CN116986850A - 复合混凝土及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种复合混凝土及其制备方法，属于水泥化工领域。所述复合混凝土由40％～60％的水泥熟料、40％～60％的混合物共磨制备得到，所述混合物包括循环流化床燃烧灰和石灰石。本发明提供的复合混凝土不需要添加昂贵的传统性能改良剂，降低了生产成本，并通过将循环流化床燃烧灰纳入混凝土生产，有效地利用了工业废弃物，有助于减少废物处理问题并促进经济循环。
Description
技术领域
本发明涉及水泥化工领域，具体涉及一种复合混凝土及其制备方法。
背景技术
循环流化床(CFBC)燃烧技术是一种床料在流化状态下燃烧的新型燃烧技术。由于其可以利用劣质煤作为燃料，同时可以有效控制燃煤过程中二氧化硫的排放，近15年来成为我国新建火力发电厂锅炉的主要燃烧方式。循环流化床燃烧灰具有不规则形状，表面积大，有助于提高其反应性。
近年来，人们越来越关注环保和可持续建筑材料的开发，但由于缺乏系统认识循环流化床燃烧灰在水泥或混凝土中所发生的化学反应，同时也缺乏应用实践技术，导致循环流化床燃烧灰在水泥化工领域的应用开发欠缺，目前市场依然大量运用硅灰石、磨细矿渣、高岭土等价格昂贵的混凝土添加剂。
发明内容
鉴于上述现有技术的不足，本发明提出一种复合混凝土及其制备方法、混凝土及其制备方法，旨在解决目前市场依然大量运用硅灰石、磨细矿渣、高岭土等价格昂贵的混凝土添加剂的问题。
为实现上述目的，本发明提出一种复合混凝土，所述复合混凝土由40％～60％的水泥熟料、40％～60％的混合物共磨制备得到，所述混合物包括循环流化床燃烧灰和石灰石。
可选地，所述复合混凝土的制备过程中不添加石膏。
可选地，所述循环流化床燃烧灰从流化床设备中收集得到，所述流化床设备不使用碳酸钙作为填料。
可选地，所述循环流化床燃烧灰在收集后不进行预处理直接用作共磨原料。
可选地，所述循环流化床燃烧灰的颗粒直径小于100μm；和/或，所述水泥熟料的颗粒直径小于5mm；和/或，所述石灰石的颗粒直径小于5mm。
为了实现上述目的，本发明还提出一种复合混凝土的制备方法，包括以下步骤：将45％～50％的水泥熟料、45％～50％的循环流化床燃烧灰和1％～10％的石灰石混合，在常温下共磨，得到混合料；将所述混合料成型、养护，得到复合混凝土。
可选地，所述共磨结束后，所述水泥熟料、所述循环流化床燃烧灰和所述石灰石的颗粒直径均小于100μm。
可选地，所述共磨时间小于40min。
本发明提供的复合混凝土中，将石灰石与水泥熟料和循环流化床燃烧灰一起共磨，循环流化床燃烧灰具有形状不规则，表面积大的优点，有助于提高其反应性，同时石灰石作为一种辅助胶凝材料，其加入可以提高混凝土和砂浆混合料的性能，共磨引起了铝酸盐和硅酸盐相的机械化学变化，从而加速其溶解，并因此与氢氧化钙反应产生更多的C-S-H。产生的额外C-S-H减少了孔隙率，可以生产更致密、更耐久的混凝土。在规定的配比下，原料共磨制备得到的复合混凝土能够达到32.5级的水泥强度等级。
本发明提供的复合混凝土不需要添加昂贵的传统性能改良剂，降低了生产成本，并通过将循环流化床燃烧灰纳入混凝土生产，有效地利用了工业废弃物，有助于减少废物处理问题并促进经济循环。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。
图1是本发明一实施例复合混凝土的制备流程图。
图2是本发明实施例的初凝时间测试结果。
图3是本发明实施例的水化热测试结果。
图4是本发明实施例的7天强度测试结果。
图5是本发明实施例的28天强度测试结果。
本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，应当理解，以下实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
除非另有规定，本文使用的所有技术术语和科学术语具有要求保护主题所属领域的通常含义。
循环流化床(CFBC)燃烧技术是一种床料在流化状态下燃烧的新型燃烧技术。由于其可以利用劣质煤作为燃料，同时可以有效控制燃煤过程中二氧化硫的排放，近15年来成为我国新建火力发电厂锅炉的主要燃烧方式。同时循环流化床燃烧灰具有待开发的利用价值。
近年来，人们越来越关注环保和可持续建筑材料的开发，但由于缺乏系统认识循环流化床燃烧灰在水泥或混凝土中所发生的化学反应，同时也缺乏应用实践技术，导致循环流化床燃烧灰在水泥化工领域的应用开发欠缺，目前市场依然大量运用硅灰石、磨细矿渣、高岭土等价格昂贵的混凝土添加剂。
为解决上述问题，本发明提出一种复合混凝土，所述复合混凝土由40％～60％的水泥熟料、40％～60％的混合物共磨制备得到，所述混合物包括循环流化床燃烧灰和石灰石。
循环流化床燃烧灰具有形状不规则，表面积大的优点，有助于提高其反应性，同时石灰石作为一种辅助胶凝材料，其加入可以提高混凝土和砂浆混合料的性能，得益于石灰石的添加，此复合混凝土制成的高耐久混凝土能够显著节省材料。将石灰石与水泥熟料和循环流化床燃烧灰一起共磨，引起了铝酸盐和硅酸盐相的机械化学变化，从而加速其溶解，并因此与氢氧化钙反应产生更多的C-S-H。产生的额外C-S-H减少了孔隙率，可以生产更致密、更耐久的混凝土。在此配比下，原料共磨制备得到的复合混凝土能够达到32.5级的水泥强度等级。
进一步地，所述复合混凝土的制备过程中不添加石膏。循环流化床燃烧灰中的无水石膏水化反应导致水合钙矾石的形成，即3CaSO4+3Ca(OH)2+2Al(OH)3+26H2O→Ca6Al2(SO4)3(OH)12·26H2O)，有助于实现混凝土可操作性和稳定强度发展所需的受控水化过程，且对混凝土强度的提高起到了一定的作用。
进一步地，所述循环流化床燃烧灰从流化床设备中收集得到，所述流化床设备不使用碳酸钙作为填料。在流化床燃烧煤过程中未使用碳酸钙作为填料，能够克服循环流化床燃烧灰利用中的主要技术障碍，即高游离氧化钙(f-CaO)含量导致混凝土出现的不可控硬化、膨胀和开裂现象。
进一步地，所述循环流化床燃烧灰在收集后不进行预处理直接用作共磨原料。由于循环流化床燃烧灰中没有f-CaO，因此无需进行熟化或筛分等预处理或选矿，从而消除了水合过程中的过量热量。也即，使用的循环流化床燃烧灰无需预处理，收集后能够直接使用。
进一步地，所述循环流化床燃烧灰的颗粒直径小于100μm；和/或，所述水泥熟料的颗粒直径小于5mm；和/或，所述石灰石的颗粒直径小于5mm。循环流化床燃烧灰满足GB T1596-2017《用于水泥和混凝土的粉煤灰》中一级灰的标准，由于极小的细度和不规则的形状，循环流化床燃烧灰能够填补较大的水泥熟料颗粒之间的空隙，在共磨时促进更高效的磨削作用，石灰石在研磨过程中的加入有助于改善水泥的整体颗粒大小分布，从而实现颗粒的更好堆积，由于其密实的结构，侵蚀性介质的扩散会显著降低。
为解决上述问题，本发明还提出一种复合混凝土的制备方法，包括以下步骤：将40％～60％的水泥熟料、40％～60％的混合物混合，在常温下共磨，得到混合料，所述混合物包括循环流化床燃烧灰和石灰石；将所述混合料成型、养护，得到复合混凝土。在一实施例中，将循环流化床燃烧灰干燥备用，再预磨干燥完成的石灰石，按照质量配比为(45～50)：(45～50)：(1:10)的水泥熟料、循环流化床燃烧灰和石灰石投入球磨机中共磨，操作时无需冷却，在常温下进行，共磨结束后在常温下成型养护，得到复合混凝土，入料的直径大小为：水泥熟料的颗粒小于5mm，循环流化床燃烧灰的颗粒小于100μm，石灰石的颗粒小于5mm。
进一步地，所述共磨结束后，所述水泥熟料、所述循环流化床燃烧灰和所述石灰石的颗粒直径均小于100μm。水泥熟料磨得越细，水化的速度就越快，强度就能得到提升，同时水泥熟料与循环流化床燃烧灰的粒度分布共同决定了水泥颗粒的最紧密堆积密度，堆积密度增加可以提高最终混凝土的强度和耐久性。
进一步地，所述共磨时间小于40min。由于共磨的三种材料合理配比且限定粒径大小，能够在保证良好的共磨效果的前提下大大缩短混合料的共磨时间。
以下结合具体实施例对本发明的技术方案作进一步详细说明。
实施例1：
将重量比为(45:45:10)的水泥熟料、循环流化床燃烧灰、石灰石加入球磨机中，在常温下进行35分钟干混共磨，其中水泥熟料的颗粒小于5mm，循环流化床燃烧灰的颗粒小于100μm，石灰石的颗粒小于5mm，共磨结束后得到混合料，将所述混合料成型、养护，得到复合混凝土。
实施例2：
将重量比为(60:35:5)的水泥熟料、循环流化床燃烧灰、石灰石加入球磨机中，在常温下进行35分钟干混共磨，其中水泥熟料的颗粒小于5mm，循环流化床燃烧灰的颗粒小于100μm，石灰石的颗粒小于5mm，共磨结束后得到混合料，将所述混合料成型、养护，得到复合混凝土。
实施例3：
将重量比为(55:40:5)的水泥熟料、循环流化床燃烧灰、石灰石加入球磨机中，在常温下进行35分钟干混共磨，其中水泥熟料的颗粒小于5mm，循环流化床燃烧灰的颗粒小于100μm，石灰石的颗粒小于5mm，共磨结束后得到混合料，将所述混合料成型、养护，得到复合混凝土。
实施例4：
将重量比为(50:40:10)的水泥熟料、循环流化床燃烧灰、石灰石加入球磨机中，在常温下进行35分钟干混共磨，其中水泥熟料的颗粒小于5mm，循环流化床燃烧灰的颗粒小于100μm，石灰石的颗粒小于5mm，共磨结束后得到混合料，将所述混合料成型、养护，得到复合混凝土。
实施例5：
将重量比为(40:50:10)的水泥熟料、循环流化床燃烧灰、石灰石加入球磨机中，在常温下进行35分钟干混共磨，其中水泥熟料的颗粒小于5mm，循环流化床燃烧灰的颗粒小于100μm，石灰石的颗粒小于5mm，共磨结束后得到混合料，将所述混合料成型、养护，得到复合混凝土。
实施例6：
将重量比为(40:52:8)的水泥熟料、循环流化床燃烧灰、石灰石加入球磨机中，在常温下进行35分钟干混共磨，其中水泥熟料的颗粒小于5mm，循环流化床燃烧灰的颗粒小于100μm，石灰石的颗粒小于5mm，共磨结束后得到混合料，将所述混合料成型、养护，得到复合混凝土。
实施例7：
将重量比为(40:55:5)的水泥熟料、循环流化床燃烧灰、石灰石加入球磨机中，在常温下进行35分钟干混共磨，其中水泥熟料的颗粒小于5mm，循环流化床燃烧灰的颗粒小于100μm，石灰石的颗粒小于5mm，共磨结束后得到混合料，将所述混合料成型、养护，得到复合混凝土。
对比例1：
采用普通硅酸盐水泥(PO 42.5R)，将所述普通硅酸盐水泥(PO 42.5R)成型、养护，得到硅酸盐水泥混凝土。
对比例2：
采用掺杂量为37％的矿渣硅酸盐水泥(PSA 32.5)，将所述矿渣硅酸盐水泥(PSA32.5)成型、养护，得到硅酸盐水泥混凝土。
对比例3：
采用掺杂量为38％的粉煤灰硅酸盐水泥(PF 32.5)，将所述粉煤灰硅酸盐水泥(PF32.5)成型、养护，得到硅酸盐水泥混凝土。
对比例4：
采用掺杂量为35％的火山灰质硅酸盐水泥(PP 32.5)，将所述火山灰质硅酸盐水泥(PP 32.5)成型、养护，得到硅酸盐水泥混凝土。
进一步地，对实施例1和对比例1-4进行初凝时间测试、水化热测试、混凝土强度性能测试，具体测试方法依照国家行业标准进行，具体对混凝土7天强度以及28天强度进行测试，测试结果根据建筑砂浆基本性能实验方法标准JGJ/T 70-2009计算和评估。
将测试结果汇总成为统计图1、统计图2、统计图3、统计图4，在说明书附图中对应表示为图2、图3、图4、图5。
由图2可以看出实施例1的初凝时间和终凝时间分别为220分钟和330分钟，符合GBT 1346 2011水泥标准稠度、凝结时间、安定性检验方法所设定的标准。这表明了本发明实施例具有可操作性，能够确保在合理的时间范围内实现凝固。
根据GB/T 12959-2008水泥水化热测定方法的标准，对实施例1的水化热进行了评估，并与对比例进行了比较，结果参见图3。在整个测试期间，实施例1展示出与粉煤灰硅酸盐水泥(PF 32.5)几乎相等的累积热流，表明这两种水泥类型在水化过程中每单位质量释放的总能量几乎相同。这个结果表明，尽管实施例1的计算熟料比率比粉煤灰硅酸盐水泥(PF 32.5)低19％，但在水化过程中仍能产生等量的能量。
根据GB/T17671-2021标准，对实施例和对比文件的7天抗压强度进行比较，结果参见图4，在7天内展示出平均抗压强度为20.5MPa，符合GB/T17671-2021规定的标准，并且实施例1的7天强度的高于三种32.5级别的水泥(对比例2、3、4)，这些数据证实了水泥熟料与循环流化床燃烧灰石和石灰石的共磨可以加快水合过程，进而相较三种32.5级别水泥更快地发展出强度。
请参见图5，实施例1在28天标记时展示出抗压强度为32.8MPa，符合GB/T17671-2021所规定的标准，而且强度发展的速率与三种竞争的32.5级别水泥相当。
通过以上数据，由水泥熟料、循环流化床燃烧灰和石灰石共磨制成的新型复合混凝土符合GB T 1346 2011规定的凝结时间标准，其初凝时间和终凝时间分别为220分钟和330分钟。在抗压强度方面，复合混凝土满足了GB/T17671-2021的要求。在7天时，复合混凝土展示了平均20.5MPa的抗压强度，超过了三种标准32.5级水泥的强度发展速率。28天的抗压强度平均为32.8MPa，与32.5级水泥相当。这种可塑性和强度之间的平衡显示了这种新型复合混凝土在现实世界的建筑过程中的可行性。
这些结果表明，复合混凝土不仅满足了凝结时间和抗压强度的行业标准，而且在某些应用中有潜力表现出优越的性能。共磨工艺似乎能够提高水合过程，导致更快的强度发展和更高的总能量释放，这一点通过等温量热测定结果得到了体现。在可持续性方面，利用废物如循环流化床燃烧灰的复合混凝土是传统水泥类型的环保替代品。
本发明提供的复合混凝土不需要添加昂贵的传统性能改良剂，降低了生产成本，并通过将循环流化床燃烧灰纳入混凝土生产，有效地利用了工业废弃物，有助于减少废物处理问题并促进经济循环。
以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包括在本发明的专利保护范围。
Claims (8)
1.一种复合混凝土，其特征在于，按质量百分比计，所述复合混凝土由40％～60％的水泥熟料、40％～60％的混合物共磨制备得到，所述混合物包括循环流化床燃烧灰和石灰石。
2.如权利要求1所述的复合混凝土，其特征在于，所述复合混凝土的制备过程中不添加石膏。
3.如权利要求1所述的复合混凝土，其特征在于，所述循环流化床燃烧灰从流化床设备中收集得到，所述流化床设备不使用碳酸钙作为填料。
4.如权利要求3所述的复合混凝土，其特征在于，所述循环流化床燃烧灰在收集后不进行预处理直接用作共磨原料。
5.如权利要求1所述的复合混凝土，其特征在于，所述循环流化床燃烧灰的颗粒直径小于100μm；
和/或，所述水泥熟料的颗粒直径小于5mm；
和/或，所述石灰石的颗粒直径小于5mm。
6.一种复合混凝土的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
将40％～60％的水泥熟料、40％～60％的混合物混合，在常温下共磨，得到混合料，所述混合物包括循环流化床燃烧灰和石灰石；
将所述混合料成型、养护，得到复合混凝土。
7.如权利要求6所述的复合混凝土的制备方法，其特征在于，所述共磨结束后，所述水泥熟料、所述循环流化床燃烧灰和所述石灰石的颗粒直径均小于100μm。
8.如权利要求6所述的复合混凝土的制备方法，其特征在于，所述共磨时间小于40min。
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