CN115466070A - 一种高性能混凝土用超低碳富硅矿物掺合料及其制备方法 - Google Patents
一种高性能混凝土用超低碳富硅矿物掺合料及其制备方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及建筑材料添加剂技术领域，公开了一种高性能混凝土用超低碳富硅矿物掺合料，有机硅渣浆焚烧飞灰25%‑50%，粉煤灰15%‑35%，低碳铬铁渣10%‑20%，水淬高炉粒化渣20%‑40%，还公开了一种高性能混凝土用超低碳富硅矿物掺合料制备方法，本发明提供的超低碳富硅矿物掺合料不仅能够增强混凝土更佳优良的力学性能、提高混凝土的密实度及长期耐久性，而且节约成本，能够利用多种工业固废，实现以废治废。
Description
技术领域
本发明涉及建筑材料添加剂技术领域，尤其涉及一种高性能混凝土用超低碳富硅矿物掺合料及其制备方法。
背景技术
混凝土作为水泥最主要的承接下游产业，是水泥高碳足迹最重要的载体。
有机硅材料是现代高新技术产业不可替代的一类新型材料，产品90%以上由甲基氯硅烷单体衍生出来。目前直接法是甲基氯硅烷唯一工业化生产方法，其生产过程副产约2%-5%含高沸物的废渣浆。有机硅渣浆中主要为沸点大于80℃的有机氯硅烷。低碳铬铁渣是冶炼碳素铬铁合金时排放的外观呈灰黑色的冶金渣是铬铁矿通过矿热电炉在1700℃下，以碳为还原剂经过高温还原后形成的冶金废渣。目前现有技术中，应用于混凝土中的矿物掺合料主要以矿渣粉、钢渣粉、粉煤灰等为主，其单独或复配使用可起到调整普通混凝土工作性能的作用，但是对于高强高性能混凝土力学性能及耐久性的提升效果非常有限。
申请号为“CN2021112242016”的中国专利公开了“一种混凝土矿物掺合料，其特征在于，以重量份数计，包括粒化高炉矿渣800-900份、脱硫石膏30-50份、石灰石30-50份、活性激发剂5-10份、添加剂2-5份；所述活性激发剂选自碱金属的硫酸盐、碱金属的硅酸盐、碱金属的磷酸盐、碱金属的草酸盐、碱金属的甲酸盐或碱金属的氢氧化物。”该发明在一定程度上提高了混凝土结构的耐久性能，抗硫酸盐侵蚀性能，强度递进率持久由于水泥强度递进率的性能，但是仍然存在以下缺陷：1）、采用大量高活性碱金属激发剂使混凝土体积稳定性差，收缩大，并具有高碱－集料反应风险；2）成本高，主要成本高在激发剂；3）对环境可能造成二次污染。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高性能混凝土用超低碳富硅矿物掺合料及其制备方法，以增强混凝土的力学性能、提高混凝土的密实度及耐久性，同时节约成本、减少对环境的影响。
为实现上述目的，本发明是采用以下技术方案实现的：
一种高性能混凝土用超低碳富硅矿物掺合料，以质量百分比计分别为：有机硅渣浆焚烧飞灰25%-50%，粉煤灰15%-35%，水淬高炉粒化渣20%-40%，低碳铬铁渣10%-20%。
进一步地，所述有机硅渣浆焚烧飞灰中的SiO2质量百分比≥86.5%。
进一步地，所述粉煤灰的主要化学成分的质量百分含量满足：SiO2≥39.5%，Al2O3≥27.8%，CaO≥1.3%,Fe2O3≤4.5%，MgO≤1%，SO3≤3.6%，其中，粉煤灰的烧失量≤3.9%。
进一步地，所述低碳铬铁渣的主要化学成分的质量百分含量满足：CaO≥45.6%，SiO2≥30.5%，Al2O3≥9.8%，MgO≤5.9%，Fe2O3≤1.5%。
进一步地，所述水淬高炉粒化渣为符合GB/T18046-2008《用于水泥和混凝土中的粒化高炉矿渣粉》的粒化高炉矿渣粉。
一种高性能混凝土用超低碳富硅矿物掺合料的制备方法，其具体步骤如下：
步骤S1，将有机硅渣浆在800℃-1200℃下焚烧10min-20min，有机硅渣浆焚烧完毕后，待烟气除尘装置冷却至室温后，收集富集于烟气除尘装置中的有机硅渣浆焚烧飞灰；
步骤S2，按照质量百分比分别称取步骤S1制得的有机硅渣浆焚烧飞灰25%-50%、粉煤灰15%-35%、水淬高炉粒化渣20%-40%以及低碳铬铁渣10%-20%，并分别研磨成粉，得到有机硅渣浆焚烧飞灰粉、粉煤灰粉、水淬高炉粒化渣粉以及低碳铬铁渣粉；
步骤S3，将步骤S2获得的有机硅渣浆焚烧飞灰粉、粉煤灰粉、水淬高炉粒化渣粉以及低碳铬铁渣粉充分混合，制得高性能混凝土用超低碳富硅矿物掺合料。
进一步地，所述步骤S2中有机硅渣浆焚烧飞灰粉的比表面积≥760m2/kg。
进一步地，所述步骤S3中粉煤灰粉、低碳铬铁渣粉和水淬高炉粒化渣粉的比表面积均≥550m2/kg。
本发明的有益效果如下：
1.本发明利用有机硅渣浆焚烧飞灰中富含大量活性纳米SiO2与粉煤灰、低碳铬铁渣和水淬高炉粒化渣中CaO、Al2O3耦合作用，降低混凝土中水泥添加量的同时可生成稳定的C-S-H凝胶和C-A-H凝胶及AFt,水化产物中复盐矿物生成量高于所替代水泥的水化产物生成量，使得混凝土内部的胶结网状结构更加致密，具备较普通混凝土更加优良的力学性能。
2.本发明将四种物料经过超细粉磨，充分激发其胶凝活性，同时实现物料颗粒间的形态效应与微集料效应，可有效改善混凝土的工作性能，极大提高混凝土的密实度及长期耐久性，更有利于配制高性能混凝土。
3.本发明提供超低碳富硅矿物掺合料用于混凝土中的水泥替代量可达30%-60%，降低了成本，同时可起到碳减排的作用；该矿物掺合料水化热低，更利于大体积高性能混凝土工程使用，减小混凝土开裂风险。
4.本发明协同利用有机硅渣浆焚烧飞灰、粉煤灰、低碳铬铁渣、水淬高炉粒化渣等多种工业固废，实现以废治废。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施的限制。
一种高性能混凝土用超低碳富硅矿物掺合料，以质量百分比计，包括有机硅渣浆焚烧飞灰25%-50%，粉煤灰15%-35%，水淬高炉粒化渣20%-40%，低碳铬铁渣10%-20%,其中，有机硅渣浆焚烧飞灰中的SiO2百分比含量≥86.5%，粉煤灰的主要化学成分的质量百分含量满足：SiO2≥39.5%，Al2O3≥27.8%，CaO≥1.3%,Fe2O3≤4.5%，MgO≤1%，SO3≤3.6%，烧失量≤3.9%，低碳铬铁渣的主要化学成分的质量百分含量满足：CaO≥45.6%，SiO2≥30.5%，Al2O3≥9.8%，MgO≤5.9%，Fe2O3≤1.5%，水淬高炉粒化渣为符合GB/T18046-2008《用于水泥和混凝土中的粒化高炉矿渣粉》的粒化高炉矿渣粉。
实施例1：
本发明中的一种高性能混凝土用超低碳富硅矿物掺合料的制备方法，其具体步骤如下：
步骤S1，将有机硅渣浆在800℃-1200℃下焚烧10min-20min，有机硅渣浆焚烧完毕后，待烟气除尘装置冷却至室温后，收集富集于烟气除尘装置中的有机硅渣浆焚烧飞灰，有机硅渣浆焚烧飞灰粉的比表面积为760m2/kg；
步骤S2，按照质量百分比分别称取步骤S1制得的有机硅渣浆焚烧飞灰25%、粉煤灰25%、水淬高炉粒化渣40%以及低碳铬铁渣10%，并分别研磨成粉，得到有机硅渣浆焚烧飞灰粉、粉煤灰粉、水淬高炉粒化渣粉以及低碳铬铁渣粉，粉煤灰粉、低碳铬铁渣粉和水淬高炉粒化渣粉的比表面积均为600m2/kg；
步骤S3，将步骤S2获得的有机硅渣浆焚烧飞灰粉、粉煤灰粉、水淬高炉粒化渣粉以及低碳铬铁渣粉充分混合，制得高性能混凝土用超低碳富硅矿物掺合料。
实施例2：
本发明中的一种高性能混凝土用超低碳富硅矿物掺合料的制备方法，其具体步骤如下：
步骤S1，将有机硅渣浆在800℃-1200℃下焚烧10min-20min，有机硅渣浆焚烧完毕后，待烟气除尘装置冷却至室温后，收集富集于烟气除尘装置中的有机硅渣浆焚烧飞灰，有机硅渣浆焚烧飞灰粉的比表面积为760m2/kg；
步骤S2，按照质量百分比分别称取步骤S1制得的有机硅渣浆焚烧飞灰30%、粉煤灰35%、水淬高炉粒化渣20%以及低碳铬铁渣15%，并分别研磨成粉，得到有机硅渣浆焚烧飞灰粉、粉煤灰粉、水淬高炉粒化渣粉以及低碳铬铁渣粉，粉煤灰粉、低碳铬铁渣粉和水淬高炉粒化渣粉的比表面积均为600m2/kg；
步骤S3，将步骤S2获得的有机硅渣浆焚烧飞灰粉、粉煤灰粉、水淬高炉粒化渣粉以及低碳铬铁渣粉充分混合，制得高性能混凝土用超低碳富硅矿物掺合料。
实施例3：
本发明中的一种高性能混凝土用超低碳富硅矿物掺合料的制备方法，其具体步骤如下：
步骤S1，将有机硅渣浆在800℃-1200℃下焚烧10min-20min，有机硅渣浆焚烧完毕后，待烟气除尘装置冷却至室温后，收集富集于烟气除尘装置中的有机硅渣浆焚烧飞灰，有机硅渣浆焚烧飞灰粉的比表面积为760m2/kg；
步骤S2，按照质量百分比分别称取步骤S1制得的有机硅渣浆焚烧飞灰35%、粉煤灰25%、水淬高炉粒化渣20%以及低碳铬铁渣20%，并分别研磨成粉，得到有机硅渣浆焚烧飞灰粉、粉煤灰粉、水淬高炉粒化渣粉以及低碳铬铁渣粉，粉煤灰粉、低碳铬铁渣粉和水淬高炉粒化渣粉的比表面积均为600m2/kg；
步骤S3，将步骤S2获得的有机硅渣浆焚烧飞灰粉、粉煤灰粉、水淬高炉粒化渣粉以及低碳铬铁渣粉充分混合，制得高性能混凝土用超低碳富硅矿物掺合料。
实施例4：
本发明中的一种高性能混凝土用超低碳富硅矿物掺合料的制备方法，其具体步骤如下：
步骤S1，将有机硅渣浆在800℃-1200℃下焚烧10min-20min，有机硅渣浆焚烧完毕后，待烟气除尘装置冷却至室温后，收集富集于烟气除尘装置中的有机硅渣浆焚烧飞灰，有机硅渣浆焚烧飞灰粉的比表面积为760m2/kg；
步骤S2，按照质量百分比分别称取步骤S1制得的有机硅渣浆焚烧飞灰40%、粉煤灰25%、水淬高炉粒化渣25%以及低碳铬铁渣10%，并分别研磨成粉，得到有机硅渣浆焚烧飞灰粉、粉煤灰粉、水淬高炉粒化渣粉以及低碳铬铁渣粉，粉煤灰粉、低碳铬铁渣粉和水淬高炉粒化渣粉的比表面积均为600m2/kg；
步骤S3，将步骤S2获得的有机硅渣浆焚烧飞灰粉、粉煤灰粉、水淬高炉粒化渣粉以及低碳铬铁渣粉充分混合，制得高性能混凝土用超低碳富硅矿物掺合料。
实施例5：
本发明中的一种高性能混凝土用超低碳富硅矿物掺合料的制备方法，其具体步骤如下：
步骤S1，将有机硅渣浆在800℃-1200℃下焚烧10min-20min，有机硅渣浆焚烧完毕后，待烟气除尘装置冷却至室温后，收集富集于烟气除尘装置中的有机硅渣浆焚烧飞灰，有机硅渣浆焚烧飞灰粉的比表面积为760m2/kg；
步骤S2，按照质量百分比分别称取步骤S1制得的有机硅渣浆焚烧飞灰45%、粉煤灰15%、水淬高炉粒化渣30%以及低碳铬铁渣10%，并分别研磨成粉，得到有机硅渣浆焚烧飞灰粉、粉煤灰粉、水淬高炉粒化渣粉以及低碳铬铁渣粉，粉煤灰粉、低碳铬铁渣粉和水淬高炉粒化渣粉的比表面积均为600m2/kg；
步骤S3，将步骤S2获得的有机硅渣浆焚烧飞灰粉、粉煤灰粉、水淬高炉粒化渣粉以及低碳铬铁渣粉充分混合，制得高性能混凝土用超低碳富硅矿物掺合料。
实施例6：
本发明中的一种高性能混凝土用超低碳富硅矿物掺合料的制备方法，其具体步骤如下：
步骤S1，将有机硅渣浆在800℃-1200℃下焚烧10min-20min，有机硅渣浆焚烧完毕后，待烟气除尘装置冷却至室温后，收集富集于烟气除尘装置中的有机硅渣浆焚烧飞灰，有机硅渣浆焚烧飞灰粉的比表面积为760m2/kg；
步骤S2，按照质量百分比分别称取步骤S1制得的有机硅渣浆焚烧飞灰50%、粉煤灰15%、水淬高炉粒化渣25%以及低碳铬铁渣10%，并分别研磨成粉，得到有机硅渣浆焚烧飞灰粉、粉煤灰粉、水淬高炉粒化渣粉以及低碳铬铁渣粉，粉煤灰粉、低碳铬铁渣粉和水淬高炉粒化渣粉的比表面积均为600m2/kg；
步骤S3，将步骤S2获得的有机硅渣浆焚烧飞灰粉、粉煤灰粉、水淬高炉粒化渣粉以及低碳铬铁渣粉充分混合，制得高性能混凝土用超低碳富硅矿物掺合料。
实验对比论证
将实施例1-6中所得超低碳富硅矿物掺合料按照以下配合比进行制备高性能混凝土，高性能混凝土配合比为：水泥240kg/m3，掺合料240kg/m3，砂子766kg/m3，石子1003kg/m3，水150kg/m3，聚羧酸高效减水剂4.95kg/m3。
对比例1
选用一种普通高性能混凝土矿物掺合料，所述掺合料由以下质量分数原料组成：粉煤灰50%，矿渣微粉30%，钢渣粉15%和硅灰5%，其中，粉煤灰为符合GB/T1596-2017《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》的Ⅰ级灰，矿渣微粉为S95级，比表面积420m2/kg，钢渣微粉比表面积450m2/kg。
按照以下配合比进行制备通用高性能混凝土，高性能混凝土配合比为：水泥240kg/m3，掺合料240kg/m3，砂子766kg/m3，石子1003kg/m3，水150kg/m3，聚羧酸高效减水剂4.95kg/m3。
对比例2
将实施例4中所得超低碳富硅矿物掺合料按照以下配合比进行制备高性能混凝土，高性能混凝土配合比为：水泥220kg/m3，掺合料260kg/m3，砂子706kg/m3，石子1003kg/m3，水150kg/m3，聚羧酸高效减水剂4.95kg/m3。
对比例3
将实施例4中所得超低碳富硅矿物掺合料按照以下配合比进行制备高性能混凝土，高性能混凝土配合比为：水泥200kg/m3，掺合料280kg/m3，砂子766kg/m3，石子1003kg/m3，水150kg/m3，聚羧酸高效减水剂4.95kg/m3。
对比例4
将实施例4中所得超低碳富硅矿物掺合料按照以下配合比进行制备高性能混凝土，高性能混凝土配合比为：水泥170kg/m3，掺合料310kg/m3，砂子766kg/m3，石子1003kg/m3，水150kg/m3，聚羧酸高效减水剂4.95kg/m3。
对比例5
将实施例4中所得超低碳富硅矿物掺合料按照以下配合比进行制备高性能混凝土，高性能混凝土配合比为：水泥140kg/m3，掺合料340kg/m3，砂子766kg/m3，石子1003kg/m3，水150kg/m3，聚羧酸高效减水剂4.95kg/m3。
将实施例1-6与对比例1-5中将原料置于混凝土搅拌机中搅拌均匀，于温度20±5℃，相对湿度不低于60%的条件下注入100mm×100mm×100mm模具中，置于混凝土振动台上振动成型，测试其相关性能；所制备的混凝土试块置于养护温度20℃±2℃、相对湿度不低于95%的标准养护条件下养护24h后脱模，继续置于养护温度20℃±2℃、相对湿度不低于95%的恒温恒湿养护箱内养护至3d、28d龄期，测试混凝土的抗压强度，测试混凝土56d抗氯离子渗透性及90d收缩率、碳化深度。上述测试结果如表1所示：
由表1可知，本发明超低碳富硅矿物掺合料对混凝土工作性能、力学性能及耐久性贡献明显，其具体使用掺加量，可根据混凝土设计参数进行调整。上述具体实施例仅为优选，但并非对实施方式的限制。
综上所述：本发明提供的超低碳富硅矿物掺合料不仅能够增强混凝土更佳优良的力学性能、提高混凝土的密实度及长期耐久性，而且节约成本，能够利用多种工业固废，实现以废治废。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点，对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明；因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。
Claims (7)
1.一种高性能混凝土用超低碳富硅矿物掺合料，其特征在于，以质量百分比计分别为：有机硅渣浆焚烧飞灰25%-50%，粉煤灰15%-35%，水淬高炉粒化渣20%-40%，低碳铬铁渣10%-20%。
2.根据权利要求1所述的一种高性能混凝土用超低碳富硅矿物掺合料，其特征在于：所述有机硅渣浆焚烧飞灰中的SiO2质量百分比≥86.5%。
3.根据权利要求1所述的一种高性能混凝土用超低碳富硅矿物掺合料，其特征在于：所述粉煤灰的主要化学成分的质量百分含量满足：SiO2≥39.5%，Al2O3≥27.8%，CaO≥1.3%,Fe2O3≤4.5%，MgO≤1%，SO3≤3.6%，其中，粉煤灰的烧失量≤3.9%。
4.根据权利要求1所述的一种高性能混凝土用超低碳富硅矿物掺合料，其特征在于：所述低碳铬铁渣的主要化学成分的质量百分含量满足：CaO≥45.6%，SiO2≥30.5%，Al2O3≥9.8%，MgO≤5.9%，Fe2O3≤1.5%。
5.一种高性能混凝土用超低碳富硅矿物掺合料的制备方法，其具体步骤如下：
步骤S1，将有机硅渣浆在800℃-1200℃下焚烧10min-20min，有机硅渣浆焚烧完毕后，待烟气除尘装置冷却至室温后，收集富集于烟气除尘装置中的有机硅渣浆焚烧飞灰；
步骤S2，按照质量百分比分别称取步骤S1制得的有机硅渣浆焚烧飞灰25%-50%、粉煤灰15%-35%、水淬高炉粒化渣20%-40%以及低碳铬铁渣10%-20%，并分别研磨成粉，得到机硅渣焚烧飞灰粉、粉煤灰粉、水淬高炉粒化渣粉以及低碳铬铁渣粉；
步骤S3，将步骤S2获得的有机硅渣浆焚烧飞灰粉、粉煤灰粉、水淬高炉粒化渣粉以及低碳铬铁渣粉充分混合，制得高性能混凝土用超低碳富硅矿物掺合料。
6.根据权利要求5所述的一种高性能混凝土用超低碳富硅矿物掺合料的制备方法，其特征在于：所述步骤S1中有机硅渣浆焚烧飞灰粉的比表面积≥760m2/kg。
7.根据权利要求5所述的一种高性能混凝土用超低碳富硅矿物掺合料的制备方法，其特征在于：所述步骤S2中粉煤灰粉、低碳铬铁渣粉和水淬高炉粒化渣粉的比表面积均≥550m2/kg。
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