CN114349431A - 一种复合碱激发锂渣低温早强混凝土及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种复合碱激发锂渣低温早强混凝土及其制备方法，按重量份计，包括2‑14份超细锂渣浆料、3‑9份纳米电石渣浆料、27‑35份水泥、2‑4份硫酸钙、0.1‑0.2份柠檬酸钠、65‑75份细骨料、90‑100份粗骨料、7‑15份水、1.2份减水剂、和0.3份防冻剂。本发明选取固废为原材料进行制备，有助于减轻环境压力。所制备的混凝土具有良好的强度、抗渗性和耐低温性能。可广泛应用于低温地区建筑用混凝土。

Description

一种复合碱激发锂渣低温早强混凝土及其制备方法
技术领域
本发明属于建筑材料技术领域，具体涉及一种复合碱激发锂渣低温早强混凝土及其制备方法。
背景技术
新疆地域广阔，部分地区海拔高、气温低，制约了工期和建筑材料的使用。目前矿物掺合料已成为混凝土中不可缺少的组成部分,采用矿物掺合料替代部分水泥,既可以保护环境又能降低水泥的生产成本。但目前传统的矿物掺合料在低温养护混凝土中效果并不理想,如果矿物掺合料选取的配比不当甚至会产生反作用，且之前研究多在常温下进行,而低温环境下的早强效果有限(尤其是在-5℃左右),并且多数早强剂会对混凝土后期耐久性产生危害,缩短混凝土服役寿命。
新疆是我国锂渣的主要产地。锂渣是锂矿生产中的废弃物,大量产生给生态环境保护造成很大影响,将其用于混凝土生产有助于保护环境。为了使用这些固体废弃物,本发明制备一种复合碱激发锂渣,使其在低温下迅速激发锂渣活性,改善混凝土的孔结构,使混凝土在低温条件下获得更高的早期强度并且不影响混凝土后期耐久性,满足冬季施工技术要求,在冬季施工和降低工程成本方面取得有益效果。
公开号为CN102797358 A的专利申请公开了一种严寒地区铁路施工用超低温高性能混凝土的施工工艺。该工艺施工步骤简单且施工成本低。但该工艺的复合防冻剂主要成分为硝酸盐,虽然能够起到一定的防冻效果,但添加硝酸盐一方面防冻效果有限，无法适用于较低温度下的混凝土的防冻；另一方面提高了混凝土的含碱量,易发生碱骨料反应,影响混凝土质量。
公开号为CN113061003 A的专利申请公开了一种低温超高性能混凝土及其制备方法和应用。该发明采用多种原料复合制备，协同提高超高性能混凝土的低温性能。但该发明中的早强剂主要成分为甲酸钙，它容易使混凝土出现开裂的现象,使得混凝土的抗压强度随着反复冻融试验的进行而快速下降,从而影响混凝土的持久抗冻性。
公开号为CN111018436 A的专利申请公开了一种高强抗渗抗冻混凝土及其加工工艺。其中的外加剂使用的是PCA(I)型减缩引气型外加剂。引气剂虽然能够提高混凝土的耐低温性，但在混凝土中添加引气剂后,会使混凝土内形成很多密闭的气泡,气泡在混凝土内部占据一定空间,使混凝土截面减小,进而使混凝土的强度降低,在一定程度上限制了混凝土的使用。
基于现有技术存在的若干问题，本发明拟设计一种复合碱激发锂渣低温早强混凝土及其制备方法，通过选取工业固废为原材料进行制备，减轻环境压力；基于新疆是我国锂渣生产的主要基地，将锂渣用于混凝土的生产方便就地取材，降低造价；用复合碱激发锂渣制备的低温早强混凝土具有良好的抗压强度和耐低温性能，可在实际中推广应用。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明为解决现有技术中存在的问题采用的技术方案如下：
一种复合碱激发锂渣低温早强混凝土，其特征在于：按重量份计，包括2-14份超细锂渣浆料、3-9份纳米电石渣浆料、27-35份水泥、2-4份硫酸钙、0.1-0.2份柠檬酸钠、65-75份细骨料、90-100份粗骨料、7-15份水、1.2份减水剂、和0.3份防冻剂。
所述水泥为普通硅酸盐水泥，型号为P·I 52.5；水灰比为0.4-0.5。
所述细骨料为河砂或机制砂中的任意一种；粗骨料粒径范围为7-28mm。
所述减水剂为聚羧酸盐系减水剂、木质素磺酸盐类减水剂中的一种或几种的组合物。
所述防冻剂为质量比为1:20的三乙醇胺和甲酸钠。
一种复合碱激发锂渣低温早强混凝土的制备方法，包括如下步骤：
步骤1、分别将锂渣、电石渣进行干法研磨15-30min，通过筛分得到20-25μm的锂渣粉末和电石渣粉末；
步骤2、取1-7份锂渣粉末、1-7份水混合后湿磨20-60min，得到2-14份超细锂渣浆料；
步骤3、取1-3份电石渣粉末、2-6份水混合后湿磨20-60min，得到3-9份纳米电石渣浆料；
步骤4、取步骤/2和3中所得2-14份超细锂渣浆料、3-9份纳米电石渣浆料与27-35份水泥、2-4份硫酸钙、0.1-0.2份柠檬酸钠、65-75份细骨料、90-100份粗骨料、7-15份水、1.2份减水剂、0.3份防冻剂进行混合搅拌；
步骤5、经过振捣、成型、养护得到低温早强混凝土。
所述锂渣粉末的比重为2.4-2.6g/cm3。
所述湿磨过程中球料比为1:3，研磨球为1.0-1.2mm，磨机转速为350-400r/min；湿磨后的锂渣浆料粒径级配为0.37-0.76μm。
所述湿磨过程中球料比为1:3，研磨球为1.0-1.2mm，磨机转速为350-400r/min；湿磨后的纳米电石渣浆料粒径级配为0.21-0.32μm。
本发明具有如下优点：
1、锂渣的有益效果：1)促进混凝土早期强度的提高：锂渣中所含的碳酸锂通过增大混凝土液相离子接触面积和破除离子表面水膜，来缩短水化诱导期，加速C3S、C2S的水化进程，促进AFt、AFm的生成，从而加速整体水化反应，提高早期强度；2)促进混凝土后期强度的提高：锂渣中含大量的SiO2、Al2O3，且易磨性高，用湿磨工艺通过物理机械冲击力激发锂渣潜在的火山灰活性，对后期强度增长起到促进作用；3)提高混凝土的耐久性：锂渣粉的掺入可以有效改善混凝土在低温条件下由于冻融循环所引起的结构破坏，降低氯离子渗透性。锂渣粉还可发挥其火山灰效应，与水泥水化反应生成的Ca(OH)2发生二次反应，一方面生成了更多的水化产物，提高了混凝土固化氯离子的能力；另一方面，由于Ca(OH)2数量的减少，减弱了其在浆骨界面的定向排列和富集程度，界面结构得以优化，再加上更多的低碱度水化硅酸钙凝胶使水泥石结构更为密实，从而提高了混凝土抗氯离子渗透能力。
2、纳米电石渣的有益效果：其溶解的电石渣颗粒能够大幅提升浆体孔溶液离子浓度，有效改善低温环境下Ca(OH)2溶解度增大导致的水泥矿物反应迟缓问题，促进反应产物快速沉淀，推动水化反应进行。同时其纳米晶核效应，未溶解的电石渣颗粒可诱导氢氧化钙晶体生长，进而促进水泥水化，对早期强度发展起到贡献作用。
3、复合碱激发的有益效果：以硫酸钙和纳米电石渣复合碱激发锂渣，在激发锂渣活性的同时，弥补了锂渣体系中钙离子浓度较低的状况。其中硫酸钙作为碱激发剂的同时也起到了早强剂的作用。
4、柠檬酸钠的有益效果：不但可以络合钙离子，促进硅酸盐矿物反应；还可以调控钙矾石晶体的形貌(细小针状)，加快钙矾石生成速度，促进铝酸盐矿物反应。
具体实施方式
下面通过实施例，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。
对比例1(无电石渣作用)：
复合碱激发锂渣制备低温早强混凝土的方法，包括以下步骤：
步骤一:分别将锂渣、电石渣进行干法研磨15-30min，通过筛分得到20-25μm的锂渣粉末和电石渣粉末；
步骤二:取3.4份锂渣粉末、3.4份水混合后湿磨60min，得到6.8份超细锂渣浆料。
步骤三：取步骤二中所得6.8份超细锂渣浆料与30.6份水泥、0.3份硫酸钙、0.2份柠檬酸钠、70份河砂、96份碎石、10.6份拌合用水、1.2份减水剂、0.3份防冻剂进行混合搅拌；
步骤四：经过振捣、成型、养护得到低温早强混凝土。
对比例2(无硫酸钙作用)：
步骤一:分别将锂渣、电石渣进行干法研磨15-30min，通过筛分得到20-25μm的锂渣粉末和电石渣粉末；
步骤二:取3.4份锂渣粉末、3.4份水混合后湿磨60min，得到6.8份超细锂渣浆料；
步骤三:取2份电石渣粉末、4份水混合后湿磨60min，得到6份纳米电石渣浆料；
步骤四：取步骤二和三中所得6.8份超细锂渣浆料、6份纳米电石渣浆料与30.6份水泥、0.2份柠檬酸钠、70份河砂、96份碎石、10.6份拌合用水、1.2份减水剂、0.3份防冻剂进行混合搅拌；
步骤五：经过振捣、成型、养护得到低温早强混凝土。
对比例3(无柠檬酸钠作用)：
复合碱激发锂渣制备低温早强混凝土的方法，包括以下步骤：
步骤一:分别将锂渣、电石渣进行干法研磨15-30min，通过筛分得到20-25μm的锂渣粉末和电石渣粉末；
步骤二:取3.4份锂渣粉末、3.4份水混合后湿磨60min，得到6.8份超细锂渣浆料；
步骤三:取2份电石渣粉末、4份水混合后湿磨60min，得到6份纳米电石渣浆料；
步骤四：取步骤二和三中所得6.8份超细锂渣浆料、6份纳米电石渣浆料与30.6份水泥、0.3份硫酸钙、70份河砂、96份碎石、10.6份拌合用水、1.2份减水剂、0.3份防冻剂进行混合搅拌；
步骤五：经过振捣、成型、养护得到低温早强混凝土。
实施例1：
复合碱激发锂渣制备低温早强混凝土的方法，包括以下步骤：
步骤一:分别将锂渣、电石渣进行干法研磨15-30min，通过筛分得到20-25μm的锂渣粉末和电石渣粉末；
步骤二:取3.4份锂渣粉末、3.4份水混合后湿磨60min，得到6.8份超细锂渣浆料；
步骤三:取2份电石渣粉末、4份水混合后湿磨60min，得到6份纳米电石渣浆料；
步骤四：取步骤二和三中所得6.8份超细锂渣浆料、6份纳米电石渣浆料与30.6份水泥、0.3份硫酸钙、0.2份柠檬酸钠、70份河砂、96份碎石、10.6份拌合用水、1.2份减水剂、0.3份防冻剂进行混合搅拌；
步骤五：经过振捣、成型、养护得到低温早强混凝土。
实施例2：
复合碱激发锂渣制备低温早强混凝土的方法，包括以下步骤：
步骤一:分别将锂渣、电石渣进行干法研磨15-30min，通过筛分得到20-25μm的锂渣粉末和电石渣粉末；
步骤二:取5.1份锂渣粉末、5.1份水混合后湿磨60min，得到10.2份超细锂渣浆料；
步骤三:取2份电石渣粉末、4份水混合后湿磨60min，得到6份纳米电石渣浆料；
步骤四：取步骤二和三中所得10.2份超细锂渣浆料、6份纳米电石渣浆料与28.9份水泥、0.3份硫酸钙、0.2份柠檬酸钠、70份河砂、96份碎石、8.9份拌合用水、1.2份减水剂、0.3份防冻剂进行混合搅拌；
步骤五：经过振捣、成型、养护得到低温早强混凝土。
实施例3：
复合碱激发锂渣制备低温早强混凝土的方法，包括以下步骤：
步骤一:分别将锂渣、电石渣进行干法研磨15-30min，通过筛分得到20-25μm的锂渣粉末和电石渣粉末；
步骤二:取5.1份锂渣粉末、5.1份水混合后湿磨20min，得到10.2份超细锂渣浆料；
步骤三:取2份电石渣粉末、4份水混合后湿磨20min，得到6份纳米电石渣浆料；
步骤四：取步骤二和三中所得10.2份超细锂渣浆料、6份纳米电石渣浆料与28.9份水泥、0.3份硫酸钙、0.2份柠檬酸钠、70份河砂、96份碎石、8.9份拌合用水、1.2份减水剂、0.3份防冻剂进行混合搅拌；
步骤五：经过振捣、成型、养护得到低温早强混凝土。
实施例4：
复合碱激发锂渣制备低温早强混凝土的方法，包括以下步骤：
步骤一:分别将锂渣、电石渣进行干法研磨15-30min，通过筛分得到20-25μm的锂渣粉末和电石渣粉末；
步骤二:取3.4份锂渣粉末、3.4份水混合后湿磨40min，得到6.8份超细锂渣浆料；
步骤三:取2份电石渣粉末、4份水混合后湿磨40min，得到6份纳米电石渣浆料；
步骤四：取步骤二和三中所得6.8份超细锂渣浆料、6份纳米电石渣浆料与30.6份水泥、0.3份硫酸钙、0.2份柠檬酸钠、70份河砂、96份碎石、10.6份拌合用水、1.2份减水剂、0.3份防冻剂进行混合搅拌；
步骤五：经过振捣、成型、养护得到低温早强混凝土。
下表1为上述对比例1-3和实施例1-4中各组分及其重量分数，表2、表3为上述对比例1-3和实施例1-4中性能测试结果。
表1对比例1-3、实施例1-4中各组分及其重量份数
Figure BDA0003479906610000091
表2低温(-5℃)早强混凝土性能
Figure BDA0003479906610000092
Figure BDA0003479906610000101
表3常温(20℃)早强混凝土性能
Figure BDA0003479906610000102
Figure BDA0003479906610000111
由上述实验数据可以看出，本发明用复合碱激发锂渣制备的低温早强混凝土的3组对比例、4组实施例，通过改变湿磨时间和掺量，并分别控制纳米电石渣浆料、硫酸钙、柠檬酸钠三个变量，由实施例1-4可以看出，湿磨时间为60min，掺量为10％时效果最好。以此为基础，分别控制纳米电石渣浆料、硫酸钙、柠檬酸钠三个变量。通过对比例1-3与实施例1相对比，可以看出纳米电石渣浆料、硫酸钙、柠檬酸钠都对提高强度具有明显效果。本发明制备的低温早强混凝土各龄期抗压强度、抗冻融循环性能等均优于对比样，具有良好的耐低温性能。
本发明混凝土早期强度的提高原因在于：(1)以硫酸钙和纳米电石渣复合碱激发锂渣，在激发锂渣活性的同时，弥补了锂渣体系中钙离子浓度较低的状况。其中硫酸钙作为碱激发剂的同时也起到了提高早期强度的作用；(2)纳米电石渣的掺入能够大幅提升浆体孔溶液离子浓度，有效改善低温环境下Ca(OH)2溶解度增大导致的水泥矿物反应迟缓问题，促进反应产物快速沉淀，推动水化反应进行。同时其纳米晶核效应，未溶解的电石渣颗粒可诱导氢氧化钙晶体生长，进而促进水泥水化，对早期强度发展起到贡献作用；(3)锂渣中所含有的碳酸锂对早期强度有促进作用，通过增大混凝土液相离子接触面积以及破除离子表面水膜起到缩短水化诱导期的作用，通过加速C3S、C2S的水化进程促进AFt、AFm的生成，从而达到加速水化反应提高早期强度的作用；(4)柠檬酸钠不但可以络合钙离子，促进硅酸盐矿物反应；还可以调控钙矾石晶体的形貌(细小针状)，加快钙矾石生成速度，促进铝酸盐矿物反应。
本发明混凝土后期强度持续提高而不产生倒缩原因在于：锂渣中含有大量的SiO2、Al2O3，且易磨性较高，以湿磨工艺，通过物理机械冲击力激发锂渣潜在火山灰活性，对后期强度增长起到促进作用。
本发明的保护范围并不限于上述的实施例，显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变形而不脱离本发明的范围和精神。倘若这些改动和变形属于本发明权利要求及其等同技术的范围内，则本发明的意图也包含这些改动和变形在内。

Claims (9)

1.一种复合碱激发锂渣低温早强混凝土，其特征在于：按重量份计，包括2-14份超细锂渣浆料、3-9份纳米电石渣浆料、27-35份水泥、2-4份硫酸钙、0.1-0.2份柠檬酸钠、65-75份细骨料、90-100份粗骨料、7-15份水、1.2份减水剂、和0.3份防冻剂。
2.如权利要求1所述的一种复合碱激发锂渣低温早强混凝土，其特征在于：所述水泥为普通硅酸盐水泥，型号为P·I 52.5；水灰比为0.4-0.5。
3.如权利要求1所述的一种复合碱激发锂渣低温早强混凝土，其特征在于：所述细骨料为河砂或机制砂中的任意一种；粗骨料粒径范围为7-28mm。
4.如权利要求1所述的一种复合碱激发锂渣低温早强混凝土，其特征在于：所述减水剂为聚羧酸盐系减水剂、木质素磺酸盐类减水剂中的一种或几种的组合物。
5.如权利要求1所述的一种复合碱激发锂渣低温早强混凝土，其特征在于：所述防冻剂为质量比为1:20的三乙醇胺和甲酸钠。
6.如权利要求1-5任一项所述的一种复合碱激发锂渣低温早强混凝土的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1、分别将锂渣、电石渣进行干法研磨15-30min，通过筛分得到20-25μm的锂渣粉末和电石渣粉末；
步骤2、取1-7份锂渣粉末、1-7份水混合后湿磨20-60min，得到2-14份超细锂渣浆料；
步骤3、取1-3份电石渣粉末、2-6份水混合后湿磨20-60min，得到3-9份纳米电石渣浆料；
步骤4、取步骤/2和3中所得2-14份超细锂渣浆料、3-9份纳米电石渣浆料与27-35份水泥、2-4份硫酸钙、0.1-0.2份柠檬酸钠、65-75份细骨料、90-100份粗骨料、7-15份水、1.2份减水剂、0.3份防冻剂进行混合搅拌；
步骤5、经过振捣、成型、养护得到低温早强混凝土。
7.如权利要求6所述的一种复合碱激发锂渣低温早强混凝土的制备方法，其特征在于：所述锂渣粉末的比重为2.4-2.6g/cm3。
8.如权利要求6所述的一种复合碱激发锂渣低温早强混凝土的制备方法，其特征在于：所述步骤2湿磨过程中球料比为1:3，研磨球为1.0-1.2mm，磨机转速为350-400r/min；湿磨后的锂渣浆料粒径级配为0.37-0.76μm。
9.如权利要求6所述的一种复合碱激发锂渣低温早强混凝土的制备方法，其特征在于：所述步骤3湿磨过程中球料比为1:3，研磨球为1.0-1.2mm，磨机转速为350-400r/min；湿磨后的纳米电石渣浆料粒径级配为0.21-0.32μm。
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