一種混凝土摻合料及其製備方法與流程
2023-05-01 14:58:21 1
本發明屬於建築材料技術和環保技術領域，具體涉及一種節能環保並能提高混凝土抗滲性的摻合料及其製備方法。
背景技術：
混凝土是指由膠凝材料將骨料膠結成整體的工程複合材料的統稱。通常講的混凝土是指用水泥作膠凝材料，砂、石作骨料，與水、摻合料或外加劑按一定比例配合，經攪拌而得的水泥混凝土，也稱普通混凝土，它廣泛應用於土木工程。
目前，水泥的生產過程是將礦石研磨成粉，煅燒後再用球磨機研磨而成，而隨著混凝土用量的逐年增加，許多地方的天然礦石資源出現了匱乏；為了降低水泥的生產成本，減少混凝土中水泥的用量，改善混凝土性能，節約用水，通常在混凝土的膠凝材料中摻入天然的或人工的能改善混凝土性能的粉狀礦物質做摻合料，常用的混凝摻合料有粉煤灰、粒化高爐礦渣、火山灰類等物質，尤其是粉煤灰、超細粒化電爐礦渣、矽灰等應用效果良好。然而，單獨的粉煤灰、超細粒化電爐礦渣或矽灰並不能十分有效的提升混凝土的工作性能，配比不合理的摻合料不僅不能降低膠凝材料的生產成本，還起不到合理優化混凝土工作性能的作用，因此，如何選擇合適的原料作為摻合料並改良摻合料中各原料的配比，使所得的摻合料既能充分利用廢棄物，有效降低水泥的生產成本，產生環境及經濟方面的效益，又能增加混凝土的抗滲性、坍落度、可泵性等工作性能是本發明的研究目的。
技術實現要素：
為了解決現有技術存在的上述問題，本發明提供了一種混凝土摻合料及其製備方法，採用本發明的摻合料製備混凝土不僅節能、環保，可減少30％的水泥用量還能提高混凝土的抗滲性。
本發明所採用的技術方案為：
一種混凝土摻合料，包括以下重量份的原料：
石灰石粉44-66份、粉煤灰24-36份、磷渣16-24份、矽灰4-6份。
本發明選擇石灰石粉作為摻合料的主要成分，以粉煤灰、磷渣和矽灰作為輔料，其中粉煤灰、磷渣和矽灰均為工業廢料，存放需佔用大量土地並產生有汙染的廢水，磷渣久置還會產生廢氣，因此採用粉煤灰、磷渣和矽灰作為輔料可以實現廢料再利用，有效的降低廢棄物的產生。
其中，粉煤灰可節約大量的水泥和細骨料，減少用水量，改善混凝土拌和物的和易性，增強混凝土的可泵性，減少混凝土的徐變，減少水化熱、熱能膨脹性，提高混凝土抗滲能力，增加混凝土的修飾性；
磷渣具有較高的礦物活性。不具備水硬活性，摻入混凝土後，必須被水泥中水泥熟料(水泥熟料是以石灰石和粘土、鐵質原料為主要原料，按適當比例配製成生料，燒至部分或全部熔融，並經冷卻而獲得的半成品。矽酸鹽水泥熟料加適量石膏共同磨細後，即成矽酸鹽水泥)的水化產物氫氧化鈣鹼性激發才能產生水化反應，生成膠凝性水化產物，因此磷渣的水化比水泥熟料慢，另一方面磷渣對水泥混凝土具有緩凝作用，因而使磷渣混凝土早期強度有所降低。不過若水泥早期水化被抑制，其晶體「生長發育」條件好，使水化產物的質量顯著提高，水泥石結構更加緊密，內部孔隙率下降，氣孔直徑變小，因而對混凝土後期強度發展有利，從而使混凝土後期強度提高。此外，磷渣具有較高的活性，其二次水化反應會提高水泥石強度，改善界面結構和孔徑分布，使混凝土後期強度提高；微觀機理研究證明，磷渣粉摻入水泥漿體後，能顯著地改善硬化漿體的孔結構，使大孔減少，小孔增多，磷渣粉漿體的Ca(OH)2顯著減少，C-S-H增多，結構緻密，強度增加；
矽灰能夠填充水泥顆粒間的孔隙，同時與水化產物生成凝膠體，與鹼性材料氧化鎂反應生成凝膠體，提高混凝土的流變性能，顯著提高抗壓、抗折、抗滲、防腐、抗衝擊及耐磨性能等；
因此，採用粉煤灰、磷渣和矽灰作為輔料既能充分利用廢棄物，又能產生環境及經濟方面的效益。
本發明中的石灰石粉用於增強混凝土的強度，其對混凝土強度性能的影響主要通過三大效應來表現，即加速水化效應、活性效應和顆粒形貌效應。其中加速水化效應和活性效應的貢獻主要表現在早期，石灰石粉的加速水化效應由其顆粒大小決定，細顆粒越多，加速水化效應越明顯，將石灰石粉作為混凝土摻合料的使用可以加速水泥水化；活性效應除了與顆粒大小有關以外更主要受其成分影響，本發明將石灰石粉與粉煤灰、磷渣和矽灰按上述重量份進行配比，可有效的提高混凝土的活性；石灰石粉的顆粒形貌效應具有形態效應和填充效應，其中形態效應表現在石灰石粉本身的多孔特性具有吸水效應，使得石屑混凝土的實際水灰比(水灰比是指混凝土中水的用量與水泥用量的重量比值)小於同配比的普通混凝土，使得混凝土的保水性增強，泌水率減小，減少了自由水在界面上的聚集，因而有利於漿-骨界面的改善；由於石屑表面粗糙，帶有尖銳稜角，石灰石粉不但可使得集料與漿體的咬合力得到增強，而且有利於漿-骨界面的改善；填充效應會對粉體材料的堆積密度產生影響，從而影響混凝土拌合物的流動性、密實度，表現為對孔隙率和強度的影響，當石灰石粉的顆粒細度小於水泥的顆粒細度時，可以有效填充水泥顆粒之間的縫隙，增加混凝土的密實性。
本發明採用上述重量份的配比得到的摻合料在達到相同的工作性能的條件下，用於泵送混凝土時可降低15-60％的水泥用量，平均可減少30％的水泥用量，因此，從客觀上來講可降低生產水泥過程中的能耗及汙染排放；使用本發明的摻合料可增加混凝土的抗滲性、坍落度、擴展度和泌水性，降低混凝土的粘性從而提高可泵性。
優選地：一種混凝土摻合料，包括以下重量份的原料：
石灰石粉49.5-60.5份、粉煤灰27-33份、磷渣18-22份、矽灰4.5-5.5份。
進一步地：一種混凝土摻合料，包括以下重量份的原料：
石灰石粉55份、粉煤灰30份、磷渣20份、矽灰5份。
優選地：所述石灰石粉中碳酸鈣的含量大於等於75％。
其中碳酸鈣含量的測試方法應按1.785倍CaO含量折算，CaO含量應按現行國家標準《建材用石灰石、生石灰和熟石灰化學分析方法》GB/T5762測定。
優選地：所述粉煤灰的燒失量小於等於8％。
燒失量(Loss on ignition，縮寫為LOI)，即將在105-110℃烘乾的原料在1000-1100℃灼燒後失去的重量百分比。原料燒失量的分析有其特殊意義。它表徵原料加熱分解的氣態產物(如H2O、CO2等)和有機質含量的多少，從而可以判斷原料在使用時是否需要預先對其進行煅燒，使原料體積穩定。
優選地：所述磷渣中磷渣粉的CaO和SiO2的平均含量大於等於80％。
優選地：所述矽灰中SiO2的含量大於等於80％。
一種混凝土摻合料的製備方法，包括以下步驟：
(1)將上述重量份的石灰石粉、粉煤灰、磷渣和矽灰進行烘乾；
(2)將烘乾後的各原料分別進行粉碎，得各原料的微粒；
(3)將所述各原料的微粒混合均勻，即得混凝土摻合料。
優選地：步驟(1)中所述烘乾為在100-105℃下烘至各原料中水分含量小於等於4％。
優選地：步驟(2)中所述石灰石粉、粉煤灰、磷渣的微粒粒徑小於100μm，所述矽灰的微粒粒徑為0.1-1μm。
一種所述混凝土摻合料的使用方法，為將所述混凝土摻合料與水泥以3-12：20的重量比進行摻配，其中所述混凝土摻合料的粒徑小於所述水泥的粒徑。
石粉是石頭的粉末的通稱，分為麥飯石粉、重鈣粉、滑石粉、白雲石粉、膩子粉等等，石粉用途廣泛，用其製造的產品在我們的生活中無處不見，例如：塑料、鈣片、化妝品、衣服、牙膏等等。
粉煤灰是從煤燃燒後的煙氣中收捕下來的細灰，粉煤灰是燃煤電廠排出的主要固體廢物。我國火電廠粉煤灰的主要氧化物組成為：SiO2、Al2O3、FeO、Fe2O3、CaO、TiO2等。
磷渣是電爐法製取黃磷時得到的一種經冷淬處理後的工業廢渣-粒化電爐磷渣，簡稱磷渣。其主要成分為矽酸鹽玻璃體，主要化學成分是CaO、SiO2、Al2O3，此外還有少量的TiO2、Fe2O3、P2O5、MgO、F以及微量的MnO、K2O、Na2O，具有較高的潛在水化活性。
矽灰又叫微矽粉或凝聚矽灰，是鐵合金在冶煉矽鐵和工業矽(金屬矽)時，礦熱電爐內產生出大量揮發性很強的SiO2和Si氣體，氣體排放後與空氣迅速氧化冷凝沉澱而成。
本發明的有益效果為：
1、減少水泥用量：在達到相同工作性能的的條件下，將本發明的摻合料應用於泵送混凝土時可降低15％-60％的水泥用量，平均可減少30％的水泥用量，客觀上降低了生產水泥過程中的能耗及汙染排放；
2、合理利用廢棄物：本發明中所用到粉煤灰、磷渣和矽灰均為工業廢料，存放需佔用大量土地並產生有汙染的廢水，磷渣久置還會產生廢氣，因此採用粉煤灰、磷渣和矽灰作為輔料可以有效的降低廢棄物的產生；
3、增加混凝土的抗滲性：使用本產品進行20-40％的摻量等同於摻用抗滲外加劑(UEA膨脹劑)的混凝土的抗滲能力，採用本產品可直接配製抗滲要求達到P10的抗滲等級。
4、優化混凝土的工作性能：降低水泥的用量，增加摻合料的細度從而提高混凝土的坍落度、擴展度和泌水性，降低混凝土的粘性進而提高混凝土的可泵性。試驗結果顯示，採用本發明摻合料的混凝土其2cm坍落度損失與基準混凝土相比時間延長1-3倍。
綜上所述，本發明的有益效果為合理利用廢物，節能、環保且可提高混凝土的抗滲性，優化混凝土的工作性能。
具體實施方式
為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚，下面將對本發明的技術方案進行詳細的描述。顯然，所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基於本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動的前提下所得到的所有其它實施方式，都屬於本發明所保護的範圍。
以下實施例中所用到的粉煤灰由上海微析科技有限公司提供；磷渣粉由貴州甕福磷礦所提供；矽灰由貴州信達爐料公司提供；石灰石粉為自行研磨，成品標準如下表所示：
實施例1
一種混凝土摻合料，包括以下重量份的原料：
石灰石粉44份、粉煤灰24份、磷渣16份、矽灰4份。
上述原料中各指標如下所示：
石灰石粉中碳酸鈣的含量為75％；所述粉煤灰的燒失量為8％；所述磷渣中磷渣粉的CaO和SiO2的平均含量為80％；所述矽灰中SiO2的含量為80％；
一種混凝土摻合料的製備方法，包括以下步驟：
(1)將上述重量份的石灰石粉、粉煤灰、磷渣和矽灰在100℃下烘至各原料中水分含量為4％；
(2)將烘乾後的石灰石粉、粉煤灰、磷渣分別進行粉碎至粒徑為100μm，將烘乾後的矽灰粉碎至粒徑為1μm，得各原料的微粒；
(3)將所述各原料的微粒混合均勻，即得混凝土摻合料。
實施例2
一種混凝土摻合料，包括以下重量份的原料：
石灰石粉49.5份、粉煤灰27份、磷渣18份、矽灰4.5份。
上述原料中各指標如下所示：
石灰石粉中碳酸鈣的含量為78％；所述粉煤灰的燒失量為7％；所述磷渣中磷渣粉的CaO和SiO2的平均含量為81％；所述矽灰中SiO2的含量為81％；
一種混凝土摻合料的製備方法，包括以下步驟：
(1)將上述重量份的石灰石粉、粉煤灰、磷渣和矽灰在100℃下烘至各原料中水分含量為4％；
(2)將烘乾後的石灰石粉、粉煤灰、磷渣分別進行粉碎至粒徑為80μm，將烘乾後的矽灰粉碎至粒徑為0.1μm，得各原料的微粒；
(3)將所述各原料的微粒混合均勻，即得混凝土摻合料。
實施例3
進一步地：一種混凝土摻合料，包括以下重量份的原料：
石灰石粉55份、粉煤灰30份、磷渣20份、矽灰5份。
上述原料中各指標如下所示：
石灰石粉中碳酸鈣的含量為79％；所述粉煤灰的燒失量為6％；所述磷渣中磷渣粉的CaO和SiO2的平均含量為82％；所述矽灰中SiO2的含量為82％；
一種混凝土摻合料的製備方法，包括以下步驟：
(1)將上述重量份的石灰石粉、粉煤灰、磷渣和矽灰在102℃下烘至各原料中水分含量為3％；
(2)將烘乾後的石灰石粉、粉煤灰、磷渣分別進行粉碎至粒徑為70μm，將烘乾後的矽灰粉碎至粒徑為0.1μm，得各原料的微粒；
(3)將所述各原料的微粒混合均勻，即得混凝土摻合料。
實施例4
一種混凝土摻合料，包括以下重量份的原料：
石灰石粉60.5份、粉煤灰33份、磷渣22份、矽灰5.5份。
上述原料中各指標如下所示：
石灰石粉中碳酸鈣的含量為80％；所述粉煤灰的燒失量為5％；所述磷渣中磷渣粉的CaO和SiO2的平均含量為83％；所述矽灰中SiO2的含量為83％；
一種混凝土摻合料的製備方法，包括以下步驟：
(1)將上述重量份的石灰石粉、粉煤灰、磷渣和矽灰在104℃下烘至各原料中水分含量為3％；
(2)將烘乾後的石灰石粉、粉煤灰、磷渣分別進行粉碎至粒徑為60μm，將烘乾後的矽灰粉碎至粒徑為0.1μm，得各原料的微粒；
(3)將所述各原料的微粒混合均勻，即得混凝土摻合料。
實施例5
一種混凝土摻合料，包括以下重量份的原料：
石灰石粉66份、粉煤灰36份、磷渣24份、矽灰6份。
上述原料中各指標如下所示：
石灰石粉中碳酸鈣的含量為81％；所述粉煤灰的燒失量為4％；所述磷渣中磷渣粉的CaO和SiO2的平均含量為85％；所述矽灰中SiO2的含量為85％；
一種混凝土摻合料的製備方法，包括以下步驟：
(1)將上述重量份的石灰石粉、粉煤灰、磷渣和矽灰在105℃下烘至各原料中水分含量為2％；
(2)將烘乾後的石灰石粉、粉煤灰、磷渣分別進行粉碎至粒徑為60μm，將烘乾後的矽灰粉碎至粒徑為0.1μm，得各原料的微粒；
(3)將所述各原料的微粒混合均勻，即得混凝土摻合料。
實驗證明：
下面對本發明實施例3得到的摻合料進行工作性能驗證，選用強度為42.5的普通矽酸鹽水泥作為水泥基材配製混凝土，其中本發明實施例3的摻合料與水泥基材料的摻配範圍為20％-40％，設置對照組，對照組為不使用本發明的摻合料而摻用等量的UEA膨脹劑作為抗滲外加劑，混凝土的抗滲性用抗滲等級(P)或滲透係數來表示。我國標準採用抗滲等級。抗滲等級是以28d齡期的標準試件，按標準試驗方法進行試驗時所能承受的最大水壓力來確定。按照GB50164《混凝土質量控制標準》進行測試，測試結果根據混凝土試件在抗滲試驗時所能承受的最大水壓力，混凝土的抗滲等級劃分為P4、P6、P8、P10、P12等五個等級。檢測所製得的混凝土的抗滲性結果如下：
由上表可以看出，使用本發明摻合料進行20-40％的摻量時與不使用本產品而摻用抗滲外加劑的混凝土抗滲能力相同，使用本產品可直接配製抗滲要求達到P10的抗滲等級。
以上所述，僅為本發明的具體實施方式，但本發明的保護範圍並不局限於此，任何熟悉本技術領域的技術人員在本發明揭露的技術範圍內，可輕易想到變化或替換，都應涵蓋在本發明的保護範圍之內。因此，本發明的保護範圍應以所述權利要求的保護範圍為準。