CN117466608B - 一种全固废超高性能混凝土及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种全固废超高性能混凝土及其制备方法，包括以下步骤：先将全固废贝利特硫铝酸盐水泥、粉煤灰、硅灰和煤气化渣置于单扇搅拌锅中混合均匀，搅拌时间为4min；然后将钢渣粗骨料和钢渣细骨料倒入搅拌锅中继续搅拌，搅拌时间为3min；待骨料与胶凝材料混合均匀后将减水剂和中水的混合溶液倒入搅拌锅内，继续搅拌2min；最后将废旧轮胎钢纤维缓慢倒入搅拌锅内，钢纤维掺入后先慢搅3min然后再快搅1min，即制得全固废超高性能混凝土。本发明的胶凝材料、骨料、钢纤维都取自工业固废，取代了造价相对较高的硅酸盐水泥、石英砂和市售钢纤维，这不仅能大幅降低超高性能混凝土的制造成本，而且还能促进工业固废的资源化利用，可达到绿色低碳生产的目的。
Description
技术领域
本发明涉及建筑材料及固废资源化利用技术领域，具体涉及一种全固废超高性能混凝土及其制备方法。
背景技术
超高性能混凝土是一种具有特殊性能的混凝土，其具有优异的强度、耐久性、抗裂性等多项优点，因此被广泛应用于桥梁结构、隧道工程、核电站、普通混凝土结构加固、特殊形式的建筑等领域。而然，在其制备过程中需要大量的高质量原材料，如高品质硅酸盐水泥、石英砂、河沙、钢纤维等，这使得超高性能混凝土制的造成本高昂，这也阻碍了超高性能混凝土进一步的推广与应用。所以，工业固废的高效、高值化利用是当前急需解决的问题。综合以上问题，如果能以工业固废替代制备超高性能混凝土的高质量原料，那将会大大降低超高性能混凝土的制造成本，而且还能实现工业固废的高效、高值化利用，达到绿色、低碳生产的目的。
基于以上所述问题，本发明以全固废贝利特硫铝酸盐水泥、粉煤灰、硅灰、煤气化渣、钢渣细骨料、钢渣粗骨料、废旧轮胎钢纤维为原料制备全超高性能混凝土，全部材料均取自工业固废，制备出造价更低的全固废贝利特硫铝酸盐水泥，并且还能实现了工业固废的高效、高值化利用。
发明内容
本发明的目的是针对目前超高性能混凝土造价高昂的不足之处，以及工业固废的资源化化利用，提供一种利用全固废贝利特硫铝酸盐水泥、粉煤灰、硅灰、煤气化渣、钢渣粗骨料、钢渣细骨料和废旧轮胎钢纤维制备全固废超高性能混凝土的方法。本发明提到的方法具有成本低、性能好、绿色低碳等优点。
本发明采用的技术方案：一种全固废超高性能混凝土，包括全固废贝利特硫铝酸盐水泥、粉煤灰、硅灰、煤气化渣、钢渣细骨料、钢渣粗骨料、废旧轮胎钢纤维、中水、减水剂；按质量份数计数，全固废贝利特硫铝酸盐水泥19.8份、粉煤灰4.3份、硅灰2.8份、煤气化渣1.4份、钢渣细骨料24.8份、钢渣粗骨料33.1份、废旧轮胎钢纤维7.9份、中水5.6份、减水剂0.3份。
各材料的作用如下：全固废贝利特硫铝酸盐水泥性能优异，其性能远超52.5硅酸盐水泥，其作用是将其它各原料紧密地胶结起来，形成坚固的混凝土。 粉煤灰是用于调节超高性能混凝土的流动性、缓凝性和抗裂，并且还能填充超高性能混凝土内部的中孔隙，提高混凝土的密实程度和抗渗性 。煤气化渣含有活性硅酸盐与铝酸盐，其不仅起到填充超高性能混凝土内部中孔隙的作用，其水化后可进一步填充混凝土内的微小细孔，进一步提高混凝土的密实程度，从而提高混凝土的力学性能和抗渗性。硅灰一种超细粉末，其作用填充超高性能混凝土中的微小孔，提高混凝土的密实程度和抗渗性。钢渣细骨料、钢渣粗骨料是超高性能混凝土的主要强度来源，并且钢渣细骨料、钢渣粗骨料颗粒表面形状较好，表面平滑、无粉尘，并且具有较高的机械强度和韧性，这些特点有利于骨料颗粒在混凝土中的紧密结合，可有效提高混凝土的强度。废旧轮胎钢纤维能够分散在超高性能混凝土中，形成三维网状结构，可以显著提高混凝土的抗裂性能、抗压强度、抗拉强度、韧性和耐久性，使其具备更好的综合性能。减水剂的使用可大幅减少水的使用量，能够使混凝土的使用性能得到充分发挥，提高混凝土的工作性能、力学性能和耐久性。
作为优选，全固废贝利特硫铝酸盐水泥中硅酸二钙含量为58%，硫铝酸四钙含量为31%，二水石膏含量为10%；粉煤灰中Al2O3含量为48%，SiO2含量为43%烧失量为1.3%；硅灰中SiO2含量为94.5%，烧失量为0.8%；煤气化渣中SiO2含量为52%，Al2O3含量为18.3%，CaO含量为8%，Fe2O3含量为11.7%，烧失量为22.1%；钢渣细骨料、钢渣粗骨料中SiO2含量为60.4%，Fe2O3含量为在13.2%；减水剂为聚羧酸高效减水剂。
作为优选，全固废贝利特硫铝酸盐水泥、粉煤灰、硅灰、煤气化渣均过200目方孔筛，其中全固废贝利特硫铝酸盐水泥的平均粒径为46μm，煤气化渣平均粒径16μm，粉煤灰平均粒径为10μm，硅灰平均粒径为0.8μm，废旧轮胎钢纤维直径为0.3mm，长度为6-15mm，钢渣粗骨料粒径为5-10mm，钢渣细骨料粒径为0.5-3mm。
上述一种全固废超高性能混凝土的制备方法，包括以下步骤：
第一步：将全固废贝利特硫铝酸盐水泥、粉煤灰、硅灰和煤气化渣按比例倒入单扇搅拌锅中进行低速拌合，搅合时间为4min，拌合速度为140r/min；
第二步：待水泥和掺合料拌合均匀后，将钢渣粗骨料和钢渣细骨料倒入搅拌锅中继续进行低速拌合，拌合时间为3min；拌合速度为140r/min；
第三步：待钢渣粗骨料、钢渣细骨料、水泥和掺合料拌合均匀后，缓慢将减水剂和中水的混合溶液倒入搅拌锅中进行低速拌合，搅合时间为2min，拌合速度为140r/min；
第四步：将废旧轮胎钢纤维缓慢倒入搅拌锅内进行拌合，废旧轮胎钢纤维掺入后先低速拌合3min然后再快速拌合1min，低速拌合的拌合速度为140r/min，快速拌合的拌合速度为280r/min；
第五步：待拌合结束后，将拌合好的混凝土分多次浇筑入模具当中，每次混凝土浇筑后都要进行充分震动，将混凝土中的气泡排，混凝土的震动总时长控制在3-4min，混凝土浇筑完成后放入标准养护箱中，设置养护温度为20±2℃，湿度大于95%，养护至规定的龄期后取出进行测试。
作为优选，所述全固废贝利特硫铝酸盐水泥的制备方法为：所述全固废贝利特硫铝酸盐水泥由全固废贝利特硫铝酸盐水泥熟料制成，制备全固废贝利特硫铝酸盐水泥熟料的原料包括煤矸石、粉煤灰、煤气化渣、电石渣和脱硫石膏，按质量份数计算，煤矸石20份，粉煤灰10份，煤气化渣5份，电石渣45份，脱硫石膏20份。将煤矸石、粉煤灰、煤气化渣、电石渣和脱硫石膏按比例混合并添加10%的水，然后利用压饼机将材料压制成Φ70×5mm的试饼，然后利用高温炉将试饼进行煅烧，煅烧温度为1280℃，煅烧时间为40min，即制得全固废贝利特硫铝酸盐水泥熟料，然后将熟料进行研磨并过200目方孔筛，最后将过筛的水泥熟料与脱硫石膏按96：4的比例混合即制得全固废贝利特硫铝酸盐水泥。
各材料作用如下：电石渣作为钙质材料为水泥熟料提供CaO，煤矸石和粉煤灰作为硅铝质材料为水泥熟料提供SiO2和 Al2O3，其中粉煤灰可以提高熟料的易烧性，煤气化渣主要是为熟料提供一定量的Fe2O3，并可提高熟料的易烧行，脱硫石膏作为硫质材料为水泥熟料提供SO3。
作为优选，所述全固废贝利特硫铝酸盐水泥熟料中：煤矸石中SiO2含量为46.5%，Al2O3含量为48.3%,烧失量为25.4%；粉煤灰中Al2O3含量为48%，SiO2含量为43%，烧失量为1.3%；煤气化渣中SiO2含量为52%，Al2O3含量为18.3%，CaO含量为8%，Fe2O3含量为11.7%，烧失量为22.1%；电石渣中氧化钙含量为94.5%，烧失量为22.1%；脱硫石膏中SO3含量为54.9%，CaO含量为41.4%，烧失量为12.1%。
作为优选，所述全固废贝利特硫铝酸盐水泥熟料中：煤矸石和煤气化渣需进行研磨并过200目方孔筛，筛余量小于5%；所述粉煤灰、电石渣和脱硫石膏也需过200目方孔筛，筛余量小于5%。
有益效果：本发明全固废超高性能混凝土制备方法可以实现利用固废制备超高性能混凝土替代现有高造价的市售超高性能混凝土，同时全固废超高性能混凝土的原料取自固废，这在降低超高性能混凝土制备成本同时，还能促进工业固废的高值化利用，从而实现绿色、低碳生产的目标。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对该发明做进一步说明。
实施例：本发明全固废超高性能混凝土的制备方法为：
第一步：制备全固废贝利特硫铝酸盐水泥熟料的原料包括煤矸石、粉煤灰、煤气化渣、电石渣和脱硫石膏。先使用破碎机将煤矸石、煤气化渣至直径小于20mm的小块，然后分别放入实验水泥磨中粉磨80min，取出后过200目方孔筛；电石渣、粉煤灰、脱硫石膏不用粉磨直接过200目筛。煤矸石、电石渣、粉煤灰、煤气化渣和脱硫石膏按质量份数计算，煤矸石20份，粉煤灰10份，煤气化渣5份，电石渣45份，脱硫石膏20份。将煤矸石、粉煤灰、煤气化渣、电石渣和脱硫石膏按比例混合并添加10%的水，然后利用压饼机将材料压制成Φ70×5mm的试饼，然后利用高温炉将试饼进行煅烧，煅烧温度为1280℃，煅烧时间为40min，即制得全固废贝利特硫铝酸盐水泥熟料，然后利用水泥试验磨将熟料进行研磨40min，并过200目方孔筛，最后将过筛的水泥熟料与脱硫石膏按96：4的比例混合即制得全固废贝利特硫铝酸盐水泥。
第二步：按质量份数计，将19.8份的全固废贝利特硫铝酸盐水泥、4.3份的粉煤灰、2.8份的硅灰、1.4份的煤气化渣倒入单搅拌锅中进行低速拌合，搅合时间为4min，拌合速度为140r/min；
第三步：待水泥和掺合料拌合均匀后，将24.8份的钢渣细骨料、33.1份的钢渣粗骨料倒入搅拌锅中继续进行低速拌合，拌合时间为3min；拌合速度为140r/min；
第四步：待骨料、水泥和掺合料拌合均匀后，将5.6份的中水和0.3份的减水剂进行混合，然后缓慢将混合溶液倒入搅拌锅中进行低速拌合，搅合时间为2min，拌合速度为140r/min；
第五步：将7.9份的废旧轮胎钢纤维缓慢倒入搅拌锅内进行拌合，钢纤维掺入后先低速拌合3min然后再快速拌合1min，低速拌合的拌合速度为140r/min，快速拌合的拌合速度为280r/min；
第六步：待拌合结束后，将拌合好的混凝土分多次浇筑入模具当中，每次混凝土浇筑后都要进行充分震动，将混凝土中的气泡排，混凝土的震动总时长控制在3-4min，混凝土浇筑完成后放入标准养护箱中，设置养护温度为20±2℃，湿度大于95%，养护至规定的龄期后取出进行按着测试规范进行强度测试。经测试，全固废超高性能混凝土性能如表1、表2和表3所示。
表1 全固废超高性能混凝土抗压强度
表2 全固废超高性能混凝土抗拉强度
表3 全固废超高性能混凝土极限拉应变
应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，对原料配比做出适当调整以改进和优化全固废超高性能混凝土的性能，在没有做出创造性劳动前提下的这些改进和优化也应视为本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种全固废超高性能混凝土，其特征在于：包括全固废贝利特硫铝酸盐水泥、粉煤灰、硅灰、煤气化渣、钢渣细骨料、钢渣粗骨料、废旧轮胎钢纤维、中水、减水剂；按质量份数计数，全固废贝利特硫铝酸盐水泥19.8份、粉煤灰4.3份、硅灰2.8份、煤气化渣1.4份、钢渣细骨料24.8份、钢渣粗骨料33.1份、废旧轮胎钢纤维7.9份、中水5.6份、减水剂0.3份；
所述全固废贝利特硫铝酸盐水泥的制备方法为：
所述全固废贝利特硫铝酸盐水泥由全固废贝利特硫铝酸盐水泥熟料制成，制备全固废贝利特硫铝酸盐水泥熟料的原料包括煤矸石、粉煤灰、煤气化渣、电石渣和脱硫石膏，按质量份数计算，煤矸石20份，粉煤灰10份，煤气化渣5份，电石渣45份，脱硫石膏20份；将煤矸石、粉煤灰、煤气化渣、电石渣和脱硫石膏按比例混合，然后经40min的1280℃高温煅烧，即制得全固废贝利特硫铝酸盐水泥熟料，然后将熟料进行研磨并过200目方孔筛，将过筛的水泥熟料与脱硫石膏按96：4的比例混合即制得全固废贝利特硫铝酸盐水泥。
2.根据权利要求1所述的一种全固废超高性能混凝土，其特征在于：所述全固废贝利特硫铝酸盐水泥中硅酸二钙含量为58%，硫铝酸四钙含量为31%，二水石膏含量为10%；所述粉煤灰中Al2O3含量为48%，SiO2含量为43%烧失量为1.3%；所述硅灰中SiO2含量为94.5%，烧失量为0.8%；所述煤气化渣中SiO2含量为52%，Al2O3含量为18.3%，CaO含量为8%，Fe2O3含量为11.7%，烧失量为22.1%；所述钢渣细骨料、钢渣粗骨料中SiO2含量为60.4%，Fe2O3含量为13.2%；所述减水剂为聚羧酸高效减水剂。
3.根据权利要求1所述的一种全固废超高性能混凝土，其特征在于：所述全固废贝利特硫铝酸盐水泥、粉煤灰、硅灰、煤气化渣均过200目方孔筛，其中全固废贝利特硫铝酸盐水泥的平均粒径为46μm，煤气化渣平均粒径16μm，粉煤灰平均粒径为10μm，硅灰平均粒径为0.5μm；所述废旧轮胎钢纤维直径为0.3m，长度为6-15mm，所述钢渣粗骨料粒径为5-10mm，所述钢渣细骨料粒径为0.5-3mm。
4.根据权利要求1、2或3所述一种全固废超高性能混凝土的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
（1）将全固废贝利特硫铝酸盐水泥、粉煤灰、硅灰和煤气化渣按比例倒入单扇搅拌锅中进行低速拌合，搅合时间为4min，拌合速度为140r/min；
（2）待水泥和掺合料拌合均匀后，将钢渣粗骨料和钢渣细骨料倒入搅拌锅中继续进行低速拌合，拌合时间为3min；拌合速度为140r/min；
（3）待钢渣粗骨料、钢渣细骨料、水泥和掺合料拌合均匀后，缓慢将减水剂和中水的混合溶液倒入搅拌锅中进行低速拌合，搅合时间为2min，拌合速度为140r/min；
（4）将废旧轮胎钢纤维缓慢倒入搅拌锅内进行拌合，废旧轮胎钢纤维掺入后先低速拌合3min然后再快速拌合1min，低速拌合的拌合速度为140r/min，快速拌合的拌合速度为280r/min；
（5）待拌合结束后，将拌合好的混凝土分多次浇筑入模具当中，每次混凝土浇筑后都要进行充分震动，将混凝土中的气泡排，混凝土的震动总时长控制在3-4min，混凝土浇筑完成后放入标准养护箱中，设置养护温度为20±2℃，湿度大于95%，养护至规定的龄期后取出进行测试。
5.根据权利要求4所述一种全固废超高性能混凝土的制备方法，其特征在于：所述全固废贝利特硫铝酸盐水泥熟料中：煤矸石中SiO2含量为46.5%，Al2O3含量为48.3%,烧失量为25.4%；粉煤灰中Al2O3含量为48%，SiO2含量为43%，烧失量为1.3%；煤气化渣中SiO2含量为52%，Al2O3含量为18.3%，CaO含量为8%，Fe2O3含量为11.7%，烧失量为22.1%；电石渣中氧化钙含量为94.5%，烧失量为22.1%；脱硫石膏中SO3含量为54.9%，CaO含量为41.4%，烧失量为12.1%。
6.根据权利要求5所述一种全固废超高性能混凝土的制备方法，其特征在于：所述全固废贝利特硫铝酸盐水泥熟料中：煤矸石和煤气化渣需进行研磨并过200目方孔筛，筛余量小于5%；所述粉煤灰、电石渣和脱硫石膏也需过200目方孔筛，筛余量小于5%。
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