CN113816664A - 一种掺合钢渣粉的泡沫混凝土 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种掺合钢渣粉的泡沫混凝土，属于泡沫混凝土技术领域。一种掺合钢渣粉的泡沫混凝土，包括如下质量百分比的成分组成：SiO₂：13~25%，CaO：30~45%，MgO：2~7%，Al₂O₃：3~10%。基于本发明以同时改善泡沫混凝土的早期开裂以及后期收缩的缺陷。

Description

一种掺合钢渣粉的泡沫混凝土

技术领域

本发明属于泡沫混凝土技术领域，具体涉及一种掺合钢渣粉的泡沫混凝土。

背景技术

钢渣作为一种常见的工业固废，其排出量约占粗钢总产量的15~20%。钢渣的组分主要来自炼钢过程中金属炉料因氧化而产生的氧化物、熔体对炉衬材料和补炉材料的侵蚀产物及特意加入以调整钢渣性质的造渣材料，如石灰石、白云石、铁矿石、硅石等。

钢渣中不同的化学成分决定了其矿物组成，一般根据矿物组成可将钢渣分为硅酸二钙渣、硅酸三钙渣、橄榄石渣、蔷薇辉石渣等。随着碱度逐渐提高，钢渣冶炼过程中会发成一系列取代反应。反应过程如下所示：

，

式中：RO为2价金属（Mg⁺²、Fe⁺²、Mn⁺²等）氧化物组成的连续固熔体。

钢渣，又称过烧硅酸盐水泥熟料，其成分与水泥相似。从工艺方面，将钢渣磨成粉工艺困难且耗费经济，然而钢渣粉的使用具有良好的经济效益和环境效益。虽然钢渣胶凝性劣于水泥，但是其生产能耗较水泥大大降低。举例说明，从能耗方面，生产1吨钢渣粉比生产同等量水泥可节省耗电60千瓦时，那么每年可节省电耗为30.834亿千瓦时，这相当于燃烧标准煤124万吨；从环境方面，每生产1吨水泥会产生0.815吨二氧化碳。综上所述，钢渣是理想的二次可利用资源。

近些年来，钢渣作为集料掺入混凝土被广泛研究。钢渣的掺入能提高混凝土的力学性能，主要是由于钢渣自身耐磨性好及所含成分不同，加入到混凝土中使其具有良好的耐磨性、耐久性和胶凝性。已有研究指出（施惠生,黄昆生,吴凯,等.钢渣活性激发及其机理的研究进展[J].粉煤灰综合利用,2011(1):48-53.），水泥与钢渣之间具有“协同效应”，加入钢渣能很好的改善界面过渡区，促进水化反应，提高试块强度。同时，由于钢渣的成分波动较大、干缩性能较差和安定性不良，导致钢渣存在钝化问题。

目前，随着我国的经济的发展壮大，国家对生态、节能等方面也越来越受到重视。泡沫混凝土因其具有多种优良性能，近年来在建筑材料中被普遍推广应用。在实际应用中，吸水率高、干燥收缩较大及抗压及抗折强度偏低等缺陷是目前泡沫混凝土普遍存在的问题。泡沫混凝土在体积密度为830kg/m³左右时，因其抗压强度大多数都在2.0MPa以下，抗压强度过于偏低在工程应用得不到很好地推广。泡沫混凝土表观密度不大于400kg/m³时，其作为保温隔热材料抗压强度在0.4MPa之下（宋安祥,郭远臣,王雪,等.泡沫混凝土研究新进展与应用现状[J].混凝土,2018,347(09):158-162.）。

发明内容

有鉴于此，本发明所要解决的技术问题是，提供一种掺合钢渣粉的泡沫混凝土，同时改善泡沫混凝土早期开裂及后期较大收缩的缺陷。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

一种掺合钢渣粉的泡沫混凝土，包括如下质量百分比的成分组成：SiO₂：12~25%，CaO：30~45%，MgO：2~7%，Fe₂O₃：8~20%，Al₂O₃：3~10%。

优选地，所述的一种掺合钢渣粉的泡沫混凝土，包括如下质量百分比的成分组成：SiO₂：13~23%，CaO：35~44.5%，MgO：2.01~6.5%，Fe₂O₃：9~19%，Al₂O₃：4~9%。

优选地，所述的一种掺合钢渣粉的泡沫混凝土，包括如下质量百分比的成分组成：SiO₂：16~20%，CaO：37~42%，MgO：2.5~6%，Fe₂O₃：9.5~18%，Al₂O₃：5~8%。

优选地，所述的一种掺合钢渣粉的泡沫混凝土，还包括如下质量百分比的成分组成：MnO：0.01~5%。

优选地，所述的一种掺合钢渣粉的泡沫混凝土，包括如下质量百分比的成分组成：SiO₂：15~21%，CaO：36~43%，MgO：2.1~6.9%，Fe₂O₃：8.1~18.5%，Al₂O₃：5.1~7.5%，MnO：0.02~4.5%。

本发明还提供了一种掺合钢渣粉的泡沫混凝土的制备方法，包括以下步骤：

1）精确称量水、胶凝材料、钢渣粉和泡沫混凝土废料细粉，混合，制得浆料；

2）将发泡剂制成泡沫；

3）分别将步骤1）制备的浆料和步骤2）制备的泡沫均匀混合，制得混合浆料；

4）将所述混合浆料通过输送管道浇注成型，即得。

本发明还提供了另一种掺合钢渣粉的泡沫混凝土的制备方法，包括以下步骤：

1）精确称量水、胶凝材料、钢渣粉和泡沫混凝土废料细粉，混合，制得浆料；

2）将发泡剂与步骤1）制备的浆料混合，制得混合浆料；

3）将所述混合浆料通过输送管道浇注成型，即得。

泡沫混凝土在使用过程中，由于受环境中的各种液体、气体以及其中所含侵蚀介质的入侵，从而产生各种物理和化学的反应，进而使得泡沫混凝土逐渐劣化，不能发挥出其应有的性能。混凝土的耐久性是指混凝土对气候作用、化学侵蚀、物理作用或其他破坏作用的抵抗能力。引起混凝土品质劣化，耐久性降低的原因有很多，例如：优质或合格的集料、掺合料的日益枯竭，导致工程应用经常采用质量不达标的集料或掺合料；现场施工过度注重进度而不太重视质量管控，导致实际采用的泡沫混凝土品质得不到保证而容易劣化；环境中的CO₂和混凝土中的Ca(OH)₂反应引起的混凝土结构破坏；混凝土的干燥收缩会使其出现开裂等等。

目前，钢渣的研究主要在于用作水泥组分，或者取代部分水泥作掺合料。廖洪强等（赛音巴特尔,廖洪强,马刚平,等.超细钢渣废渣掺量对泡沫混凝土性能的影响研究[C].2013中国环境科学学会学术年会论文集(第八卷).2013.）通过设计不同配合比来分析钢渣水化性胶凝性，得出：随着钢渣掺量的增加，泡沫混凝土的抗压、抗折强度呈逐渐降低趋势，而强度变化率呈上升趋势。这主要是由于钢渣的水化活性较水泥低，导致胶凝性下降，钢渣的掺入对泡沫混凝土后期强度发展有积极作用。邓德敏、贺婷等（邓德敏,贺婷,廖洪强,等.钢渣细度和掺入量对钢渣复合水泥基泡沫混凝土强度指标的影响[J].墙材革新与建筑节能,2013(11):32-35.）分析了钢渣细度和掺量对钢渣复合水泥基泡沫混凝土性能的影响，结果表明：在钢渣掺入量相同的情况下，随钢渣比表面积增大，泡沫混凝土砌块的抗压、抗折强度总体呈现先上升后下降的变化趋势；在同一钢渣比表面积条件下，泡沫混凝土砌块的抗压强度随着钢渣掺入量的增加整体呈降低趋势；当加入钢渣微粉小于20%时，砌块28天强度高于纯水泥时的强度，继续增加掺量时强度反而降低。以上研究的关注点均是钢渣的使用对泡沫混凝土强度的影响，性能指标较为单一。

作为公知，钢渣是多结晶矿物集合体，而非玻璃体，钢渣成分复杂、流动性差别大、性能不稳定，具体化学成分波动较大。钢渣的主要矿物成分有硅酸三钙（C₃S）、硅酸二钙（C₂S）、铁铝酸二钙（C₂F）、碳酸钙（CaCO₃）、RO相以及一些无定形态物质，钢渣的矿物组成决定其具有一定的水化活性。CaCO₃的存在是由于钢渣在堆放过程中CaO碳化所致，钢渣中含有的C₂S、C₃S是在高温熔融状态下形成的，形成条件不稳定、晶体发育不完全，胶凝活性较低，RO相为惰性物质，其化学稳定性较好，几乎不参与水化反应，因此，钢渣的整体反应活性低，水化硬化性能差。

故在实际应用中，采用经验法进行钢渣的探索往往需要耗费大量的时间和劳动，而且还难以获得预期效果。为此，本发明转变常规以原料视角探究掺合钢渣粉泡沫混凝土的思路，从掺合钢渣粉泡沫混凝土产品的化学组分入手。基于大量实验研究、统计与总结，发现掺合钢渣粉泡沫混凝土组成的变化与产品的特定性能之间有着密切的联系，由此可以克服常规原料视角研究泡沫混凝土时，原料的成分波动及制备参数的变化对泡沫混凝土性能带来的不可预测的影响及变化。

在本发明中，SiO₂和CaO为泡沫混凝土水热反应的形成物，是基础成分；MgO、Fe₂O₃、Al₂O₃和MnO均是泡沫混凝土强度的增强成分，适量的存在对维持泡沫混凝土的强度或泡孔结构的稳定性、均匀性等具有重要作用；同时铁及铝成分的存在还能够维持泡孔的稳定性，使泡壁坚韧，形状更均一，不容易在重力挤压过程中破灭或过度变形；在泡沫混凝土的形成过程中，铁及铝成分的存在，能够使液膜在浆体内长时间不易破裂，实现更远的输送距离；支持泡沫混凝土浆料终凝前保持气孔原态。

本发明泡沫混凝土中CaO/SiO₂的比值为1.5~3.5，同时MgO、Fe₂O₃、Al₂O₃和MnO的含量适宜，使得泡沫混凝土的成型体系稳定，泡孔结构均匀性好。基于合理控制泡沫混凝土中各成分的含量，使得泡沫混凝土中的CaO含量以及CaO/SiO₂的比值适宜，料浆的固化速度较佳，避免制品产生憋气或沉缩的缺陷，从而改善泡沫混凝土早期的开裂及后期的较大收缩问题，显著提高使用耐久性。

具体实施方式

为了更好地理解本发明，下面结合实施例进一步清楚阐述本发明的内容，但本发明的保护内容不仅仅局限于下面的实施例。在下文的描述中，给出了大量具体的细节以便提供对本发明更为彻底的理解。然而，对于本领域技术人员来说显而易见的是，本发明可以无需一个或多个这些细节而得以实施。

一种掺合钢渣粉的泡沫混凝土，由如下质量百分比的成分组成：SiO₂：13~25%，CaO：30~45%，MgO：2~7%，Fe₂O₃：8~20%，Al₂O₃：3~10%，MnO：0~5%，余量为不可避免的杂质及烧失量。

其中，所述CaO的质量百分比与SiO₂的质量百分比的比值为1.5~3.5。

实施例1~实施例16泡沫混凝土的化学组分的质量百分比（wt%），如下表所示：

泡沫混凝土的干密度和抗压强度的测试：参照JG/T266-2011。

泡沫混凝土碳化系数的测试：参照GBT11969-2008 蒸压加气混凝土性能试验方法中关于碳化的测试方法，取平均值。

泡沫混凝土的干燥收缩的测试：参照行业标准JGJ/T70-2009《建筑砂浆基本性能试验方法》。在40mm×40mm×160mm的模具内成型，拆模后将其放置在标准养护室内养护三天后在试块长度方向两端的几何中心位置用AB胶粘上图钉，再把试件置于温度为20±2℃，相对湿度为60±5%的干燥收缩室养护并测定初始长度。由于泡沫混凝土的孔隙率大，线性收缩值也比较大，所以测定的时间间隔短，以移入时间作为龄期零点开始计算，按照1d、7d、14d、21d、28d、35d时间间隔来测量长度变化。每次测定长度的同时也要每次称量其质量。则其线性收缩率仍按以下公式计算：

，式中：

：收缩率（mm/m）；L₀：移入干燥收缩室后立即测定的长度（mm）；L_t：移入干燥收缩室t天时试件的相应长度（mm）。

实施例1~实施例16泡沫混凝土的性能如下表所示：

由上述数据可知，本发明泡沫混凝土的干密度≤400kg·m^-3，28天抗压强度≥1.5MPa，碳化系数＞0.8，干燥收缩率＜1.2 mm·m^-1。本发明掺和钢渣粉的泡沫混凝土干密度与抗压强度的平衡性较佳，干燥收缩值小，碳化系数高，能够显著延长使用期，提高使用耐久性。

在本发明的一种具体实施方案中，泡沫混凝土的原料组成，以重量份计为：水150~300份、胶凝材料50~300份、泡沫混凝土废料细粉5~120份、钢渣粉30~210份、发泡剂0.1~10份。

其中，水的重量份可取150、180、210、240或300；胶凝材料的重量份可取50、80、120、150、180、200、230、250、280或300；泡沫混凝土废料细粉的重量份可取5、10、20、35、50、65、80、100或120；钢渣粉的重量份可取30、50、80、100、120、150、180、200或210；发泡剂的重量份可取0.1、0.3、0.5、0.8、1.0、1.5、2、2.5、3、3.5、4、4.5、5、6、7、8、9或10。

在本发明的一种具体实施方案中，胶凝材料为水泥、石膏和石灰中的一种或两种以上。其中的水泥、石膏和石灰可选用市售产品，不局限于特定型号。

在本发明的一种具体实施方案中，泡沫混凝土废料细粉是将泡沫混凝土废料经破碎、研磨、筛分后获得，粒径控制在50μm以下。

在本发明的一种具体实施方案中，发泡剂为复合型发泡剂，由如下重量份的原料制成：表面活性剂20~50份、稳泡剂10~30份、水30~60份、稀释剂1~10份、增强剂1~3份、保水剂0.5~2份。其中，所述表面活性剂为α-烯基磺酸钠、脂肪酸聚氧乙烯醚硫酸钠和十二烷基聚氧乙烯醚的组合物，三者的重量比为（1~4）：（0.75~3）：1；所述稳泡剂为聚丙烯酰胺；所述稀释剂为乙醇、正丙醇和正丁醇的一种或两种以上；所述增强剂为氯化钠或氯化镁；所述保水剂为可分散性乳胶粉。

本发明发泡剂高压或水平泵送1500米以上不消泡、不塌落；易溶于水，泡沫丰富，泡径均匀；耐碱、抗硬水，可用池塘水或是湖泊水或者是井水等，就地取水方便实用。

实施例17

一种掺合钢渣粉的泡沫混凝土的制备方法，包括以下步骤：

1）提供如下原料：水、水泥、泡沫混凝土废料细粉和钢渣粉；

利用自动化泡沫混凝土设备主机控制系统控制，搅拌状态下分别加入水300重量份、水泥300重量份、泡沫混凝土废料细粉5重量份、钢渣粉210重量份，同时控制加水、注料及搅拌速度，确保无水泥团，制得浆料；

2）利用自动化泡沫混凝土设备主机控制系统控制将复合发泡剂8重量份制成泡沫；

3）在自动化泡沫混凝土设备主机控制系统控制下，分别将步骤1）制备的浆料和步骤2）制备的泡沫均匀混合，制得混合浆料；

4）将所述混合浆料通过输送管道浇注成型，即得。

其中，复合发泡剂由如下重量份的原料制成：表面活性剂25份、稳泡剂15份、水58份、稀释剂1份、增强剂1份、保水剂0.5份；所述表面活性剂为α-烯基磺酸钠、脂肪酸聚氧乙烯醚硫酸钠和十二烷基聚氧乙烯醚的组合，三者的重量比为1：0.75：1；所述稳泡剂为聚丙烯酰胺，所述稀释剂为乙醇；所述增强剂为氯化钠，所述保水剂为可分散性乳胶粉。

实施例18

一种掺合钢渣粉的泡沫混凝土的制备方法，包括以下步骤：

1）提供如下原料：水、水泥、泡沫混凝土废料细粉、钢渣粉；

利用自动化泡沫混凝土设备主机控制系统控制，搅拌状态下分别加入水200重量份、水泥80重量份、泡沫混凝土废料细粉120重量份、钢渣粉130重量份，同时控制加水、注料及搅拌速度，确保无水泥团，制得浆料；

2）利用自动化泡沫混凝土设备主机控制系统控制将复合发泡剂0.5重量份制成泡沫；

3）在自动化泡沫混凝土设备主机控制系统控制下，分别将步骤1）制备的浆料和步骤2）制备的泡沫均匀混合，制得混合浆料；

4）将所述混合浆料通过输送管道浇注成型，即得。

其中，复合发泡剂由如下重量份的原料制成：表面活性剂30份、稳泡剂20份、水45份、稀释剂3份、增强剂1.5份、保水剂0.8份；所述表面活性剂为α-烯基磺酸钠、脂肪酸聚氧乙烯醚硫酸钠和十二烷基聚氧乙烯醚的组合，三者的重量比为3：2：1；所述稳泡剂为聚丙烯酰胺，所述稀释剂为乙醇；所述增强剂为氯化钠，所述保水剂为可分散性乳胶粉。

实施例19

一种掺合钢渣粉的泡沫混凝土的制备方法，包括以下步骤：

1）提供如下原料：水、水泥、泡沫混凝土废料细粉、钢渣粉；

利用自动化泡沫混凝土设备主机控制系统控制，搅拌状态下分别加入水220重量份、水泥180重量份、泡沫混凝土废料细粉65重量份、钢渣粉120重量份，同时控制加水、注料及搅拌速度，确保无水泥团，制得浆料；

2）利用自动化泡沫混凝土设备主机控制系统控制将复合发泡剂3重量份与步骤1）制备的浆料混合，制得混合浆料；

3）将所述混合浆料通过输送管道浇注成型，即得。

其中，复合发泡剂由如下重量份的原料制成：表面活性剂35份、稳泡剂25份、水33份、稀释剂5份、增强剂2份、保水剂1份；所述表面活性剂为α-烯基磺酸钠、脂肪酸聚氧乙烯醚硫酸钠和十二烷基聚氧乙烯醚的组合，三者的重量比为4：3：1；所述稳泡剂为聚丙烯酰胺，所述稀释剂为正丁醇；所述增强剂为氯化钠，所述保水剂为可分散性乳胶粉。

实施例20

一种掺合钢渣粉的泡沫混凝土的制备方法，包括以下步骤：

1）提供如下原料：水、水泥、泡沫混凝土废料细粉、钢渣粉；

利用自动化泡沫混凝土设备主机控制系统控制，搅拌状态下分别加入水260重量份、水泥210重量份、泡沫混凝土废料细粉90重量份、钢渣粉150重量份，同时控制加水、注料及搅拌速度，确保无水泥团，制得浆料；

2）利用自动化泡沫混凝土设备主机控制系统控制将复合发泡剂1重量份与步骤1）制备的浆料混合，制得混合浆料；

3）将所述混合浆料通过输送管道浇注成型，即得。

其中，复合发泡剂由如下重量份的原料制成：表面活性剂38份、稳泡剂27份、水24份、稀释剂7份、增强剂2.5份、保水剂1.5份；所述表面活性剂为α-烯基磺酸钠、脂肪酸聚氧乙烯醚硫酸钠和十二烷基聚氧乙烯醚的组合，三者的重量比为2：1.5：1；所述稳泡剂为聚丙烯酰胺，所述稀释剂为乙醇；所述增强剂为氯化钠，所述保水剂为可分散性乳胶粉。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，本领域普通技术人员对本发明的技术方案所做的其他修改或者等同替换，只要不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (7)

1.一种掺合钢渣粉的泡沫混凝土，其特征在于：包括如下质量百分比的成分组成：SiO₂：12~25%，CaO：30~45%，MgO：2~7%，Fe₂O₃：8~20%，Al₂O₃：3~10%。

2.如权利要求1所述的一种掺合钢渣粉的泡沫混凝土，其特征在于：包括如下质量百分比的成分组成：SiO₂：13~23%，CaO：35~44.5%，MgO：2.01~6.5%，Fe₂O₃：9~19%，Al₂O₃：4~9%。

3.如权利要求1所述的一种掺合钢渣粉的泡沫混凝土，其特征在于：包括如下质量百分比的成分组成：SiO₂：16~20%，CaO：37~42%，MgO：2.5~6%，Fe₂O₃：9.5~18%，Al₂O₃：5~8%。

4.如权利要求1所述的一种掺合钢渣粉的泡沫混凝土，其特征在于：还包括如下质量百分比的成分组成：MnO：0.01~5%。

5.如权利要求4所述的一种掺合钢渣粉的泡沫混凝土，其特征在于：包括如下质量百分比的成分组成：SiO₂：15~21%，CaO：36~43%，MgO：2.1~6.9%，Fe₂O₃：8.1~18.5%，Al₂O₃：5.1~7.5%，MnO：0.02~4.5%。

6.如权利要求1-5任一项所述的一种掺合钢渣粉的泡沫混凝土的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：

1）精确称量水、胶凝材料、钢渣粉和泡沫混凝土废料细粉，混合，制得浆料；

2）将发泡剂制成泡沫；

3）分别将步骤1）制备的浆料和步骤2）制备的泡沫均匀混合，制得混合浆料；

4）将所述混合浆料通过输送管道浇注成型，即得。

7.如权利要求1-5任一项所述的一种掺合钢渣粉的泡沫混凝土的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：

1）精确称量水、胶凝材料、钢渣粉和泡沫混凝土废料细粉，混合，制得浆料；

2）将发泡剂与步骤1）制备的浆料混合，制得混合浆料；

3）将所述混合浆料通过输送管道浇注成型，即得。