CN113860781A - 一种用于超高性能混凝土的工业固废掺合料及其制备方法 - Google Patents

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卫煜
陈平
明阳
甘国兴
刘荣进
李玲
李青
胡成
窦博
李航
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B40/00—Processes, in general, for influencing or modifying the properties of mortars, concrete or artificial stone compositions, e.g. their setting or hardening ability
    • C04B40/0028—Aspects relating to the mixing step of the mortar preparation
    • C04B40/0039—Premixtures of ingredients

Abstract

本发明公开了一种用于超高性能混凝土的工业固废掺合料及其制备方法，按重量份计，该工业固废掺合料包括300‑400份不锈钢渣，100‑200份赤泥，30‑40份电解锰渣，150‑200份高铁低钙水泥熟料，2‑5份钛石膏，1‑3份纳米碳酸钙。本发明的工业固废掺合料具有粒径小、水化热低的特点，可以制备强度高、体积稳定性高、耐久性高的超高性能混凝土，可应用于桥梁、建筑和海洋工程等结构。

Description

一种用于超高性能混凝土的工业固废掺合料及其制备方法
技术领域
本发明涉及建筑材料领域，具体的涉及一种用于超高性能混凝土的工业固废掺合料及其制备方法。
背景技术
我国工业发展规模大，每年产生的工业固废的体量大，大宗工业固废主要有钢渣、赤泥、电解锰渣和钛石膏等。目前对大宗工业固废的利用率不高，主要以堆填的方式进行处理，不能发挥工业固废的潜在价值。超高性能混凝土主要由水泥、硅灰、石英砂和钢纤维等高价原料配制而成，由于胶凝材料用量大，超高性能混凝土的制备成本高、放热量大、体积收缩大、需要蒸汽养护等问题。工业固废的水化热量低，并且物相组成与水泥胶凝材料的物相组成相似，具有潜在的水化特性。如果将低价值的工业固废用于制备超高性能混凝土，缓解超高性能混凝土制备过程中的成本高、水化热大、收缩大的问题，将能够为工业固废的消纳提供新的途径，同时降低超高性能混凝土的制备成本，简化制备工艺，从而拓展超高性能混凝土的应用场景。
发明内容
本发明针对现有技术中存在的问题，提供了用于超高性能混凝土的工业固废掺合料及其制备方法，工业固废掺合料能够有效提升工业固废的附加值，降低超高性能混凝土的制备成本，同时对超高性能混凝土的性能有增益效果。
本发明采用以下技术方案解决上述技术问题：
一种用于超高性能混凝土的工业固废掺合料，按重量份计，包括300-400份不锈钢渣，100-200份赤泥，30-40份电解锰渣，150-200份高铁低钙水泥熟料，2-5份钛石膏，1-3份纳米碳酸钙。
作为优选方案地，所述工业固废掺合料，按重量份计，包括330-370份不锈钢渣，140-160份赤泥，32-38份电解锰渣，160-190份高铁低钙水泥熟料，3-4份钛石膏，1.5-2.5份纳米碳酸钙。
作为最佳方案地，所述工业固废掺合料，按重量份计，包括350份不锈钢渣，150份赤泥，35份电解锰渣，175份高铁低钙水泥熟料，3.5份钛石膏，2份纳米碳酸钙。
进一步地，所述工业固废掺合料，按重量份计，包括300份不锈钢渣，100份赤泥，30份电解锰渣，150份高铁低钙水泥熟料，2份钛石膏，1份纳米碳酸钙。
进一步地，所述工业固废掺合料，按重量份计，包括400份不锈钢渣，200份赤泥，40份电解锰渣，200份高铁低钙水泥熟料，5份钛石膏，3份纳米碳酸钙。
进一步地，所述钢渣为不锈钢渣，碱度为1.3～2.0，晶粒尺寸为0.2～20μm，化学成分：二氧化硅(SiO2)20-30wt％，三氧化铝(Al2O3)5-10wt％，三氧化二铁(Fe2O3)10-15wt％，氧化钙(CaO)42-50wt％，氧化镁(MgO)4-6wt％，氧化钾(K2O)0-0.02wt％，氧化钠(Na2O)0.1-0.3wt％，剩余为其他杂质。
进一步地，所述赤泥为经煅烧无害化处理之后的赤泥，煅烧温度为800℃，煅烧时间为3h，化学成分：二氧化硅(SiO2)10-15wt％，三氧化铝(Al2O3)17-20wt％，三氧化二铁(Fe2O3)30-34wt％，氧化钙(CaO)12-15wt％，氧化镁(MgO)4-5wt％，氧化钾(K2O)5-8wt％，氧化钠(Na2O)0.2-0.5wt％，剩余为其他杂质。
进一步地，所述电解锰渣为经煅烧无害化处理之后的电解锰渣，煅烧温度为300℃，平均粒径小于40μm的颗粒占90％，主要结晶矿物为二氧化硅(SiO2)和二水硫酸钙(CaSO4·2H2O)。
进一步地，所述高铁低钙水泥熟料化学成分：二氧化硅(SiO2)5-7wt％，三氧化铝(Al2O3)35-40wt％，三氧化二铁(Fe2O3)1-3wt％，氧化钙(CaO)38-45wt％，氧化镁(MgO)1-2wt％，氧化钾(K2O)3-5wt％，氧化钠(Na2O)0.3-0.5wt％，剩余为其他杂质。
进一步地，所述钛石膏含水量为10％～20％，主要成分为二水硫酸钙(CaSO4·2H2O)，化学成分：二氧化硅(SiO2)1-2wt％，三氧化铝(Al2O3)1-3wt％，三氧化二铁(Fe2O3)7-9wt％，氧化钙(CaO)25-30wt％，氧化镁(MgO)0.1-1.0wt％，氧化钾(K2O)0.01-0.08wt％，氧化钠(Na2O)0.02-0.09wt％，剩余为其他杂质。
进一步地，所述工业固废掺合料由以下方法制得：
P1：将不锈钢渣、赤泥、钛石膏烘干，得到干燥的工业固废原料；烘箱温度为105℃；
P2：使用混料机将干燥的不锈钢渣、赤泥、钛石膏干混均匀，加入球磨机进行粉磨；球磨机球磨时间30～60min，得到工业固废粉料；
P3：向工业固废粉料中加入高铁低钙水泥熟料和纳米碳酸钙，将球磨机开机继续进行粉磨；球磨机粉磨时间20～40min；
P4：经球磨粉磨后的粉料比表面积大于700m2/kg，粉料颗粒平均粒径小于5μm、平均圆度大于0.97；即可得到工业固废掺合料。
本发明具有如下有益效果：
1、工业固废原料活性低，通过球磨粉磨的方式能够对工业固废产生机械激发的效应。将粗大颗粒的工业固废粉末成细小的微粉颗粒，增大颗粒的比表面积，使工业固废掺合料在水化反映的过程中，具有更大的表面积发生水化反应，从而提高工业固废的活性。
2、钢渣、赤泥、高铁低钙水泥熟料在粉磨过程中，能够发挥多元协同激发效应，钢渣的质地坚硬，对赤泥、高铁低钙水泥熟料可以进一步细磨，使最终得到的固废掺合料粒径更小；水泥熟料经粉磨之后的本身活性很高，可以有效保证工业固废掺合料活性。
3、电解锰渣具有缓凝作用，掺入所述工业固废掺合料制备超高性能混凝土，可以延长新拌混凝土的凝结时间，使超高性能混凝土能够适用于长距离的施工。
4、工业固废掺合料经粉磨后，具有粒度小、比表大、圆度高的特点，掺入工业固废掺合料制备UHPC能够发挥小颗粒的填充效应，提高试件内部结构的密实度，从而有助于制备高强度、高密实度的UHPC，提高UHPC的力学性能和耐久性能。
5、工业固废掺合料能够在不损失超高性能混凝土的强度、耐久性的情况下，降低胶凝材料的放热量，有助于提高拌合物的工作性能，使超高性能混凝土的体积稳定性得到提升，有助于超高性能混凝土在常温养护的条件下进行施工，简化制备工艺，降低制备成本。
附图说明
图1为实施例超高性能混凝土28d钢纤维与水泥石界面过渡区
图2为实施例超高性能混凝土28d细骨料界面过渡区
具体实施方式
为了使本技术领域人员更好地理解本发明的技术方案，并使本发明的上述特征、目的以及优点更加清晰易懂，下面结合实施例对本发明做进一步的说明。实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。
实施例1
一种用于超高性能混凝土的工业固废掺合料，按重量份计，包括350份不锈钢渣，150份赤泥，35份电解锰渣，175份高铁低钙水泥熟料，3.5份钛石膏，2份纳米碳酸钙。
所述钢渣为不锈钢渣，碱度为1.3～2.0，晶粒尺寸为0.2～20μm，化学成分：二氧化硅(SiO2)20-30wt％，三氧化铝(Al2O3)5-10wt％，三氧化二铁(Fe2O3)10-15wt％，氧化钙(CaO)42-50wt％，氧化镁(MgO)4-6wt％，氧化钾(K2O)0-0.02wt％，氧化钠(Na2O)0.1-0.3wt％，剩余为其他杂质。
所述赤泥为经煅烧无害化处理之后的赤泥，煅烧温度为800℃，煅烧时间为3h，化学成分：二氧化硅(SiO2)10-15wt％，三氧化铝(Al2O3)17-20wt％，三氧化二铁(Fe2O3)30-34wt％，氧化钙(CaO)12-15wt％，氧化镁(MgO)4-5wt％，氧化钾(K2O)5-8wt％，氧化钠(Na2O)0.2-0.5wt％，剩余为其他杂质。
所述电解锰渣为经煅烧无害化处理之后的电解锰渣，煅烧温度为300℃，平均粒径小于40μm的颗粒占90％，主要结晶矿物为二氧化硅(SiO2)和二水硫酸钙(CaSO4·2H2O)。
所述高铁低钙水泥熟料化学成分：二氧化硅(SiO2)5-7wt％，三氧化铝(Al2O3)35-40wt％，三氧化二铁(Fe2O3)1-3wt％，氧化钙(CaO)38-45wt％，氧化镁(MgO)1-2wt％，氧化钾(K2O)3-5wt％，氧化钠(Na2O)0.3-0.5wt％，剩余为其他杂质。
所述钛石膏含水量为10％～20％，主要成分为二水硫酸钙(CaSO4·2H2O)，化学成分：二氧化硅(SiO2)1-2wt％，三氧化铝(Al2O3)1-3wt％，三氧化二铁(Fe2O3)7-9wt％，氧化钙(CaO)25-30wt％，氧化镁(MgO)0.1-1.0wt％，氧化钾(K2O)0.01-0.08wt％，氧化钠(Na2O)0.02-0.09wt％，剩余为其他杂质。
实施例1工业固废掺合料的制备方法，包括一下步骤：
P1：将不锈钢渣、赤泥、钛石膏烘干，得到干燥的工业固废原料；烘箱温度为105℃；
P2：使用混料机将干燥的不锈钢渣、赤泥、钛石膏干混均匀，加入球磨机进行粉磨；球磨机球磨时间30～60min，得到工业固废粉料；
P3：向工业固废粉料中加入高铁低钙水泥熟料和纳米碳酸钙，将球磨机开机继续进行粉磨；球磨机粉磨时间20～40min；
P4：经球磨粉磨后的粉料比表面积大于700m2/kg，粉料颗粒平均粒径小于5μm、平均圆度大于0.97；即可得到工业固废掺合料。
实施例2
一种用于超高性能混凝土的工业固废掺合料，按重量份计，包括300份不锈钢渣，100份赤泥，30份电解锰渣，150份高铁低钙水泥熟料，2份钛石膏，1份纳米碳酸钙。
所述钢渣为不锈钢渣，碱度为1.3～2.0，晶粒尺寸为0.2～20μm，化学成分：二氧化硅(SiO2)20-30wt％，三氧化铝(Al2O3)5-10wt％，三氧化二铁(Fe2O3)10-15wt％，氧化钙(CaO)42-50wt％，氧化镁(MgO)4-6wt％，氧化钾(K2O)0-0.02wt％，氧化钠(Na2O)0.1-0.3wt％，剩余为其他杂质。
所述赤泥为经煅烧无害化处理之后的赤泥，煅烧温度为800℃，煅烧时间为3h，化学成分：二氧化硅(SiO2)10-15wt％，三氧化铝(Al2O3)17-20wt％，三氧化二铁(Fe2O3)30-34wt％，氧化钙(CaO)12-15wt％，氧化镁(MgO)4-5wt％，氧化钾(K2O)5-8wt％，氧化钠(Na2O)0.2-0.5wt％，剩余为其他杂质。
所述电解锰渣为经煅烧无害化处理之后的电解锰渣，煅烧温度为300℃，平均粒径小于40μm的颗粒占90％，主要结晶矿物为二氧化硅(SiO2)和二水硫酸钙(CaSO4·2H2O)。
所述高铁低钙水泥熟料化学成分：二氧化硅(SiO2)5-7wt％，三氧化铝(Al2O3)35-40wt％，三氧化二铁(Fe2O3)1-3wt％，氧化钙(CaO)38-45wt％，氧化镁(MgO)1-2wt％，氧化钾(K2O)3-5wt％，氧化钠(Na2O)0.3-0.5wt％，剩余为其他杂质。
所述钛石膏含水量为10％～20％，主要成分为二水硫酸钙(CaSO4·2H2O)，化学成分：二氧化硅(SiO2)1-2wt％，三氧化铝(Al2O3)1-3wt％，三氧化二铁(Fe2O3)7-9wt％，氧化钙(CaO)25-30wt％，氧化镁(MgO)0.1-1.0wt％，氧化钾(K2O)0.01-0.08wt％，氧化钠(Na2O)0.02-0.09wt％，剩余为其他杂质。
实施例2工业固废掺合料的制备方法，包括一下步骤：
P1：将不锈钢渣、赤泥、钛石膏烘干，得到干燥的工业固废原料；烘箱温度为105℃；
P2：使用混料机将干燥的不锈钢渣、赤泥、钛石膏干混均匀，加入球磨机进行粉磨；球磨机球磨时间30～60min，得到工业固废粉料；
P3：向工业固废粉料中加入高铁低钙水泥熟料和纳米碳酸钙，将球磨机开机继续进行粉磨；球磨机粉磨时间20～40min；
P4：经球磨粉磨后的粉料比表面积大于700m2/kg，粉料颗粒平均粒径小于5μm、平均圆度大于0.97；即可得到工业固废掺合料。
实施例3
一种用于超高性能混凝土的工业固废掺合料，按重量份计，包括400份不锈钢渣，200份赤泥，40份电解锰渣，200份高铁低钙水泥熟料，5份钛石膏，3份纳米碳酸钙。
所述钢渣为不锈钢渣，碱度为1.3～2.0，晶粒尺寸为0.2～20μm，化学成分：二氧化硅(SiO2)20-30wt％，三氧化铝(Al2O3)5-10wt％，三氧化二铁(Fe2O3)10-15wt％，氧化钙(CaO)42-50wt％，氧化镁(MgO)4-6wt％，氧化钾(K2O)0-0.02wt％，氧化钠(Na2O)0.1-0.3wt％，剩余为其他杂质。
所述赤泥为经煅烧无害化处理之后的赤泥，煅烧温度为800℃，煅烧时间为3h，化学成分：二氧化硅(SiO2)10-15wt％，三氧化铝(Al2O3)17-20wt％，三氧化二铁(Fe2O3)30-34wt％，氧化钙(CaO)12-15wt％，氧化镁(MgO)4-5wt％，氧化钾(K2O)5-8wt％，氧化钠(Na2O)0.2-0.5wt％，剩余为其他杂质。
所述电解锰渣为经煅烧无害化处理之后的电解锰渣，煅烧温度为300℃，平均粒径小于40μm的颗粒占90％，主要结晶矿物为二氧化硅(SiO2)和二水硫酸钙(CaSO4·2H2O)。
所述高铁低钙水泥熟料化学成分：二氧化硅(SiO2)5-7wt％，三氧化铝(Al2O3)35-40wt％，三氧化二铁(Fe2O3)1-3wt％，氧化钙(CaO)38-45wt％，氧化镁(MgO)1-2wt％，氧化钾(K2O)3-5wt％，氧化钠(Na2O)0.3-0.5wt％，剩余为其他杂质。
所述钛石膏含水量为10％～20％，主要成分为二水硫酸钙(CaSO4·2H2O)，化学成分：二氧化硅(SiO2)1-2wt％，三氧化铝(Al2O3)1-3wt％，三氧化二铁(Fe2O3)7-9wt％，氧化钙(CaO)25-30wt％，氧化镁(MgO)0.1-1.0wt％，氧化钾(K2O)0.01-0.08wt％，氧化钠(Na2O)0.02-0.09wt％，剩余为其他杂质。
实施例3工业固废掺合料的制备方法，包括一下步骤：
P1：将不锈钢渣、赤泥、钛石膏烘干，得到干燥的工业固废原料；烘箱温度为105℃；
P2：使用混料机将干燥的不锈钢渣、赤泥、钛石膏干混均匀，加入球磨机进行粉磨；球磨机球磨时间30～60min，得到工业固废粉料；
P3：向工业固废粉料中加入高铁低钙水泥熟料和纳米碳酸钙，将球磨机开机继续进行粉磨；球磨机粉磨时间20～40min；
P4：经球磨粉磨后的粉料比表面积大于700m2/kg，粉料颗粒平均粒径小于5μm、平均圆度大于0.97；即可得到工业固废掺合料。
对比例1
对比例1为不加工业固废掺合料，只加水泥的对照组。
对比例2
对比例2为不加工业固废掺合料，只加硅灰的对照组。
性能测试：
以相同配合比超高性能混凝土为测试对象，其中发明实施例1-4的固废掺合料加入量为10％，硅灰加入量为10％；对比例2硅灰加入量为20％；其中UHPC配比为水灰比0.17，胶凝材料总量1100kg/m3，灰砂比1：1.1，减水剂掺量1.5％，钢纤维体积掺量2％。通过对比来阐述本发明的技术方案和取得的技术效果。
工作性能、力学性能、耐久性能根据GBT 2419-2016《水泥胶砂流动度测定方法》、GBT 17671-2020《水泥胶砂强度检验方法(ISO法)》、GBT 50082-2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法》进行测试，如表1所示。
表1
Figure BDA0003258297030000061
通过上述数据可以看出，实施例中的抗折、抗压强度的力学强度和电通量、抗硫酸盐侵蚀，与对比例1-2的几乎相同，并能个别高于对比例。超高性能混凝土的抗碳化能力强，实施例的碳化深度与对比例1-2相同；实施例早期3d的自收缩量明显低于对比例1-2。由此可见，本发明超高性能混凝土工业固废掺合料在一定掺量下，能够替代水泥、硅灰制备超高性能混凝土，且性能稳定。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，本领域技术人员在不脱离权利要求书确定的本发明的精神和范围的条件下，还可以对以上内容进行各种各样的修改，因此所有等同的技术方案也应属于本发明的范畴。

Claims (11)

1.一种用于超高性能混凝土的工业固废掺合料，其特征在于，按重量份计，包括300-400份不锈钢渣，100-200份赤泥，30-40份电解锰渣，150-200份高铁低钙水泥熟料，2-5份钛石膏，1-3份纳米碳酸钙。
2.根据权利要求1所述的一种用于超高性能混凝土的工业固废掺合料，其特征在于，按重量份计，包括330-370份不锈钢渣，140-160份赤泥，32-38份电解锰渣，160-190份高铁低钙水泥熟料，3-4份钛石膏，1.5-2.5份纳米碳酸钙。
3.根据权利要求1所述的一种用于超高性能混凝土的工业固废掺合料，其特征在于，按重量份计，包括350份不锈钢渣，150份赤泥，35份电解锰渣，175份高铁低钙水泥熟料，3.5份钛石膏，2份纳米碳酸钙。
4.根据权利要求1所述的一种用于超高性能混凝土的工业固废掺合料，其特征在于，按重量份计，包括300份不锈钢渣，100份赤泥，30份电解锰渣，150份高铁低钙水泥熟料，2份钛石膏，1份纳米碳酸钙。
5.根据权利要求1所述的一种用于超高性能混凝土的工业固废掺合料，其特征在于，按重量份计，包括400份不锈钢渣，200份赤泥，40份电解锰渣，200份高铁低钙水泥熟料，5份钛石膏，3份纳米碳酸钙。
6.根据权利要求1-5任一项所述的一种用于超高性能混凝土的工业固废掺合料，其特征在于，所述钢渣为不锈钢渣，碱度为1.3～2.0，晶粒尺寸为0.2～20μm，化学成分：二氧化硅(SiO2)20-30wt％，三氧化铝(Al2O3)5-10wt％，三氧化二铁(Fe2O3)10-15wt％，氧化钙(CaO)42-50wt％，氧化镁(MgO)4-6wt％，氧化钾(K2O)0-0.02wt％，氧化钠(Na2O)0.1-0.3wt％，剩余为其他杂质。
7.根据权利要求1-5任一项所述的一种用于超高性能混凝土的工业固废掺合料，其特征在于，所述赤泥为经煅烧无害化处理之后的赤泥，煅烧温度为800℃，煅烧时间为3h，化学成分：二氧化硅(SiO2)10-15wt％，三氧化铝(Al2O3)17-20wt％，三氧化二铁(Fe2O3)30-34wt％，氧化钙(CaO)12-15wt％，氧化镁(MgO)4-5wt％，氧化钾(K2O)5-8wt％，氧化钠(Na2O)0.2-0.5wt％，剩余为其他杂质。
8.根据权利要求1-5任一项所述的一种用于超高性能混凝土的工业固废掺合料，其特征在于，所述电解锰渣为经煅烧无害化处理之后的电解锰渣，煅烧温度为300℃，平均粒径小于40μm的颗粒占90％，主要结晶矿物为二氧化硅(SiO2)和二水硫酸钙(CaSO4·2H2O)。
9.根据权利要求1-5任一项所述的一种用于超高性能混凝土的工业固废掺合料，其特征在于，所述高铁低钙水泥熟料化学成分：二氧化硅(SiO2)5-7wt％，三氧化铝(Al2O3)35-40wt％，三氧化二铁(Fe2O3)1-3wt％，氧化钙(CaO)38-45wt％，氧化镁(MgO)1-2wt％，氧化钾(K2O)3-5wt％，氧化钠(Na2O)0.3-0.5wt％，剩余为其他杂质。
10.根据权利要求1-5任一项所述的一种用于超高性能混凝土的工业固废掺合料，其特征在于，所述钛石膏含水量为40％～60％，主要成分为二水硫酸钙(CaSO4·2H2O)，化学成分：二氧化硅(SiO2)1-2wt％，三氧化铝(Al2O3)1-3wt％，三氧化二铁(Fe2O3)7-9wt％，氧化钙(CaO)25-30wt％，氧化镁(MgO)0.1-1.0wt％，氧化钾(K2O)0.01-0.08wt％，氧化钠(Na2O)0.02-0.09wt％，剩余为其他杂质。
11.根据权利要求1所述的一种用于超高性能混凝土的工业固废掺合料，其特征在于，所述工业固废掺合料由以下方法制得：
P1：将不锈钢渣、赤泥、钛石膏烘干，得到干燥的工业固废原料；烘箱温度为105℃；
P2：使用混料机将干燥的不锈钢渣、赤泥、钛石膏干混均匀，加入球磨机进行粉磨；球磨机球磨时间30～60min，得到工业固废粉料；
P3：向工业固废粉料中加入高铁低钙水泥熟料和纳米碳酸钙，将球磨机开机继续进行粉磨；球磨机粉磨时间20～40min；
P4：经球磨粉磨后的粉料比表面积大于700m2/kg，粉料颗粒平均粒径小于5μm、平均圆度大于0.97；即可得到工业固废掺合料。
CN202111065620.XA 2021-09-13 2021-09-13 一种用于超高性能混凝土的工业固废掺合料及其制备方法 Pending CN113860781A (zh)

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