中按前述重量份加入水、减水剂混合搅拌2～5min至拌合物具有良好的流动性，制备出浆料；
S3.将步骤S2制得的浆料浇筑于模具中，振捣均匀，收光抹面，静置成型后得到坯体；
S4.将步骤S3制得的坯体放置在养护箱中养护后脱模，即得到以钢渣和废弃橡胶为细集料的混凝土制品。
对本发明实施例3制得的以钢渣和废弃橡胶为细集料的混凝土制品进行养护后的抗压强度测试(GB/T 25183-2010砌墙砖抗压强度试验用净浆材料)、抗折强度测试(GB/T3001-2017耐火材料常温抗折强度试验方法)和收缩率测试(GB/T50082-2009普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准)，测试结果如表1所示，由表1可以得出：
上述实施例3制备的以钢渣和废弃橡胶为细集料的混凝土制品经过养护7天抗压强度>22.5MPa，养护14天、28天的抗压强度均>31.5MPa，养护120天的抗压强度>44.5MPa；养护7天抗折强度>5MPa，养护28天抗折强度>7MPa，且其抗压、抗折强度后期会有所增长。养护120天、365天收缩率均＜3.5×10-4。因此，该材料具有良好的力学性能，较好的体积稳定性。
实施例4
本实施例提供的以钢渣和废弃橡胶为细集料的混凝土，按重量份计，由如下原料组成：25份水泥、22.5份机制砂、55份碎石、10份钢渣、8份废弃橡胶、15份水、0.05份减水剂。
本实施例制备以钢渣和废弃橡胶为细集料的混凝土制品的方法，包括如下步骤：
S1.按前述重量份将水泥、钢渣、废弃橡胶、机制砂、碎石在搅拌器中搅拌1～2min，均匀混合，得到干混料；
S2.将步骤S1制得的干混料中按前述重量份加入水、减水剂混合搅拌2～5min至拌合物具有良好的流动性，制备出浆料；
S3.将步骤S2制得的浆料浇筑于模具中，振捣均匀，收光抹面，静置成型后得到坯体；
S4.将步骤S3制得的坯体放置在养护箱中养护后脱模，即得到以钢渣和废弃橡胶为细集料的混凝土制品。
对本发明实施例4制得的以钢渣和废弃橡胶为细集料的混凝土制品进行养护后的抗压强度测试(GB/T 25183-2010砌墙砖抗压强度试验用净浆材料)、抗折强度测试(GB/T3001-2017耐火材料常温抗折强度试验方法)和收缩率测试(GB/T50082-2009普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准)，测试结果如表1所示，由表1可以得出：
上述实施例4制备的以钢渣和废弃橡胶为细集料的混凝土制品经过养护7天抗压强度>22MPa，养护14天、28天的抗压强度均>32MPa，养护120天的抗压强度>45MPa；养护7天抗折强度>5MPa，养护28天抗折强度>7.5MPa，且其抗压、抗折强度后期会有所增长。养护120天、365天收缩率均＜3.5×10-4。因此，该材料具有良好的力学性能，较好的体积稳定性。
实施例5
本实施例提供的以钢渣和废弃橡胶为细集料的混凝土，按重量份计，由如下原料组成：22份水泥、19份机制砂、52份碎石、8份钢渣、6.5份废弃橡胶(未进行亲水改性)、13份水、0.04份减水剂。
本实施例制备以钢渣和废弃橡胶为细集料的混凝土制品的方法，包括如下步骤：
S1.按前述重量份将水泥、钢渣、废弃橡胶、机制砂、碎石在搅拌器中搅拌1～2min，均匀混合，得到干混料；
S2.将步骤S1制得的干混料中按前述重量份加入水、减水剂混合搅拌2～5min至拌合物具有良好的流动性，制备出浆料；
S3.将步骤S2制得的浆料浇筑于模具中，振捣均匀，收光抹面，静置成型后得到坯体；
S4.将步骤S3制得的坯体放置在养护箱中养护后脱模，即得到以钢渣和废弃橡胶为细集料的混凝土制品。
对本发明实施例5制得的以钢渣和废弃橡胶为细集料的混凝土制品进行养护后的抗压强度测试(GB/T 25183-2010砌墙砖抗压强度试验用净浆材料)、抗折强度测试(GB/T3001-2017耐火材料常温抗折强度试验方法)和收缩率测试(GB/T50082-2009普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准)，测试结果如表1所示，由表1可以得出：
上述实施例5制备的以钢渣和废弃橡胶为细集料的混凝土制品经过养护7天抗压强度>20.5MPa，养护14天、28天的抗压强度均>30.5MPa，养护120天的抗压强度>44MPa；养护7天抗折强度>4.5MPa，养护28天抗折强度>6.5MPa，且其抗压、抗折强度后期会有所增长。养护120天、365天收缩率均＜3.5×10-4。因此，该材料具有较好的体积稳定性，其力学性能略低于实施例1-4的混凝土制品。
表1实施例1～5制备的混凝土制品性能指标测试结果
Figure BDA0002673877740000111
对比例1
与实施例1提供的混凝土不同的是，碎石粗集料全部替换成钢渣粗集料。
表2对比例1制备的混凝土制品性能指标测试结果
养护时间 体积膨胀率/×10<sup>-4</sup> 抗压强度/MPa 抗折强度/MPa
60天 0.3 34.5 6.5
90天 0.5 40.2 7.6
120天 1.2 28.5 5.4
365天 3.1 19.8 3.7
如表2所示，对比例1制备的混凝土制品在90天之后体积膨胀加速，抗压强度和抗折强度降低，原因是钢渣粗集料内部的游离CaO和MgO在混凝土内部进行缓慢反应，产生Ca(OH)2和Mg(OH)2造成混凝土体积缓慢膨胀，进而造成混凝土内部微观结构损伤，最终影响混凝土制品的抗压强度和抗折强度。
对比例2
与实施例1提供的混凝土不同的是，钢渣细集料未进行陈化处理。
表3对比例2制备的混凝土制品性能指标测试结果
养护时间 体积变化率 抗压强度/MPa 抗折强度/MPa
60天 体积收缩率1×10-4 35.9 6.7
90天 体积收缩率0.2×10<sup>-4</sup> 40.2 7.6
120天 体积膨胀率0.8×10<sup>-4</sup> 30.5 5.8
365天 体积膨胀率1.8×10<sup>-4</sup> 21.3 4.0
如表3所示，对比例2制备的混凝土制品在90天之前由于干缩造成混凝土体积微收缩，而在120天之后混凝土体积微膨胀，抗压强度和抗折强度在90天之后出现转折，原因是养护初期，由于水分流失混凝土体积收缩，随着时间的增加钢渣细集料内部的游离CaO和MgO在混凝土内部进行缓慢反应，产生Ca(OH)2和Mg(OH)2使混凝土体积缓慢膨胀，混凝土内部由收缩到膨胀的过程中，微观结构损伤，最终使混凝土制品的抗压强度和抗折强度发生转折。
在不冲突的情况下，本文中上述实施例及实施例中的特征可以相互结合。本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种以钢渣和废弃橡胶为细集料的混凝土，其特征在于，每100重量份原料包括：15～25份水泥作为胶凝材料，45～55份碎石作为粗集料，由10～22.5份机制砂、2.25～10份钢渣、2～8份废弃橡胶组成的细集料，5～15份水以及0.02～0.05份减水剂；其中，所述钢渣中活性CaO的含量≤3wt.％，所述废弃橡胶为表面亲水的疏水橡胶。
2.根据权利要求1所述的以钢渣和废弃橡胶为细集料的混凝土，其特征在于：所述水泥为普通硅酸盐水泥、硫铝酸盐水泥中的任一种。
3.根据权利要求1所述的以钢渣和废弃橡胶为细集料的混凝土，其特征在于：所述碎石为5～20mm连续级配，其针片状含量≤5wt.％，压碎值≤15wt.％，含泥量≤1wt.％。
4.根据权利要求1所述的以钢渣和废弃橡胶为细集料的混凝土，其特征在于：所述机制砂中，20～40目连续级配的石英砂占30wt.％，40～80目连续级配的石英砂占50wt.％，80～120目连续级配的石英砂占20wt.％。
5.根据权利要求1所述的以钢渣和废弃橡胶为细集料的混凝土，其特征在于：所述钢渣的比表面积为435m2/kg，表观密度﹥2900kg/m3，孔隙率﹤47％。
6.根据权利要求1所述的以钢渣和废弃橡胶为细集料的混凝土，其特征在于：所述减水剂为粉状高性能减水剂，其减水率≥20％、含气性≤5％、1d强度比≥160％。
7.根据权利要求1所述的以钢渣和废弃橡胶为细集料的混凝土，其特征在于：所述废弃橡胶采用以下方式制得：采用氢氧化钠溶液、水玻璃或偶联剂溶液浸泡疏水橡胶颗粒，即得到表面亲水的疏水橡胶。
8.根据权利要求1所述的以钢渣和废弃橡胶为细集料的混凝土，其特征在于：所述钢渣经陈化处理一年以上至活性CaO含量≤3wt.％。
9.一种利用权利要求1-8任一项所述的以钢渣和废弃橡胶为细集料的混凝土制备混凝土制品的方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、将水泥、碎石、钢渣、废弃橡胶、机制砂均匀混合，得到干混料；
S2、在干混料中加入水和减水剂，搅拌至拌合物具有良好的流动性，得到浆料；
S3、将浆料浇筑于模具中，振捣均匀，收光抹面，静置成型，得到坯体；
S4、将坯体养护后脱模，得到以钢渣和废弃橡胶为细集料的混凝土制品。
10.根据权利要求9所述的制备混凝土制品的方法，其特征在于：步骤S4中，将所述坯体连同模具置于混凝土标准箱中养护24h后脱模。
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