CN117361904A - 一种低碳胶凝材料及其制备方法和应用 - Google Patents

一种低碳胶凝材料及其制备方法和应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种低碳胶凝材料及其制备方法和应用，涉及混凝土技术领域。本发明通过将钢渣微粉、脱硫石膏微粉、矿渣微粉和硅锰渣微粉按照合适配比混合制得硅锰渣基低碳胶凝材料，然后与细骨料、粗骨料、纤维、水以及外加剂混合制得。该纤维混凝土，具有低碳环保、成本低和力学强度高等优点，符合国家标准。

Description

一种低碳胶凝材料及其制备方法和应用
技术领域
本发明涉及混凝土技术领域，尤其涉及一种低碳胶凝材料及其制备方法和应用。
背景技术
随着我国经济社会的高速发展、城市化进程的加快，水泥和混凝土的用量也在迅速增加。水泥是混凝土的主要成分，全球二氧化碳排放总量的8％产生于水泥行业，每生产1吨水泥熟料会排放出大约0.95吨CO2，而且生产水泥过程需要消耗大量的煤、电、石灰石和粘土等资源，为达到节约资源与能源的目的，研究和开发成本低廉、性能优良和环保型的低碳胶凝材料是重中之重。
我国大宗固废产生量巨大，而且利用率低，每年产生大量的钢渣、高炉矿渣、合金渣等等具有潜在胶凝活性的工业固体废弃物，将这些具有潜在胶凝活性的固体废弃物全部替代水泥以制备胶凝材料，一方面充分利用了固体废弃物，提高了固废的综合利用率，降低了环境污染风险，另一方面，胶凝材料代替水泥，降低了碳排放，节约了生产水泥熟料所需要的资源与能源，具有广阔的开发前景。
硅锰渣是由硅锰合金冶炼过程中排放的高温炉渣，根据其冷却方式的不同可以分为硅锰水淬渣和硅锰缓冷渣，其中硅锰水淬渣是经水淬而形成的一种高炉矿渣，硅锰缓冷渣是经空气自然冷却而形成的高炉炉渣。每生产1吨硅锰合金约产生1.2-1.3吨硅锰渣，硅锰渣也存在着占用土地和污染环境的问题。
发明内容
针对上述现有技术中存在的问题，本发明提出了一种低碳胶凝材料及其制备方法和应用。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
技术方案一：一种低碳胶凝材料，按质量百分比计，包括以下组分：钢渣微粉15-23％，脱硫石膏微粉10-18％、矿渣微粉34-47％以及硅锰渣微粉22-32％。
进一步地，所述钢渣微粉的比表面积为500-550m2/kg，所述矿渣微粉的比表面积为550-600m2/kg，所述硅锰渣微粉的比表面积为550-600m2/kg。该硅锰渣微粉是指水淬渣。
本发明将硅锰渣粉磨成微粉作为胶凝材料的原料，同时还将其以破碎筛分的方式用作混凝土的粗、细骨料，这种方式利用的硅锰量更大，利用率更高，极大地缓解了硅锰渣的堆存问题。
技术方案二：一种低碳胶凝材料的制备方法，包括以下步骤：将原料钢渣、高炉矿渣和硅锰渣烘干，分别球磨60-120min；将脱硫石膏球磨20min；将球磨所得粉末混合均匀，即得到低碳胶凝材料。
技术方案三：一种混凝土，包括以下质量份的组分：低碳胶凝材料375-500份，细骨料490-800份，粗骨料900-1500份，水135-160份，外加剂1.5-2.25份以及纤维5-20份。
普通混凝土广泛应用于土木工程领域，但是其存在抗折强度低、劈裂抗拉强度低等难以避免的缺点，因此本发明加入玄武岩纤维和矿渣棉纤维进行改善。
进一步地，所述细骨料包括水洗砂和硅锰水淬渣中的一种或两种。水洗砂为II区中砂，级配良好。所述硅锰水淬渣是在冶炼硅锰合金过程中产生的炉渣经过水淬冷却，然后筛分并且粒径在0.16-4.75mm之间的样品，级配与水洗砂一致，在本发明中作为细骨料。
进一步地，所述粗骨料包括碎石和硅锰缓冷渣中的一种或两种。碎石粒径在5-31.5mm之间，级配良好。硅锰缓冷渣是在冶炼硅锰合金过程中产生的炉渣经过空气自然冷却形成的渣，然后经过破碎筛分且粒径在5-31.5mm之间的样品，级配与碎石一致，在本发明中作为粗骨料。
进一步地，所述外加剂包括聚羧酸高效减水剂、萘系减水剂和木质素磺酸钠中的一种，减水率在20％以上。
进一步地，所述纤维包括玄武岩纤维和硅锰合金热熔渣棉纤维中的一种。
技术方案四：一种混凝土的制备方法，包括以下步骤：按质量称取低碳胶凝材料、细骨料、粗骨料、水、外加剂和纤维，搅拌均匀，即得到混凝土。该混凝土在应用时，需要于温度20±5℃、相对湿度不低于60％的条件下注入模具中，振动成型，在温度20±2℃、相对湿度不低于95％的标准养护条件下养护24h后脱模，继续置于温度20±2℃、相对湿度不低于95％的恒温恒湿养护箱内养护。本发明所述纤维混凝土，具有低碳环保、成本低和力学强度高等优点，符合国家标准。
与现有技术相比，本发明具有如下优点和技术效果：
(1)本发明的胶凝材料以钢渣、矿渣、脱硫石膏和硅锰渣作为原料，通过机械激发的方法提高了各种原料的活性，通过多种固废间的协同作用(胶凝体系由于碱性的环境以及脱硫石膏的激发，使得高炉矿渣和硅锰渣中的Al-O键、Ca-O键断裂释放出Al3+和Ca2+，钢渣中[SiO4]四面体和[AlO4]四面体或[AlO6]配位多面体被解构，释放出大量的OH-、Ca2+、硅(铝)溶解物等，在液相中不断反应生成C-S-H凝胶和针棒状的AFt晶体，并且钙矾石穿插在C-S-H凝胶层之间，使得浆体不断硬化，力学强度不断提高)产生了可以完全替代水泥的胶凝材料，大大的节省了能源并减少了碳排放，提高了固废的综合利用。
(2)本发明中用硅锰水淬渣替代传统水洗砂作为细骨料，用硅锰缓冷渣替代传统碎石作为粗骨料，节约了大量的天然矿物质骨料，减少对矿山的开采和破坏，同时解决了固体废弃物硅锰渣大量堆存问题。胶凝材料浆体填充在硅锰水淬渣的孔隙中，提高了界面性能，增强了浆体与骨料之间的粘结性。
(3)本发明添加了玄武岩纤维和矿渣棉纤维制备纤维混凝土，改善了普通混凝土劈裂抗拉强度低的缺点，大大提高了混凝土的力学性能。
具体实施方式
现详细说明本发明的多种示例性实施方式，该详细说明不应认为是对本发明的限制，而应理解为是对本发明的某些方面、特性和实施方案的更详细的描述。
应理解本发明中所述的术语仅仅是为描述特别的实施方式，并非用于限制本发明。另外，对于本发明中的数值范围，应理解为还具体公开了该范围的上限和下限之间的每个中间值。在任何陈述值或陈述范围内的中间值以及任何其他陈述值或在所述范围内的中间值之间的每个较小的范围也包括在本发明内。这些较小范围的上限和下限可独立地包括或排除在范围内。
除非另有说明，否则本文使用的所有技术和科学术语具有本发明所述领域的常规技术人员通常理解的相同含义。虽然本发明仅描述了优选的方法和材料，但是在本发明的实施或测试中也可以使用与本文所述相似或等同的任何方法和材料。本说明书中提到的所有文献通过引用并入，用以公开和描述与所述文献相关的方法和/或材料。在与任何并入的文献冲突时，以本说明书的内容为准。
在不背离本发明的范围或精神的情况下，可对本发明说明书的具体实施方式做多种改进和变化，这对本领域技术人员而言是显而易见的。由本发明的说明书得到的其他实施方式对技术人员而言是显而易见的。本申请说明书和实施例仅是示例性的。
关于本文中所使用的“包含”、“包括”、“具有”、“含有”等等，均为开放性的用语，即意指包含但不限于。
本发明中所述的“份”如无特别说明，均按质量份计。
本发明以下实施例所用原料均为市售所得。
本发明提供一种低碳胶凝材料，按质量百分比计，包括以下组分：钢渣微粉15-23％，脱硫石膏微粉10-18％、矿渣微粉34-47％、硅锰渣微粉22-32％。优选组分为：钢渣微粉23％，脱硫石膏微粉14％、矿渣微粉38％、硅锰渣微粉25％。
在本发明一些优选实施例中，所述钢渣微粉的比表面积为500-550m2/kg，所述矿渣微粉的比表面积为550-600m2/kg，所述硅锰渣微粉的比表面积为550-600m2/kg。该硅锰渣微粉是指硅锰水淬渣。
本发明还提供一种低碳胶凝材料的制备方法，包括以下步骤：将原料钢渣、高炉矿渣和硅锰渣烘干，分别球磨60-120min；将脱硫石膏球磨20min；将球磨所得粉末混合均匀，即得到低碳胶凝材料。
本发明还提供一种混凝土，包括以下质量份的组分：每立方米混凝土各组分由以下原料组成：低碳胶凝材料375-500kg，细骨料490-800kg，粗骨料900-1500kg，水136-160kg，外加剂1.5-2.25kg，纤维5-20kg。
在本发明以下实施例中，所述细骨料包括水洗砂和硅锰水淬渣中的一种或两种，优选为水洗砂和硅锰水淬渣组合物。水洗砂为II区中砂，级配良好。所述硅锰水淬渣是在冶炼硅锰合金过程中产生的炉渣经过水淬冷却，然后筛分并且粒径在0.16-4.75mm之间的样品，级配与水洗砂一致，在本发明中作为细骨料。虽然硅锰水淬渣可以作为细骨料，但是其在混凝土中的作用效果弱于常规的等体积水洗砂。
在本发明以下实施例中，所述粗骨料包括碎石和硅锰缓冷渣中的一种或两种，优选为硅锰缓冷渣。碎石粒径在5-31.5mm之间，级配良好(碎石05占比10％，12占比70％，13占比20％)。硅锰缓冷渣是在冶炼硅锰合金过程中产生的炉渣经过空气自然冷却形成的渣，然后经过破碎筛分且粒径在5-31.5mm之间的样品，级配与碎石一致，在本发明实施例中作为粗骨料。虽然硅锰缓冷渣可以作为粗骨料，但是其在混凝土中的作用效果弱于常规的等体积碎石。
在本发明一些优选实施例中，所述外加剂包括聚羧酸高效减水剂、萘系减水剂和木质素磺酸钠中的一种，优选为聚羧酸高效减水剂，减水率在20％以上。
在本发明一些优选实施例中，所述纤维包括玄武岩纤维和硅锰合金热熔渣棉纤维中的一种。
本发明还提供一种混凝土的制备方法，包括以下步骤：按质量称取低碳胶凝材料、细骨料、粗骨料、水、外加剂和纤维，搅拌均匀，即得到混凝土。
以下实施例作为本发明技术方案的进一步说明。
以下实施例中所使用的矿渣、钢渣以及硅锰渣的化学组成如下。
表1
实施例1
(1)将原料钢渣、高炉矿渣和硅锰渣烘干，分别球磨119min、60min和60min，得到比表面积为550m2/kg的钢渣微粉，比表面积为600m2/kg的矿渣微粉，比表面积为600m2/kg的硅锰渣微粉；将脱硫石膏球磨20min，得到脱硫石膏微粉，备用；
(2)按照钢渣微粉23％，脱硫石膏微粉14％、矿渣微粉38％、硅锰渣微粉25％的比例，将原料充分混合，得到低碳胶凝材料；
(3)每立方米混凝土各组分质量为：低碳胶凝材料390kg，细骨料(水洗砂)783kg，粗骨料(碎石)1037kg，水136.5kg，外加剂(聚羧酸高效减水剂)1.76kg，纤维(硅锰合金热熔渣棉纤维)10kg；
按质量称取上述原料并混合均匀，于温度20±5℃，相对湿度不低于60％的条件下注入100mm×100mm×100mm的模具中，置于混凝土振动台上振动成型；成型后的试块置于养护温度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、7d、28d龄期。
实施例2
(1)低碳胶凝材料制备方法同实施例1；
(2)每立方米混凝土各组分质量为：低碳胶凝材料450kg，细骨料(硅锰水淬渣)496kg，粗骨料(碎石)1037kg，水157.5kg，外加剂(聚羧酸高效减水剂)1.8kg，纤维(玄武岩纤维)10kg；
按质量称取上述原料并混合均匀，于温度20±5℃，相对湿度不低于60％的条件下注入100mm×100mm×100mm的模具中，置于混凝土振动台上振动成型；成型后的试块置于养护温度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、7d、28d龄期。
实施例3
(1)低碳胶凝材料制备方法同实施例1；
(2)每立方米混凝土各组分质量为：低碳胶凝材料500kg，细骨料(硅锰水淬渣)496kg，粗骨料(硅锰缓冷渣)1452kg，水140kg，外加剂(聚羧酸高效减水剂)1.8kg，纤维(硅锰合金热熔渣棉纤维)10kg；
按质量称取上述原料并混合均匀，于温度20±5℃，相对湿度不低于60％的条件下注入100mm×100mm×100mm的模具中，置于混凝土振动台上振动成型；成型后的试块置于养护温度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、7d、28d龄期。
实施例4
同实施例3，区别仅在于，将硅锰水淬渣等体积替换成水洗砂。
实施例5
同实施例2，区别仅在于，将硅锰水淬渣细骨料等体积替换成水洗砂，即将496kg硅锰水淬渣细骨料替换成783kg水洗砂。
实施例6
同实施例2，区别仅在于，将硅锰水淬渣细骨料等体积替换成水洗砂和硅锰水淬渣(其中，水洗砂和硅锰水淬渣的体积比为1∶1)，即将496kg硅锰水淬渣细骨料替换成391.5kg水洗砂和248kg硅锰水淬渣。
实施例7
同实施例3，区别仅在于，将硅锰缓冷渣粗骨料等体积替换成碎石，即将1452kg硅锰缓冷渣粗骨料替换成1037kg碎石。
实施例8
同实施例3，区别仅在于，将硅锰缓冷渣粗骨料等体积替换成碎石和硅锰缓冷渣(其中，碎石和硅锰缓冷渣的体积比为1∶1)，即将1452kg硅锰缓冷渣粗骨料替换成518.5kg碎石和726kg硅锰缓冷渣。
对比例1
同实施例1，区别仅在于，混凝土中不添加纤维组分。
对比例2
同实施例1，区别在于，低碳胶凝材料的组成为：钢渣微粉30％，脱硫石膏微粉20％、矿渣微粉32％、硅锰渣微粉18％。
混凝土的制备方法同实施例3。
对比例3
同实施例1，区别在于，将低碳胶凝材料组分中的矿渣微粉等质量替换成硅锰渣微粉。
混凝土的制备方法同实施例3。
对比例4
以实施例1为基础，将胶凝材料等质量替换为普通硅酸盐水泥P.O 42.5。
实验例
对实施例1-8和对比例1-3制得的混凝土的性能进行检测，其中，参照DB13(J)/T8385-2020：《全固废高性能混凝土应用技术标准》，检测混凝土拌合物性能，以及抗压强度、劈裂抗拉强度。检测结果如表2所示。
表2
从表2可以看出，本发明制备得的纤维混凝土具有良好性能，28d抗压强度符合C30-C60标号的混凝土强度，混凝土拌合性能也满足施工要求。由于机械激发提高了钢渣、矿渣和硅锰渣的活性，使得制备的胶凝材料可以完全替代水泥；硅锰水淬渣替代细骨料，可以增强胶凝材料浆体和骨料之间的结合，提升了混凝土的劈裂抗拉强度；硅锰缓冷渣替代粗骨料，由于本身机械性能优异，提升了混凝土的抗压强度；基于纤维增韧原理以及与胶凝材料的化学结合，纤维的添加也增强了混凝土的劈裂抗拉强度。通过实施例2、实施例4以及实施例5还可以看出，使用等体积的水洗砂和硅锰水淬渣作为细骨料制备的混凝土的性能更优；从实施例3、实施例6以及实施例7中可以看出，使用等体积的碎石和硅锰缓冷渣组合作为粗骨料制备的混凝土效果弱于单独作为粗骨料的硅锰缓冷渣效果，相同体积下，碎石单独作为粗骨料的效果弱于单独作为粗骨料的硅锰缓冷渣的效果；从对比实施例1-实施例3可以看出，虽然硅锰水淬渣可以作为细骨料，但是仅仅使用硅锰水淬渣制备的混凝土效果反而会变差，而同时使用硅锰水淬渣和硅锰缓冷渣制备的混凝土性能明显得到显著提升。
以上，仅为本申请较佳的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种低碳胶凝材料，其特征在于，按质量百分比计，包括以下组分：钢渣微粉15-23％，脱硫石膏微粉10-18％、矿渣微粉34-47％以及硅锰渣微粉22-32％。
2.根据权利要求1所述的低碳胶凝材料，其特征在于，所述钢渣微粉的比表面积为500-550m2/kg，所述矿渣微粉的比表面积为550-600m2/kg，所述硅锰渣微粉的比表面积为550-600m2/kg。
3.一种如权利要求1或2所述的低碳胶凝材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：将原料钢渣、高炉矿渣和硅锰渣烘干，分别球磨60-120min；将脱硫石膏球磨20min；将球磨所得粉末混合均匀，即得到低碳胶凝材料。
4.一种混凝土，其特征在于，包括以下质量份的组分：权利要求1或2所述的低碳胶凝材料375-500份，细骨料490-800份，粗骨料900-1500份，水136-160份，外加剂1.5-2.25份以及纤维5-20份。
5.根据权利要求4所述的混凝土，其特征在于，所述细骨料包括水洗砂和硅锰水淬渣中的一种或两种，粒径均在0.16-4.75mm之间，水洗砂为II区中砂。
6.根据权利要求4所述的混凝土，其特征在于，所述粗骨料包括碎石和硅锰缓冷渣中的一种或两种，粒径均在5-31.5mm之间。
7.根据权利要求4所述的混凝土，其特征在于，所述外加剂包括聚羧酸高效减水剂、萘系减水剂和木质素磺酸钠中的一种，减水率在20％以上。
8.根据权利要求4所述的混凝土，其特征在于，所述纤维包括玄武岩纤维和硅锰合金热熔渣棉纤维中的一种。
9.一种如权利要求4-8任一项所述的混凝土的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：按质量称取低碳胶凝材料、细骨料、粗骨料、水、外加剂和纤维，搅拌均匀，即得到混凝土。
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