CN116835953A - 一种高强度低碳混凝土及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及建筑材料技术领域，具体公开了一种高强度低碳混凝土及其制备方法。一种高强度低碳混凝土，包括如下重量份原料：凝灰岩60‑80份、赤泥30‑40份、粒化高炉矿渣20‑30份、碱性激发剂0‑0.5份、石灰粉20‑30份、硫酸钙石膏5‑8份、减水剂5‑10份、天然砂10‑15份、多羟基醇胺20‑30份、拌合水90‑200份；其制备方法为：将拌合水加热到60‑70℃后加入称量好的硫酸钙石膏、赤泥、天然砂、粒化高炉矿渣、石灰粉与凝灰岩搅拌均匀，然后依次加入多羟基醇胺、减水剂与碱性激发剂继续搅拌，浇筑到模具后振动成型，脱模养护后得到高强度低碳混凝土。本申请的高强度低碳混凝土在具有低二氧化碳排放的同时具有抗压强度高，重金属元素不易溶出的优点。
Description
技术领域
本申请涉及建筑材料技术领域，更具体地说，它涉及一种高强度低碳混凝土及其制备方法。
背景技术
人为温室气体排放，尤其是CO2排放，是导致全球气候变暖的主要原因。自从工业化前时代起，大气中的CO2浓度出现了大幅度增加，水泥作为混凝土的主要成分，每生产1吨水泥熟料将会排放约1吨CO2，污染巨大，在全球节能、降耗、减排的大趋势下，“低碳与环境友好、资源合理利用、节能减排利废”是混凝土行业的发展方向。而混凝土碳含量中约96％来自于水泥，水泥工业因其庞大的产量规模在生产过程中燃料和碳酸盐的分解而排放大量的C02。因此采用有效手段优化混凝土配合比，从根本上降低其生产过程的碳排放，减少污染，实现绿色生产，具有重要的现实意义。
赤泥作为典型大宗固废，目前综合利用率不超过6％，主要以堆存为主。但由于赤泥碱性强、盐分高、含有重金属，堆放不仅占用大量土地，破坏植被，还严重污染周围土壤与水体，尤其在恶劣气候条件下易引发溃坝，严重威胁周边环境及居民生产和生活安全；但将其应用到混凝土中，能够替代水泥功能应用于道路、桥梁、隧道等工程领域，赤泥在混凝土中的应用,特别是在新型碱激发混凝土中的应用潜力巨大。
赤泥的主要成分为CaO、SiO2、Al2O3、Na2O等,可以为混凝土提供碱性环境，有利于内部钢筋的钝化，但赤泥的加入会导致混凝土的抗压强度较低。
发明内容
为了解决高强度低碳混凝土中抗压强度不高的问题，本申请提供一种高强度低碳混凝土及其制备方法。
第一方面，本申请提供一种高强度低碳混凝土，采用如下的技术方案：
一种高强度低碳混凝土，包括如下重量份原料：
凝灰岩60-80份、赤泥30-40份、粒化高炉矿渣20-30份、碱性激发剂0-0.5份、石灰粉20-30份、硫酸钙石膏5-8份、减水剂5-10份、天然砂10-15份、多羟基醇胺20-30份、拌合水90-200份。
通过采用上述技术方案，硫酸钙石膏与石灰粉是通过干燥结晶和碳化作用而硬化的气硬性胶凝材料，不会产生二氧化碳，甚至在固化过程中可以吸收二氧化碳实现低碳甚至是负碳，凝灰岩主要化学成分为SiO2、Al2O3，是天然的硅铝材料，混凝土中加入凝灰岩、粒化高炉矿渣与石灰粉代替水泥在高碱性赤泥的作用下水解，先溶解解聚出钙、硅、铝粒子后，发生水化反应生成水化硅酸盐和水化铝酸盐，继而与硫酸钙石膏反应生成钙矾石、水化硅酸钙以及少量单硫型的水化硫铝酸钙和水滑石，极大提高材料的抗压强度。赤泥在多羟基醇胺的帮助下参与水化反应过程，多羟基醇胺可以与赤泥中的重金属元素发生螯合作用形成络合物，使重金属不易溶出，污染环境，形成的金属络合物具有优良的力学性能进一步提高混凝土的抗压强度。
较优的，赤泥选择烧结法或联合法得到的赤泥，烧结法赤泥与联合法赤泥中硅酸二钙矿物含量较高，有利于后续水化反应中水化产物的生成，更多的水化物填充在浆料孔隙中，减小孔的体积，从而提高材料的抗压性能。
可选的，所述凝灰岩为与硫酸钙石膏混合高速研磨过筛后得到的活化凝灰岩。
通过上述技术方案，凝灰岩与硫酸钙预先研磨接触，打开凝灰岩中的Al-Si键，使其更容易溶出，提前活化凝灰岩使其更易于组分中的其他成分反应。
可选的，所述高强度低碳混凝土包括如下重量份原料：
活化凝灰岩60-80份、赤泥30-40份、粒化高炉矿渣20-30份、碱性激发剂0-0.5份、石灰粉20-30份、硫酸钙石膏5-8份、减水剂5-10份、天然砂10-15份、多羟基醇胺20-30份、拌合水90-200份。
通过上述技术方案，经过活化后的凝灰岩与材料中其他成分有更好的反应活性，能够促进混凝土浆体中水化反应的产生，增多水化产物的产生，填补钙矾石、氢氧化钙等大型晶体间的孔隙，减少混凝土中孔隙的生成。
可选的，所述多羟基醇胺为三乙醇胺或三异丙醇胺中的任意一种。
通过采用上述技术方案，三乙醇胺与三异丙醇胺可以提高各原料的反应活性，增加凝灰岩、矿渣与赤泥中钙、铝、硅、铁等离子的溶出，增大液相离子饱和浓度，促进钙矾石的形成，加速水化反应的进行，提高混凝土的抗压强度。同时这两种极性较强的多羟基醇胺具有很强的螯合重金属的能力，能够与重金属离子发生络合反应生成不易被溶出的金属螯合物，将重金属离子固定在混凝土中不易溶出，降低环境安全风险。
可选的，所述赤泥为在110-150℃下加热活化后得到的赤泥。
通过采用上述技术方案，赤泥除了为浆料提供碱性环境促进石灰粉、凝灰岩等原料水化反应的进行，还能够参与到水化反应中，经过在110-150℃下加热活化的赤泥，其中活性硅铝更易在多羟基醇胺的帮助下溶出，形成具有SiO2、SiO3和SiO4结构单元的Na-S-H和Ca-S-H凝胶，使水化反应的产物增多，进一步提高混凝土的抗压强度。
可选的，所述碱性激发剂为氢氧化钠、硫酸钠和硅铝酸钠中的至少一种。
通过采用上述技术方案，碱性激发剂是混凝土中易产生二氧化碳的物质，选用不含碳的碱性激发剂，氢氧化钠、硫酸钠或硅铝酸钠，在为浆料提供碱性环境，有利于水化反应的进行的同时，不产生二氧化碳实现低碳。
可选的，所述原料中还包括10-15份的辅助胶凝材料，所述辅助胶凝材料为黏土、铝矾石和偏高岭土中的至少一种。
通过采用上述技术方案，黏土、铝矾石与偏高岭石可以填补混凝土的内部孔隙，加入可以降低混凝土显气孔率，参与水化反应，起到凝结、提高试样致密性的作用，有效提高混凝土的抗压性能。
第二方面，本申请提供一种高强度低碳混凝土的制备方法，采用如下的技术方案：一种高强度低碳混凝土的制备方法，包括以下制备步骤：
将拌合水加热到60-70℃后加入称量好的硫酸钙石膏、赤泥、天然砂、粒化高炉矿渣、石灰粉与凝灰岩搅拌均匀，然后依次加入多羟基醇胺、减水剂与碱性激发剂继续搅拌，浇筑到模具后振动成型，脱模养护后得到高强度低碳混凝土。
通过采用上述技术方案，将各反应原料加入加热到60-70℃的拌合水中混合，提高反应活性后加入多羟基醇胺、减水剂以及碱性激发剂进一步提高水化反应速率，提升高强度低碳混凝土的力学性能。
综上所述，本申请具有以下有益效果：
1、由于本申请通过采用凝灰岩、硫酸钙石膏、赤泥与石灰粉取代水泥，优化配方减少了含碳碱性激发剂的加入量从而大大减少了混凝土中二氧化碳的产生。
2、本申请中优选采用经高温活化的赤泥与多羟基醇胺配合，由于多羟基醇胺的存在加速混凝土的硬化，在水化反应的早期就有大量棒状的钙矾石晶体生成，分布在整个混凝土硬化浆体内与其他水化产物相互交错的填充在混凝土浆体的孔隙中，大大降低混凝土的孔隙率，从而提高混凝土的抗压强度。
3.本申请采用的多羟基醇胺具有对重金属元素络合的能力，在一定程度上加强浆料裹附重金属离子的能力，避免长时间使用导致混凝土中重金属离子的溶出，影响环境安全，同时形成的金属络合物与水化产物结合可以进一步提高混凝土的抗压强度。
4.本申请中采用凝灰岩做混凝土的主体材料，方便获得，制备过程不会产生二氧化碳排放，其自身的主要成分包括SiO2、Al2O3以及NaO2等，具有与水泥高度相似的成分，在混凝土中起到凝结的作用，在硫酸钙石膏、赤泥的激发下水解，进一步发生水化反应，生成具有较高抗压强度的高强度低碳混凝土。
具体实施方式
以下结合实施例对本申请作进一步详细说明。
实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
本申请实施例中赤泥采用山东铝业烧结法得到的，其中各组分含量如下：Al2O3为8.03％、Fe2O3为17.54％、SiO2为18.19％、CaO为44.64％、TiO2为4.81％、Na2O为3.21％；本申请实施例中萘系减水剂购自济南顺阳化工科技有限公司，减水率为20％。
制备例
制备例1
将80kg凝灰岩与66kg硫酸钙石膏混合1500r/min研磨后过100目筛，得到活化凝灰岩。
实施例
实施例1
一种高强度低碳混凝土，制备方法如下：
将90kg的拌合水加热到60℃后加入80kg凝灰岩、5kg硫酸钙石膏、35kg赤泥、15kg天然砂、20kg粒化高炉矿渣与25kg石灰粉搅拌均匀，然后依次加入30kg三乙醇胺、5kg萘系减水剂与0.5kg氢氧化钠继续搅拌，浇筑到模具后振动成型，脱模养护后得到高强度低碳混凝土。
实施例2-3
一种高强度低碳混凝土，与实施例1的不同之处在于，其原料各组分及其相应的重量份数如表1所示。
表1实施例1-3中各原料及其重量(kg)
实施例1-3中使用的赤泥为烧结法赤泥经60℃加热后过200目筛得到的活化赤泥，选用的天然砂的粒径为200μm。
实施例4
一种高强度低碳混凝土，与实施例1的不同之处在于，本实施例中使用的多羟基醇胺为三异丙醇胺。
实施例5
一种高强度低碳混凝土，与实施例4的不同之处在于，本实施例中使用的碱性激发剂为硫酸钠。
实施例6
一种高强度低碳混凝土，与实施例5的不同之处在于，使用的碱性激发剂为硫酸钠与硅铝硫酸1:1混合得到的碱性激发剂。
实施例7
一种高强度低碳混凝土，与实施例6的不同之处在于，本实施例中还包括10kg的辅助胶凝材料，辅助胶凝材料为黏土。
制备方法如下：
将90kg的拌合水加热到60℃后加入80kg凝灰岩、5kg硫酸钙石膏、35kg赤泥、15kg天然砂、20kg粒化高炉矿渣、25kg石灰粉与10kg的黏土搅拌均匀，然后依次加入30kg三乙醇胺、5kg萘系减水剂与0.25kg硫酸钠与0.25kg硅铝硫酸继续搅拌，浇筑到模具后振动成型，脱模养护后得到高强度低碳混凝土。
实施例8
一种高强度低碳混凝土，与实施例7的不同之处在于，本实施例中的辅助胶凝材料为5kg的黏土和5kg的铝矾石混合而成。
实施例9
一种高强度低碳混凝土，与实施例7的不同之处在于，本实施例中包括15kg的辅助胶凝材料，辅助胶凝材料为偏高岭石。
实施例10
一种高强度低碳混凝土，与实施例9的不同之处在于，本实施例中使用的凝灰岩为制备例1制得的活化凝灰岩。
实施例11
一种高强度低碳混凝土，与实施例10的不同之处在于，本实施例中使用的赤泥为烧结法赤泥经110℃加热后过200目筛得到的活化赤泥。
实施例12
一种高强度低碳混凝土，与实施例10的不同之处在于，本实施例中使用的赤泥为烧结法赤泥经150℃加热后过200目筛得到的活化赤泥。
对比例
对比例1
一种高强度低碳混凝土，与实施例1的不同之处在于，本对比例中使用的柠檬酸同等量替代多羟基醇胺。
对比例2
一种高强度低碳混凝土，与实施例1的不同之处在于，本对比例中未加入三乙醇胺。
对比例3
一种高强度低碳混凝土，与实施例1的不同之处在于，本对比例中使用的赤泥为未经加热活化的赤泥。
性能检测试验
检测方法
抗压强度检测：GB/T50081-2002《普通混凝土力学性能实验方法标准》测试实施例1-12与对比例1-3制备的混凝土的力学性能，具体结果见表2；
重金属离子的检测：利用实施例1-4、实施例10-12与对比例1-2设置的原料组分进行混凝土的制备，浇筑到内径为10cm的有机玻璃管内，分6次浇筑，间隔两天浇筑一层，每层厚度约为4cm，使用超纯水对试块进行淋滤实验以测试混凝土中重金属离子的释放。模拟西安市平均降雨量1068mm，对于内径为10cm的淋滤柱，需淋滤用水的体积为8.38L，在7周内每周用1200ml超纯水淋滤，收集每次淋滤得到的渗滤液，使用电感耦合等离子体质谱仪检测重金属元素的含量，本实验中使用Cr的含量变化代表各重金属离子的变化，检测结果见表3
高强度低碳混凝土孔隙率检测：采用压汞法对按照实施例6-7、9以及对比例2-3配方制备的混凝土的孔隙率进行测定。测试结果如表4所示。
表2抗压强度试验检测数据
| 抗压强度/MPa | |
| 实施例1 | 57.10 |
| 实施例2 | 56.91 |
| 实施例3 | 56.74 |
| 实施例4 | 57.17 |
| 实施例5 | 57.26 |
| 实施例6 | 57.46 |
| 实施例7 | 59.19 |
| 实施例8 | 59.27 |
| 实施例9 | 59.85 |
| 实施例10 | 62.27 |
| 实施例11 | 63.95 |
| 实施例12 | 63.84 |
| 对比例1 | 49.12 |
| 对比例2 | 42.75 |
| 对比例3 | 45.26 |
结合实施例4-6并结合表2可以看出，实施例5-6的各项实验数据均优于实施例4，说明使用碱性激发剂能够提供碱性环境有利于水化反应的进行，有利于混凝土中水化产物的生成，提高混凝土的抗压强度。
结合实施例9-10并结合表2可以看出，实施例10的抗压强度明显高于实施例9，说明使用硫酸钙石膏提前对凝灰岩进行活化，有利于其中硅铝离子的溶出，提高与其他原料的反应活性，从而提高混凝土的抗压强度。
结合实施例10-12与对比例3并结合表2可以看出，实施例11-12的抗压强度优于实施例10与对比例3，说明经过110-150℃加热活化的赤泥有利于其中活性硅铝的溶解，为水化反应提供必要条件，进一步转变成具有良好抗压强度的混凝土，而未活化的赤泥其只能充当碱性激发剂的作用，无法参与水化过程，为混凝土带来较好的抗压强度。
表3重金属溶出检测结果
结合实施例1-4与对比例1-2并结合表2与表3可以看出，实施例1-4的抗压强度与均优于对比例1-2，说明当选用的多羟基醇胺为三乙醇胺与三异丙醇胺中的任意一种时，混凝土不仅具有较好的固定赤泥中重金属离子的能力，同时形成的网络结构进一步加强了混凝土的抗压强度；当使用柠檬酸替代多羟基醇胺时，不能与混凝土中其他组分反应配合，无法提高混凝土的抗压强度。
表4孔隙率检测
| 实施例6 | 实施例7 | 实施例9 | 实施例10 | 对比例2 | 对比例3 | |
| 孔隙率(％) | 12.31 | 9.18 | 9.05 | 8.76 | 15.86 | 14.19 |
结合实施例6-7、9并结合表2与表4可以看出，实施例7、9的各项试验数据明显优于实施例6，说明当加入其它胶凝材料辅助胶凝时，可以提高混凝土的体积密度，填补孔隙，进一步提高混凝土的抗压强度。
结合实施例9-10并结合表4可以看出，实施例10制备的混凝土孔隙率较小，说明经过硫酸钙石膏活化的凝灰岩具有更好的反应活性，与其他原料的水化反应更好，减少了混凝土中孔隙的生成。
本具体实施例仅仅是对本申请的解释，其并不是对本申请的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本申请的权利要求范围内都受到专利法的保护。
Claims (8)
1.一种高强度低碳混凝土，其特征在于，包括如下重量份原料：
凝灰岩60-80份、赤泥30-40份、粒化高炉矿渣20-30份、碱性激发剂0-0.5份、石灰粉20-30份、硫酸钙石膏5-8份、减水剂5-10份、天然砂10-15份、多羟基醇胺20-30份、拌合水90-200份。
2.根据权利要求1所述的一种高强度低碳混凝土，其特征在于：所述凝灰岩为与硫酸钙石膏混合高速研磨过筛后得到的活化凝灰岩。
3.根据权利要求2所述的一种高强度低碳混凝土，其特征在于，所述高强度低碳混凝土包括如下重量份原料：
活化凝灰岩60-80份、赤泥30-40份、粒化高炉矿渣20-30份、碱性激发剂0-0.5份、石灰粉20-30份、硫酸钙石膏5-8份、减水剂5-10份、天然砂10-15份、多羟基醇胺20-30份、拌合水90-200份。
4.根据权利要求1所述的一种高强度低碳混凝土，其特征在于：所述多羟基醇胺为三乙醇胺或三异丙醇胺中的任意一种。
5.根据权利要求1所述的一种高强度低碳混凝土，其特征在于：所述赤泥为在110-150℃下加热后过筛得到的活化赤泥。
6.根据权利要求1所述的一种高强度低碳混凝土，其特征在于：所述碱性激发剂为氢氧化钠、硫酸钠和硅铝酸钠中的至少一种。
7.根据权利要求1所述的一种高强度低碳混凝土，其特征在于：所述原料中还包括10-15份的辅助胶凝材料，所述辅助胶凝材料为黏土、铝矾石和偏高岭土中的至少一种。
8.根据权利要求1-7任一所述的一种高强度低碳混凝土的制备方法，包括以下制备步骤：
将拌合水加热到60-70℃后加入称量好的硫酸钙石膏、赤泥、天然砂、粒化高炉矿渣、石灰粉与凝灰岩搅拌均匀，然后依次加入多羟基醇胺、减水剂与碱性激发剂继续搅拌，浇筑到模具后振动成型，脱模养护后得到高强度低碳混凝土。
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| CN202310817480.XA CN116835953A (zh) | 2023-07-05 | 2023-07-05 | 一种高强度低碳混凝土及其制备方法 |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117486551A (zh) * | 2024-01-02 | 2024-02-02 | 北京哈泰克工程技术有限公司 | 一种基于污泥焚烧灰渣的复合材料及其制备方法 |
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2023
- 2023-07-05 CN CN202310817480.XA patent/CN116835953A/zh active Pending
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