CN113683334B - 一种高强、耐腐蚀添加剂及混凝土、制备方法和应用 - Google Patents

一种高强、耐腐蚀添加剂及混凝土、制备方法和应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高强、耐腐蚀添加剂及混凝土、制备方法和应用，属于混凝土制备的技术领域。包括添加剂、水泥、砂、石子和减水剂。其中所述添加剂包括：30 wt%~40 wt%的脱硫塔底灰、35 wt%~45 wt%的硅粉和15 wt%~30 wt%的硬石膏。本发明利用脱硫塔底灰配制高强耐腐蚀混凝土具有以下优点：适用于60MPa~100MPa强度等级的混凝土构件。在相同水胶比条件下，混凝土抗压强度提高15%~20%。

Description

一种高强、耐腐蚀添加剂及混凝土、制备方法和应用
技术领域
本发明属于混凝土制备的技术领域，特别是涉及一种高强、耐腐蚀添加剂及混凝土、制备方法和应用。
背景技术
在沿海地区以及盐渍土环境中，钢筋混凝土桩基结构遭受氯盐和硫酸盐侵蚀破坏。普通C80高强钢筋混凝土难以满足抗强腐蚀环境100年耐久性的要求。为了实现海工钢筋混凝土耐久性的要求，通常采用以下技术手段：
1、混凝土配合比优化，采用高性能减水剂和优质粉煤灰、矿渣微粉等掺合料配制高性能混凝土，满足钢筋混凝土强度和耐久性需求。近30多年试验研究和工程应用证明，此技术实用可行。其缺点包括混凝土早期强度略有降低。
2、在混凝土拌制过程中加入各种耐腐蚀添加物，例如混凝土耐蚀剂、钢筋阻锈剂等。但不同材料的抗腐蚀原理不同，对钢筋混凝土耐久性提升效果不一，同时不可避免带来负面作用。
同时，在现有烟气处理系统中，脱硫塔底灰经过无害化处理后，主要用于回填矿坑，造成资源浪费。目前的研究主要集中于塔底灰的处理工艺，对塔底灰的具体成分和功能并没有深入地研究。
发明内容
本发明为解决上述背景技术中存在的技术问题，提供一种高强、耐腐蚀添加剂及混凝土、制备方法和应用。
本发明采用以下技术方案：一种高强、耐腐蚀添加剂，按照质量比包括以下组份：
30 wt %~40wt%的脱硫塔底灰、35 wt %~45 wt %的硅粉和15 wt %~30 wt %的硬石膏。硅粉中含有90%以上的无定形二氧化硅，与水泥水化产物氢氧化钙反应生成水化硅酸钙，提高混凝土固结强度；且硅灰体积仅为水泥颗粒的百分之一，优化了凝胶体颗粒级配，具有优良的微集料效应，提高混凝土固结强度和耐久性。
在进一步的实施例中，所述脱硫塔底灰按照质量比包括以下组份：20 wt %~30 wt%的硫酸钙、60 wt %~70 wt %的氢氧化钙和4 wt %~6 wt %的氧化铁。硫酸钙与水化铝酸盐反应生成钙矾石，增加混凝土密实性、强度、耐久性和体积稳定性；且补充了水泥水化产物氢氧化钙，保持混凝土碱度，抑制钙矾石等水化产物转化，提高了混凝土体积稳定性和固结强度。
一种混凝土，包括：如上所述的添加剂、水泥、砂、石子和减水剂。
在进一步的实施例中，所述添加剂的掺加量为混凝土总量的6 wt %~ wt 10%。
在进一步的实施例中，所述混凝土的抗压强度为60MPa~100MPa；抗冻等级大于F100；抗硫酸盐腐蚀等级大于KS150。
在进一步的实施例中，所述混凝土的氯离子扩散系数小于4×10-12m2/s。
制备如上所述混凝土的制备方法，包括以下步骤：
步骤一、将脱硫塔底灰、硅粉和硬石膏按照比例粉磨混合均匀得到添加剂，装罐或包装待用；
步骤二、根据混凝土使用的强度需求确定混凝土水胶比；
步骤三、按照确定的混凝土水胶比添加添加剂、水泥、砂、石子、减水剂和水，并与搅拌机中搅拌混合均匀；
步骤四、装模浇铸成型。
在进一步的实施例中，所述步骤三种的搅拌环境为：搅拌时间为90~105秒；搅拌温度为20~60℃。搅拌时间延长的目的是为了混凝土拌和更均匀。因为细微粉料的添加，混凝土拌和的均匀性更为重要。
在进一步的实施例中，所述步骤二中的混凝土水胶比为0.23~0.33，制备得到的混凝土抗压强度为60MPa~100MPa，抗硫酸盐腐蚀等级大于KS150。
使用上述方法制备得到的混凝土，应用于强度等级为60MPa~100Mpa的混凝土构件；或应用于氯盐侵蚀、硫酸盐腐蚀各种强腐蚀环境的混凝土构件。
本发明的有益效果：本发明利用脱硫塔底灰配制高强耐腐蚀混凝土具有以下优点：适用于60MPa~100MPa强度等级的混凝土构件。在相同水胶比条件下，混凝土抗压强度提高15%~20%。
适用于氯盐侵蚀、硫酸盐腐蚀等各种强腐蚀环境的混凝土构件。在强腐蚀环境等级中，钢筋混凝土能够满足100年耐久寿命的要求。混凝土扩散系数（RCM法）与相同水胶比的高强混凝土相比降低70%左右。
混凝土体积稳定性好，干燥收缩小，抗裂性好。
混凝土性价比高。与同强度高强混凝土相比，混凝土原材料成本可节约7元/m3左右。
具体实施方式
在沿海地区以及盐渍土环境中，钢筋混凝土桩基结构遭受氯盐和硫酸盐侵蚀破坏。普通C80高强钢筋混凝土难以满足抗强腐蚀环境100年耐久性的要求。而目前在塔底灰研究领域，主要的方向是塔底灰无害化处理技术，对于处理后的塔底灰并没有深入的研究，造成了资源浪费。为了解决上述问题，发明人经过对塔底灰成分和功能的深入研究，提出了新的解决方案。
具体地，为了实现海工钢筋混凝土耐久性的要求，本发明提供一种高强、耐腐蚀添加剂，并进一步提供了采用该添加剂制作的混凝土、以及混凝土制备方法。它以脱硫塔底灰、铁合金厂回收硅粉和硬石膏为组成材料，按一定比例粉磨混合后，取代部分水泥，掺加入高强混凝土中，具有高强度、高抗腐蚀耐久性、高体积稳定性、高抗裂等特点。
一种高强、耐腐蚀添加剂，按照质量比包括以下组份：
30 wt %~40 wt %的脱硫塔底灰、35 wt %~45 wt %的硅粉和15 wt %~30 wt %的硬石膏。硅粉中含有90%以上的无定形二氧化硅，与水泥水化产物氢氧化钙反应生成水化硅酸钙，提高混凝土固结强度；且硅灰体积仅为水泥颗粒的百分之一，优化了凝胶体颗粒级配，具有优良的微集料效应，提高混凝土固结强度和耐久性。
在进一步的实施例中，所述脱硫塔底灰按照质量比包括以下组份：20 wt %~30 wt%的硫酸钙、60 wt %~70 wt %的氢氧化钙和4 wt %~6 wt %的氧化铁。硫酸钙与水化铝酸盐反应生成钙矾石，增加混凝土密实性、强度、耐久性和体积稳定性；生成的钙矾石且补充了水泥水化产物氢氧化钙，保持混凝土碱度，抑制钙矾石等水化产物转化，提高了混凝土体积稳定性和固结强度。
一种混凝土，包括：如上所述的添加剂、水泥、砂、石子和减水剂。
在进一步的实施例中，所述添加剂的掺加量为混凝土总量的6wt%~10wt%。
在进一步的实施例中，所述混凝土的抗压强度为60MPa~100MPa；抗冻等级大于F100；抗硫酸盐腐蚀等级大于KS150。
在进一步的实施例中，所述混凝土的氯离子扩散系数小于4×10-12m2/s。
制备如上所述混凝土的制备方法，包括以下步骤：
步骤一、将脱硫塔底灰、硅粉和硬石膏按照比例粉磨混合均匀得到添加剂，装罐或包装待用；
步骤二、根据混凝土使用的强度需求确定混凝土水胶比；
步骤三、按照确定的混凝土水胶比添加添加剂、水泥、砂、石子、减水剂和水，并与搅拌机中搅拌混合均匀；
步骤四、装模浇铸成型。
在进一步的实施例中，所述步骤三种的搅拌环境为：搅拌时间为90~105秒；搅拌温度为20~60℃。搅拌时间延长的目的是为了混凝土拌和更均匀。因为细微粉料的添加，混凝土拌和的均匀性更为重要。
在进一步的实施例中，所述步骤二中的混凝土水胶比为0.23~0.33，制备得到的混凝土抗压强度为60MPa~100MPa，抗硫酸盐腐蚀等级大于KS150。
使用上述方法制备得到的混凝土，应用于强度等级为60MPa~100Mpa的混凝土构件；或应用于氯盐侵蚀、硫酸盐腐蚀各种强腐蚀环境的混凝土构件。
实施例1
制备未掺加添加剂的C80高强混凝土，混凝土配合比见表1-1：
表1-1
Figure DEST_PATH_IMAGE002
本实施例的高强混凝土的制备方法如下：
步骤一、按照表1-1给定的原材料用量于搅拌机中搅拌75秒，冬季用水加热，水温不超过60℃，其他季节采用常温搅拌。
步骤二、装模浇铸成型。
对按照表1-1中的用量制备得到的高强度混凝土进行混凝土抗压强度和氯离子扩散系数检测结果见表1-2：
表1-2
Figure DEST_PATH_IMAGE004
同时，计算本实施例使用的原材成本，如表1-3所示：
表1-3
Figure DEST_PATH_IMAGE006
在本实施例中，减水剂选用为聚羧酸高性能减水剂，减水剂含固量不低于20％，减水率不低于25％。
实施例2
制备仅掺加硅粉的C80高强混凝土，混凝土配合比见表2-1：
表2-1
Figure DEST_PATH_IMAGE008
本实施例的高强混凝土的制备方法如下：
步骤一、按照表2-1给定的原材料用量于搅拌机中搅拌90秒，冬季用水加热，水温不超过60℃，其他季节采用常温搅拌。
步骤二、装模浇铸成型。
对按照表2-1中的用量制备得到的高强度混凝土进行混凝土抗压强度和氯离子扩散系数检测结果见表2-2：
表2-2
Figure DEST_PATH_IMAGE010
计算本实施例使用的原材成本，如表2-3所示：
表2-3
Figure DEST_PATH_IMAGE012
在本实施例中，减水剂选用为聚羧酸高性能减水剂，减水剂含固量不低于20％，减水率不低于25％。
与实施例1进行对比发现：混凝土掺加硅粉后，混凝土28天抗压强度提高约20%，氯离子扩散系数降低55%，但原材料成本增加9元/m3。
实施例3
制备复掺硅粉和石膏粉的C80高强混凝土，混凝土配合比见表3-1：
表3-1
Figure DEST_PATH_IMAGE014
本实施例的高强混凝土的制备方法如下：
步骤一、按照表3-1给定的原材料用量于搅拌机中搅拌105秒，冬季用水加热，水温不超过60℃，其他季节采用常温搅拌。
步骤二、装模浇铸成型。
对按照表3-1中的用量制备得到的高强度混凝土进行混凝土抗压强度和氯离子扩散系数检测结果见表3-2：
表3-2
Figure DEST_PATH_IMAGE016
计算本实施例使用的原材成本，如表3-3所示：
Figure DEST_PATH_IMAGE018
对比实施例1和实施例2，发现：混凝土复掺硅粉和石膏粉后，混凝土28天抗压强度提高约15%，氯离子扩散系数降低68%，但原材料成本增加6元/m3。
实施例4
制备复掺硅粉和脱硫塔底灰的C80高强耐腐蚀混凝土，混凝土配合比见下表4-1。
表4-1
Figure DEST_PATH_IMAGE020
本实施例的高强混凝土的制备方法如下：
步骤一、按照表4-1给定的原材料用量于搅拌机中搅拌105秒，冬季用水加热，水温不超过60℃，其他季节采用常温搅拌。
步骤二、装模浇铸成型。
对按照表4-1中的用量制备得到的高强度混凝土进行混凝土抗压强度和氯离子扩散系数检测结果见表4-2：
表4-2
Figure DEST_PATH_IMAGE022
计算本实施例使用的原材成本，如表4-3所示：
表4-3
Figure DEST_PATH_IMAGE024
对比实施例1至3发现：混凝土复掺硅粉和脱硫塔底灰后，混凝土28天抗压强度相当，氯离子扩散系数降低64%，原材料成本降低7元/m3。
实施例5
复掺硅粉、脱硫塔底灰和石膏粉的C80高强耐腐蚀混凝土，混凝土配合比见下表5-1：
表5-1
Figure DEST_PATH_IMAGE026
本实施例的高强混凝土的制备方法如下：
步骤一、将脱硫塔底灰、硅粉和硬石膏按照表5-1中的比例粉磨混合均匀得到添加剂，装罐或包装待用；
步骤二、根据混凝土使用的强度需求确定混凝土水胶比；
步骤三、按照表5-1中的确定的混凝土水胶比添加添加剂、水泥、砂、石子、减水剂和水，并与搅拌机中搅拌105秒，冬季用水加热，水温不超过60℃，其他季节采用常温搅拌。
步骤四、装模浇铸成型。
对按照表5-1中的用量制备得到的高强度混凝土进行混凝土抗压强度和氯离子扩散系数检测结果见表5-2：
表5-2
Figure DEST_PATH_IMAGE028
计算本实施例使用的原材料成本，如表5-3所示：
表5-3
Figure DEST_PATH_IMAGE030
对比实施例1至4可发现：混凝土复掺硅粉、脱硫塔底灰和石膏粉后，混凝土28天抗压强度提高17%，氯离子扩散系数降低71%，原材料成本相当。
实施例6
提高混凝土水胶比，复掺硅粉、脱硫塔底灰和石膏粉的C80高强耐腐蚀混凝土，混凝土配合比见表6-1：
表6-1
Figure DEST_PATH_IMAGE032
其制备方法与实施例5相同，故不做赘述。
混凝土抗压强度和氯离子扩散系数检测结果如下：
表6-2
Figure DEST_PATH_IMAGE034
混凝土原材料成本如下：
表6-3
Figure DEST_PATH_IMAGE036
提高混凝土水胶比，混凝土复掺硅粉、脱硫塔底灰和石膏粉后，混凝土28天抗压强度仍提高11%，氯离子扩散系数降低64%，原材料成本降低7元/m3。
根据上述试验结果对比，混凝土复掺硅粉、脱硫塔底灰和石膏粉具有较高的技术经济效果。推荐的高强、耐腐蚀添加剂配方为：脱硫塔底灰30wt%~40 wt %；硅粉35 wt %~45wt %；硬石膏15 wt %~30 wt %。高强、耐腐蚀添加剂在混凝土中的掺加量为胶凝材料总量的6 wt %~10 wt %。
分析其原因：硅灰中含有90%以上的无定形二氧化硅，与水泥水化产物氢氧化钙反应生成水化硅酸钙，提高混凝土固结强度；且硅灰体积仅为水泥颗粒的百分之一，优化了凝胶体颗粒级配，具有优良的微集料效应，提高混凝土固结强度和耐久性。脱硫塔底灰中含有20%～30%的硫酸钙和60%～70%的氢氧化钙，硫酸钙与水化铝酸盐反应生成钙矾石，增加混凝土密实性、强度、耐久性和体积稳定性；生成的钙矾石且补充了水泥水化产物氢氧化钙，保持混凝土碱度，抑制钙矾石等水化产物转化，提高了混凝土体积稳定性和固结强度。
石膏粉作为硫酸钙的补充材料，确保钙矾石的生成，并防止钙矾石的转化。
由实施例5和实施例6制备得到的混凝土性能指标如下：
混凝土水胶比：0.23~0.33；混凝土坍落度：50mm~200mm；混凝土抗压强度：60MPa~100MPa；抗冻等级：大于F100；氯离子扩散系数（RCM法）：小于4×10-12m2/s；抗硫酸盐腐蚀等级：大于KS150。
总之，本项发明专利涉及一种混凝土复合耐腐蚀胶凝材料，具体涉及一种高强、耐腐蚀添加剂及混凝土、制备方法和应用。它以脱硫塔底灰、铁合金厂回收硅灰和硬石膏为组成材料，按一定比例粉磨混合后，取代部分水泥（上文已经分析过机理部分），掺加入高强混凝土中，具有高强度、高抗腐蚀耐久性、高体积稳定性、高抗裂等特点。
脱硫塔底灰是炼钢厂脱硫塔中沉淀的底灰，目前尚无资源再生利用的途径。脱硫塔底灰中含有20%~30%的硫酸钙和60%~70%的氢氧化钙，还有约5%左右的氧化铁等杂物。
脱硫塔底灰的资源再生利用，有利于自然环境保护。脱硫塔底灰和铁合金厂回收硅粉复掺入高强混凝土中，有利于混凝土强度和耐久性的提高。脱硫塔底灰的掺加，提高了单掺硅粉混凝土的体积稳定性和抗裂性，同时降低了高强混凝土的原材料配制成本。根据脱硫塔底灰中硫酸钙含量的波动，适量补充和调整硬石膏含量，有利于保证高强、耐腐蚀添加剂的品质稳定性，提高混凝土强度、耐久性和体积稳定性。
基于实施例5至实施例6制备得到的混凝土，适用于C60~C100强度等级的混凝土构件；适用于氯盐侵蚀、硫酸盐腐蚀等各种强腐蚀环境的混凝土构件。高强、耐腐蚀添加剂中加入脱硫塔底灰，提高混凝土体积稳定性，降低混凝土干燥收缩，提高混凝土抗裂性；同时降低混凝土原材料成本，并促进环保资源再生利用。
本申请首次对塔底灰的成分和功能进行了分析，并基于其物理和化学性质应用于混凝土制作中，提高了塔底灰的资源回收利用率，同时，其成分对于混凝土物理化学性能的提升具有正向效果，能够替代目前成本较高的一些成分，而且替代后，混凝土的性能更好了。

Claims (5)

1.一种高强、耐腐蚀添加剂，其特征在于，按照质量比由以下组份组成：
30wt%~40 wt %的脱硫塔底灰、35 wt %~45 wt %的硅粉和15 wt %~30 wt %的硬石膏；所述添加剂的掺加量为混凝土总量的6 wt %~10 wt %；
所述脱硫塔底灰按照质量比包括以下组份：20 wt %~30 wt %的硫酸钙、60 wt %~70wt %的氢氧化钙和4 wt %~6 wt %的氧化铁；硅粉体积为水泥颗粒的百分之一。
2.一种混凝土，其特征在于，包括：如权利要求1所述的添加剂，以及水泥、砂、石子和减水剂；所述减水剂选用为聚羧酸高性能减水剂，减水剂含固量不低于20％，减水率不低于25％；
所述混凝土的抗压强度为60MPa~100MPa；抗冻等级大于F100；抗硫酸盐腐蚀等级大于KS150；所述混凝土的氯离子扩散系数小于4×10-12m2/s。
3.制备如权利要求2所述混凝土的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、将脱硫塔底灰、硅粉和硬石膏按照比例粉磨混合均匀得到添加剂，装罐或包装待用；
步骤二、根据混凝土使用的强度需求确定混凝土水胶比；混凝土水胶比为0.23~0.33，制备得到的混凝土抗压强度为60MPa~100MPa，抗硫酸盐腐蚀等级大于KS150；
步骤三、按照确定的混凝土水胶比添加添加剂、水泥、砂、石子、减水剂和水，并与搅拌机中搅拌混合均匀；
步骤四、装模浇铸成型。
4.根据权利要求3所述的混凝土的制备方法，其特征在于，所述步骤三中 的搅拌环境为：搅拌时间为90~105秒；搅拌温度为20~60℃。
5.使用权利要求3至4中任意一项制备方法制备得到的混凝土，其特征在于，应用于强度等级为60MPa~100Mpa的混凝土构件；或应用于氯盐侵蚀、硫酸盐腐蚀各种强腐蚀环境的混凝土构件。
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