CN114014571B - 一种具有核壳结构的赤泥-钢渣高强轻集料及其制备方法 - Google Patents

一种具有核壳结构的赤泥-钢渣高强轻集料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种具有核壳结构的赤泥‑钢渣高强轻集料及制备方法。所述高强轻集料，包含内核与外壳两部分，其中内核和外壳的质量比为3:1～4:1；内核包括以下质量分数的原料：赤泥微粉为15～50wt％；钢渣微粉为15～40wt％；煤系高岭土为8～22wt％；粉煤灰为3～18wt％；碳粉2～18wt％。外壳包括以下质量分数的原料：混凝土搅拌站废浆为40～85wt％；混凝土搅拌站收集扬尘为15～35wt％；钢渣微粉为5～15wt％。本发明以赤泥、钢渣、煤系高岭土、粉煤灰以及混凝土搅拌站产生的废浆为主要原料，不仅可解决固体废弃物的处理问题，同时制备的轻集料力学强度高、吸/释水率性能优异，能够促进轻质超高性能混凝土发展，实现了大宗工业固体废弃物的综合利用，保护了环境，具有推广价值。

Description

一种具有核壳结构的赤泥-钢渣高强轻集料及其制备方法
技术领域
本发明涉及固体废弃物综合利用技术领域，特别是涉及一种具有核壳结构的赤泥-钢渣高强轻集料及其制备方法。
背景技术
当前，全球90％以上的铝土加工企业均采用拜耳法处理铝土矿，产生大量固体废弃物赤泥。赤泥、钢渣、煤系高岭土和粉煤灰等固体废弃物综合利用率较低、多以堆存或堆埋方法处理，严重占用了土地资源和污染了生态环境。为此，当前急需开发提高赤泥、钢渣、煤系高岭土和粉煤灰等冶金固废综合利用率的途径。
当前超高性能混凝土(UHPC)具有优异的力学强度，可提高建筑构件的承载能力，减小构件尺寸和钢筋用量，但存在着收缩大、需要蒸养和表观密度大等不足，制约了其在大跨度桥梁、超高层建筑结构领域的推广与应用。具有高强度、低收缩和高耐久性的轻质超高强混凝土(LUHPC)成为混凝土研究与应用的热点。因此综合利用拜耳法赤泥、钢渣、煤系高岭土和搅拌站废浆，研发具有核壳结构中高强度、高吸水率和均匀孔结构的轻集料。不仅可以解决多种固体废弃物的处理问题，同时也能够促进轻质超高强混凝土发展。
发明内容
本发明的目的在于针对上述现有技术存在的问题，提供一种具有核壳结构的赤泥-钢渣高强轻集料及其制备方法。该核壳结构轻集料的内核原料以赤泥和钢渣为主，外壳原料以混凝土搅拌站产生的废浆、扬尘为主，且外壳结构致密，强度高，吸水率高，原料成本低，实现了大宗工业固体废弃物的综合利用，保护了环境，具有推广价值。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
本发明提供一种具有核壳结构的赤泥-钢渣高强轻集料及其制备方法，轻集料包含内核与外壳两部分，其中内核和外壳的质量比为3:1～4:1。
内核包括以下质量分数的原料：赤泥微粉为15～50wt％；钢渣微粉为15～40wt％；煤系高岭土为8～22wt％；粉煤灰为3～18wt％；碳粉2～18wt％。
外壳包括以下质量分数的原料：混凝土搅拌站废浆为40～65wt％；混凝土搅拌站收集扬尘为15～35wt％；钢渣微粉为5～25wt％。
所述赤泥为拜耳法赤泥，赤泥微粉为拜耳法赤泥在580～780℃条件下煅烧0.5～4.5h所得产物；所述赤泥微粉的粒径≤78μm，比表面积≥380m2/kg。
所述钢渣微粉是将转炉钢渣或电炉钢渣经热焖和破碎处理后所得到的微粉；所述钢渣微粉的比表面积≥500m2/kg，碱度系数≥1.8，活性指数＞80％。
所述煤系高岭土为粒径≤68μm，比表面积≥430m2/kg的煤系高岭土微粉。
所述粉煤灰为粒径≤200μm的II级粉煤灰微珠。
所述碳粉为粒径≤100μm的碳粉微粉。
所述混凝土搅拌站废浆中固含量≥25wt％，其中固体颗粒的粒径≤80μm可达94％以上，其pH＞10。
所述混凝土搅拌站扬尘微粉粒径≤90μm，比表面积≥590m2/kg。
提供一种具有核壳结构的赤泥-钢渣高强轻集料及制备方法，包括以下步骤：
(1)将赤泥微粉、钢渣微粉、煤系高岭土、粉煤灰、碳粉和水混合，隔绝空气陈腐24～36h，再将混合后的微粉和水在转速为20～50r/min，旋转倾角为40°～65°的条件下造粒成球，得到内核球形坯体；
(2)将混凝土搅拌站产生的废浆、扬尘和钢渣微粉用混凝土砂浆搅拌仪进行混合，得到外壳浆料；
(3)将步骤(2)所得外壳浆料包覆在步骤(1)所得球状坯体表面，在88～105℃烘干24h，将烘干后坯体进行烧制，在1080～1200℃保温1.5h，然后随膛冷却至室温，即得具有核壳结构的赤泥-钢渣高强轻集料。
所述步骤(1)中，按质量百分比计，水占内核坯体质量的5wt％～15wt％；所述步骤(2)中，不需额外加入水。
所述步骤(3)中，将所述外壳浆料包覆在所述内核球状坯体表面工艺为：将所述外壳浆料在转速为20～50r/min，旋转倾角为40°～65°的条件下包覆在所述内核坯体表面。
由于采用上述技术方案，本发明与现有技术相比具有如下积极效果：
1.本发明利用钢渣微粉，赤泥微粉、煤系高岭土、粉煤灰以及搅拌站废浆、扬尘制备赤泥-钢渣高强轻集料，具有固体废弃物和液废利用率高以及制造成本低等特点。
2.本发明利用赤泥微粉作为碱激发剂，可激发低品位钢渣微粉的活性，为利用多种固废制备轻集料的核层强度提供基础。
3.本发明制备的核壳赤泥-钢渣高强轻集料，具有协同处置大宗工业固废的特点；混凝土搅拌站废浆的pH在10以上，作为碱激发剂，可激发低品位钢渣微粉的活性；同时搅拌站废浆中含有大量未水化的水泥和粉煤灰，也具有一定的活性；为利用上述固废制备轻集料的壳层强度提供基础。
4.本发明制备的赤泥-钢渣轻集料筒压强度≥8MPa，吸水率≥16％。
5.本发明利用赤泥-钢渣高强轻集料替代UHPC现有技术中的天然集料，可有效缓解天然骨料短缺的压力及固体废弃物对环境污染问题，是保证社会可持续发展的有效措施之一。
因此，本发明制备的赤泥-钢渣高强轻集料性能优异，固体废弃物和液废利用率高和制造成本低，适用于轻质超高性能混凝土制备技术领域。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作进一步说明，并非对其保护范围的限制。
为避免重复，先将本具体实施方式涉及的物料统一描述如下，实施例中不再赘述：
所述赤泥为拜耳法赤泥，赤泥微粉为拜耳法赤泥在580～780℃条件下煅烧0.5～4.5h所得产物；所述赤泥微粉的粒径≤78μm，比表面积≥380m2/kg。
所述钢渣微粉是将转炉钢渣或电炉钢渣经热焖和破碎处理后所得到的微粉；所述钢渣微粉的比表面积≥500m2/kg，碱度系数≥1.8，活性指数＞80％。
所述煤系高岭土为粒径≤68μm，比表面积≥430m2/kg的煤系高岭土微粉。
所述粉煤灰为粒径≤200μm的II级粉煤灰微珠。
所述碳粉为粒径≤100μm的碳粉微粉。
所述混凝土搅拌站废浆中固含量≥25wt％，其中固体颗粒的粒径≤80μm可达94％以上，其pH＞10。
所述混凝土搅拌站扬尘微粉粒径≤90μm，比表面积≥590m2/kg。
实施例1
一种具有核壳结构的赤泥-钢渣高强轻集料及其制备方法，本实施例所述制备方法是：
赤泥-钢渣高强轻集料包含内核与外壳两部分，其中内核和外壳的质量比为4:1。
内核包括以下质量分数的原料：赤泥微粉为38wt％；钢渣微粉为30wt％；煤系高岭土为15wt％；粉煤灰为9wt％；碳粉8wt％。
外壳包括以下质量分数的原料：混凝土搅拌站废浆为60wt％；混凝土搅拌站收集扬尘为34wt％；钢渣微粉为6wt％。
制备上述赤泥-钢渣高强轻集料的方法，其具体包括以下步骤：
(1)按照上述内核原料配比将赤泥微粉、钢渣微粉、煤系高岭土、粉煤灰、碳粉和水混合均匀，水占内核坯体质量的15wt％，隔绝空气陈腐24h后通过圆盘造粒机造粒，再将混合后的微粉和水在转速为20r/min，旋转倾角为40°的条件下造粒成球，得到内核球形坯体；
(2)按照上述外壳原料配比将混凝土搅拌站产生的废浆、扬尘和钢渣微粉采用混凝土砂浆搅拌仪混合均匀，得到外壳浆料，不需额外加入水；
(3)将所述外壳浆料在转速为20r/min，旋转倾角为40°的条件下包覆在所述内核坯体表面。在105℃烘干24h，将烘干后坯体进行烧制，在1080～1150℃保温1.5h，然后随膛冷却至室温，即得具有核壳结构的赤泥-钢渣高强轻集料。
对本实施例的赤泥-钢渣高强轻集料的性能进行测试。
经测试可知，本实施例的赤泥-钢渣高强轻集料的筒压强度为8.21MPa，吸水率为16.30％。
实施例2
一种具有核壳结构的赤泥-钢渣高强轻集料及其制备方法，本实施例所述制备方法是：
赤泥-钢渣高强轻集料包含内核与外壳两部分，其中内核和外壳的质量比为4:1。
内核包括以下质量分数的原料：赤泥微粉为32wt％；钢渣微粉为39wt％；煤系高岭土为17wt％；粉煤灰为5wt％；碳粉7wt％。
外壳包括以下质量分数的原料：混凝土搅拌站废浆为58wt％；混凝土搅拌站收集扬尘为30wt％；钢渣微粉为12wt％。
制备上述赤泥-钢渣高强轻集料的方法，其具体包括以下步骤：
(1)按照上述内核原料配比将赤泥微粉、钢渣微粉、煤系高岭土、粉煤灰、碳粉和水混合均匀，水占内核坯体质量的11wt％，隔绝空气陈腐24h后通过圆盘造粒机造粒，再将混合后的微粉和水在转速为30r/min，旋转倾角为45°的条件下造粒成球，得到内核球形坯体；
(2)按照上述外壳原料配比将混凝土搅拌站产生的废浆、扬尘和钢渣微粉采用混凝土砂浆搅拌仪混合均匀，得到外壳浆料，不需额外加入水；
(3)将所述外壳浆料在转速为30r/min，旋转倾角为45°的条件下包覆在所述内核坯体表面。在105℃烘干24h，将烘干后坯体进行烧制，在1100～1160℃保温1.5h，然后随膛冷却至室温，即得具有核壳结构的赤泥-钢渣高强轻集料。
对本实施例的赤泥-钢渣高强轻集料的性能进行测试。
经测试可知，本实施例的赤泥-钢渣高强轻集料的筒压强度为8.63MPa，吸水率为16.95％。
实施例3
一种具有核壳结构的赤泥-钢渣高强轻集料及其制备方法，本实施例所述制备方法是：
赤泥-钢渣高强轻集料包含内核与外壳两部分，其中内核和外壳的质量比为3.5:1。
内核包括以下质量分数的原料：赤泥微粉为43wt％；钢渣微粉为35wt％；煤系高岭土为8wt％；粉煤灰为8wt％；碳粉6wt％。
外壳包括以下质量分数的原料：混凝土搅拌站废浆为62wt％；混凝土搅拌站收集扬尘为24wt％；钢渣微粉为14wt％。
制备上述赤泥-钢渣高强轻集料的方法，其具体包括以下步骤：
(1)按照上述内核原料配比将赤泥微粉、钢渣微粉、煤系高岭土、粉煤灰、碳粉和水混合均匀，水占内核坯体质量的8wt％，隔绝空气陈腐24h后通过圆盘造粒机造粒，再将混合后的微粉和水在转速为40r/min，旋转倾角为55°的条件下造粒成球，得到内核球形坯体；
(2)按照上述外壳原料配比将混凝土搅拌站产生的废浆、扬尘和钢渣微粉采用混凝土砂浆搅拌仪混合均匀，得到外壳浆料，不需额外加入水；
(3)将所述外壳浆料在转速为40r/min，旋转倾角为55°的条件下包覆在所述内核坯体表面。在105℃烘干24h，将烘干后坯体进行烧制，在1130～1180℃保温1.5h，然后随膛冷却至室温，即得具有核壳结构的赤泥-钢渣高强轻集料。
对本实施例的赤泥-钢渣高强轻集料的性能进行测试。
经测试可知，本实施例的赤泥-钢渣高强轻集料的筒压强度为8.42MPa，吸水率为16.19％。
实施例4
一种具有核壳结构的赤泥-钢渣高强轻集料及其制备方法，本实施例所述制备方法是：
赤泥-钢渣高强轻集料包含内核与外壳两部分，其中内核和外壳的质量比为3.5:1。
内核包括以下质量分数的原料：赤泥微粉为35wt％；钢渣微粉为37wt％；煤系高岭土为13wt％；粉煤灰为8wt％；碳粉7wt％。
外壳包括以下质量分数的原料：混凝土搅拌站废浆为65wt％；混凝土搅拌站收集扬尘为17wt％；钢渣微粉为18wt％。
制备上述赤泥-钢渣高强轻集料的方法，其具体包括以下步骤：
(1)按照上述内核原料配比将赤泥微粉、钢渣微粉、煤系高岭土、粉煤灰、碳粉和水混合均匀，水占内核坯体质量的5wt％，隔绝空气陈腐24h后通过圆盘造粒机造粒，造粒时，成球机转速为50r/min，旋转倾角为65°，得到球形内核坯体；
(2)按照上述外壳原料配比将混凝土搅拌站产生的废浆、扬尘和钢渣微粉采用混凝土砂浆搅拌仪混合均匀，得到外壳浆料，不需额外加入水；
(3)将所述外壳浆料在转速为50r/min，旋转倾角为65°的条件下包覆在所述内核坯体表面。在105℃烘干24h，将烘干后坯体进行烧制，在1150～1200℃保温1.5h，然后随膛冷却至室温，即得具有核壳结构的赤泥-钢渣高强轻集料。
对本实施例的赤泥-钢渣高强轻集料的性能进行测试。
经测试可知，本实施例的赤泥-钢渣高强轻集料的筒压强度为9.05MPa，吸水率为17.48％。
以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种具有核壳结构的赤泥-钢渣高强轻集料，其特征在于所述高强轻集料，包含内核与外壳两部分，其中内核和外壳的质量比为3:1～4:1；内核包括以下质量分数的原料：赤泥微粉为15～50wt％；钢渣微粉为15～40wt％；煤系高岭土为8～22wt％；粉煤灰为3～18wt％；碳粉2～18wt％；外壳包括以下质量分数的原料：混凝土搅拌站废浆为40～65wt％；混凝土搅拌站收集扬尘为15～35wt％；钢渣微粉为5～25wt％；所述钢渣微粉是将转炉钢渣或电炉钢渣经热焖和破碎处理后所得到的微粉；所述钢渣微粉的比表面积≥500m2/kg，碱度系数≥1.8，活性指数＞80％。
2.根据权利要求1所述的具有核壳结构的赤泥-钢渣高强轻集料，其特征在于所述赤泥为拜耳法赤泥，赤泥微粉为拜耳法赤泥在580～780℃条件下煅烧0.5～4.5h所得产物；所述赤泥微粉的粒径≤78μm，比表面积≥380m2/kg。
3.根据权利要求1所述的具有核壳结构的赤泥-钢渣高强轻集料，其特征在于所述煤系高岭土为粒径≤68μm，比表面积≥430m2/kg的煤系高岭土微粉。
4.根据权利要求1所述的具有核壳结构的赤泥-钢渣高强轻集料，其特征在于所述粉煤灰为粒径≤200μm的II级粉煤灰微珠。
5.根据权利要求1所述的具有核壳结构的赤泥-钢渣高强轻集料，其特征在于所述碳粉为粒径≤100μm的碳粉微粉。
6.根据权利要求1所述的具有核壳结构的赤泥-钢渣高强轻集料，其特征在于所述混凝土搅拌站废浆中固含量≥25wt％，其中固体颗粒的粒径≤80μm可达94％以上，其pH＞10。
7.根据权利要求1所述的具有核壳结构的赤泥-钢渣高强轻集料，其特征在于所述混凝土搅拌站扬尘微粉粒径≤90μm，比表面积≥590m2/kg。
8.一种权利要求1-7任一项所述的具有核壳结构的赤泥-钢渣高强轻集料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将赤泥微粉、钢渣微粉、煤系高岭土、粉煤灰、碳粉和水混合，隔绝空气陈腐24～36h，再将混合后的微粉和水在转速为20～50r/min，旋转倾角为40°～65°的条件下造粒成球，得到内核球形坯体；
(2)将混凝土搅拌站产生的废浆、扬尘和钢渣微粉用混凝土砂浆搅拌仪进行混合，得到外壳浆料；
(3)将步骤(2)所得外壳浆料包覆在步骤(1)所得球状坯体表面，在88～105℃烘干24h，将烘干后坯体进行烧制，在1080～1200℃保温1.5h，然后随膛冷却至室温，即得具有核壳结构的赤泥-钢渣高强轻集料。
9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中，按质量百分比计，水占内核坯体质量的5wt％～15wt％；所述步骤(2)中，不需额外加入水。
10.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(3)中，将所述外壳浆料包覆在所述内核球状坯体表面工艺为：将所述外壳浆料在转速为20～50r/min，旋转倾角为40°～65°的条件下包覆在所述内核坯体表面。
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