CN114195447A - 一种铁屑-赤铁矿配重混凝土及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种铁屑‑赤铁矿配重混凝土，包括胶凝材料、粗集料、细集料、水、外加剂；其中，胶凝材料包括水泥、矿渣、钢渣粉，粗集料包括赤铁矿石，细集料包括赤铁矿砂、铁屑、硼玻璃粉。一种铁屑‑赤铁矿配重混凝土，质量比为胶凝材料：粗集料：细集料：水：外加剂＝1：3.84：3.11：0.41：0.01；胶凝材料中，质量比为水泥：矿渣：钢渣粉＝7：2：1；细集料中，质量比为赤铁矿砂：铁屑：硼玻璃粉＝1：1.28：0.49；水胶比为0.41。还涉及一种铁屑‑赤铁矿配重混凝土的制备方法。本发明在保证混凝土强度的前提下大大提高了混凝土的容重，属于建筑施工领域。
Description
技术领域
本发明涉及建筑施工领域，具体涉及一种铁屑-赤铁矿配重混凝土及其制备方法。
背景技术
地下水位较高的地区或水中建筑物，需要进行抗浮设计，如处于富水底层隧道、建筑基础底板、水中围堰等，通常采用施工抗拔桩、抗拔锚杆、增加配重等方式抵抗水浮力。但对于不适宜施工抗拔桩和抗拔锚杆、仅施工抗拔锚杆不足以抵抗水浮力的情况，需要增加结构自重来抗浮。常规混凝土容重一般为2400kg/m3左右，混凝土承担配重作用时，需要实用容重更高的材料代替普通混凝土中的材料。
现有技术中也存在配重混凝土，但如何在保证混凝土强度的前提下提高混凝土容重，是该领域的技术难题。
发明内容
针对现有技术中存在的技术问题，本发明的目的是：提供一种在保证混凝土强度的前提下大大提高了混凝土容重的铁屑-赤铁矿配重混凝土及其制备方法。
为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种铁屑-赤铁矿配重混凝土，包括胶凝材料、粗集料、细集料、水、外加剂；其中，胶凝材料包括水泥、矿渣、钢渣粉，粗集料包括赤铁矿石，细集料包括赤铁矿砂、铁屑、硼玻璃粉。采用这种设置后，铁屑和赤铁矿容重高、强度大，以铁屑和赤铁矿砂作为主要细集料、以赤铁矿石作为粗集料，能显著提高混凝土的自重并保证混凝土具有一定强度。
作为一种优选，一种铁屑-赤铁矿配重混凝土，质量比为胶凝材料：粗集料：细集料：水：外加剂＝1：3.84：3.11：0.41：0.01；胶凝材料中，质量比为水泥：矿渣：钢渣粉＝7：2：1；细集料中，质量比为赤铁矿砂：铁屑：硼玻璃粉＝1：1.28：0.49；水胶比为0.41。采用这种设置后，根据本比例制备的铁屑-赤铁矿配重混凝土强度等级为C30，密度为3550kg/m3。
作为一种优选，水泥为PO.42.5级普通硅酸盐水泥，水泥标号为C30，碱含量低于0.6％；矿渣级别为S95级或S105级，比表面积350m2/kg；钢渣粉为转炉钢渣粉或电炉钢渣粉经破碎磁选后磨细而成的水硬性胶凝材料，比表面积420m2/kg。采用这种设置后，一般情况下，配重混凝土需要有较高自重，但对混凝土强度要求不高，C30混凝土能满足一般配重结构的要求。碱含量过高易发生碱-骨料反应，腐蚀铁屑，当混凝土包裹钢材时钢材易受腐蚀。矿渣是粒化高炉矿渣粉的简称，粒化高炉矿渣粉能提高混凝土耐久性和后期强度，能显著提高混凝土的致密度。相对于传统的配重混凝土，钢渣粉等量取代水泥作为胶凝材料，能提高混凝土自重，同时钢渣粉具有潜在的胶凝活性，能改善新拌混凝土的工作性能、提高混凝土的后期强度。利用钢渣粉取代部分水泥作为胶凝材料，变废为宝，能节约资源、保护环境。
作为一种优选，赤铁矿石颗粒粒径为5mm～25mm，连续级配，且赤铁矿石含泥量不大于1％，含泥块量不大于0.5％，压碎指标不大于20％，针片状颗粒含量不大于15％。采用这种设置后，含泥量和泥块含量符合Ⅱ类指标，针片状颗粒符合Ⅱ类指标，压碎指标符合Ⅱ类指标，Ⅱ类宜用于强度等级为C30～C60的混凝土。
作为一种优选，赤铁矿砂颗粒粒径为1～5mm，连续级配，赤铁矿砂含泥量不大于3％，含泥块量不大于1％，细度模数为2.3～3，表观密度4100kg/m3；铁屑为机械加工过程中产生的废渣，尺寸为1～5mm，连续级配，堆积密度7100kg/m3；硼玻璃粉粒径不大于0.15mm，硼玻璃粉包括SiO2和B2O3，硼含量15％。采用这种设置后，铁屑形状各异，胶凝材料能有效地咬合并嵌固在铁屑表面，掺入铁屑能提高混凝土强度。在实际工程中，混凝土主要是作为受压构件，混凝土的抗压强度通常是抗拉强度的十倍以上，铁屑在混凝土中乱向分布，能够有效地阻碍混凝土内部微裂缝的扩展及宏观裂缝的形成，显著改善混凝土的抗拉、抗弯、抗冲击及抗疲劳性能，并具有一定的延性。
作为一种优选，外加剂为聚羧酸减水剂。采用这种设置后，聚羧酸减水剂具有产量小、减水率高、保塌性能好，与水泥适应性强、混凝土收缩小等特点。
作为一种优选，赤铁矿石和赤铁矿砂的铁元素有效含量不小于65％，干密度不小于4800kg/m3。采用这种设置后，赤铁矿石摩氏硬度5.5～6.5，普通混凝土常用的骨料大理石摩氏硬度仅为3～5，以赤铁矿石作为混凝土粗集料，能提高混凝土强度。
作为一种优选，矿渣满足《用于水泥、砂浆和混凝土中的粒化高炉矿渣粉》(GB/T18046)标准要求；钢渣粉满足《用于水泥和混凝土中的钢渣粉》(GBT20491)标准要求。
一种铁屑-赤铁矿配重混凝土的制备方法，包括如下步骤：(1)称取物料；(2)将赤铁矿砂、赤铁矿石、硼玻璃粉、铁屑先混合并翻拌均匀，搅拌时间30秒，加水直至各种原料表面被水润湿，得到预混料；(3)加入水泥、矿渣、钢渣粉翻拌均匀，搅拌时间30秒，得到中混料；(4)往中混料中加入外加剂和剩余的水，充分搅拌，搅拌时间1～2min；(5)进行浇筑、振捣、养护得到成品。
在步骤(2)之前，铁屑经如下步骤处理：经过清水清洗，除去灰尘和游离氧化钙质，加入表面活性剂搅拌充分去油，用自来水清洗，并用稀盐酸去除铁锈，再次用自来水冲洗，烘干后备用。
本发明具有如下优点：
本发明采用钢渣粉、赤铁矿石、赤铁矿砂、铁屑替代普通混凝土中的集料和胶凝材料，在保证混凝土强度的前提下大大提高了混凝土的容重，采用特定配比后，铁屑-赤铁矿混凝土容重达到3500kg/m3以上，作为结构配重抵抗水浮力立竿见影，同时加入硼玻璃粉，在抵抗辐射方面成效显著。本发明施工简便，利用铁屑、钢渣粉等废料作为建筑材料，变废为宝，成本较低。
本发明采用的细集料和粗集料自重较大，铁屑-赤铁矿配重混凝土自重不小于35kN/m3，远大于普通混凝土容重24kN/m3，且铁屑-赤铁矿配重混凝土强度达到30MPa以上，在保证强度的同时有效提高结构自重，可用于结构配重、抵抗水浮力。
本发明偶然发现一拐点值，在保证混凝土强度的前提下大大提高了混凝土容重。30％赤铁矿砂时为强度拐点，也是悬浮密实结构过渡为骨架空隙结构的拐点，此时为骨架密实结构，混凝土的抗压强度出现最大值。当铁屑掺量小于30％时，铁屑起到类似于钢纤维的作用，混凝土的强度得以提高；铁屑等质量取代铁屑等质量取代赤铁矿砂比例小于30％时混凝土结构组成为悬浮密实结构，连续型矿料级配粗集料悬浮于较小颗粒中未形成骨架，混合料黏结力高，稳定性较差。当铁屑掺量大于30％时，由于胶凝材料无法充分填充铁屑中心空隙，混凝土会由悬浮密实结构转变为骨架空隙结构，连续型级配粗骨料多，细集料少，未能填满空隙，该种混合料黏结力弱，从而使混凝土的抗压强度下降。当铁屑等质量取代30％赤铁矿砂时混凝土结构为骨架密实结构，该种结构结合了悬浮密实结构和骨架空隙结构的优点，较多的粗集料形成空间骨架，细集料进行填充，内摩阻力、黏结力以及高温稳定性好。
具体实施方式
实施例1
一种铁屑-赤铁矿配重混凝土，包括胶凝材料、粗集料、细集料、水、外加剂；其中，胶凝材料包括水泥、矿渣、钢渣粉，粗集料包括赤铁矿石，细集料包括赤铁矿砂、铁屑、硼玻璃粉。质量比为胶凝材料：粗集料：细集料：水：外加剂＝1：3.84：3.11：0.41：0.01；胶凝材料中，质量比为水泥：矿渣：钢渣粉＝7：2：1；细集料中，质量比为赤铁矿砂：铁屑：硼玻璃粉＝1：1.28：0.49(体积比为4：3：3)；水胶比为0.41。
胶凝材料中，水泥为PO.42.5级普通硅酸盐水泥，水泥标号为C30，碱含量低于0.6％；矿渣级别为S95级或S105级，比表面积350m2/kg；钢渣粉为转炉钢渣粉或电炉钢渣粉经破碎磁选后磨细而成的水硬性胶凝材料，比表面积420m2/kg。
粗集料中，赤铁矿石颗粒粒径为5mm～25mm，连续级配，且赤铁矿石含泥量不大于1％，含泥块量不大于0.5％，压碎指标不大于20％，针片状颗粒含量不大于15％。
细集料中，赤铁矿砂颗粒粒径为1～5mm，连续级配，赤铁矿砂含泥量不大于3％，含泥块量不大于1％，细度模数为2.3～3，表观密度4100kg/m3；铁屑为机械加工过程中产生的废渣，尺寸为1～5mm，连续级配，堆积密度7100kg/m3；硼玻璃粉粒径不大于0.15mm，硼玻璃粉包括SiO2和B2O3，硼含量15％。
外加剂为聚羧酸减水剂。
赤铁矿石和赤铁矿砂的铁元素有效含量不小于65％，干密度不小于4800kg/m3。
矿渣满足《用于水泥、砂浆和混凝土中的粒化高炉矿渣粉》(GB/T 18046)标准要求；钢渣粉满足《用于水泥和混凝土中的钢渣粉》(GBT 20491)标准要求。
一种铁屑-赤铁矿配重混凝土的制备方法，包括如下步骤：(1)称取物料；(2)将赤铁矿砂、赤铁矿石、硼玻璃粉、铁屑先混合并翻拌均匀，搅拌时间30秒，加水直至各种原料表面被水润湿，得到预混料；(3)加入水泥、矿渣、钢渣粉翻拌均匀，搅拌时间30秒，得到中混料；(4)往中混料中加入外加剂和剩余的水，充分搅拌，搅拌时间1～2min；(5)进行浇筑、振捣、养护得到成品。在步骤(2)之前，铁屑经如下步骤处理：经过清水清洗，除去灰尘和游离氧化钙质，加入表面活性剂搅拌充分去油，用自来水清洗，并用适量稀盐酸去除难以去除的铁锈，再次用自来水冲洗，烘干后备用。各步骤搅拌时间之和为2～3min。
具体的，本实施例中，调整细集料比例，用铁屑等体积取代赤铁矿砂，物料配合比及试验结果如表1所示：
表1铁屑等质量取代赤铁矿砂配合比及试验结果
随着铁屑掺量的增加，混凝土的抗压强度逐渐增大；当铁屑掺量达到30％时，混凝土的抗压强度出现最大值。当铁屑掺量小于30％时，铁屑起到类似于钢纤维的作用，混凝土的强度得以提高；当铁屑掺量大于30％时，由于胶凝材料无法充分填充铁屑中心空隙，混凝土会由悬浮密实结构转变为骨架空隙结构，从而使混凝土的抗压强度下降。铁屑最佳掺量为等体积取代赤铁矿砂的30％，铁屑掺量为6.18kg，赤铁矿砂4.83kg，实施例1的配合比强度最高，且密度也较高。
铁屑等质量取代30％赤铁矿砂时为强度拐点，也是悬浮密实结构过渡为骨架空隙结构的拐点，此时为骨架密实结构。铁屑等质量取代赤铁矿砂比例小于30％时混凝土结构组成为悬浮密实结构，连续型矿料级配粗集料悬浮于较小颗粒中未形成骨架，混合料黏结力高，稳定性较差；铁屑等质量取代赤铁矿砂比例大于30％时混凝土结构组成为骨架空隙结构，连续型级配粗骨料多，细集料少，未能填满空隙，该种混合料黏结力弱。当铁屑等质量取代30％赤铁矿砂时混凝土结构为骨架密实结构，该种结构结合了悬浮密实结构和骨架空隙结构的优点，较多的粗集料形成空间骨架，细集料进行填充，内摩阻力、黏结力以及高温稳定性好。
实施例2
一种铁屑-赤铁矿配重混凝土，包括胶凝材料、粗集料、细集料、水、外加剂；其中，胶凝材料包括水泥、矿渣、钢渣粉，粗集料包括赤铁矿石，细集料包括赤铁矿砂、铁屑、硼玻璃粉。质量比为胶凝材料：粗集料：细集料：水：外加剂＝1：3.84：3.11：0.41：0.01；胶凝材料中，质量比为水泥：矿渣：钢渣粉＝7：2：1；细集料中，质量比为赤铁矿砂：铁屑：硼玻璃粉＝1：1.28：0.49(体积比为4：3：3)；水胶比为0.41。
胶凝材料中，水泥为PO.42.5级普通硅酸盐水泥，水泥标号为C30，碱含量低于0.6％；矿渣级别为S95级或S105级，比表面积350m2/kg；钢渣粉为转炉钢渣粉或电炉钢渣粉经破碎磁选后磨细而成的水硬性胶凝材料，比表面积420m2/kg。
粗集料中，赤铁矿石颗粒粒径为5mm～25mm，连续级配，且赤铁矿石含泥量不大于1％，含泥块量不大于0.5％，压碎指标不大于20％，针片状颗粒含量不大于15％。
细集料中，赤铁矿砂颗粒粒径为1～5mm，连续级配，赤铁矿砂含泥量不大于3％，含泥块量不大于1％，细度模数为2.3～3，表观密度4100kg/m3；铁屑为机械加工过程中产生的废渣，尺寸为1～5mm，连续级配，堆积密度7100kg/m3；硼玻璃粉粒径不大于0.15mm，硼玻璃粉包括SiO2和B2O3，硼含量15％。
外加剂为聚羧酸减水剂。
赤铁矿石和赤铁矿砂的铁元素有效含量不小于65％，干密度不小于4800kg/m3。
矿渣满足《用于水泥、砂浆和混凝土中的粒化高炉矿渣粉》(GB/T 18046)标准要求；钢渣粉满足《用于水泥和混凝土中的钢渣粉》(GBT 20491)标准要求。
一种铁屑-赤铁矿配重混凝土的制备方法，包括如下步骤：(1)称取物料；(2)将赤铁矿砂、赤铁矿石、硼玻璃粉、铁屑先混合并翻拌均匀，搅拌时间30秒，加水直至各种原料表面被水润湿，得到预混料；(3)加入水泥、矿渣、钢渣粉翻拌均匀，搅拌时间30秒，得到中混料；(4)往中混料中加入外加剂和剩余的水，充分搅拌，搅拌时间1～2min；(5)进行浇筑、振捣、养护得到成品。在步骤(2)之前，铁屑经如下步骤处理：经过清水清洗，除去灰尘和游离氧化钙质，加入表面活性剂搅拌充分去油，用自来水清洗，并用适量稀盐酸去除难以去除的铁锈，再次用自来水冲洗，烘干后备用。各步骤搅拌时间之和为2～3min。
具体的，本实施例中，按实施例1进行配合比设计，不改变矿渣用量，改变胶凝材料比例，用钢渣粉等质量取代水泥，物料配合比及试验结果如表2所示：
表2钢渣粉等质量取代水泥配合比及试验结果
钢渣粉等质量取代水泥时，随着钢渣粉掺量的增加，混凝土的抗压强度逐渐下降；当钢渣粉取代质量大于水泥质量的20％后，抗压强度下降明显。实施例2中，钢渣粉掺量为20％时，钢渣粉掺量0.86kg，水泥3.01kg。随着钢渣粉掺量的增加，混凝土的密度也在缓慢提高。综合比较混凝土的力学性能和密度，实施例2的混凝土试块配合比最佳，质量比例为胶凝材料：粗集料：细集料：水：外加剂＝1：3.84：3.11：0.41：0.01，其中胶凝材料组成质量比为水泥：矿渣：钢渣粉＝7：2：1，粗集料为赤铁矿石，细集料组成质量比为赤铁矿砂：铁屑：硼玻璃粉＝1：1.28：0.49，水胶比为0.41。铁屑和赤铁矿容重高、强度大，以铁屑和赤铁矿砂作为主要细集料、以赤铁矿石作为粗集料，能显著提高混凝土的自重并保证混凝土具有一定强度。
根据本比例制备的铁屑-赤铁矿配重混凝土强度等级为C30，密度为3550kg/m3。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种铁屑-赤铁矿配重混凝土，其特征在于：包括胶凝材料、粗集料、细集料、水、外加剂；其中，胶凝材料包括水泥、矿渣、钢渣粉，粗集料包括赤铁矿石，细集料包括赤铁矿砂、铁屑、硼玻璃粉。
2.按照权利要求1所述的一种铁屑-赤铁矿配重混凝土，其特征在于：质量比为胶凝材料：粗集料：细集料：水：外加剂＝1：3.84：3.11：0.41：0.01；胶凝材料中，质量比为水泥：矿渣：钢渣粉＝7：2：1；细集料中，质量比为赤铁矿砂：铁屑：硼玻璃粉＝1：1.28：0.49；水胶比为0.41。
3.按照权利要求2所述的一种铁屑-赤铁矿配重混凝土，其特征在于：
水泥为PO.42.5级普通硅酸盐水泥，水泥标号为C30，碱含量低于0.6％；
矿渣级别为S95级或S105级，比表面积350m2/kg；
钢渣粉为转炉钢渣粉或电炉钢渣粉经破碎磁选后磨细而成的水硬性胶凝材料，比表面积420m2/kg。
4.按照权利要求2所述的一种铁屑-赤铁矿配重混凝土，其特征在于：赤铁矿石颗粒粒径为5mm～25mm，连续级配，且赤铁矿石含泥量不大于1％，含泥块量不大于0.5％，压碎指标不大于20％，针片状颗粒含量不大于15％。
5.按照权利要求2所述的一种铁屑-赤铁矿配重混凝土，其特征在于：
赤铁矿砂颗粒粒径为1～5mm，连续级配，赤铁矿砂含泥量不大于3％，含泥块量不大于1％，细度模数为2.3～3，表观密度4100kg/m3；
铁屑为机械加工过程中产生的废渣，尺寸为1～5mm，连续级配，堆积密度7100kg/m3；
硼玻璃粉粒径不大于0.15mm，硼玻璃粉包括SiO2和B2O3，硼含量15％。
6.按照权利要求2所述的一种铁屑-赤铁矿配重混凝土，其特征在于：外加剂为聚羧酸减水剂。
7.按照权利要求2所述的一种铁屑-赤铁矿配重混凝土，其特征在于：赤铁矿石和赤铁矿砂的铁元素有效含量不小于65％，干密度不小于4800kg/m3。
8.按照权利要求3所述的一种铁屑-赤铁矿配重混凝土，其特征在于：
矿渣满足《用于水泥、砂浆和混凝土中的粒化高炉矿渣粉》(GB/T 18046)标准要求；
钢渣粉满足《用于水泥和混凝土中的钢渣粉》(GBT 20491)标准要求。
9.按照权利要求1至8中任一项所述的一种铁屑-赤铁矿配重混凝土的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)称取物料；
(2)将赤铁矿砂、赤铁矿石、硼玻璃粉、铁屑先混合并翻拌均匀，搅拌时间30秒，加水直至各种原料表面被水润湿，得到预混料；
(3)加入水泥、矿渣、钢渣粉翻拌均匀，搅拌时间30秒，得到中混料；
(4)往中混料中加入外加剂和剩余的水，充分搅拌，搅拌时间1～2min；
(5)进行浇筑、振捣、养护得到成品。
10.按照权利要求9所述的一种铁屑-赤铁矿配重混凝土的制备方法，其特征在于，在步骤(2)之前，铁屑经如下步骤处理：经过清水清洗，除去灰尘和游离氧化钙质，加入表面活性剂搅拌充分去油，用自来水清洗，并用稀盐酸去除铁锈，再次用自来水冲洗，烘干后备用。
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| US20210087109A1 (en) * | 2019-08-29 | 2021-03-25 | Michael R. Boyce | Geopolymer compositions, cementitious composition comprising the same, and methods for making the same |
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