CN112341116A - 一种脱硫石膏超硫水泥混凝土及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种脱硫石膏超硫水泥混凝土及其制备方法，该脱硫石膏超硫水泥混凝土，按重量百分比包括以下组分：矿渣粉65～80份、脱硫石膏15～20份、水泥5～15份、砂138～153份、石189～207份，乳酸溶液1～3份，减水剂0.4～0.8份，水35～45份。上述混凝土的制备方法，包括以下步骤：将矿渣、脱硫石膏、水泥、砂、石混合，加入减水剂、水及乳酸溶液，然后进行混凝土成型和养护，即得到所述超硫水泥混凝土。本发明可以极大的提升超硫水泥混凝土的各龄期强度，尤其是早期强度；并且能够有效地解决拌和过程中可能出现的“假凝”问题。
Description
技术领域
本发明涉及一种水泥混凝土及其制备方法，尤其涉及一种脱硫石膏超硫水泥混凝土及其制备方法。
背景技术
目前全世界每年因燃烧含硫燃料向大气中排放的SO2高达约2亿吨。煤炭与天然气、石油相比热值较低、硫含量较高，煤炭的大量燃烧加剧了SO2的排放。SO2的排放带来的最大问题是酸雨的产生，进而造成生态植被破坏、土壤与水体酸化、建筑被腐蚀等问题，对生态环境和人类生活带来诸多不利影响。近年来，随着对环境保护愈加重视，对大气治理力度加大，特别是对SO2排放严格控制，对火力发电、冶金及化工等行业的工厂废气实行实时在线监控排放。各种脱硫技术应运而生，其中钙基湿法烟气脱硫技术(FGD)是目前烟气SO2控制中应用最为广泛和有效的技术，它具有工艺操作简单、技术相对成熟、吸收剂来源广且成本低、脱硫效率较高等优点。钙基湿法烟气脱硫技术每脱除一吨SO2便会产生2.7吨副脱硫石膏，此外，石化、冶金等行业也会产生大量的脱硫石膏。脱硫石膏的大量堆积，不仅占用了大量的土地，还会对空气、土壤及地下水等造成污染。
建筑材料行业，一直以来都是工业固体废弃物的一大处理渠道。合理利用这些废弃物，不仅可以解决如脱硫石膏堆积等带来的大量问题，还能大大地降低水泥用量。超硫水泥混凝土，又称石膏矿渣混凝土，其胶凝材料采用超硫水泥而非普通硅酸盐水泥。超硫水泥主要利用工业废弃物如矿渣作为原材料，石膏作为硫酸盐激发剂，以及少量的碱性激发剂水泥熟料，是一种环境友好型的绿色胶凝材料，可有效地利用工业废弃物以及克服传统硅酸盐水泥所固有的能耗高等缺点，因此具有较大的开发潜力。然而，采用超硫水泥制备得到的混凝土，普遍具有早期强度较低、抗碳化性能差、抗冻性能力弱等缺点。
发明内容
发明目的：本发明的目的是提供一种早期强度高、抗碳化性能好、抗冻能力强的脱硫石膏超硫水泥混凝土；
本发明的另一个目的是提供一种脱硫石膏超硫水泥混凝土的制备方法。
技术方案：本发明的脱硫石膏超硫水泥混凝土，按重量百分比包括以下组分：矿渣粉65～80份、脱硫石膏15～20份、水泥5～15份、砂138～153份、石189～207份，乳酸溶液1～3份，减水剂0.4～0.8份，水35～45份。
上述脱硫石膏超硫水泥混凝土的制备方法，包括以下步骤：将矿渣、脱硫石膏、水泥、砂、石混合，加入减水剂、水及乳酸溶液，然后进行混凝土成型和养护，即得到所述超硫水泥混凝土。
优选地，先将矿渣、脱硫石膏、水泥混合制得胶凝材料，后将所述胶凝材料与所述砂、石混合。
优选地，所述乳酸溶液的用量为矿渣粉、脱硫石膏及水泥总用量的1～3％。
优选地，所述乳酸溶液为乳酸钠和/或乳酸钾溶液。
优选地，所述矿渣粉、脱硫石膏、水泥比例为65～80：15～25：5～15。
优选地，所述减水剂加入量为矿渣、脱硫石膏、水泥总质量的0.4～0.8％。
优选地，所述水的加入量为矿渣、脱硫石膏、水泥总质量的35～45％。
优选地，所述水与胶凝材料的质量比为0.35～0.45。
优选地，所述砂与砂、石质量比为0.40～0.45。
乳酸盐，如乳酸钠/钾，其阴离子属于一种二齿配位体，因此具有螯合作用，这意味着它可以通过两个施主位点与玻璃体矿渣结合，从而与玻璃体结构结合得更紧密。从焓的角度来看，为了除去一个二齿配位体，必须破坏两个配位键。这表明了乳酸盐的加入可以增加超硫水泥主要组分矿渣的溶解。另一方面，乳酸盐可以和能与硅离子形成复合物的离子形成复合物，削弱桥氧的作用，增加矿渣中硅离子的溶出。因此，乳酸盐的加入，可以提升矿渣的水化度，从而推进超硫水泥的水化进程，增加反应产物。
有益效果：本发明与现有技术相比，取得如下显著效果：1、通过在混凝土制备过程中添加一定量的乳酸溶液，可以克服常见超硫水泥混凝土早期强度低的缺点，从而使得早期强度高、抗碳化性能好、抗冻能力强；2、能够明显地提升混凝土基体的抗压强度、抗折强度等力学性能。3、通过先将矿渣、脱硫石膏、水泥混合制得胶凝材料，后将所述胶凝材料与所述砂、石混合，可以达到均质化目的。胶凝材料内部各相的均匀分散，有利于石膏、水泥对矿渣的激发效果，促进矿渣的水化。4、乳酸盐作为一种除水泥熟料外的额外的碱性激发剂，属于混凝土基本组成成分。5、原材料简单易得、成本低廉、绿色程度高、抗离子侵蚀能力强。
具体实施方式
下面结合对本发明作进一步详细描述。
实施例1
一种脱硫石膏超硫水泥混凝土的制备方法，使用的原料有：S75级矿渣粉，粒径为15～20微米的主要成分为半水石膏的脱硫石膏；P.O.42.5海螺水泥，固含量50％的聚羧酸减水剂，粒径小于5mm的砂，粒径5～16mm的石、水、乳酸钠溶液。具体制备步骤如下：
(1)将15kg矿渣粉、4kg脱硫石膏粉、1kg水泥、27.6kg砂、41.4kg石加入混凝土搅拌机中进行搅拌，搅拌时间约1min；随后边搅拌边加入100g减水剂、5.09kg水及400g浓度为60％的乳酸钠水溶液，其中减水剂加入过程中用水稀释，搅拌时间约4min；静置约30s；最后加入剩余的1.75kg水，搅拌约3min。
(2)搅拌结束，进行混凝土成型，24h后拆模，将试块移入标准养护室养护至28d，所得样品记为SSC1，测试该超硫水泥混凝土性能，力学性能测试结果见表1，碳化深度结果见表2。
实施例2
基本步骤与实施例1相同，不同的是，原料中：主要成分为半水石膏的脱硫石膏的粒径15～20微米，聚羧酸减水剂的固含量50％，粒径小于5mm的砂，粒径5～16mm的石和水。在步骤(1)之前进行胶凝材料预混处理：将15kg矿渣粉、4kg脱硫石膏粉、1kg水泥置于混料机中进行混合，10min后取出；然后将27.6kg砂、41.4kg石和所制得的胶凝材料加入混凝土搅拌机中进行搅拌；最后所得样品记为SSC2，测试该超硫水泥混凝土性能，力学性能测试结果见表1，碳化深度结果见表2。
实施例3
基本步骤与实施例1相同，不同的是，原料中：主要成分为半水石膏的脱硫石膏的粒径15～20微米，聚羧酸减水剂的固含量50％，粒径小于5mm的砂，粒径5～16mm的石和水。在步骤(1)之前进行胶凝材料预混处理：将15kg矿渣粉、4kg脱硫石膏粉、1kg水泥置于混料机中进行混合，10min后取出；然后将27.6kg砂、41.4kg石和所制得的胶凝材料加入混凝土搅拌机中进行搅拌；步骤(1)中边搅拌边加入5.01kg水及480g浓度为50％的乳酸钾水溶液；所得样品记为SSC3，测试该超硫水泥混凝土性能，力学性能测试结果见表1，碳化深度结果见表2。
实施例4
基本步骤与实施例1相同，不同的是，原料中：主要成分为半水石膏的脱硫石膏的粒径15～20微米，聚羧酸减水剂的固含量50％，粒径小于5mm的砂，粒径5～16mm的石和水。在步骤(1)之前进行胶凝材料预混处理：将15kg矿渣粉、4kg脱硫石膏粉、1kg水泥置于混料机中进行混合，10min后取出；然后将27.6kg砂、41.4kg石和所制得的胶凝材料加入混凝土搅拌机中进行搅拌；步骤(1)中边搅拌边加入5.17kg水及200g浓度为60％的乳酸钠水溶液；所得样品记为SSC4，测试该超硫水泥混凝土性能，力学性能测试结果见表1，碳化深度结果见表2。
实施例5
基本步骤与实施例1相同，不同的是，原料中：主要成分为半水石膏的脱硫石膏的粒径15～20微米，聚羧酸减水剂的固含量50％，粒径小于5mm的砂，粒径5～16mm的石和水。在步骤(1)之前进行胶凝材料预混处理：将15kg矿渣粉、4kg脱硫石膏粉、1kg水泥置于混料机中进行混合，10min后取出；然后将27.6kg砂、41.4kg石和所制得的胶凝材料加入混凝土搅拌机中进行搅拌；步骤(1)中边搅拌边加入5.01kg水及600g浓度为60％的乳酸钠水溶液；所得样品记为SSC5，测试该超硫水泥混凝土性能，力学性能测试结果见表1，碳化深度结果见表2。
实施例6
基本步骤与实施例1相同，不同的是，原料中：主要成分为半水石膏的脱硫石膏的粒径15～20微米，聚羧酸减水剂的固含量50％，粒径小于5mm的砂，粒径5～16mm的石和水。步骤(1)中将16kg矿渣粉、3kg脱硫石膏粉、1kg水泥、27.6kg砂、41.4kg石加入混凝土搅拌机中进行搅拌；所得样品记为SSC6，测试该超硫水泥混凝土性能，力学性能测试结果见表1，碳化深度结果见表2。
实施例7
基本步骤与实施例1相同，不同的是，原料中：主要成分为半水石膏的脱硫石膏的粒径15～20微米，聚羧酸减水剂的固含量50％，粒径小于5mm的砂，粒径5～16mm的石和水。步骤(1)中将13kg矿渣粉、4kg脱硫石膏粉、3kg水泥、27.6kg砂、41.4kg石加入混凝土搅拌机中进行搅拌；所得样品记为SSC7，测试该超硫水泥混凝土性能，力学性能测试结果见表1，碳化深度结果见表2。
表1脱硫石膏超硫水泥混凝土力学性能
| 编号 | 3d抗压/MPa | 7d抗压/MPa | 28d抗压/MPa | 28d抗折/MPa |
| SSC1 | 21.4 | 34.2 | 50.8 | 7.4 |
| SSC2 | 24.1 | 45.4 | 63.4 | 11.3 |
| SSC3 | 23.9 | 44.8 | 62.0 | 9.2 |
| SSC4 | 19.3 | 38.9 | 55.7 | 9.9 |
| SSC5 | 28.8 | 49.4 | 68.2 | 12.5 |
| SSC6 | 18.3 | 29.6 | 46.7 | 7.1 |
| SSC7 | 26.4 | 40.3 | 57.3 | 8.9 |
表2脱硫石膏超硫水泥混凝土碳化深度
对比例1
一种脱硫石膏超硫水泥混凝土的制备方法，使用的原料有：S75级矿渣粉，主要成分为半水石膏的脱硫石膏，其中粒径为15～20微米，P.O.42.5海螺水泥，固含量50％的聚羧酸减水剂，粒径小于5mm的砂，粒径5～16mm的石和水。具体制备步骤如下：
(1)将30.6kg砂、37.8kg石和15kg矿渣粉、4kg脱硫石膏粉、1kg水泥加入混凝土搅拌机中进行搅拌，搅拌时间约1min；
(2)随后边搅拌边加入100g减水剂和6.75kg水，其中减水剂加入过程中用水稀释，搅拌时间约4min；静置约30s；最后加入剩余的2.25kg水，搅拌约3min；
(3)搅拌结束，进行混凝土成型，24h后拆模，将试块移入标准养护室养护至28d，所得样品记为SC1，测试该超硫水泥混凝土性能，测试结果见表4/表5。
混凝土各龄期抗压强度及28d抗折强度测试：按照《混凝土物理力学性能试验方法标准》(GB/T 50081-2019)
混凝土抗氯离子渗透试验，碳化试验：按照《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》(GB/T 50082-2009)。
对比例2
基本步骤与对比例1相同，不同的是，原料中：主要成分为半水石膏的脱硫石膏粒径15～20微米，固含量50％的聚羧酸减水剂，粒径小于5mm的砂，粒径5～16mm的石和水。步骤(1)中将矿渣粉14.4kg、1.6kg水泥加入混凝土搅拌机中进行搅拌；所得样品记为SC2，测试该超硫水泥混凝土性能，测试结果见表4。
对比例3
基本步骤与对比例1相同，不同的是，原料中：主要成分为半水石膏的脱硫石膏粒径15～20微米，聚羧酸减水剂固含量50％，粒径小于5mm的砂，粒径5～16mm的石和水。步骤(1)将13.6kg矿渣粉、2.4kg水泥加入混凝土搅拌机中进行搅拌；所得样品记为SC3，测试该超硫水泥混凝土性能，测试结果见表4。SC1～SC3超硫水泥组成如表3所示。
表3脱硫石膏超硫水泥组成
| 编号 | 矿渣粉/％ | 脱硫石膏粉/％ | 42.5水泥/％ |
| SC1 | 75 | 20 | 5 |
| SC2 | 72 | 20 | 8 |
| SC3 | 68 | 20 | 12 |
表4脱硫石膏超硫水泥混凝土配比及强度、氯离子渗透系数
由表4可以看出，在超硫水泥混凝土制备中，仅使用5％的水泥，也能达到较佳的效果。使用RCM测试方法测试脱硫石膏超硫水泥混凝土，得到氯离子渗透系数极低。
对比例4
基本步骤与对比例1相同，不同的是，原料中：主要成分为半水石膏的脱硫石膏粒径15～20微米，聚羧酸减水剂固含量50％，粒径小于5mm的砂，粒径5～16mm的石和水。步骤(1)中将27.6kg砂、41.4kg石加入混凝土搅拌机中进行搅拌；随后边搅拌边加入5.25kg水；最后加入剩余的1.75kg水；所得样品记为SC4，测试该超硫水泥混凝土性能，测试结果见表5。
对比例5
基本步骤与对比例1相同，不同的是，原料中：主要成分为半水石膏的脱硫石膏粒径15～20微米，聚羧酸减水剂固含量50％，粒径小于5mm的砂，粒径5～16mm的石和水。步骤(1)中将27.6kg砂、41.4kg石加入混凝土搅拌机中进行搅拌；所得样品记为SC5，测试该超硫水泥混凝土性能，测试结果见表5。
表5脱硫石膏超硫水泥混凝土强度
| 编号 | 3d抗压/MPa | 7d抗压/MPa | 28d抗压/MPa | 28d抗折/MPa |
| SC1 | 15.3 | 25.0 | 31.6 | 5.1 |
| SC4 | 24.6 | 37.2 | 43.9 | 6.5 |
| SC5 | 21.9 | 28.8 | 36.7 | 5.9 |
通过调整水胶比和砂率，即水胶比0.35，砂率0.40，可以制备得到28d抗压强度40MPa以上的超硫水泥混凝土。
对比例6
一种脱硫石膏超硫水泥混凝土的制备方法，使用的原料有：S75级矿渣粉，粒径为15～20微米的主要成分为半水石膏的脱硫石膏；P.O.42.5海螺水泥，固含量50％的聚羧酸减水剂，粒径小于5mm的砂，粒径5～16mm的石和水。具体制备步骤如下：
(1)胶凝材料预混处理：将15kg矿渣粉、4kg脱硫石膏粉、1kg水泥置于混料机中进行混合，10min后取出。
(2)将27.6kg砂、41.4kg石和步骤(1)所得胶凝材料加入混凝土搅拌机中进行搅拌，搅拌时间约1min；随后边搅拌边加入100g减水剂和5.25kg水，其中减水剂加入过程中用水稀释，搅拌时间约4min；静置约30s；最后加入剩余的1.75kg水，搅拌约3min。
(3)搅拌结束，进行混凝土成型，24h后拆模，将试块移入标准养护室养护至28d，所得样品记为SC6，测试该超硫水泥混凝土性能，测试结果见表6。
对比例7
一种脱硫石膏超硫水泥混凝土的制备方法，使用的原料有：S75级矿渣粉，粒径为15～20微米的主要成分为半水石膏的脱硫石膏；P.O.42.5海螺水泥，固含量50％的聚羧酸减水剂，粒径小于5mm的砂，粒径5～16mm的石和水。具体制备步骤如下：
(1)胶凝材料预混处理：将15kg矿渣粉、4kg脱硫石膏粉、1kg水泥置于混料机中进行混合，10min后取出。
(2)将27.6kg砂、41.4kg石和步骤(1)所得胶凝材料加入混凝土搅拌机中进行搅拌，搅拌时间约1min；随后边搅拌边加入100g减水剂，5.21kg水及100g60％的乳酸钠水溶液，其中减水剂加入过程中用水稀释，搅拌时间约4min；静置约30s；最后加入剩余的1.75kg水，搅拌约3min。
(3)搅拌结束，进行混凝土成型，24h后拆模，将试块移入标准养护室养护至28d，所得样品记为SC7，测试该超硫水泥混凝土性能，测试结果见表6。
表6脱硫石膏超硫水泥混凝土强度及碳化深度
Claims (10)
1.一种脱硫石膏超硫水泥混凝土，其特征在于，按重量百分比包括以下组分：矿渣粉65～80份、脱硫石膏15～20份、水泥5～15份、砂138～153份、石189～207份，乳酸溶液1～3份，减水剂0.4～0.8份，水35～45份。
2.一种权利要求1所述脱硫石膏超硫水泥混凝土的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：将矿渣、脱硫石膏、水泥、砂、石混合，加入减水剂、水及乳酸溶液，然后进行混凝土成型和养护，即得到所述超硫水泥混凝土。
3.根据权利要求2所述的脱硫石膏超硫水泥混凝土的制备方法，其特征在于，先将矿渣、脱硫石膏、水泥混合制得胶凝材料，后将所述胶凝材料与所述砂、石混合。
4.根据权利要求2所述的脱硫石膏超硫水泥混凝土的制备方法，其特征在于，所述乳酸溶液的用量为矿渣粉、脱硫石膏及水泥总用量的1～3％。
5.根据权利要求2所述的脱硫石膏超硫水泥混凝土的制备方法，其特征在于，所述乳酸溶液为乳酸钠和/或乳酸钾溶液。
6.根据权利要求2所述的脱硫石膏超硫水泥混凝土的制备方法，其特征在于，所述矿渣粉、脱硫石膏、水泥比例为65～80：15～20：5～15。
7.根据权利要求2所述的脱硫石膏超硫水泥混凝土的制备方法，其特征在于，所述减水剂加入量为矿渣、脱硫石膏、水泥总质量的0.4～0.8％。
8.根据权利要求2所述的脱硫石膏超硫水泥混凝土的制备方法，其特征在于，所述水的加入量为矿渣、脱硫石膏、水泥总质量的35～45％。
9.根据权利要求3所述的脱硫石膏超硫水泥混凝土的制备方法，其特征在于，所述水与胶凝材料的质量比为0.35～0.45。
10.根据权利要求1所述的脱硫石膏超硫水泥混凝土的制备方法，其特征在于，所述砂与砂、石质量比为0.40～0.45。
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