CN114292081A - 一种无水泥低碳混凝土及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种利用煤气化粗渣完全代替矿渣的无水泥低碳混凝土及其制备方法，按重量份数计包括以下原料：胶凝材料15～25份、细骨料30～40份、粗骨料35～48份、水3～8份和减水剂0.04～0.03份；其中，所述胶凝材料按重量份数计包括：煤气化粗渣20～60份，钢渣30～50份，石膏10～30份，石灰窑收尘灰0～15份。本申请利用成本较低的煤气化粗渣完全代替矿渣，不使用水泥，降低混凝土的碳排放量的同时，为中低强度的混凝土预制件提供相应的混凝土制备方法。

Description

一种无水泥低碳混凝土及其制备方法

技术领域

本发明涉及工业固体废弃物资源化利用领域和建筑材料技术领域，尤其涉及一种无水泥低碳混凝土及其制备方法。

背景技术

混凝土预制件是指在工厂中通过标准化、机械化方式加工生产的混凝土制品，被广泛应用于建筑、交通、水利等领域。与现浇混凝土相比，混凝土预制件的经济效益和社会效益更加显著，通过对加工过程的程序化控制，混凝土预制件的质量偏差更小，安全性更高；并且与传统现场制模相比，工厂里的模具可以重复循环使用，综合成本更低；机械化生产对人工的需求更少。但是目前国内制备的混凝土预制件所用的混凝土主要成分依然采用硅酸盐水泥，而普通硅酸盐水泥的售价在每吨400～500元甚至更高，且普通硅酸盐水泥的碳排放量很高，因此如何能够在降低成本的同时减少碳排放，成为亟待解决的问题。

公开号为CN111233422A中国专利公开了一种含煤制油粗渣的混凝土及其制备方法，包括：胶凝材料15～20份、细骨料30～40份、粗骨料40～50份、水3.75～9份和减水剂0.015～0.4份；其中，所述胶凝材料按重量份数计包括：煤制油粗渣3～30份、矿渣20～60份、钢渣 10～40份、石膏5～20份，水泥2～15份。该专利提供的混凝土各原料级配合理，具有优良的机械性能；有效利用了煤制油粗渣、矿渣、钢渣、石膏等工业固体废弃物，成本低廉、经济环保。但这种材料依然以矿渣为强度产生主体，煤制油粗渣的使用率相对较低，并且该专利中提到的混凝土更适合用作预拌泵送混凝土，而没有考虑到中低强度的混凝土预制件的使用。

发明内容

本发明解决的技术问题在于提供一种无水泥低碳混凝土，其以低成本的煤气化粗渣完全代替矿渣，且不使用水泥，在降低混凝土碳排放的同时，可适用于中低强度的混凝土预制件。

有鉴于此，本申请提供了一种无水泥低碳混凝土，由以下组分制备得到：

所述胶凝材料按重量份数计包括：煤气化粗渣20～60份，钢渣 30～50份，石膏10～30份，石灰窑收尘灰0～15份。

优选的，所述煤气化粗渣是由煤制油工业中的煤气化过程产生的水淬渣；所述煤气化粗渣的残余碳含量为0～5％；所述煤气化粗渣的粒度D90为20～30μm或比表面积为500～700m²/kg。

优选的，所述石膏选自脱硫石膏、磷石膏、氟石膏、柠檬石膏和废陶模石膏中的一种或多种；所述石膏的粒度D90为30～50μm或比表面积400～600m²/kg。

优选的，所述石灰窑收尘灰中CaO含量为40～60％，烧失量 15～30％。

优选的，所述钢渣的粒度D90为30～40μm或比表面积400～600 m²/kg；所述钢渣为除铁后的钢渣，含铁量为0.5～10％。

优选的，所述胶凝材料的比表面积为450m²/kg～650m²/kg；粒度符合以下条件：0＜粒度≤80μm；0.045mm筛余0～3.0％。

优选的，所述胶凝材料的含量为22～24重量份。

优选的，所述煤气化粗渣的含量为30～50重量份。

优选的，所述钢渣的含量为35～45重量份，所述石灰窑收尘灰的含量为5～10重量份。

本申请还提供了所述的无水泥低碳混凝土的制备方法，包括以下步骤：

按照重量比将煤气化粗渣、钢渣、石膏、石灰窑收尘灰混合，得到胶凝材料；

按照重量比将胶凝材料、细骨料、粗骨料、水和减水剂混合，养护，得到混凝土。

本申请提供了一种无水泥低碳混凝土，其由胶凝材料、细骨料、粗骨料、减水剂和水制备得到，其中的胶凝材料由煤气化粗渣、钢渣、石膏和石灰窑收尘灰制备得到；本申请提供的无水泥低碳混凝土未采用水泥体系，且充分利用了石灰窑收尘灰中的有效组分，其自行产生强度，实现了固废再利用的同时提高了混凝土的强度；同时煤气化粗渣与石灰窑收尘灰、钢渣、石膏的配合使用，实现了煤气化粗渣完全代替矿渣，大大降低了生产成本。

具体实施方式

为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明优选实施方案进行描述，但是应当理解，这些描述只是为进一步说明本发明的特征和优点，而不是对本发明权利要求的限制。

鉴于现有技术中混凝土采用矿渣以及中低强度混凝土预制件使用需求，本申请提供了一种无水泥低碳混凝土，其在胶凝材料中以煤气化粗渣作为强度产生的主体，并无需添加任何水泥，极大降低了混凝土碳排放量，同时提高了煤气化粗渣和石灰窑收尘灰的利用率，使得到的混凝土适于中低强度的混凝土预制件。具体的，本发明实施例公开了一种无水泥低碳混凝土，由以下组分制备得到：

所述胶凝材料按重量份数计包括：煤气化粗渣20～60份，钢渣 30～50份，石膏10～30份，石灰窑收尘灰0～15份。

本申请提供的无水泥低碳混凝土中，胶凝材料对其性能具有极大影响；所述胶凝材料具体包括煤气化粗渣、钢渣、石灰和石灰窑收尘灰。

其中，煤气化粗渣来自于山西某煤制油工厂，这种煤气化粗渣的二氧化硅含量在47％以上、氧化铝含量在24％以上，合计在72％以上，残余碳含量极低在0～5％左右，但是氧化钙的含量仅在15～20％左右，这一点使得其活性相对于高炉水淬矿渣和粉煤灰要差很多，过去的研究中通常认为煤气化粗渣必须依靠水泥体系或者矿渣存在的体系才能产生较好的强度，而煤气化粗渣仅作为掺合料使用。本申请引入了煤气化粗渣，同时其与石膏、钢渣和石灰窑收尘灰配合，使得煤气化粗渣作为强度产生的主体，并无需添加任何水泥，极大降低了混凝土碳排放量，同时提高了固废的利用。更具体的，所述煤气化粗渣的残余碳含量为0～5％；所述煤气化粗渣的粒度D90为20～30μm或比表面积为500～700m²/kg。本申请中煤气化粗渣的残余碳含量相对较低，有利于减少胶凝材料对水和减水剂的吸附；大量的实验证明煤气化粗渣的粒度或者比表面积在上述范围内，一方面有利于增加其反应活性，另一方面在最求活性的同时，能够更大限度的节省能耗，粒度过细会增加混凝土自身开裂的可能性。所述煤气化粗渣的含量为20～60重量份，更具体的，所述煤气化粗渣的含量为30～50重量份，更具体地，所述煤气化粗渣的含量20重量份、21重量份、22重量份、23重量份、24重量份、25重量份、28重量份、30重量份、33重量份、36重量份、 37重量份、40重量份、42重量份、45重量份、48重量份、52重量份、 58重量份。

所述石膏为工业副产物石膏，其具体选自脱硫石膏、磷石膏、氟石膏、柠檬石膏和废陶模石膏中的一种或多种。所述石膏的粒度D90 为30～50μm，比表面积400～600m²/kg。所述石膏的含量为10～30重量份，更具体的，所述石膏的含量为12重量份、15重量份、13重量份、 17重量份、20重量份、24重量份、26重量份或30重量份。

所述钢渣选自转炉钢渣、热泼钢渣、热闷钢渣、滚筒钢渣和电炉渣中的一种或多种。所述钢渣的粒度D90为30～40μm或比表面积 400～600m²/kg；所述钢渣为除铁后的钢渣，含铁量为0.5～10％。所述钢渣的含量为30～50重量份，更具体的，所述钢渣的含量为32重量份、34重量份、35重量份、38重量份、42重量份、41重量份、45 重量份、47重量份或50重量份。

所述石灰窑收尘灰中CaO含量为40～60％，烧失量15～30％。所述石灰窑收尘灰的含量为0～15重量份，更具体的，所述石灰窑收尘灰的含量为2重量份、5重量份、6重量份、7重量份、8重量份、10重量份、13重量份或15重量份。

上述组分制备得到的胶凝材料的比表面积为450m²/kg～650m²/kg；粒度符合以下条件：0＜粒度≤80μm；0.045mm筛余0～3.0％。

本申请所述无水泥低碳混凝土由胶凝材料、细骨料、粗骨料、减水剂和水制备得到；具体的，所述胶凝材料的含量为15～25重量份，更具体的，所述胶凝材料的含量为18重量份、20重量份、21重量份、 22重量份、23重量份、24重量份或25重量份。

所述细骨料具体选自普通机制砂、河沙、钢渣砂、原状煤气化粗渣和铁尾矿砂中的一种或多种的组合。所述细骨料的含量为30～40重量份，更具体的，所述细骨料的含量为31重量份、33重量份35重量份、36重量份、37重量份、38重量份、39重量份或40重量份。

所述粗骨料具体选自普通卵石、机制破碎石子、钢渣石子、铁尾矿废石和建筑废料制石子中的一种或多种的组合。所述粗骨料的含量为35～48重量份，更具体的，所述粗骨料的含量为37重量份、39重量份、41重量份、42重量份、43重量份、45重量份、46重量份、47 重量份或48重量份。

所述减水剂具体选自萘系减水剂和聚羧酸减水剂中的一种。所述减水剂的含量为0.04～0.3重量份，更具体的，所述减水剂的含量为0.04 重量份、0.07重量份、0.10重量份、0.13重量份、0.15重量份、0.17 重量份、0.20重量份、0.22重量份、0.23重量份、0.28重量份或0.30 重量份。

本申请还提供了上述无水泥低碳混凝土的制备方法，包括以下步骤：

按照重量比将煤气化粗渣、钢渣、石膏、石灰窑收尘灰混合，得到胶凝材料；

按照重量比将胶凝材料、细骨料、粗骨料、水和减水剂混合，养护，得到混凝土。

在本申请中，所述胶凝材料的制备方法具体包括以下两种方法：

1)将钢渣进行烘干、破碎、除铁，粉磨，直至达到上述粒径或比表面积范围；

2)将煤气化粗渣进行烘干、粉磨，直至达到上述粒径或比表面积范围；

3)将石膏进行烘干、打散，直至达到上述粒径或比表面积范围；

将上述中所提及的材料与石灰窑收尘灰按照比例进行混匀即得所述胶凝材料；

或，1)将钢渣进行烘干、破碎、除铁；

2)煤气化粗渣进行烘干；

3)石膏进行烘干、打散；

将上述中所提及的材料混合粉磨至粒径或比表面积范围内，再与石灰窑收尘灰比例进行混匀即得所述胶凝材料。

在本申请中，所述养护的温度为30～60℃。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1)本发明提供的混凝土适用于中低强度的混凝土预制件使用，将水胶比控制在0.2-0.35之间，在30-60℃的预制件所需养护条件下，56 天强度均能达到相应等级的要求

2)石灰窑收尘灰通常细度很高，且含Ca较高，加入水泥体系中无法消纳，使得混凝土产生膨胀、开裂、泛碱现象，因此，石灰窑收尘灰在建材领域的使用受到了极大限制，本发明的混凝土则完全脱离了水泥体系，可以充分利用石灰窑收尘灰中的有效组分，自行产生强度，因此解决了这类废物在建材领域的应用问题，为这类固废的利用提供了新方法；

3)本发明混凝土中的胶凝材料全部采用工业固体废弃物，在没有任何水泥添加的情况下，强度性能依然表现良好；完全不使用水泥，即将水泥部分产生的碳排放量完全与混凝土生产相剥离，为降低混凝土碳排放做出了重大贡献；

4)本发明混凝土中的胶凝材料使用煤气化粗渣完全代替矿渣，可以有效降低混凝土的成本，矿渣的价格100～150元/吨，煤气化粗渣的价格40～60元/吨，仅为矿渣价格的1/3～1/2，煤气化粗渣价格优势明显；但煤气化粗渣的利用并非是常规引入就可以的，其利用的难点在于煤气化粗渣中的Ca含量相对矿渣少20％，因而活性偏低，因此之前的研究普遍认为煤气化粗渣无法完全代替矿渣作为强度主体；本发明中提出的混凝土，引入了另外一种工业固废石灰窑收尘灰，通过四种固体废弃物的协同作用，实现了煤气化粗渣无法完全代替矿渣，大幅降低了生产成本，同时为石灰窑收尘灰的建材化利用提供了一种可行方案。

为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明提供的无水泥低碳混凝土及其制备方法进行详细说明，本发明的保护范围不受以下实施例的限制。

实施例1

1)将钢渣进行烘干、破碎、除铁，粉磨至钢渣的粒度D90为35μm 或者比表面积450m²/kg；且需要经过除铁，除铁后含铁量为3.0％；

2)将煤气化粗渣进行烘干、粉磨，至煤气化粗渣的粒度D90为 25μm或者比表面积550m²/kg；

3)将石膏进行烘干、打散，至石膏的粒度D90为35μm或者比表面积450m²/kg；

4)将上述中所提及的材料按照如下比例混合：煤气化粗渣30份，钢渣40份，石膏15份，石灰窑收尘灰15份，即得到胶凝材料；

5)按表1中的重量称取胶凝材料、细骨料、粗骨料、水和减水剂，将上述原料混合均匀即得所述混凝土，优选的将混凝土装入预制件模具中，置于35℃条件下养护到规定龄期；

表1混凝土配合比数据表(每立方米混凝土材料用量：kg/m³)

实施例2

1)将钢渣进行烘干、破碎、除铁；

2)煤气化粗渣进行烘干；

3)石膏进行烘干、打散；

4)将上述中所提及的材料按照如下比例混合：煤气化粗渣40份，钢渣35份，石膏15份，石灰窑收尘灰10份，混合粉磨至比表面积为 550m²/kg；粒度符合以下条件：0＜粒度≤80μm；0.045mm筛余1.0％，再与石灰窑收尘灰按照比例进行混匀即得所述胶凝材料；

5)按表2中的重量称取胶凝材料、细骨料、粗骨料、水和减水剂，将上述原料混合均匀即得所述混凝土，优选的将混凝土装入预制件模具中，置于45℃条件下养护到规定龄期；

表2混凝土配合比数据表(每立方米混凝土材料用量：kg/m³)

胶凝材料	水	粗骨料	细骨料	减水剂
					500	150	1090	800	1.92

实施例3

1)将钢渣进行烘干、破碎、除铁，粉磨，至钢渣的粒度D90为 30μm或者比表面积500m²/kg；且需要经过除铁，除铁后含铁量为 0.5～10％；

2)将煤气化粗渣进行烘干、粉磨，至煤气化粗渣的粒度D90为 20μm或者比表面积600m²/kg；

3)将石膏进行烘干、打散，至石膏的粒度D90为35μm或者比表面积450m²/kg；

4)将上述中所提及的材料按照如下比例混合：煤气化粗渣50份，钢渣35份，石膏10份，石灰窑收尘灰5份，即得到胶凝材料。

5)按表3中的重量称取胶凝材料、细骨料、粗骨料、水和减水剂，将上述原料混合均匀即得所述混凝土，优选的将混凝土装入预制件模具中，置于55℃条件下养护到规定龄期；

表3混凝土配合比数据表(每立方米混凝土材料用量：kg/m³)

胶凝材料	水	粗骨料	细骨料	减水剂
					600	160	980	900	1.52

对比例1

1)将钢渣进行烘干、破碎、除铁，粉磨，至钢渣的粒度D90为 35μm或者比表面积450m²/kg；需要经过除铁，除铁后含铁量为3.0％；

2)将矿渣进行烘干、粉磨，至煤气化粗渣的粒度D90为25μm或者比表面积550m²/kg；

3)将石膏进行烘干、打散，至石膏的粒度D90为35μm或者比表面积450m²/kg；

4)将上述中所提及的材料按照如下比例混合：矿渣30份，钢渣 55份，石膏15份，即得到胶凝材料；

5)按表4中的重量称取胶凝材料、细骨料、粗骨料、水和减水剂，将上述原料混合均匀即得所述混凝土，优选的将混凝土装入预制件模具中，置于35℃条件下养护到规定龄期；

表4混凝土配合比数据表(每立方米混凝土材料用量：kg/m³)

胶凝材料	水	粗骨料	细骨料	减水剂
					400	150	1090	800	1.9

对比例2

1)将钢渣进行烘干、破碎、除铁，粉磨至钢渣的粒度D90为35μm 或者比表面积450m²/kg；且需要经过除铁，除铁后含铁量为3.0％；

2)将煤气化粗渣进行烘干、粉磨，至煤气化粗渣的粒度D90为 25μm或者比表面积550m²/kg；

3)将石膏进行烘干、打散，至石膏的粒度D90为35μm或者比表面积450m²/kg；

4)将上述中所提及的材料按照如下比例混合：煤气化粗渣22份，钢渣60份，石膏15份，石灰窑收尘灰3份，即得到胶凝材料；

5)按表5中的重量称取胶凝材料、细骨料、粗骨料、水和减水剂，将上述原料混合均匀即得所述混凝土，优选的将混凝土装入预制件模具中，置于35℃条件下养护到规定龄期；

表5混凝土配合比数据表(每立方米混凝土材料用量：kg/m³)

胶凝材料	水	粗骨料	细骨料	减水剂
					400	150	1090	800	1.9

对比例3

1)将钢渣进行烘干、破碎、除铁，粉磨，至钢渣的粒度D90为 30μm或者比表面积500m²/kg；且需要经过除铁，除铁后含铁量为 0.5～10％；

2)将煤气化粗渣进行烘干、粉磨，至煤气化粗渣的粒度D90为 20μm或者比表面积600m²/kg；

3)将石膏进行烘干、打散，至石膏的粒度D90为35μm或者比表面积450m²/kg；

4)将上述中所提及的材料按照如下比例混合：煤气化粗渣10份，钢渣55份，石膏10份，石灰窑收尘灰25份，即得到胶凝材料。

5)按表6中的重量称取胶凝材料、细骨料、粗骨料、水和减水剂，将上述原料混合均匀即得所述混凝土，优选的将混凝土装入预制件模具中，置于55℃条件下养护到规定龄期；

表6混凝土配合比数据表(每立方米混凝土材料用量：kg/m³)

胶凝材料	水	粗骨料	细骨料	减水剂
					600	160	980	900	1.52

分别按照实施例1～3和对比例1、2、3记载的制备方法制备混凝土，相对湿度不低于95％的恒温恒湿养护箱内养护至3d、7d、28d、 56d龄期，测试混凝土的抗压强度。胶凝材料安定性检试验依据GB/T 1346-2011《水泥标准稠度用水量、凝结时间、安定性检验方法》执行。安定性试验采用试饼法和雷氏法两种方法检测，安定性均符合国家标准。各项检测的结果参数对比表格如表7所示。

表7检验参数对比表

由上表可知，本发明制备的胶凝材料的安定性符合国家标准，本发明制备的混凝土具有优良的抗压强度。通过对比例1和实施例的对比可知，本发明制备的混凝土的强度和以钢渣为主体的胶凝材料体系混凝土强度可以达到类似效果。随着比例的改变，本发明提到的混凝土强度等级不断调高，并能到达到C30-C60混凝土预制件的强度要求，可以代替水泥混凝土制备预制件产品。煤气化粗渣中Al和Si含量高这一特点，但Ca含量低，导致其强度低，使得常规的手段无法起作用，本发明以硅的四配位同构化效应和复盐效应为基础，利用煤气化粗渣与高含Ca石灰窑收尘灰和钢渣协同，弥补了煤气化粗渣的缺点，辅助以石膏，能够产生良好的胶凝作用，并在30-60℃的条件下，成功制备出相应等级的混凝土，以供混凝土预制件使用。

同时由于本发明采用的煤气化粗渣、钢渣、石膏、石灰窑收尘灰(等均为工业固体废弃物，不仅解决了这几类工业固体废弃物的堆存和利用的问题，同时也为新型绿色建材的发展提供了新思路。

以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种无水泥低碳混凝土，由以下组分制备得到：

所述胶凝材料按重量份数计包括：煤气化粗渣20～60份，钢渣30～50份，石膏10～30份，石灰窑收尘灰0～15份。

2.根据权利要求1所述的无水泥低碳混凝土，其特征在于，所述煤气化粗渣是由煤制油工业中的煤气化过程产生的水淬渣；所述煤气化粗渣的残余碳含量为0～5％；所述煤气化粗渣的粒度D90为20～30μm或比表面积为500～700m²/kg。

3.根据权利要求1所述的无水泥低碳混凝土，其特征在于，所述石膏选自脱硫石膏、磷石膏、氟石膏、柠檬石膏和废陶模石膏中的一种或多种；所述石膏的粒度D90为30～50μm或比表面积400～600m²/kg。

4.根据权利要求1所述的无水泥低碳混凝土，其特征在于，所述石灰窑收尘灰中CaO含量为40～60％，烧失量15～30％。

5.根据权利要求1所述的无水泥低碳混凝土，其特征在于，所述钢渣的粒度D90为30～40μm或比表面积400～600m²/kg；所述钢渣为除铁后的钢渣，含铁量为0.5～10％。

6.根据权利要求1所述的无水泥低碳混凝土，其特征在于，所述胶凝材料的比表面积为450m²/kg～650m²/kg；粒度符合以下条件：0＜粒度≤80μm；0.045mm筛余0～3.0％。

7.根据权利要求1所述的无水泥低碳混凝土，其特征在于，所述胶凝材料的含量为22～24重量份。

8.根据权利要求1所述的无水泥低碳混凝土，其特征在于，所述煤气化粗渣的含量为30～50重量份。

9.根据权利要求1所述的无水泥低碳混凝土，其特征在于，所述钢渣的含量为35～45重量份，所述石灰窑收尘灰的含量为5～10重量份。

10.权利要求1～9任一项所述的无水泥低碳混凝土的制备方法，包括以下步骤：

按照重量比将煤气化粗渣、钢渣、石膏、石灰窑收尘灰混合，得到胶凝材料；

按照重量比将胶凝材料、细骨料、粗骨料、水和减水剂混合，养护，得到混凝土。